周洪燕， 宿文玲

（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，歷來(lái)是設(shè)計(jì)、研究的重點(diǎn)。眾所周知，齒輪的應(yīng)用有著悠久的歷史，在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域中扮演著不可替代的重要角色。隨著我國(guó)汽車(chē)、摩托車(chē)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(jì)，其中汽車(chē)齒輪占2/3。為了保證汽車(chē)產(chǎn)品的質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制齒輪的精度，因而齒輪精度檢測(cè)是齒輪制造行業(yè)不可或缺的關(guān)鍵步驟。

齒輪測(cè)量技術(shù)已有近百年的歷史，隨著我國(guó)航天航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，裝備制造業(yè)、汽車(chē)制造行業(yè)的繁榮興盛，對(duì)齒輪測(cè)量技術(shù)的研究也在不斷地深入。目前，普遍使用齒輪測(cè)量中心檢測(cè)齒輪精度，利用坐標(biāo)測(cè)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(cè)量中心的特點(diǎn)是通用性強(qiáng)，主機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求也比較高，適合在計(jì)量室使用。在裝備制造業(yè)崛起的新時(shí)代，為了滿足市場(chǎng)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(kuò)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(cè)問(wèn)題。

該文就是針對(duì)汽車(chē)齒輪大批量生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)一套全自動(dòng)快速檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大批量齒輪在線快速檢測(cè)。文中主要研究了使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量元件與被測(cè)齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，從而獲得齒輪的整體誤差，并分離出各單項(xiàng)偏差信息，最后，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能分選。此方案適用于大批量齒輪在線測(cè)量，整個(gè)測(cè)量過(guò)程由機(jī)器人完成，無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了齒輪檢測(cè)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(chē)齒輪大批量生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需求。另外，該系統(tǒng)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，符合廣大用戶價(jià)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(shì)，滿足“中國(guó)制造2025規(guī)劃”的要求，是齒輪檢測(cè)領(lǐng)域的創(chuàng)新產(chǎn)品，對(duì)中國(guó)的制造行業(yè)的發(fā)展具有極大的推動(dòng)作用。

1 汽車(chē)齒輪快速檢測(cè)分選系統(tǒng)的研究路線

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目研制的是一套汽車(chē)齒輪在線自動(dòng)檢測(cè)分選系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制以及測(cè)量軟件完全由我公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，便于系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)，而且成本低，在同行業(yè)中競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)有的齒輪測(cè)量?jī)x器的安裝與拆卸都是靠人工來(lái)完成，測(cè)量前的準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，自動(dòng)化程度低，對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求較高，不利于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大批量檢測(cè)。該套檢測(cè)系統(tǒng)使用機(jī)器人代替人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，使齒輪測(cè)量走向智能化，屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。整個(gè)系統(tǒng)由機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、電器控制柜、測(cè)量主機(jī)以及防護(hù)網(wǎng)五大部分組成。汽車(chē)齒輪快速檢測(cè)分選系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)布局示意圖如圖1所示。檢測(cè)系統(tǒng)中機(jī)器人是核心，擔(dān)任搬運(yùn)工的重要角色，配合測(cè)量主機(jī)完成上下料的工作，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果自動(dòng)分選，整個(gè)過(guò)程完全是自動(dòng)化，無(wú)人工干預(yù)，大大解放了勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)齒輪快速檢測(cè)的全自動(dòng)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(dāng)今最先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，利用集成電路技術(shù)與軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，具有自動(dòng)化程度高、測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì)。此系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、控制電箱、交流伺服電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、HEIDENHAIN高精度光柵傳感器、機(jī)械手等部分組成。

電氣控制系統(tǒng)的主要功能是接收計(jì)算機(jī)指令，控制機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)采集光柵和各運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)值，傳送給計(jì)算機(jī)，并對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)和操作面板進(jìn)行監(jiān)控。每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都有交流伺服電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制，交流伺服電動(dòng)機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制，運(yùn)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(diǎn)。該測(cè)量系統(tǒng)配有操縱面板，來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，使用操縱桿可以控制手動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)變速控制，使用方便，操作靈活，而且還具有測(cè)量、停止、限程、報(bào)警等狀態(tài)指示等，各運(yùn)行狀態(tài)一目了然，整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出、信號(hào)轉(zhuǎn)換等都由控制電箱完成。運(yùn)動(dòng)控制卡采用可編程邏輯控制卡，根據(jù)需求編寫(xiě)PLC程序，監(jiān)測(cè)控制測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)格控制機(jī)構(gòu)的動(dòng)作及時(shí)序，避免碰撞和誤操作。

