YH20603G弧齿锥齿轮自动生产线研制成功

YH20603G弧齿锥齿轮自动生产线研制成功天津市精诚机床制造有限公司吴立模，付延军，马健，林汉元，张淑静天津大学机械学院赵臣，洪鹰，王刚，孙泽雷，刘宏业摘要：通过厂校密切合作，自主研制出了国内第一条弧齿锥齿轮自动生产线。该生产线由2台YH603G型数控弧齿锥齿轮加工机床、1台直角坐标机器人及配套的上下料装置组成，节拍为2－5分钟。该生产线属国际先进的第三代柔性制造系统FRS。参加2008年北京数控机床展览会，受到有关领导和媒体的赞扬以及广大用户的关注。上世纪八十年代初期，国外推出以数控机床、数控技术为基础的柔性制造单元（FMC）替代传统的刚性生产线，开创柔性生产线之先河。后来又发展成FMS（柔性制造系统）。由于FMS很复杂，使用维护难度大，价格昂贵，没有普及，而被FTL所代替。近几年又出现第三代柔性制造系统FRS，（FRC），利用机器人操作的新一代柔性制造技术。这种柔性生产线由多个动力头（或多台机床）组成，在动力头上方装有由数控系统控制的悬挂机械手，机械手沿桥式导轨及垂直滑枕作三坐标移动。机械手爪夹持毛坯或加工完的工件，能准确将毛坯定位，或运送到另外一个工位（包括送到中间储料库），机械手的动作程序与机床加工的工步顺序统一由数控系统控制。与过去几代柔性制造系统比FRS机床结构紧凑，占地面积小，不像前两代柔性制造系统有装在机床外侧的工件交换托盘、转台，或运送小车。而FRS轻巧的机械手装在动力头上方，既节省空间，还节省辅助时间，而且造价也便宜很多。天津市精诚机床制造有限公司为国内著名的弧齿锥齿轮机床生产商，其生产的小模数数控弧齿锥齿轮加工机床连续3年排行国内第一位。精诚机床产品远销到德国、美国、日本、韩国等发达国家，在国际上也具有较高的知名度。公司上下积极拼搏，牢记“快鱼吃慢鱼”道理，不断进行技术创新，每年都推出创新产品。2007年下半年，考虑到小模数弧齿锥齿轮加工时间短、需求量大等情况，决定研制一条自动化生产线，以1台三座标机器人为2台机床上下料，既可以有效减少加工辅助时间，提高劳动生产率，也能将操作工人从单调生产劳动中解放出来，提高企业竞争力。该生产线通过厂校合作，不到一年时间研制成功，该生产线属国际先进的第三代柔性制造系统FRS。参加2008年北京数控机床展览会，受到有关领导和媒体的赞扬以及广大用户的关注。一、机器人选型及技术分析为了尽可能节省空间，在集体讨论生产线方案时决定将上下料机器人布置在两台机床上方。由于横向跨度较大，并且上下料时作业空间相当狭窄，决定选用直角坐标机器人结构方案。机器人横向移动为两台机床服务，利用纵轴和垂直滑枕手爪下移到机床芯轴位置并完成上下料作业。拟采用的机器人有两种解决办法，一是购买，二是自己制造。国际上有数家著名的直角坐标机器人生产厂家。德国BAHR公司为世界上著名的直角坐标机器人专业制造厂商，几十年来一直专注于直线定位系统及产品的研究和开发，在业内取得了良好声誉，其产品被广泛应用于诸如汽车、电子、电器、检测、医疗、航天、食品等领域，其型材内部配有特殊的钢轨以保证高的机械强度和平行度，负载从5Kg到3000Kg不等，重复定位精度有±0.2mm、±0.1mm、±0.05mm到±0.01mm。德国BERGERLAHR公司是另一家著名的生产厂商,该公司生产多种规格的直线运动单元/导轨、步进电机、交流伺服电机、直线电机和多轴数控系统，提供各种规格的线性导轨、二维、三维标准机器人及用户专用机器人和生产线。由于其导轨、驱动电机、减速机和控制系统等所有部件均全部自己生产，其机器人具有很高的整体性能。德国roboworker公司是第三家著名的直角坐标机器人供应商，该公司研发和生产多种规格的直线运动单元、各种手爪、伺服电机、控制系统以及图象处理系统等。日本最著名的直角坐标机器人厂商是雅马哈发动机有限公司。其新机型“PHASERMF15”2008年初上市，截面尺寸仅为100×80mm，但可以搬动重达15kg的重物，额定推力达到50N。