汽車主軸帶輪軸機器人打磨技術研究及應用

余穩勝，段海峰，黃凌森，柯世金

(廣州城市理工學院機械工程學院，廣東廣州 510800)

0 前言

目前國內大部分工廠，包括一些大型的機加工制造公司，對一些機加工典型零件進行去毛刺、打磨拋光加工作業時，采用的是手工或者使用手持氣動、電動工具進行打磨、研磨、銼等方式。這些操作方法容易導致產品不良率上升、效率低、加工后的產品表面粗糙不均勻等問題，且隨著人工成本的增加，人工去毛刺的成本已經不再低廉，所以一部分廠家開始嘗試使用機器人對零件進行去毛刺處理，以達到降低成本、提高效率的目的。

1 CTF25主軸帶輪軸機器人打磨整體規劃

以汽車零部件CTF25主軸帶輪軸為例，經過精加工后，CTF25主軸帶輪軸需要進行去毛刺、打磨清理，以保證其裝配精度。其去毛刺、打磨工藝特性如圖1所示。毛刺清理、打磨需要完成主動輪的球道輪廓邊緣、36個齒側、 D6孔底的毛刺清理以及深孔內的鐵屑去除，實現機加工位置表面粗糙度大于3.2 μm，達到目視無毛刺，用手撫摸無臺階、不扎手以及深孔內無鐵屑殘留的去毛刺標準。

圖1 CTF25主軸帶輪軸打磨工藝特性

1.1 CTF25主軸帶輪軸機器人打磨系統組成及工藝流程

根據汽車零部件CTF25主軸帶輪軸的去毛刺、打磨要求以及機器人打磨工藝需求，整個打磨過程有3個工藝流程，如圖2所示。具體分別為

圖2 CTF25主軸帶輪軸機器人打磨工藝流程

(1)采用底孔去毛刺刀進行D6相貫孔孔底毛刺清理；

(2)采用主軸帶輪軸夾具孔定位銷釘對CTF25主軸帶輪軸的深孔吹氣，吹走深孔內殘留的鐵屑；

(3)采用三刃球形錐度刀進行球道輪廓邊緣和36個齒側的毛刺清理。

1.2 機器人打磨整體方案設計

汽車零部件CTF25主軸帶輪軸機器人打磨系統整體設計方案如圖3所示。打磨設備主要由六大部分組成：設備本體機架及機器人底座、斷刀檢測及吹屑裝置、六軸多關節機器人、浮動主軸、控制電箱、主軸帶輪軸夾具。

圖3 機器人打磨設備整體設計方案

設備本體機架及機器人底座為整套裝置的基體，控制電箱負責整套裝置的控制，這里不作分析。CTF25主軸帶輪軸打磨工藝需要2種不同的打磨方式，即需要同時安裝底孔去毛刺刀和三刃球形錐度刀，故此系統選用雙頭的浮動主軸，安裝在六軸多關節機器人手爪末端，并根據需要旋轉浮動主軸，選擇合適的刀具對CTF25主軸帶輪軸進行不同工序的打磨清理。斷刀檢測及吹屑裝置負責對安裝在浮動主軸上的刀具進行斷刀檢測，并根據檢測結果判斷斷刀報警或吹去刀具上的切屑。主軸帶輪軸夾具負責配合打磨機器人對汽車零部件CTF25主軸帶輪軸進行裝夾定位，并實現去毛刺過程中主軸帶輪軸的上下移，球道輪廓邊緣和D6相貫孔孔底毛刺清理時的位置定位，36個齒側毛刺清理時的旋轉分度和定位以及對CTF25主軸帶輪軸的深孔吹氣，以吹走深孔內殘留的鐵屑。

2 主軸帶輪軸夾具結構及工作原理

主軸帶輪軸機器人打磨工藝需要機器人完成3個流程，而這個過程需要對主軸帶輪軸進行相應的裝夾和位置定位，以便機器人帶動刀具對相應位置進行打磨。據此,設計主軸帶輪軸夾具如圖4所示。

圖4 CTF25主軸帶輪軸夾具設計方案

該夾具由定位銷、V形支撐定位塊、氣缸、導軌副、軸承座、同步輪、同步帶、伺服電機等組成。采用多個氣缸驅動，通過導軌副完成左頂緊銷和齒輪定位圈的滑動定位。初始裝夾時，采用V形定位塊放置主軸帶輪軸的細軸部分，再由左、右頂緊銷進行兩端固定，當V形定位塊在V形塊頂升氣缸作用下下移后，主軸帶輪軸可以在伺服電機和同步輪作用下旋轉，從而實現36個齒側毛刺清理時主軸帶輪軸的旋轉分度和定位。

工件齒輪定位方法：當齒輪定位圈氣缸伸出，伺服電機帶動工件緩慢旋轉，直至齒輪定位塊與工件齒吻合；當伺服電機旋轉到兩個吻合的位置時，齒輪定位圈氣缸即可伸到底，氣缸磁感開關輸出齒輪定位完成信號，機器人即可開始打磨齒輪邊緣。

