汽車齒輪快速檢測分選系統(tǒng)的研究

周洪燕， 宿文玲

（哈爾濱量具刃具集團有限責任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

齒輪是現(xiàn)代工業(yè)最基本的零部件，是機械傳動系統(tǒng)中的重要組成部分，歷來是設(shè)計、研究的重點。眾所周知，齒輪的應(yīng)用有著悠久的歷史，在我國工業(yè)領(lǐng)域中扮演著不可替代的重要角色。隨著我國汽車、摩托車制造業(yè)的迅速發(fā)展，汽摩齒輪制造業(yè)也得到了空前快速的發(fā)展。齒輪行業(yè)的產(chǎn)值日益上升，據(jù)統(tǒng)計，其中汽車齒輪占2/3。為了保證汽車產(chǎn)品的質(zhì)量，必須嚴格控制齒輪的精度，因而齒輪精度檢測是齒輪制造行業(yè)不可或缺的關(guān)鍵步驟。

齒輪測量技術(shù)已有近百年的歷史，隨著我國航天航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，裝備制造業(yè)、汽車制造行業(yè)的繁榮興盛，對齒輪測量技術(shù)的研究也在不斷地深入。目前，普遍使用齒輪測量中心檢測齒輪精度，利用坐標測量原理，獲取齒輪的全部誤差信息，包括齒廓誤差、齒向誤差以及齒距誤差。齒輪測量中心的特點是通用性強，主機結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，對測量環(huán)境的要求也比較高，適合在計量室使用。在裝備制造業(yè)崛起的新時代，為了滿足市場的需求，齒輪制造商不僅要提高齒輪制造質(zhì)量，而且必須擴大齒輪產(chǎn)量，為了提高質(zhì)量和產(chǎn)量，迫切需要解決大批量齒輪的在線快速檢測問題。

該文就是針對汽車齒輪大批量生產(chǎn)的現(xiàn)場快速檢測的需求，設(shè)計一套全自動快速檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)大批量齒輪在線快速檢測。文中主要研究了使用機器人實現(xiàn)自動上下料，使用標準測量元件與被測齒輪嚙合實現(xiàn)快速檢測，從而獲得齒輪的整體誤差，并分離出各單項偏差信息，最后，利用計算機技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)智能分選。此方案適用于大批量齒輪在線測量，整個測量過程由機器人完成，無需人工干預(yù)，實現(xiàn)了齒輪檢測的智能化，大大節(jié)約了人力成本，提高了工作效率，滿足了汽車齒輪大批量生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測需求。另外，該系統(tǒng)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，符合廣大用戶價格定位，并且憑借其高精度、高智能化、高效率以及低成本的突出優(yōu)勢，滿足“中國制造2025規(guī)劃”的要求，是齒輪檢測領(lǐng)域的創(chuàng)新產(chǎn)品，對中國的制造行業(yè)的發(fā)展具有極大的推動作用。

1 汽車齒輪快速檢測分選系統(tǒng)的研究路線

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

該項目研制的是一套汽車齒輪在線自動檢測分選系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括機械結(jié)構(gòu)、電氣控制以及測量軟件完全由我公司自主研發(fā)設(shè)計，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，便于系統(tǒng)的升級維護，而且成本低，在同行業(yè)中競爭力較強，將會給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

現(xiàn)有的齒輪測量儀器的安裝與拆卸都是靠人工來完成，測量前的準備時間較長，自動化程度低，對測量環(huán)境的要求較高，不利于生產(chǎn)現(xiàn)場大批量檢測。該套檢測系統(tǒng)使用機器人代替人工實現(xiàn)自動上下料，使齒輪測量走向智能化，屬于國內(nèi)首創(chuàng)。整個系統(tǒng)由機器人、旋轉(zhuǎn)工作臺、電器控制柜、測量主機以及防護網(wǎng)五大部分組成。汽車齒輪快速檢測分選系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局示意圖如圖1所示。檢測系統(tǒng)中機器人是核心，擔任搬運工的重要角色，配合測量主機完成上下料的工作，并根據(jù)測量結(jié)果自動分選，整個過程完全是自動化，無人工干預(yù)，大大解放了勞動力，實現(xiàn)了汽車齒輪快速檢測的全自動化模式。

圖1 整體結(jié)構(gòu)布局

1.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用當今最先進的數(shù)控技術(shù)，利用集成電路技術(shù)與軟件技術(shù)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動控制，具有自動化程度高、測量精度高等優(yōu)勢。此系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)主要由計算機、運動控制卡、控制電箱、交流伺服電動機及驅(qū)動器、HEIDENHAIN高精度光柵傳感器、機械手等部分組成。

