直升機(jī)減速器中的齒輪對(duì)減速器的性能有著至關(guān)重要的影響，它起到轉(zhuǎn)換直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)所輸出功率的功能，并為中樞受力構(gòu)件直接承受旋翼與機(jī)體之間產(chǎn)生的全部作用力和力矩。因此要求減速器中的齒輪承載能力高、壽命長(zhǎng)、可靠性好、干運(yùn)轉(zhuǎn)能力強(qiáng)，可以在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工況下穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)齒輪進(jìn)行倒角處理可以解決齒輪沿齒長(zhǎng)方向的尖角、改善齒輪換擋力、降低齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和沖擊力，由此可以避免換擋過(guò)程中齒輪間的沖擊打齒，實(shí)現(xiàn)平順地嚙合以及減少齒廓面應(yīng)力集中，從而有效提高齒輪的性能、使用壽命及可靠性。直升機(jī)減速器中的弧齒錐齒輪具有硬度高、齒廓形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的手工倒角對(duì)工人的技術(shù)要求很高且工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工效率低、一致性差，使用倒角機(jī)倒角又面臨成本高、適應(yīng)性差的問(wèn)題。對(duì)齒輪采用機(jī)器人倒角磨削加工，可以提高成品率、一致性以及加工效率，保證加工的質(zhì)量，降低成本，提高復(fù)雜曲線加工的精度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)齒輪、葉片、潔具等形狀復(fù)雜的工件均開(kāi)展了機(jī)器人磨削加工的研究。本機(jī)器人 磨削系統(tǒng)將對(duì)某型弧齒錐齒輪進(jìn)行倒角加工，最終加工出 C0.5～C0.75 mm 的倒角加工面。
一、機(jī)器人倒角磨削系統(tǒng)構(gòu)成
機(jī)器人倒角磨削系統(tǒng)如圖 1 所示，該系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、浮動(dòng)氣主軸、自動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)、工件等構(gòu)成。機(jī)器人為 ABB 公司生產(chǎn)的 IRB4600 六自由度關(guān)節(jié)臂機(jī)器人，工作范圍為 2.05 m，最大負(fù)載為 60 kg。浮動(dòng)氣主軸為瑞士 Amtru 公司生產(chǎn)的 FB-CUT110，該氣主軸具有徑向浮動(dòng)功能，可根據(jù)齒輪輪廓曲線曲率的變化情況自行進(jìn)行浮動(dòng)補(bǔ)償，浮動(dòng)力最高可達(dá) 25 N，最高轉(zhuǎn)速可達(dá) 19 000 r/min。浮動(dòng)氣主軸安裝在機(jī)器人末端，齒輪安裝在回轉(zhuǎn)臺(tái)上，機(jī)器人與回轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)每個(gè)齒輪齒廓的倒角加工，從而完成自動(dòng)化倒角。
二、機(jī)器人磨削倒角工藝流程
倒角工藝流程：圖 2 為弧齒錐齒輪倒角的工藝流程。倒角系統(tǒng)的工具、工件標(biāo)定和加工路徑離線編程是倒角加工中的重要環(huán)節(jié)。
工具坐標(biāo)系的標(biāo)定與定義：TCP( tool center point) 即機(jī)器人工具中心點(diǎn)，通過(guò)機(jī)器人內(nèi)置指令 MToolTCPCalibp1，p2，p3，p4，tool1，max_err， mean_err; 來(lái)計(jì)算 TCP，其中 p1、p2、p3、p4 為機(jī)器人示教時(shí) 4 個(gè)點(diǎn)的 jointtarget( 6 個(gè)軸坐標(biāo)值) ，計(jì)算結(jié)果賦值到 tool1 的坐標(biāo)系。在完成四點(diǎn)示教后，四點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)球面，球心即為當(dāng)前 TCP 所在 wobj0 下的坐標(biāo)值 xyz，通過(guò)獲取球心坐標(biāo)來(lái)計(jì)算 TCP。
