在傳統的齒輪軸磨削加工中，會使用多臺數控機床完成整套工序，這些工序主要包括齒輪材料選材、齒輪倒角倒棱、切削、表面磨削等，很多工序主要由工人操作完成。而在加入工業機器人的汽車齒輪軸加工中，很多程序改由工業機器人操作，這不僅極大地提升了整個加工的自動化水平，還能使齒輪軸加工的效率得到大幅加強。在引入工業機器人后，由于工業機器人本身非常穩定，其穩定性能使得加工的質量更為精良，也能夠通過高度的自動化水平減少中間環節中出現的損失，能夠保證產品加工按時完成，提高效率和質量，達到生產計劃的要求。
一、自動化的上下料系統的需求
現在，在齒輪軸磨削加工行業中，大部分的工序都由引入的數控機床完成，而在數控磨床加工工序過程中，大量的程序都由人工完成。這使其存在一定的人工不確定因素。一般來說，對于每個工人來說，他們需要在操作過程中同時完成幾臺機床的操作管理，而且工作時間長，這使得工人在復雜環境、壓力大的情況下操作機床進行生產會有一些隨意性并由此產生隱患，比如在齒輪件搬運過程中可能會發生一些齒輪件損壞，產品的質量由此下降，良品率難以得到保證。伴隨社會的高速發展，企業用工難的問題逐步突出。對于工作強度大、回報率一般的齒輪軸加工企業來說，其在招工方面越來越困難，成本不斷增加。在外，企業外部存在競爭加劇等現象;在內，企業內部存在生產效率低、成本持續上升等問題。這些都使得企業在市場中越來越難以存活，因此為了企業能夠在市場中存活并發展壯大下來，通過實現磨削自動化以提高競爭力已變得迫切。
相對于人工而言，工業機器人優點眾多，不僅操作精確穩定，而且每次動作誤差均極小。工業機器人的這些優勢能在生產高質量產品的同時還可以持續地穩定產量，因此以這樣的可控式高效率生產模式能很好地降低成本。另外，機器人還能夠24h不間斷地工作，在相同時間內生產出更多的產品，特別在加工多樣性產品時，工業機器人的可編程特性更是能很好地發揮其優勢。為此，基于上述分析，提出了由機器人配合多臺數控機床來自動上下料的方案。
二、系統總體構想
上下料系統需要借助工業機器人實現自動化，一般是在周邊設備配置好的情況下配置工業機器人進行輔助，高效完成固定的搬運、上下料等操作。此齒輪磨削系統自動化程度高，組成包括數控磨床、工業機器人、料機、可編程控制器和其他設備。其中，可編程控制器是整個系統的核心部分，其在整個系統中起到信號傳遞、設備連接、通信管理等作用，在它的控制管理下，能夠使得上下料及搬運等操作在三個設備的協同下實現。總體上看，該系統具備下列優勢：
(1)全面梳理了汽車齒輪軸磨削中的加工流程，提高了自動化控制水平，更具針對性和效率性;
(2)該系統集成了送料各個功能，實現了自動化運輸、鎖緊和轉移;
(3)設計了機器人末端手爪，能24小時不間斷工作，可靠性高;
(4)改進了磨床，特別是對齒輪的抓緊方法進行了優化，實現了自動化抓齒輪;
(5)采用 VAL3編程控制，易用且擴展性強，基于此的自動化控制系統全程管理科學合理，能實現狀態監測、預測和控制。
總的來看，這種系統協同性強，能將各種功能集成控制的系統具備巨大優勢，其市場針對性強，能提高齒輪軸加工的進度和精度，助推企業向前發展。
工業機器人的設計
目前，隨著高精尖技術的發展，工業機器人發展成熟，各種機器人公司陸續出現，這些工業機器人公司以 ABB、FANUC等為代表。各家機器人公司生產的機器人針對的對象不同，這使得他們的型號不同，同時所具備的功能特點、使用方式和編程方式等也不同。所以，工業機器人的設計需要根據需要進行，在實現系統整體要求的條件下，同時參考現有成熟的機器人，可以在此基礎上完成相應的設計，實現技術的繼承和成本的節約。
