揭秘：工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座精密加工工藝設(shè)計(jì)
編者按
主要闡述工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，包括分析工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座零件圖樣，了解旋轉(zhuǎn)底座的結(jié)構(gòu)、尺寸要求，選擇合適的毛坯材料，確定零件合理的加工余量和毛坯尺寸；選擇旋轉(zhuǎn)底座的定位基準(zhǔn)和表面加工方法，確定旋轉(zhuǎn)底座機(jī)械加工工藝路線和工序尺寸；選擇合適的加工設(shè)備和加工刀具進(jìn)行零件加工。
PART 01
序言
20世紀(jì)50年代戴沃爾提出了工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)概念，戴沃爾認(rèn)為可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。而工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座為整個(gè)機(jī)器人提供了支承，帶動(dòng)了三軸與四軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。目前機(jī)械制造、電子信息、汽車生產(chǎn)以及軍工等行業(yè)的發(fā)展都需要工業(yè)機(jī)器人的支持和主導(dǎo)，工業(yè)機(jī)器人在整個(gè)現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域有著不可替代的作用[2]。因旋轉(zhuǎn)底座的機(jī)械加工方法直接關(guān)系到整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的質(zhì)量，故本文重點(diǎn)講述旋轉(zhuǎn)底座的機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)方法。
PART 02
零件結(jié)構(gòu)分析
在工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)前，需要對(duì)零件圖樣進(jìn)行分析以達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸和精度的要求。由工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）可知，旋轉(zhuǎn)底座體積較大，加工較難，但技術(shù)要求比較低。由于工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座表面粗糙度不同，加工方法選擇多樣化，所以需要進(jìn)行粗加工與精加工。零件加工要求為399mm兩側(cè)端面、 φ 480mm外圓的表面粗糙度值Ra=3.2μm，零件其他表面粗糙度值Ra=6.3μm。在加工旋轉(zhuǎn)底座過(guò)程中，確定定位基準(zhǔn)，對(duì)零件部分端面要進(jìn)行精加工。
PART 03
毛坯的確定
3.1 毛坯的類型及選用
球墨鑄鐵的力學(xué)性能較好，使用該材料鑄件制造的零部件可以滿足工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座支承力較大的要求，且制造成本較低[3]，因此工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座毛坯材料選用球墨鑄鐵。
3.2 確定機(jī)械毛坯尺寸及加工余量
選擇合適的毛坯形狀及尺寸在零件加工中是極為重要的步驟，若選擇不合適的毛坯形狀或尺寸，可能出現(xiàn)加工余量不足或加工余量過(guò)大，浪費(fèi)材料等情況。一般情況下，較精密的機(jī)械加工所要求的加工余量較小，相對(duì)不精密的機(jī)械加工所要求的加工余量較大[4]。
由圖1可知，橫向最大輪廓尺寸為771.5mm，軸向最大尺寸為806.5mm。選用的毛坯尺寸需大于零件的最大輪廓尺寸，且為保證其精度，需具有一定的加工余量。以在不影響加工出的零件精度的情況下，盡可能地節(jié)省材料為選取毛坯的原則，最終確定毛坯尺寸為直徑783.5mm，厚度818.5mm。
a）二維圖 b）三維圖
圖1 工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座結(jié)構(gòu)示意
PART 04
擬定加工工藝路線
4.1 確定定位基準(zhǔn)
定位基準(zhǔn)可分為粗加工基準(zhǔn)和精加工基準(zhǔn)[5]。零件開(kāi)始加工時(shí)，以毛坯面作為定位基準(zhǔn)的稱為粗基準(zhǔn)，以加工面作為定位基準(zhǔn)的稱為精基準(zhǔn)[6]。定位基準(zhǔn)對(duì)零件質(zhì)量以及對(duì)零件的加工工藝順序有重要影響。
粗基準(zhǔn)以底面φ771.5mm圓心為中心，以底面外圓為基準(zhǔn)。當(dāng)以底面外圓為基準(zhǔn)時(shí)，φ370mm的圓心與底面的距離為556.5mm。精基準(zhǔn)以側(cè)端面φ480mm外圓為精基準(zhǔn)，方便另一側(cè)面加工，一次成形，加工期間，毛坯不可移動(dòng)。
