齒輪箱通用跑合平臺研制

馬小杰，仇志，柴艷紅，金嵐，孫瑞峰

(上海航天電子技術研究所，上海 201109)

0 引言

在各類傳動機構的生產中，均需對齒輪箱進行跑合，通過跑合來去除齒輪表面的硬點或高點，改善齒輪及軸承結合面接觸情況[1-2]。目前公司現有產品跑合均是利用各自產品電機，搭建簡易控制電路來實現本產品的跑合，主要存在以下問題：

1)均使用產品電機進行跑合，存在損壞產品電機的風險；另外產品電機齊套有一定周期，會影響齒輪箱與方位轉臺的生產周期。

2)各產品齒輪箱采用伺服電機產品不同，控制電路也不同，實際操作復雜，對裝配工人的要求較高。

3)現有的跑合方式通用性、拓展性不強，只能滿足本產品的跑合要求，無法滿足后續產品科研生產的需要。

為此，決定自行研制齒輪箱通用跑合平臺。

1 研制方案

1.1 梳理各產品齒輪箱跑合要求

根據目前批產產品的設計文件，匯總、梳理分析各產品跑合的具體要求，從而確定齒輪箱通用跑合平臺的技術指標：

1)轉速范圍為100～3 000r/min；

2)最大力矩為19 N·m；

3)可實現正、反向跑合；

4)可實時顯示力矩等數據變化，并記錄跑合過程中的各項數據；

5)可對電機轉速進行調整；

6)跑合溫度范圍-40℃～60℃；

7)能夠靈活擴展，滿足未來新產品的齒輪箱跑合需求。

1.2 跑合平臺系統組成分析

根據齒輪箱跑合的技術要求，對齒輪箱通用跑合平臺的使用方法、工作過程等進行綜合分析，抽象構建其總體結構圖，如圖1 所示。

圖1 齒輪箱通用跑合平臺結構圖

根據整體結構圖，分別對各類模塊深化設計，將所有軟件集成在跑合控制箱中，連接選用的通用跑合電機，并設計各類產品齒輪箱跑合的安裝支架和通用底架，最后總成為齒輪箱通用跑合平臺。

1.3 跑合控制箱設計

跑合控制箱主要功能：

1)進行轉向、速度、時間等參數設定；

2)實時顯示跑合過程中電機轉速、力矩的參數值變化情況；

3)記錄跑合時間。

跑合控制箱主要由觸摸屏、PLC控制器、伺服電機的驅動器(編碼器)、配套軟件模塊、控制箱箱體組成。跑合控制箱緊固于一輛防靜電小車上，如圖2所示，可適應生產場地的變化。觸摸屏上配有USB接口，可將跑合試驗的所有參數導入計算機，以供留存、分析。

圖2 跑合控制箱示意圖

觸摸屏的參數寫入和讀取是先與PLC控制器通信，由PLC控制器程序處理后，再通過擴展模塊傳送控制信號給伺服驅動，從而控制電機帶動齒輪箱跑合[3-4]，工作流程如圖3所示。

圖3 跑合控制箱工作流程圖

跑合控制箱操作面板上設有啟動、急停按鈕、電位器、PLC觸摸屏。電位器作用是在試運轉時調整速度，防止電機急停、急開，避免損壞電機和齒輪箱。

跑合控制箱原理圖如圖4所示。

圖4 跑合控制箱原理圖

跑合控制箱的控制界面如圖5-圖9所示。圖5為主要操作控制界面，圖6為電機參數界面，可顯示跑合的速度、轉矩、時間，可直接讀出啟動力矩。齒輪箱安裝在轉臺上跑合時，在圖5界面上輸入的齒輪箱減速比，可顯示轉臺的轉速、轉矩，即界面上“負載”行的參數。

