片齒輪件翻轉機構的設計與應用

劉 慶

（陜西法士特傳動集團公司，陜西 寶雞722409）

0 前言

我們國家的汽車工業的快速發展，汽車變速器中的很多片齒輪類零件，需要快速大量的生產。隨著公司片齒輪類零件機器人生產線的建立，使得生產效率得到了大幅提高。

車間生產線加工的一種片齒輪類零件其外圓300 mm厚度60 mm重15 kg，采用廣州數控七軸機器人和三臺數控車的布線方式生產，生產過程中出現了機器人和機床加工節拍不匹配的現象，機器人行動明顯慢于機床加工速度，造成生產能力的浪費。生產過程中統計發現機器人兩個機械手翻轉零件占用無效時間較多，減少機器人翻轉工件（圖1）的動作就能明顯提高生產效率。

圖1 機械手在平臺上翻轉

1 機械手翻轉片齒輪動作分析

片齒輪類零件機器人生產線加工的工藝是：機器人機械手從碼料器上抓取工件——機械手裝工件在機床卡盤上加工第一面——機械手抓起車光的面取下工件——機械手把工件放在平板上——機械換手抓取工件（未加工的面）——機械手裝工件于車第二面車床上——車床啟動完成工件第二面加工——機械手卸工件并裝箱。

分析了各工序的動作時間，機械手拿取工件給車床上下料是必須動作，這些所占工序時間不能減少。車床夾工件外圓加工第一面后，在第二臺機床上夾緊車過的第一面加工第二面，完成工件加工[1]。機械手把工件放在平板上實際上是完成了工件的翻轉，這個是裝工件必須的動作沒法省去的。分析機器人運轉動作，只有機械手翻料動作是可以獨立出來的。現場統計機器人機械手工件翻轉用時8s/件。其機械手翻轉工件的動作分解（圖2）為：首先機械手爪a把零件放在托板上，然后機械手按照虛線A-B-C-D運動到D點后，機械手爪b再抓起工件，完成了零件的翻轉動作。機械手翻轉零件開始動作參考圖3。

圖2 機械手翻轉動作分解

圖3 機械手翻轉零件開始動作

2 片齒輪自動翻轉機構的設計

2.1 自動翻轉機構動力的選擇

根據公司機器人動作分析和產線布局，該零件的翻轉動作設計（如圖4），零件的翻轉動作分解為：機器手把零件放置在A處，然后機構實現零件A-BC逆時針旋轉，零件完成翻轉且外圓能準確定位在C處的位置。由于零件重15 kg，翻轉向下會有較大慣性，每次不能保證跌落在C處定位準確，所以必要設計了一個專門的頂出動作實現零件的準確定位。

圖4 零件翻轉動作設計

設計獨立于機械手工作的片齒輪翻轉機構，該翻轉機構需要完成片齒輪零件的120°左右的翻轉，并能準確定位。采用氣缸來實現零件的翻轉動作和定位，主要原因有：

（1）片齒輪類零件15 kg比較重，其翻轉動作需要可靠，翻轉過程對運動精度沒有較高的要求；

（2）工廠壓縮空氣使用廣泛，容易獲得，機床都接有壓縮空氣，接口取用方便；

（3）采用氣缸動作實現，在機構動作要求簡單，設計時只需要考慮結果，不需要進行大量運動軌跡模擬計算；

（4）各類氣缸、氣動原件已經標準化，生產廠家多比較容易采購。

根據圖3給出的零件運動軌跡和零件重量可以計算出氣缸的規格[2]：

根據零件重M=15 kg，外圓直徑R=300 mm，零件放置在A處和水平面夾角120°，零件旋轉時重心在零件中心，可計算旋轉零件的最小扭矩Nmin：

最小扭矩：Nmin=M·g·（R/2）·sin30°=15 × 10× 0.15× sin30°=11.25 N·m

零件翻轉完成后，需要氣缸推動零件實現定位，零件在平板上移動為滑動摩擦，其摩擦系數查表為f=0.2，可以計算推動氣缸的力最小為[2]：

零件受力F=M·g·f=15×10×0.2=30 N

一般工廠的使用的標準氣壓為0.8 MPa，考慮到實際使用漏氣等選擇0.6 MPa。參考以上計算的數據[3]，根據氣缸手冊選擇SMC公司的擺動氣缸CRA63-180；定位推動氣缸為SC32X100。

2.2 自動翻轉機構設計和工作原理

根據以上分析片齒輪翻轉機構是翻轉和定位兩個氣缸共同動作實現的機構如（圖5）。

圖5 零件翻轉的最終方案

翻轉機構的工作原理：使用時機器人將零件放在翻料板3上，旋轉氣缸4實現翻料板3旋轉至水平，這時推動氣缸5推動零件到達托料板2的定位處，這就完成了一次零件的翻轉。通過這個機構就節省了機器人翻轉動作。實際使用過程中，翻轉機構平臺上提前放置一個已經翻轉好的工件，機器人將工件放置在翻轉板3上后，機械手馬上拿取已經翻轉好的工件，這時機器人就可以完成其它動作，同時再給翻轉機構氣缸電磁閥信號，零件翻轉就由機構來實現了，這樣就完成了一次循環。

零件翻轉機構在工作中，翻轉一個零件的時間為1.5 s，該動作獨立機器人單獨工作不占用機器人工作時間。改進前機器人機械手單獨翻轉零件為6 s左右，在加上機器人七軸的走動時間，造成機床等待機器人生產過程不匹配。改造后機械手只是拿取已經翻轉好的工件，提高了機器人工作效率。實際工作中的零件翻轉機構（圖6）雖然優化后單個零件僅節省時間為8 s左右，但在大批量生產時產生效益是非常可觀的。

圖6 零件翻轉機構

3 結論

在用機器人上下料的數控車床自動線上，使用片齒輪翻轉機構省去了機器人翻轉工件動作，節省機器人工作時間，優化工序間生產節拍。以我公司零件為例統計，每件零件節省時間8 s，班產提高了12%左右。在這種用機器人實現上下料的自動化生產線改造中，設計一些簡單的機構實現輔助動作，能明顯的提高生產效率。片齒輪翻轉機構適用于外圓φ80~φ300 mm，厚度20 mm~50 mm的零件，也能在其它機器人上下料自動線上使用，具有一定的推廣價值。