整個(gè)控制系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)均采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，使各模塊功能相對(duì)獨(dú)立，減少模塊間的耦合。當(dāng)計(jì)算機(jī)等硬件升級(jí)換代時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元可以保持相對(duì)穩(wěn)定，便于售后服務(wù)人員的維護(hù)。

1.3 軟件系統(tǒng)

該軟件采用面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的先進(jìn)思想，使用VS2012開(kāi)發(fā)環(huán)境，C#編程語(yǔ)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(duì)獨(dú)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(jí)、維護(hù)。C#語(yǔ)言是一種Windows環(huán)境下的可視化的、面向?qū)ο蟮母呒?jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，C#語(yǔ)言功能強(qiáng)大，是真正的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，而且簡(jiǎn)單易學(xué)、界面友好，是目前國(guó)內(nèi)外較為流行的軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。該測(cè)量軟件就是運(yùn)用了C#語(yǔ)言的強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)模式，開(kāi)發(fā)出此軟件，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)齒輪的快速檢測(cè)。軟件主界面如圖2所示。

計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了齒輪的快速自動(dòng)測(cè)量。在測(cè)量過(guò)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(shí)時(shí)繪制回轉(zhuǎn)角誤差曲線，待測(cè)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(xiàng)誤差曲線，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出相應(yīng)的誤差值，獲得齒輪等級(jí)信息，并以文件的形式自動(dòng)保存，已備查詢打印測(cè)量結(jié)果。

該系統(tǒng)的測(cè)量軟件是基于面向?qū)ο蟮乃枷?，?shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化，并完成了數(shù)據(jù)采集程序的編寫(xiě)，優(yōu)化了數(shù)據(jù)采集算法，提高了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，減少了系統(tǒng)誤差。此軟件人機(jī)界面簡(jiǎn)單、易操作，打印報(bào)表清晰明了，測(cè)量效率與自動(dòng)化程度高，而且軟件支持多語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)中、英文切換。另外，該軟件系統(tǒng)與機(jī)械手聯(lián)機(jī)調(diào)試，具有良好的可操作性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)上下料和自動(dòng)測(cè)量功能，滿足了汽車(chē)齒輪現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 自動(dòng)上下料技術(shù)

圖2 測(cè)量主界面

將機(jī)器人應(yīng)用于汽車(chē)齒輪測(cè)量領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，這是文中研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。使用機(jī)器人代替人工完成齒輪的檢測(cè)、分選，機(jī)器人在該系統(tǒng)中擔(dān)任搬運(yùn)工的角色，實(shí)現(xiàn)了齒輪安裝、檢測(cè)、拆卸過(guò)程的全自動(dòng)化，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的條件。另外，設(shè)計(jì)能夠安裝兩個(gè)氣爪的機(jī)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(tái)上設(shè)計(jì)有待檢齒輪工位和已檢齒輪工位，機(jī)器人與測(cè)量主機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡上的I/O信號(hào)進(jìn)行通信。在測(cè)量過(guò)程中，首先機(jī)械手從待檢工位抓取待檢齒輪，運(yùn)動(dòng)到測(cè)量主機(jī)附近，先抓取測(cè)量完畢齒輪，然后旋轉(zhuǎn)氣爪再把待檢齒輪放在測(cè)量主機(jī)的主軸上，此時(shí)測(cè)量主機(jī)開(kāi)始工作，同時(shí)機(jī)械手將測(cè)量完畢齒輪放在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)相應(yīng)的已檢工位上，再次抓取待檢齒輪，依次循環(huán)。在測(cè)量過(guò)程中機(jī)器人和測(cè)量主機(jī)進(jìn)行信息交換，并行工作，無(wú)縫銜接，互不干涉，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的工作模式。