在工業機器人的選型中，被選中的機器人需要柔性好，能夠多自由度運動，能在復雜條件下完成各種運動，而且機器人自身的抓取質量須小于7kg，運動行程大于 950mm。為了達到這種要求，本方案選擇的工業機器人為比爾 TX90，其各項參數能滿足要求，該機器人一旦配置到系統，生產效率可提高。在實現功能要求的同時，該工業機器人還具有容易交互的人機界面，能夠使工作人員較快掌握編程控制。
比爾 TX90的編程語言是 VAL3。VAL3語言的編程方式與傳統C語言類似，都是基于模塊化方式，各種程序都可以通過 VAL3實現。工業機器人的各項參數如表1所示。
系統配置
在該系統中，主要組成部分有工業機器人、磨床、料機等。該系統的空間布局為磨床 A、料臺和磨床 B配置在一起，磨床 A 和磨床 B正對分布。在這種布局中實現三個工位磨削作業，工業機器人在中間位置，能夠很好地完成上下料作業。同時，加裝了專用的料機，以便及時轉移剩下的料、成品。工業機器人具備手動拆卸功能，能通過末端的手爪實現工件的抓取。
電氣控制系統
從系統空間配置來看，系統一共包括磨床 A、料機、磨床 B和機器人等設備，整個系統的運轉和設備間的配合由控制系統串聯完成，在作業過程中，控制系統基于設備狀態進行后續動作安排，包括啟動、復位、停機、內部調整等。在整個系統中，可編程控制器作為系統的大腦，能夠接受各設備發來的信息并及時處理，啟動機床執行加工程序，控制系統完成生產任務。為了實現上述功能，可編程控制器配置有觸摸屏以供人機交互，操作人員可以很好地通過觸摸屏分析系統狀態，并基于具體狀態實現系統的運轉。控制系統結構如圖1所示。
系統工作流程
系統的工作流程較為復雜：在料盒中放置齒輪軸胚料，將胚料抓取到料機上，再將材料轉運到加工位置。料盒對位置進行定位后，工業機器人開始準確取料。此時，待加工的胚料還沒有到達磨床上，這時工業機器人會先在磨床 A 上放置一個齒輪軸以完成加工，完成這些后再取另一份料。詳細工作流程如圖2所示。
末端執行器選擇與機械手爪設計
(1)末端執行器需根據需求決定，要根據工件的形狀及重量等進行設計。總的來說，工業機器人末端執行器非常豐富，一般包括吸附式、夾鉗式、轉換式和專用操作等多種。夾鉗式取料手相當于人類的手，其應用最為廣泛。它的組成也類似人類的手，一般由手指、傳動結構、驅動手臂和其他元件組成，物料的抓取基于手臂的開閉操作完成。二指和三指抓手是常見的類型，其抓取方式分為張角和平動。由于汽車齒輪軸屬于軸類，其被抓取的實現通過二指和三指抓手即可完成。
(2)設計機械手爪時，將兩個兩指平動機械手設計在手爪基座上，手爪基于基座、平動機械手連接完成。平動機械手通常有兩個功能，一是抓取裝夾工件，二是卸下已加工工件，使得機器人操作的時候上料、下料一起完成。機器人手爪具備緊抓和松開兩個狀態，能夠在這兩個狀態間自由切換。在兩指或三指的氣爪上配備有手指，最終由雙作用氣缸實現驅動。氣缸來回運動，當氣缸到達下部時，手指部分活動，其使用抓緊功能;當氣缸處于上部時，使用松開功能，將工件松開放下。操作磁性開關， 即將其插入氣缸的外殼，通過該裝置及時反饋手爪的活動狀態，即抓緊或松開狀態。
三、結語
企業使用實踐表明，該自動化上下料設計滿足實際需求，同時具備較高的可靠性，設備生產率和設備利用率得到極大提高，大大降低了生產壓力。同時，工件在轉運過程中能夠減少磕碰，在提高產品質量的同時，穩定持續地大量加工齒輪軸，使得企業在市場上越來越有優勢。
參考文獻略.