電氣控制系統(tǒng)的主要功能是接收計算機指令，控制機械系統(tǒng)實現(xiàn)測量運動，實時采集光柵和各運動軸的坐標值，傳送給計算機，并對機械系統(tǒng)的狀態(tài)和操作面板進行監(jiān)控。每個運動軸都有交流伺服電動機閉環(huán)控制，交流伺服電動機都可以實現(xiàn)手動和自動控制，運轉(zhuǎn)控制平穩(wěn)。位置反饋采用HEIDENHAIN高精度光柵傳感器，高速的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有采樣精度高、閉環(huán)定位精度高等特點。該測量系統(tǒng)配有操縱面板，來實現(xiàn)手動控制，使用操縱桿可以控制手動速度，實現(xiàn)變速控制，使用方便，操作靈活，而且還具有測量、停止、限程、報警等狀態(tài)指示等，各運行狀態(tài)一目了然，整個系統(tǒng)的輸入/輸出、信號轉(zhuǎn)換等都由控制電箱完成。運動控制卡采用可編程邏輯控制卡，根據(jù)需求編寫PLC程序，監(jiān)測控制測量系統(tǒng)的運行狀態(tài)，嚴格控制機構(gòu)的動作及時序，避免碰撞和誤操作。

整個控制系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)均采用模塊化的設(shè)計思想，使各模塊功能相對獨立，減少模塊間的耦合。當計算機等硬件升級換代時，數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元可以保持相對穩(wěn)定，便于售后服務(wù)人員的維護。

1.3 軟件系統(tǒng)

該軟件采用面向?qū)ο缶幊陶Z言的先進思想，使用VS2012開發(fā)環(huán)境，C#編程語言。面向?qū)ο缶褪菍?shù)據(jù)和方法封裝在一起，將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊化，各模塊之間相對獨立，具有特定的功能，減少模塊之間的耦合，便于系統(tǒng)的升級、維護。C#語言是一種Windows環(huán)境下的可視化的、面向?qū)ο蟮母呒壋绦蛟O(shè)計語言，C#語言功能強大，是真正的面向?qū)ο笳Z言，而且簡單易學、界面友好，是目前國內(nèi)外較為流行的軟件開發(fā)語言。該測量軟件就是運用了C#語言的強大的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)模式，開發(fā)出此軟件，實現(xiàn)了汽車齒輪的快速檢測。軟件主界面如圖2所示。

計算機技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了齒輪的快速自動測量。在測量過程中分別獲取齒輪正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的整體誤差數(shù)據(jù)，并實時繪制回轉(zhuǎn)角誤差曲線，待測量完畢，由誤差處理算法分離出相應(yīng)的誤差，包括切向綜合偏差、齒廓偏差、齒距偏差、偏心、工作齒厚、齒面毛刺等，并繪制出各項誤差曲線，依據(jù)國家標準計算出相應(yīng)的誤差值，獲得齒輪等級信息，并以文件的形式自動保存，已備查詢打印測量結(jié)果。

該系統(tǒng)的測量軟件是基于面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢崿F(xiàn)了檢測系統(tǒng)的自動化，并完成了數(shù)據(jù)采集程序的編寫，優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集算法，提高了數(shù)據(jù)采集的實時性，減少了系統(tǒng)誤差。此軟件人機界面簡單、易操作，打印報表清晰明了，測量效率與自動化程度高，而且軟件支持多語言，可以實現(xiàn)中、英文切換。另外，該軟件系統(tǒng)與機械手聯(lián)機調(diào)試，具有良好的可操作性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動上下料和自動測量功能，滿足了汽車齒輪現(xiàn)場快速檢測的需求。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 自動上下料技術(shù)

圖2 測量主界面

將機器人應(yīng)用于汽車齒輪測量領(lǐng)域，實現(xiàn)自動上下料，這是文中研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，填補了國內(nèi)空白。使用機器人代替人工完成齒輪的檢測、分選，機器人在該系統(tǒng)中擔任搬運工的角色，實現(xiàn)了齒輪安裝、檢測、拆卸過程的全自動化，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場使用的條件。另外，設(shè)計能夠安裝兩個氣爪的機械手，可以分別抓取齒輪，大大提高了工作效率。