測(cè)量主機(jī)上裝有紅、黃、綠三色狀態(tài)指示燈，在循環(huán)檢測(cè)過(guò)程中一旦有故障發(fā)生，紅色報(bào)警燈就會(huì)被點(diǎn)亮，給出提示，測(cè)量主機(jī)就會(huì)停止工作。

2.2 快速檢測(cè)技術(shù)

齒輪測(cè)量已不是一個(gè)陌生的話題了，齒輪測(cè)量中心、齒輪雙嚙儀等都是很常見(jiàn)且普遍使用的齒輪測(cè)量?jī)x器，這些儀器雖然在計(jì)量室條件下測(cè)量齒輪單項(xiàng)精度是比較成熟的技術(shù)，但在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大批量齒輪快速檢測(cè)中，如何克服相對(duì)惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，快速獲取齒輪的單項(xiàng)精度信息卻成了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。將整體誤差測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于大批量齒輪生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)分選在國(guó)內(nèi)還是空白。此文的研究不是對(duì)傳統(tǒng)齒輪整體誤差測(cè)量技術(shù)的簡(jiǎn)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(cè)。

測(cè)量主機(jī)由我公司獨(dú)立研發(fā)設(shè)計(jì)，能夠在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)大批量齒輪的快速檢測(cè)，測(cè)量原理是一種全新的齒輪全誤差測(cè)量方法，是以雙面嚙合多維測(cè)量原理為基礎(chǔ)，結(jié)合齒輪單嚙測(cè)量方法而研究的一種整體誤差測(cè)量方法。采用特殊的標(biāo)準(zhǔn)元件與被測(cè)齒輪單面嚙合，標(biāo)準(zhǔn)元件做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)被測(cè)齒輪回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)元件與被測(cè)齒輪之間的傳動(dòng)關(guān)系可以獲取到齒輪的整體誤差，進(jìn)而分離出單嚙綜合偏差以及其他誤差信息，從而實(shí)現(xiàn)了快速獲取齒輪精度的測(cè)量方式，滿足了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大批量齒輪快速檢測(cè)的實(shí)際需求。

2.3 自動(dòng)分選技術(shù)

自動(dòng)分選也是該項(xiàng)目研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是文中的一大創(chuàng)新點(diǎn)。料機(jī)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上的已檢工位按等級(jí)劃分，每個(gè)等級(jí)設(shè)一個(gè)工位。根據(jù)測(cè)量軟件測(cè)量、計(jì)算得到的被測(cè)齒輪的誤差信息，并依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定被測(cè)齒輪的等級(jí)，此信息通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的I/O傳遞給機(jī)器人，由機(jī)器人按照預(yù)先設(shè)置好的坐標(biāo)位置把齒輪放在相應(yīng)等級(jí)的工位上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(cuò)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(dāng)今工業(yè)時(shí)尚，發(fā)展智能制造裝備以及相關(guān)產(chǎn)品是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。文中研究的汽車(chē)齒輪快速檢測(cè)分選屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，為機(jī)器人應(yīng)用于齒輪測(cè)量行業(yè)開(kāi)創(chuàng)了先河。該系統(tǒng)就是針對(duì)我國(guó)齒輪生產(chǎn)行業(yè)大批量齒輪在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量缺乏有效手段的現(xiàn)實(shí)，通過(guò)研究一種全新的測(cè)量原理，開(kāi)拓思路，設(shè)計(jì)了以機(jī)器人代替人工完成汽車(chē)齒輪快速檢測(cè)分選的創(chuàng)新方案，解決了我國(guó)齒輪行業(yè)急待解決的難題，搶占了技術(shù)和市場(chǎng)制高點(diǎn)，符合“中國(guó)制造2025規(guī)劃”戰(zhàn)略發(fā)展的需要，促進(jìn)了行業(yè)科技進(jìn)步，必將產(chǎn)生一定的社會(huì)效益。

目前，汽車(chē)齒輪快速檢測(cè)分選系統(tǒng)的樣機(jī)已經(jīng)在齒輪生產(chǎn)廠家安裝試運(yùn)行，客戶反饋良好。此項(xiàng)目源于我國(guó)齒輪企業(yè)的實(shí)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(chǎng)牽引導(dǎo)向的項(xiàng)目，與市場(chǎng)緊密結(jié)合，市場(chǎng)需求量大，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

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