孔定位銷釘可以在孔定位氣缸作用下伸入和撤出D6相貫孔。因此，在安裝主軸帶輪軸時，可以先將孔定位銷釘部分伸入工件孔中，完成初始定位，工作時再撤回孔定位銷釘，并以該初始定位為標準，旋轉主軸帶輪軸，將主軸帶輪軸上球道輪廓邊緣旋轉到最上端，實現機器人打磨球道輪廓邊緣和D6相貫孔孔底。

另外，孔定位銷釘內設計為中空，可以作為氣嘴進行吹氣。完成D6相貫孔孔底的毛刺清理后，可將孔定位銷釘伸入主軸帶輪軸的D6相貫孔內吹氣，以將主軸帶輪軸深孔里的鐵屑吹出。CTF25主軸帶輪軸夾具實物如圖5所示。

圖5 CTF25主軸帶輪軸夾具實物

3 機器人打磨工藝細節設計

3.1 機器人、浮動主軸選型及整套裝置實物

根據整套打磨系統的設計方案、打磨工藝以及CTF25主軸帶輪軸夾具設計方案，設計機器人打磨設備實物如圖6所示。機器人選用那智7 kg六軸機器人(型號為MZ07)，采用雙浮動主軸、雙刀具，分別用于去除工件球道輪廓邊緣、36個齒側及D6相貫孔孔底存在的毛刺。浮動主軸選擇日本太威的AF30，其速度高，可自適應產品公差，主軸可在軸向360°內任意偏擺，方便打磨刀具以任意角度打磨CTF25主軸帶輪軸，極大地降低機器人示教和編程難度，以提高工作效率。

圖6 CTF25主軸帶輪軸的機器人打磨設備

3.2 CTF25主軸帶輪軸的機器人打磨設備打磨工藝細節設計

分析CTF25主軸帶輪軸的機器人打磨工藝、主軸帶輪軸夾具和整套機器人打磨設備的結構原理，設計打磨工藝如圖7所示。整套方案需要主軸帶輪軸夾具和機器人相互配合完成，機器人去毛刺工藝可以分為調整定位、去除工件孔底毛刺 、吹出深孔內鐵屑、去除球道輪廓邊緣毛刺、去除工件齒輪毛刺5個工序。

圖7 CTF25主軸帶輪軸的機器人打磨工藝流程

打磨前需要操作員將CTF25主軸帶輪軸放入主軸帶輪軸夾具的V形支撐塊上，將主軸帶輪軸一端靠緊伺服端頂緊銷釘(右頂緊銷)，轉動工件，手動將孔定位銷釘插入工件孔內；操作員關上安全門，踩腳踏開關，感應器感應工件到位，設備啟動、夾具左頂銷釘氣缸伸出，將左銷釘伸入主軸帶輪軸左端孔內，頂緊主軸帶輪軸(以右邊伺服端為基準)，孔定位銷釘氣缸縮回，孔定位銷釘離開工件，V形塊頂升氣缸縮回，V形塊離開工件，完成調整定位工序；與此同時，機器人移動至斷刀檢查及刀具切削清潔處，檢測刀具是否斷刀，如發現刀具有問題，及時報警，暫停所有動作，如刀具正常，則將刀具上的毛刺吹除，將底孔去毛刺刀轉入工作位，等待進行下一個工序。

主軸帶輪軸完成調整定位且機器人刀具檢測合格后，打磨刀具開始旋轉(選用初始轉速為8 000 r/min，機器人移動到D6相貫孔處，按照機器人工作程序驅動去毛刺刀具去除工件孔底毛刺，完成去除工件孔底毛刺。

CTF25主軸帶輪軸加工深孔時容易產生銑削鐵屑殘留，去除工件孔底毛刺時，也會產生毛刺鐵屑，故還需吹出深孔內鐵屑，即去除工件孔底毛刺后，孔定位銷釘伸入工件孔中，通過吹氣將工件內鐵屑吹出，與此同時，機器人完成浮動主軸旋轉換刀，換為三刃球形錐度刀，等待進行下一個工序。

孔定位銷釘氣缸縮回，三刃球形錐度刀按照規劃路徑開始銑削去除球道輪廓邊緣毛刺。完成后，齒輪定位圈氣缸伸出，伺服電機帶動工件緩慢旋轉直至工件齒輪與齒輪定位塊咬合，工件齒輪定位完成，齒輪定位圈氣缸縮回，機器人移動，打磨工件齒輪齒側毛刺。每當機器人完成一個工件齒輪齒側的毛刺去除，機器人上移，伺服電機帶動工件旋轉10°，機器人繼續打磨，直至完成36個工件齒輪齒側的打磨工作。

打磨完成后， V形塊頂升氣缸升出，左頂銷釘，氣缸縮回，工件落至V形塊上。機器人移至初始位置，安全門氣缸縮回，安全門打開，操作員將加工好的工件取出后，再放入未加工工件，重復上述動作，直至完成生產任務。