旋轉(zhuǎn)工作臺上設(shè)計有待檢齒輪工位和已檢齒輪工位，機器人與測量主機通過運動控制卡上的I/O信號進行通信。在測量過程中，首先機械手從待檢工位抓取待檢齒輪，運動到測量主機附近，先抓取測量完畢齒輪，然后旋轉(zhuǎn)氣爪再把待檢齒輪放在測量主機的主軸上，此時測量主機開始工作，同時機械手將測量完畢齒輪放在旋轉(zhuǎn)工作臺相應(yīng)的已檢工位上，再次抓取待檢齒輪，依次循環(huán)。在測量過程中機器人和測量主機進行信息交換，并行工作，無縫銜接，互不干涉，實現(xiàn)了高效節(jié)能的工作模式。

測量主機上裝有紅、黃、綠三色狀態(tài)指示燈，在循環(huán)檢測過程中一旦有故障發(fā)生，紅色報警燈就會被點亮，給出提示，測量主機就會停止工作。

2.2 快速檢測技術(shù)

齒輪測量已不是一個陌生的話題了，齒輪測量中心、齒輪雙嚙儀等都是很常見且普遍使用的齒輪測量儀器，這些儀器雖然在計量室條件下測量齒輪單項精度是比較成熟的技術(shù)，但在生產(chǎn)現(xiàn)場的大批量齒輪快速檢測中，如何克服相對惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境，快速獲取齒輪的單項精度信息卻成了一個關(guān)鍵問題。將整體誤差測量技術(shù)應(yīng)用于大批量齒輪生產(chǎn)現(xiàn)場的快速檢測分選在國內(nèi)還是空白。此文的研究不是對傳統(tǒng)齒輪整體誤差測量技術(shù)的簡單應(yīng)用，而是在現(xiàn)有技術(shù)理論基礎(chǔ)上的深化、豐富、拓展，不僅要求高精度，而且要保證快速檢測。

測量主機由我公司獨立研發(fā)設(shè)計，能夠在生產(chǎn)現(xiàn)場實現(xiàn)大批量齒輪的快速檢測，測量原理是一種全新的齒輪全誤差測量方法，是以雙面嚙合多維測量原理為基礎(chǔ)，結(jié)合齒輪單嚙測量方法而研究的一種整體誤差測量方法。采用特殊的標準元件與被測齒輪單面嚙合，標準元件做回轉(zhuǎn)運動，從而帶動被測齒輪回轉(zhuǎn)運動，通過標準元件與被測齒輪之間的傳動關(guān)系可以獲取到齒輪的整體誤差，進而分離出單嚙綜合偏差以及其他誤差信息，從而實現(xiàn)了快速獲取齒輪精度的測量方式，滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場大批量齒輪快速檢測的實際需求。

2.3 自動分選技術(shù)

自動分選也是該項目研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是文中的一大創(chuàng)新點。料機的旋轉(zhuǎn)工作臺上的已檢工位按等級劃分，每個等級設(shè)一個工位。根據(jù)測量軟件測量、計算得到的被測齒輪的誤差信息，并依據(jù)國家標準確定被測齒輪的等級，此信息通過運動控制系統(tǒng)的I/O傳遞給機器人，由機器人按照預(yù)先設(shè)置好的坐標位置把齒輪放在相應(yīng)等級的工位上，實現(xiàn)了自動分選的功能，大大節(jié)約了人力，并且避免了由于人工疲勞原因?qū)е路诌x錯誤。

3 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代工業(yè)的日益發(fā)展，智能制造引領(lǐng)了當今工業(yè)時尚，發(fā)展智能制造裝備以及相關(guān)產(chǎn)品是一項可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。文中研究的汽車齒輪快速檢測分選屬于國內(nèi)首創(chuàng)，為機器人應(yīng)用于齒輪測量行業(yè)開創(chuàng)了先河。該系統(tǒng)就是針對我國齒輪生產(chǎn)行業(yè)大批量齒輪在現(xiàn)場測量缺乏有效手段的現(xiàn)實，通過研究一種全新的測量原理，開拓思路，設(shè)計了以機器人代替人工完成汽車齒輪快速檢測分選的創(chuàng)新方案，解決了我國齒輪行業(yè)急待解決的難題，搶占了技術(shù)和市場制高點，符合“中國制造2025規(guī)劃”戰(zhàn)略發(fā)展的需要，促進了行業(yè)科技進步，必將產(chǎn)生一定的社會效益。

目前，汽車齒輪快速檢測分選系統(tǒng)的樣機已經(jīng)在齒輪生產(chǎn)廠家安裝試運行，客戶反饋良好。此項目源于我國齒輪企業(yè)的實際需要，面向齒輪行業(yè)中量大而面廣的中模數(shù)齒輪，完全是市場牽引導向的項目，與市場緊密結(jié)合，市場需求量大，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

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