在传统的齿轮轴磨削加工中，会使用多台数控机床完成整套工序，这些工序主要包括齿轮材料选材、齿轮倒角倒棱、切削、表面磨削等，很多工序主要由工人操作完成。而在加入工业机器人的汽车齿轮轴加工中，很多程序改由工业机器人操作，这不仅极大地提升了整个加工的自动化水平，还能使齿轮轴加工的效率得到大幅加强。在引入工业机器人后，由于工业机器人本身非常稳定，其稳定性能使得加工的质量更为精良，也能够通过高度的自动化水平减少中间环节中出现的损失，能够保证产品加工按时完成，提高效率和质量，达到生产计划的要求。
一、自动化的上下料系统的需求
现在，在齿轮轴磨削加工行业中，大部分的工序都由引入的数控机床完成，而在数控磨床加工工序过程中，大量的程序都由人工完成。这使其存在一定的人工不确定因素。一般来说，对于每个工人来说，他们需要在操作过程中同时完成几台机床的操作管理，而且工作时间长，这使得工人在复杂环境、压力大的情况下操作机床进行生产会有一些随意性并由此产生隐患，比如在齿轮件搬运过程中可能会发生一些齿轮件损坏，产品的质量由此下降，良品率难以得到保证。伴随社会的高速发展，企业用工难的问题逐步突出。对于工作强度大、回报率一般的齿轮轴加工企业来说，其在招工方面越来越困难，成本不断增加。在外，企业外部存在竞争加剧等现象;在内，企业内部存在生产效率低、成本持续上升等问题。这些都使得企业在市场中越来越难以存活，因此为了企业能够在市场中存活并发展壮大下来，通过实现磨削自动化以提高竞争力已变得迫切。
相对于人工而言，工业机器人优点众多，不仅操作精确稳定，而且每次动作误差均极小。工业机器人的这些优势能在生产高质量产品的同时还可以持续地稳定产量，因此以这样的可控式高效率生产模式能很好地降低成本。另外，机器人还能够24h不间断地工作，在相同时间内生产出更多的产品，特别在加工多样性产品时，工业机器人的可编程特性更是能很好地发挥其优势。为此，基于上述分析，提出了由机器人配合多台数控机床来自动上下料的方案。
二、系统总体构想
上下料系统需要借助工业机器人实现自动化，一般是在周边设备配置好的情况下配置工业机器人进行辅助，高效完成固定的搬运、上下料等操作。此齿轮磨削系统自动化程度高，组成包括数控磨床、工业机器人、料机、可编程控制器和其他设备。其中，可编程控制器是整个系统的核心部分，其在整个系统中起到信号传递、设备连接、通信管理等作用，在它的控制管理下，能够使得上下料及搬运等操作在三个设备的协同下实现。总体上看，该系统具备下列优势：
(1)全面梳理了汽车齿轮轴磨削中的加工流程，提高了自动化控制水平，更具针对性和效率性;
(2)该系统集成了送料各个功能，实现了自动化运输、锁紧和转移;
(3)设计了机器人末端手爪，能24小时不间断工作，可靠性高;
(4)改进了磨床，特别是对齿轮的抓紧方法进行了优化，实现了自动化抓齿轮;
(5)采用 VAL3编程控制，易用且扩展性强，基于此的自动化控制系统全程管理科学合理，能实现状态监测、预测和控制。
总的来看，这种系统协同性强，能将各种功能集成控制的系统具备巨大优势，其市场针对性强，能提高齿轮轴加工的进度和精度，助推企业向前发展。
工业机器人的设计
目前，随着高精尖技术的发展，工业机器人发展成熟，各种机器人公司陆续出现，这些工业机器人公司以 ABB、FANUC等为代表。各家机器人公司生产的机器人针对的对象不同，这使得他们的型号不同，同时所具备的功能特点、使用方式和编程方式等也不同。所以，工业机器人的设计需要根据需要进行，在实现系统整体要求的条件下，同时参考现有成熟的机器人，可以在此基础上完成相应的设计，实现技术的继承和成本的节约。