B= AX (1)
式中：A 為機(jī)器人 tool0 表示的當(dāng)前位置 pose( xyzq1-q4) ; X 為工具 tcp pose( xyz，q1-q4) ; B 為機(jī)器人當(dāng)前工具表示的當(dāng)前位置 pose( xyz，q1-q4) ，所以得到 X= A-1 B。由此得到在 Robot Studio 中的計(jì)算程序(圖 3) 。
在本次實(shí)驗(yàn)中使用特種刀柄裝夾金剛石磨片為打磨工具。由于打磨工具形狀的特殊無(wú)法直接用四點(diǎn)法進(jìn)行標(biāo)定，因此使用相同長(zhǎng)度的尖針來(lái)進(jìn)行替代，此時(shí) TCP 點(diǎn)為打磨工具端面中心( 圖 4) 。
加工軌跡離線編程：倒角加工路徑為機(jī)器人在倒角過(guò)程中所有姿態(tài)以及相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)的集合。機(jī)器人通過(guò)連續(xù)不斷地以特定的姿態(tài)到達(dá)每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)倒角加工的過(guò)程。倒角系統(tǒng)使用 ABB 公司的離線編程軟件 Robot Studio 生成倒角加工路徑。倒角加工路徑產(chǎn)生方法如下: 1) 在仿真軟件 Robot Studio 中直接導(dǎo)入齒輪的三維模型; 2) 通過(guò)四點(diǎn)法標(biāo)定出工具坐標(biāo)系，通過(guò)三點(diǎn)法標(biāo)定出工件坐標(biāo)系，平移齒輪的三維模型使其與實(shí)際的齒輪坐標(biāo)相重合; 3) 在工件坐標(biāo)系中生成倒角路徑; 4) 優(yōu)化路徑，進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線仿真避開(kāi)機(jī)器人的奇異點(diǎn)以及倒角機(jī)構(gòu)與工件的干涉區(qū)域，刀具為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在規(guī)劃路徑時(shí)刀具由齒根向外運(yùn)行。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比效果好于刀具由外向齒根運(yùn)行，如圖 5 所示。
浮動(dòng)補(bǔ)償接觸力：
1) 浮動(dòng)補(bǔ)償力優(yōu)點(diǎn)
采用浮動(dòng)補(bǔ)償加工的方法，能較好地適應(yīng)齒輪齒廓邊緣曲線形狀變化，滿(mǎn)足齒輪齒廓邊緣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，保證齒輪的相關(guān)尺寸精度和表面質(zhì)量，確保倒角過(guò)程中精確地控制切削量，能很好地跟蹤齒廓曲線以補(bǔ)償工件的自身變形，還能有效防止倒角過(guò)程對(duì)齒輪基體造成損傷。當(dāng)?shù)菇擒壽E不規(guī)則或者與理論型線有差異時(shí)，浮動(dòng)阻尼可根據(jù)被加工齒輪齒廓的實(shí)際線型進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償或退讓以達(dá)到最佳的倒角效果，其最大補(bǔ)償與退讓量可達(dá)到±5 mm。浮動(dòng)倒角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有精密的切削力控制系統(tǒng)，能通過(guò)壓力控制使末端加工磨片緊密貼合被加工齒輪的齒廓曲線，隨加工曲線的形變產(chǎn)生相應(yīng)的彈性變形，實(shí)現(xiàn)倒角齒輪齒廓曲線的自動(dòng)跟蹤。通過(guò)控制浮動(dòng)阻尼的彈性變形以及相應(yīng)力矩的大小來(lái)調(diào)整相應(yīng)的接觸壓力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磨削力的調(diào)節(jié)。