圖5 主要操作控制界面

圖6 電機參數界面

圖7、圖8為轉矩、速度趨勢圖界面，圖9為報警界面，跑合出現異常時，控制器會自動報警。

圖7 轉矩趨勢圖

圖8 轉速趨勢圖

圖9 報警界面

1.4 跑合電機選擇

根據統計的各產品型號跑合參數并考慮經濟成本，選擇松下MDME102GCG型電機，如圖10所示，電機參數如表1所示。

圖10 電機

表1 電機參數表

1.5 通用跑合支架設計

根據各批產品以及預研產品齒輪箱設計文件，匯總、梳理各產品齒輪箱的安裝接口及安裝方式以及各齒輪箱電機軸接口。

各類產品所用的齒輪箱總體可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱，其在跑合時均需可靠固定，根據其安裝接口及齒輪箱的外形尺寸，兼顧可拓展性，設計、制造了齒輪箱跑合通用底架及齒輪箱安裝支架。通用底架上設置了系列安裝孔，可根據跑合試驗要求安裝不同產品的齒輪箱支架[5]，如圖11所示。

圖11 齒輪箱跑合通用底架及齒輪箱安裝支架示意圖

各產品齒輪箱與電機的安裝接口、齒輪箱的輸入軸也有所不同，在統計各產品齒輪箱跑合需求時，匯總了各產品齒輪箱的安裝方式、與電機的接口形式，從而設計相應的聯軸器(圖12)、轉接襯套(圖13)。將來新產品采用不同規格的齒輪箱時，只需設計、制造相應的聯軸器、轉接襯套，即可與工裝電機相聯，進行跑合。

圖12 聯軸器

圖13 轉接襯套

2 通用跑合平臺應用與驗證

本次跑合平臺研制共制造了2套跑合平臺，共8個工位，配置4套控制系統。跑合平臺如圖14所示。

圖14 齒輪箱通用跑合平臺

選擇某產品內的方位齒輪箱進行通用跑合平臺的應用與驗證，以驗證通用跑合平臺是否滿足預先設定的技術指標及功能。該方位齒輪箱在跑合平臺上安裝方式如圖15所示，設置的跑合參數如圖16所示。

圖15 齒輪箱安裝圖

圖16 參數設置圖

該方位齒輪箱在通用跑合平臺上完整地進行了跑合試驗，整個過程運轉平穩，未出現異?，F象。電機速度從0至跑合設定轉速逐步遞增，在不同速度下均運轉正常，最終將速度設置為跑合轉速進行跑合。跑合過程運轉平穩，未出現異常現象。跑合過程的數據趨勢如圖17、圖18所示。

圖17 轉速趨勢圖

圖18 轉矩趨勢圖

3 結語

本項目設計、制造2套齒輪箱通用跑合平臺，共8個跑合工位，可同時進行4個齒輪箱的跑合，同時還可進行4個齒輪箱的跑合準備工作；跑合控制界面簡潔明了，操作簡單，可實時監測齒輪箱的跑合狀態；跑合平臺不受齒輪箱產品的限制，現有的齒輪箱均有對應的安裝轉接板，后續新產品齒輪箱的跑合也只需增加電機與齒輪箱驅動軸間的安裝接口即可。

齒輪箱跑合平均準備及實驗時間從480 h減少至40 h，提高生產效率約92%，節約工時費用約數萬元。后續產品只需通過增加齒輪箱安裝支架及電機接口，就可滿足齒輪箱跑合需求；預估每個產品投產跑合工裝費用約需12萬～15萬左右，現投產齒輪箱安裝支架及電機接口費用約需2萬～3萬元，可直接節約10萬～12萬元。

該齒輪箱通用跑合平臺可滿足現有產品齒輪箱的跑合需要，解決了以往各產品齒輪箱跑合工裝復雜多樣，跑合效率較低，且存在損壞產品電機的風險等問題。齒輪箱通用跑合平臺經應用驗證，具有跑合效率高、使用操作簡便，通用性、拓展性強等優點，可滿足各類產品的齒輪箱跑合需求。