在工业机器人的选型中，被选中的机器人需要柔性好，能够多自由度运动，能在复杂条件下完成各种运动，而且机器人自身的抓取质量须小于7kg，运动行程大于 950mm。为了达到这种要求，本方案选择的工业机器人为比尔 TX90，其各项参数能满足要求，该机器人一旦配置到系统，生产效率可提高。在实现功能要求的同时，该工业机器人还具有容易交互的人机界面，能够使工作人员较快掌握编程控制。
比尔 TX90的编程语言是 VAL3。VAL3语言的编程方式与传统C语言类似，都是基于模块化方式，各种程序都可以通过 VAL3实现。工业机器人的各项参数如表1所示。
系统配置
在该系统中，主要组成部分有工业机器人、磨床、料机等。该系统的空间布局为磨床 A、料台和磨床 B配置在一起，磨床 A 和磨床 B正对分布。在这种布局中实现三个工位磨削作业，工业机器人在中间位置，能够很好地完成上下料作业。同时，加装了专用的料机，以便及时转移剩下的料、成品。工业机器人具备手动拆卸功能，能通过末端的手爪实现工件的抓取。
电气控制系统
从系统空间配置来看，系统一共包括磨床 A、料机、磨床 B和机器人等设备，整个系统的运转和设备间的配合由控制系统串联完成，在作业过程中，控制系统基于设备状态进行后续动作安排，包括启动、复位、停机、内部调整等。在整个系统中，可编程控制器作为系统的大脑，能够接受各设备发来的信息并及时处理，启动机床执行加工程序，控制系统完成生产任务。为了实现上述功能，可编程控制器配置有触摸屏以供人机交互，操作人员可以很好地通过触摸屏分析系统状态，并基于具体状态实现系统的运转。控制系统结构如图1所示。
系统工作流程
系统的工作流程较为复杂：在料盒中放置齿轮轴胚料，将胚料抓取到料机上，再将材料转运到加工位置。料盒对位置进行定位后，工业机器人开始准确取料。此时，待加工的胚料还没有到达磨床上，这时工业机器人会先在磨床 A 上放置一个齿轮轴以完成加工，完成这些后再取另一份料。详细工作流程如图2所示。
末端执行器选择与机械手爪设计
(1)末端执行器需根据需求决定，要根据工件的形状及重量等进行设计。总的来说，工业机器人末端执行器非常丰富，一般包括吸附式、夹钳式、转换式和专用操作等多种。夹钳式取料手相当于人类的手，其应用最为广泛。它的组成也类似人类的手，一般由手指、传动结构、驱动手臂和其他元件组成，物料的抓取基于手臂的开闭操作完成。二指和三指抓手是常见的类型，其抓取方式分为张角和平动。由于汽车齿轮轴属于轴类，其被抓取的实现通过二指和三指抓手即可完成。
(2)设计机械手爪时，将两个两指平动机械手设计在手爪基座上，手爪基于基座、平动机械手连接完成。平动机械手通常有两个功能，一是抓取装夹工件，二是卸下已加工工件，使得机器人操作的时候上料、下料一起完成。机器人手爪具备紧抓和松开两个状态，能够在这两个状态间自由切换。在两指或三指的气爪上配备有手指，最终由双作用气缸实现驱动。气缸来回运动，当气缸到达下部时，手指部分活动，其使用抓紧功能;当气缸处于上部时，使用松开功能，将工件松开放下。操作磁性开关， 即将其插入气缸的外壳，通过该装置及时反馈手爪的活动状态，即抓紧或松开状态。
三、结语
企业使用实践表明，该自动化上下料设计满足实际需求，同时具备较高的可靠性，设备生产率和设备利用率得到极大提高，大大降低了生产压力。同时，工件在转运过程中能够减少磕碰，在提高产品质量的同时，稳定持续地大量加工齿轮轴，使得企业在市场上越来越有优势。
参考文献略.