汽车发动机斜齿轮末端执行器设计

牛亭舒 刘顾泉 沈 义 吕亚男

（苏州工业职业技术学院机电工程系 江苏·苏州 215100）

1 介绍

齿轮是现代工业中必不可缺的零件产品，尤其是汽车齿轮，在日益增长的汽车市场中一般，通过专业化生产，根据汽车机构需求以及制造精度要求，通过不同齿轮组合，实现机械功能。汽车齿轮加工过程中，在毛坯运输，毛坯上料和成品下料，成品转运工作等环节需要大量的人工，而且整体工作量大，工作强度高。自从工业机器人在全工业行业中普及以来，工业机器人大量应用在搬运、码垛及装配过程中，根据不同的加工过程，使用不同的末端执行器。在工件加工过程中的上下料环节，不同研究人员设计了多种针对工件上下料的末端执行器，如针对圆轴类零件，设计了上下料末端执行器并能实现有效抓取。在此基础上，本项目以汽车斜齿轮为例，在斜齿轮毛坯件和成品的结构特点及工艺要求的基础上，设计开发了齿轮加工上下料机器人抓取齿轮的末端执行器，提高抓取效率并降低劳动强度。

2 汽车斜齿轮的结构特征及上下料工艺要求

斜齿轮毛坯件和齿轮成品件如图1所示。毛坯件的外形为圆柱体，高度为20mm，外径为60mm。斜齿轮成品外径为54mm，内径为44mm，孔洞直径为22mm，高度为16mm。斜齿轮毛坯件通过从传送带运输到数控机床前，需要通过人工或者工业机器人将毛坯件放置于机床中，通过专属夹具夹好，加工完毕后，需要人工或者工业机器人将成品齿轮取出，放置在成品传送带，上下料加工过程中存在重复性劳动较多，强度大且效率低的问题。

图1：齿轮毛坯表面和齿轮表面

3 末端执行器结构设计

3.1 齿轮上下料机器人总体设计

根据齿轮毛坯和成品的结构特点和上下料工艺要求，选取六自由度机器人作为上下料机器人。机器人采用固定工位，代替人工完成上下料，通过末端执行器对传送带运输的齿轮毛坯，由机器人将齿轮毛坯放置在加工机床的夹具上，完成上料。加工完成后，再由本体机器人将成品取出，置于成品传送带上。

3.2 末端执行器的结构设计

为了避免齿轮毛坯和成品的表面损伤和污染，以及提高抓取效率，根据齿轮的结构特点，首先决定了末端执行器的类型。对比加工前后工件可知，毛坯件为圆柱状，成品件为齿轮状。若采用夹爪，那么两个夹爪尺寸不同，会增加成本。由于毛坯和成品工件表面均为平面，只需要设计一个吸盘工具，就可以吸取两种工件。因此，选择了吸盘工具。

图2：末端执行器结构

一个标准的吸盘工具主要包括法兰部件，连接柱、吸盘和各种连接件。常见的吸盘有真空吸盘和磁力吸盘两种。由于真空吸盘结构简单，成本低，优点较多，在此选用真空吸盘。吸盘的材质由工件材质、工件结构和工作环境来决定。一般而言，丁腈橡胶吸盘具有良好的耐油耐热性能，能够满足齿轮加工的要求。吸盘的数量必须能保证吸取的稳定性。单个吸盘不适用于空心齿轮。两个吸盘稳定性差。由于三角定位稳定性好，因此三个吸盘就可以满足工作要求。吸盘的直径取决于齿轮尺寸，根据计算，吸盘头直径要小于或等于11mm。吸盘定位。吸盘定位中心位置为半径16.5mm处，呈等边三角形分布。

吸盘架圆盘分别连接吸盘、连接柱和法兰。需要两个圆盘，其中大圆盘直径依据于法兰尺寸，小圆盘则需要满足吸盘的安放需求。两者均使用定位螺丝与其他部件连接。连接柱用来连接大小吸盘，以及为气管提供通道。本项目中，连接柱直径设置为20mm，高度为60mm。法兰的选取与机器人型号密切相关。本次设计中使用是ABB机器人模型，法兰基座和法兰连接装置参数直接使用标准件参数即可。

4 末端执行器仿真分析

根据系统构成，应用CATIA软件自行建立若干模型（热成形机、取料台、放件台及机械手底座）。模型按照实物尺寸进行1:1建立，为方便模拟和分析，将模型进行模块化处理。

图3：模型仿真

图4：上下料仿真

在准备好了各部件参数后，要建模并组装出设计的末端执行器。在指定软件中，从模型库中调用已有的部件模型，输入参数，进行组装即可。本文选择了型号为G-P3-T的丁腈橡胶吸盘。其次，按照前述参数分别进行吸盘参数设置、小圆盘参数设置、连接柱参数设置、大圆盘参数设置、法兰及其他部件参数设置。随后，将各部件进行组装，将模型导出保存。

将前述组装好的吸盘工具，导入并安装到机器人本体。对吸盘工具吸取搬运毛坯和吸取搬运成品进行分步调试。对齿轮加工过程进行全局虚拟仿真运行。观察吸盘工具是否能够顺利得将毛坯件从传送带移动到机床中进行加工。毛坯加工完毕后，是否能够将齿轮搬运到成品区。通过虚拟仿真，验证工具功能。

5 结论

本文针对生产密集型为主的齿轮加工生产企业人工上下料效率低及强工作强度高等问题，对齿轮毛坯和齿轮成品的结构和上下料工艺进行分析。采用SolidWorks软件对齿轮上下料机器人的末端执行器进行模型建立与零件装配。首先对齿轮原件和成品件进行了分析，其次对关键部分元件选择与装配进行分析，其中主要包括末端执行器的类型选择，吸盘工具的选择和参数设计，吸盘工具的建模组装和仿真验证，实现了汽车发动机斜齿轮加工过程中工件的上下料问题。