YH20603G弧齿锥齿轮自动生产线研制成功.docx

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BERGER LAHR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“PHASER MF15” 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clean class 10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1 PSK16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3 YH20603G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802D CNC
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）
X
3200
750
Y
310
400
Z
650
400
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”。