韩国Dasarobot机器人采用高刚度铝合金机座和防尘用不锈钢机罩，行程最大能达到7000mm，可在洁净度为cleanclass10的环境中工作。国内有能力提供直角坐标机器人的单位主要有3家。哈尔滨工业大学机器人研究所曾研制出直角坐标机器人产品。海尔机器人公司专门生产注塑机用直角坐标机器人。沈阳新松机器人有限公司拥有雄厚实力，已经批量生产直角坐标机器人，主要用于汽车涂胶等场合。由于国外产品价格很高，还常常难以满足一些特殊需要，最好采用国产机器人配国产机床，以有效提高国产产品整体竞争力。我们选择自己制造机器人，而关键部件进口的方案，如机器人末端执行器用德国雄克公司产品，电器系统中多轴运动控制器采用日本欧龙产品。这样使机器人系统既可靠、又省钱。二、机器人设计与制造凭借长期研究积累的先进技术和丰富经验，我们决定根据需要自己研制机器人。其技术关键有3处，一是铝型材的设计与制造，要求长度大、刚度高、扭转变形小；二是控制系统设计，要求多轴联动、可靠性高，并且易于与机床原有控制系统进行整合；三是机器人本体设计，要求运动精度高、适于生产线的模块化变形。先进的直角坐标机器人一般采用铝型材作为直角坐标机器人的基体，一是重量轻、刚度大，二是可以简化机械结构设计有效降低制造成本。本项目根据所需机器人跨度大、运动精度要求高的特点，专门设计了铝型材及其模具。其横截面下部采用封闭空腔，刚度大、便于走线；上部为敞开式，便于安装导轨和驱动电机等。由天津市一家铝型材厂家生产，一次开模、一次拉制、一次成功。在设计机器人控制系统时，为了较好地满足需要，决定采用PLC模块搭建而成，选用了OMRON公司生产的触摸屏、CPU模块、位控模块以及输入、输出模块，具有可靠性高、抗干扰性好、可扩展性好等优点，能够很方便地与机床原有控制系统进行整合。在铝型材研制成功后，进行好机器人本体设计成为整个项目的关键。为了简化机构并减少误差，采用双轴联动进行成品下料和齿坯上料，以适应于机床主轴的位姿状态。鉴于X轴长度较长近4米，为了保证运动精度，采用了齿形带运动方案，由电机经减速器驱动。在一端还设计了张紧装置。Y轴和Z轴行程较短，均采用滚珠丝杠，具有很高的运动精度。为了防止因掉电导致机器人Z轴下落，其驱动电机采用了特殊的带抱闸电机。在设计过程中，进行了细致的误差分析和计算，合理地确定了零件精度和装配精度，以保证整个机器人具有足够高的重复定位精度。机器人末端执行器采用了德国雄克公司生产的可旋转手腕（图1），手爪自己设计制造。为了避免出现上下料失误造成机器人或机床损失，专门设计了安全装置，利用弹簧的可压缩性避免“硬碰硬”（图2）。当整个手爪后退到一定程度，传感器就会报警并停止一切运动。图1PSK16可选转手腕图2带安全装置手爪系统三、联调与试生产机器人制造出来并经过一定的试验后，与机床进行了联调，编制了运动程序，调试了相关参数。实验测试表明，所研制出的机器人各轴重复定位误差，在轴平均误差为0.014毫米以内，达到国外先进水平。整条生产线如图3所示。图3YH20603G弧齿锥齿轮自动生产线附：生产线的主要规格参数机床技术参数参数YH20603G最大工件直径（mm）125最大加工模数（mm）2.5最大传动比10：1最大齿面宽（mm）20加工齿数范围4-200铣刀盘直径（英寸）1/2-31/2刀盘主轴转数（r/min）200-900机床中心到工件主轴端面距离（mm）63工件主轴锥孔莫氏4#控制及驱动系统西门子802DCNC刀盘主轴电机功率（Kw）1.5液压电机功率（Kw）0.75机床外形尺寸：长×宽×高（mm）2150×1950×2350机床净重（kg）3500机械手技术参数：伺服轴行程（mm）功率（W）X3200750Y310400Z650400退回轴立卧，气动回转头转角90°生产线外形长宽高5000×3200×3500该生产线于2008年4月参加了北京数控机床展览会，每天连续运转，表现出良好的品质。四、结语YH20603G弧齿锥齿轮自动生产线是厂校双方精诚合作的结晶，既体现了企业家的精明决策，也展现了科技人员的聪明才智，更说明了厂校合作的重要性。相信我们国家经过努力拼搏一定会由“中国制造”走向“中国创造”。