3.3 機器人動作程序設計

整套機器人打磨系統需要機器人相繼完成移動、刀具檢測、浮動主軸換刀旋轉、刀具啟動和暫停以及高速打磨等工作，機器人需要按照一定的工作路徑工作，工作路徑規劃如圖8所示。打磨機器人主要在4個部位工作，其中點為機器人工作原點，在斷刀檢測完畢并吹去打磨刀具上的切屑后，機器人末端帶動雙浮動主軸旋轉定位，保證打磨刀具與主軸帶輪軸軸向垂直；然后，機器人末端移至點(D6相貫孔處上方)，在機器人帶動下，打磨刀具緩慢進給，上下打磨，去除D6相貫孔內的毛刺；接著，機器人末端上移至安全高度，旋轉換刀后，下移至點(球道輪廓邊緣處)，沿著軸向球道輪廓邊緣處進行左右打磨；最后，再移動至主軸帶輪軸齒輪上方點，等待主軸帶輪軸分度旋轉，每旋轉一次，打磨齒側一次，直至完成36個齒側的打磨，機器人再回到工作原點，等待下一個主軸帶輪軸的打磨。

圖8 打磨機器人工作路徑規劃

結合CTF25主軸帶輪軸夾具的相關動作以及打磨機器人工作路徑規劃，編輯機器人工作的程序。主體程序如下：

NOP

CALL JOB:HOME

DOUT OT#(10) ON //OUT10加工中

CALL JOB:DAOJIAN //調用檢刀子程序，檢測刀具有沒斷刀

WAIT IN#(13)=ON //IN13-等待啟動允許

MOVJ C00000 VJ=60.00

DOUT OT#(12) ON //OUT12-啟動打磨頭2

′POS1 KONG1 //加工孔1

DOUT OGH#(4) 1 //給定伺服位置1

TIMER T=0.200

DOUT OT#(19) ON //OUT19-啟動伺服旋轉

MOVJ C00001 VJ=60.00

WAIT IN#(15)=ON //IN15-等待伺服旋轉到位

DOUT OT#(19) OFF //OUT19-關閉伺服旋轉

CALL JOB:TY1-KONG //調用加工孔程序

……

′POS5 HOME&GEAR1

DOUT OGH#(4) 5 //給定伺服位置5

TIMER T=0.200

DOUT OT#(19) ON //OUT19-啟動伺服旋轉

MOVJ C00011 VJ=60.00

MOVJ C00012 VJ=60.00

WAIT IN#(15)=ON //IN15-等待伺服旋轉到位

DOUT OT#(19) OFF //OUT19-關閉伺服旋轉

CALL JOB:TY1-KONG //調用加工孔程序

3.4 機器人打磨系統的浮動主軸轉速設定及相應參數化補償

機器人打磨系統選用的是雙浮動主軸，采用雙刀具打磨方法，其打磨工藝、夾具設計以及機器人動作已在前面進行闡述。隨著不斷地進行打磨，刀具會不斷地磨損，從而造成打磨精度的下降，故需要進行相應的打磨補償。

采用機器人動作直接補償較為麻煩，且由于浮動主軸的特殊性，浮動刀具和工件是柔性接觸，浮動主軸轉速的變化會影響刀具的伸長量，即在一定范圍內浮動將會對軸向進行一定量的補償。由此，可以通過調整浮動主軸轉速來實現打磨工藝補償。具體方法：通過PLC與is485通信,實現浮動主軸轉速的監控和調整，頻率的設定。

主軸轉速通過變頻器的頻率設定；根據實驗找到最優起始頻率、最終頻率和遞增頻率。經過多次實驗，發現轉速為8 000～10 000 r/min時可以得到較好的打磨質量，且每打磨一次，打磨刀具會產生約0.001 mm的磨損，而轉速每增加4 r/min，浮動主軸可以增加0.001 mm的伸長量。根據這些特性，設置浮動主軸軸向補償參數如表1所示。設置其初始轉速為8 000 r/min，每打磨一次，轉速加4 r/min，實現補償尺寸0.001 mm，滿足打磨刀具打磨一次的磨損量，當其達到最大轉速10 000 r/min時，也就是打磨500個零件后，設備鈴聲提醒更換刀具，刀具更換完成后，再從8 000 r/min重新記錄。

表1 浮動主軸軸向補償參數(補償尺寸為0.001 mm)

4 結語

根據汽車零部件CTF25主軸帶輪軸打磨工藝特性，提出了機器人打磨方案，設計了一套機器人打磨設備。該設備采用雙浮動主軸及雙刀具，可實現打磨過程中自動換刀；配合專門設計的主軸帶輪軸夾具，相對應地完成去除工件球道輪廓邊緣、36個齒側及D6相貫孔孔底存在的毛刺。編輯了機器人路徑及控制程序，保證機器人按順序完成移動、刀具檢測、浮動主軸換刀旋轉、刀具啟動和暫停以及吹氣等，以實現汽車零部件CTF25主軸帶輪軸的打磨任務，降低人工成本，保證加工品質一致性，提高整體生產效率，改善工作環境。