2) 補(bǔ)償力與磨削力性能分析
在倒角加工時(shí)，為保證倒角加工面的尺寸均勻一致，使用磨片的邊緣點(diǎn)與齒輪齒廓棱邊接觸，此時(shí)磨削方式近似于立式平面磨削。
將磨削力分解為 3 個(gè)相互垂直的分力: Fn 為法向磨削力、Ft 為切向磨削力、Fa 為軸向磨削力。將單個(gè)磨粒與工件之間的磨削力同樣分解為 3 個(gè)相互垂直的分力: 法相力 F'n、切向力 F't、軸向力 F'a。由此得到
式中: σ 為比磨削力，垂直于切削方向上的單位切屑面積所受的力; am 為平均切屑面積。
式中: lc 為接觸弧長(zhǎng); b 為接觸寬度; j 為同時(shí)進(jìn)行磨削的磨粒刃數(shù)。由以上各式可以推導(dǎo)出:
式中: vs 為磨片實(shí)際加工點(diǎn)的線速度; va 為 vs 軸向分量; vw 為工件速度; ap 為磨片軸向進(jìn)給量。
當(dāng)控制浮動(dòng)阻尼進(jìn)行壓緊，此時(shí)進(jìn)給量 ap 增大，單位時(shí)間內(nèi)工件的去除量增加，每個(gè)磨粒的切削厚度增加，磨削力增大。當(dāng)磨片實(shí)際加工點(diǎn)的線速度 vs 增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行磨削的磨粒個(gè)數(shù)減少，磨粒的切削厚度減小，磨削力減小。
三、直升機(jī)減速器齒輪倒角實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)?zāi)康模?/strong>使用本機(jī)器人倒角系統(tǒng)來(lái)對(duì)某公司所提供的某型直升機(jī)減速器齒輪進(jìn)行倒角，以驗(yàn)證本系統(tǒng)的性能。該齒輪的材料為合金鋼，齒廓倒角處硬度為 HRA82。
試驗(yàn)步驟：按照?qǐng)D 2 的加工流程圖進(jìn)行試驗(yàn)，詳細(xì)步驟如下:
對(duì)工具(浮動(dòng)打磨頭) 和工件(齒輪) 坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定。在 Robot Studio 中導(dǎo)入工件的三維模型以及 TCP 坐標(biāo)，對(duì)齒輪進(jìn)行離線編程生成齒輪倒角路徑。進(jìn)行軌跡規(guī)劃和離線仿真，以避開(kāi)機(jī)器人的奇異點(diǎn)以及倒角機(jī)構(gòu)與工件的干涉區(qū)域，將離線編程軌跡導(dǎo)入到機(jī)器人中。在完成一個(gè)齒的加工后，裝夾齒輪的轉(zhuǎn)臺(tái)按照設(shè)定好的度數(shù)旋轉(zhuǎn)，按照相同的工藝步驟加工下一個(gè)齒。最后檢測(cè)倒角的尺寸以及表面質(zhì)量是否滿(mǎn)足要求。
試驗(yàn)結(jié)果：本試驗(yàn)使用了接觸式 334006 型輪廓儀來(lái)測(cè)量倒角尺寸，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及齒輪中每個(gè)齒的加工一致性，在整個(gè)齒輪總計(jì) 31 個(gè)齒中隨機(jī)選擇 8 個(gè)齒進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)齒分別在上、中、下 3 個(gè)部位測(cè)量尺寸，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。
四、結(jié)語(yǔ)
1) 機(jī)器人倒角磨削系統(tǒng)對(duì)直升機(jī)減速器齒輪的倒角加工具有很強(qiáng)的適用性，本磨削倒角系統(tǒng)包含了機(jī)器人與離線編程、自動(dòng)工裝回轉(zhuǎn)臺(tái)、磨削力補(bǔ)償?shù)惹把胤椒?，自?dòng)化程度高，可以使工人擺脫繁瑣的倒角加工，提高工作效率，提升我國(guó)制造業(yè)的智能化水平。
2) 通過(guò)對(duì)加工后的齒輪進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果表明齒與齒之間的尺寸一致性較高，齒輪齒廓處精度得到顯著提高，該系統(tǒng)的加工精度完全符合直升機(jī)減速器齒輪的加工要求。