4.2 零件表面加工方法
表面加工方法除了保證加工表面的精度和表面粗糙度等質(zhì)量要求外，還須考慮性價(jià)比[7]。由圖1可知工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座零件復(fù)雜程度一般，但需加工表面很多，有左右兩端面、通孔、外圓、12個(gè)M12的螺紋孔及2個(gè)M12的螺紋定位孔。各個(gè)需加工的表面尺寸、形狀及加工要求各不相同，查閱機(jī)械工藝手冊(cè)，選擇使用不同的加工方法。
4.3 零件機(jī)械加工工藝路線
機(jī)械加工工藝是指在加工過(guò)程中使用某種方式改變生產(chǎn)對(duì)象的幾何形狀等來(lái)達(dá)到生產(chǎn)對(duì)象向半成品或成品過(guò)渡的目的[8]。合理的加工工藝路線可以在滿足加工要求的條件下，有效提高生產(chǎn)效率。為了加工旋轉(zhuǎn)底座，需要設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座加工工藝路線，對(duì)于成形的鑄造毛坯進(jìn)行粗加工，首先對(duì)底面圓粗加工，去除毛坯余量，將底面用龍門式數(shù)控銑床銑光滑，得到φ771.5mm底面圓，接著以底面為基準(zhǔn)，固定銑床，按照技術(shù)要求，保證底面與φ370mm的圓心的距離為556.5mm，用1710數(shù)控單柱臥式銑床進(jìn)行旋轉(zhuǎn)底座右側(cè)端面粗加工，半精加工和精加工后得到φ480mm的外圓，再進(jìn)行連接連桿座面的粗加工，將連接面銑光滑，轉(zhuǎn)換工作面，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)底座左側(cè)端面粗加工、半精加工和精加工后得到φ480mm的外圓，最后再按照?qǐng)D樣要求，對(duì)底面2個(gè)M12定位孔進(jìn)行鉆孔攻螺紋， 鉆9個(gè)φ12.5mm的孔，對(duì)側(cè)面φ 370mm的圓均布12個(gè)M12鉆孔攻螺紋，對(duì)連接連桿座面鉆2個(gè)φ20mm的孔，完成工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座的加工，具體加工工藝路線見(jiàn)表1。
表1 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座的加工工藝路線
PART 05
確定工序尺寸
在加工過(guò)程中，確定零件的加工工藝路線后，首先應(yīng)確定機(jī)械加工余量，再確定工序尺寸，接著再進(jìn)一步安排各個(gè)工序的具體內(nèi)容[9]。旋轉(zhuǎn)底座需在銑床上進(jìn)行多次加工。將之前所確定的機(jī)械加工總余量分布在每個(gè)工序當(dāng)中，然后由后往前對(duì)工序尺寸進(jìn)行計(jì)算[10]。工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座加工參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座加工參數(shù)
在零件圖樣中，工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座的軸向尺寸公差未標(biāo)注，說(shuō)明其軸向尺寸精度要求較小，部分工序尺寸和公差用不到工藝尺寸鏈的計(jì)算方法。在此零件中，毛坯的長(zhǎng)度減去旋轉(zhuǎn)底座的軸向尺寸等于加工總余量，即818.5?806.5=12（mm）。
加工φ480mm外圓時(shí)，因其尺寸精度和表面粗糙度要求較高，選用φ 63mm銑刀進(jìn)行粗銑、半精銑和精銑工序。根據(jù)對(duì)圖1的分析和計(jì)算，φ480mm的外圓軸向加工余量為21.2mm，粗銑和半精銑分別去除20mm和1mm，再精銑去除0.2mm。
399mm兩側(cè)端面的尺寸精度和表面粗糙度要求同樣較高，要完成粗銑、半精銑、精銑3道工序以達(dá)到其要求，399mm兩側(cè)端面的軸向加工余量為11.2mm，首先粗銑去除10mm，再經(jīng)過(guò)半精銑去除1mm，最后精銑去除0.2mm。
PART 06
選擇加工設(shè)備與刀具
旋轉(zhuǎn)底座為對(duì)稱零件并且尺寸較大，完成零件加工需要兩步，分別為銑削和鉆削。為保證零件的加工效率，需使用1臺(tái)龍門式數(shù)控銑床和1臺(tái)1710數(shù)控單柱臥式銑床完成旋轉(zhuǎn)底座的加工，旋轉(zhuǎn)座底面圓使用龍門式數(shù)控銑床和φ100mm銑刀銑光滑，再用1710數(shù)控單柱臥式銑床和φ63mm銑刀完成其他加工面的加工，完成零件加工面的加工后，根據(jù)孔直徑的大小，分別選擇φ10.5mm鉆頭和φ12.5mm鉆頭對(duì)零件進(jìn)行鉆孔，即完成整體工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座的加工制造。
PART 07
零件加工
按照上述工序及工藝方法加工出工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座零件，使用量具檢測(cè)，其公差尺寸在零件圖樣所標(biāo)注的范圍內(nèi)，達(dá)到尺寸要求和加工精度要求，為合格品零件。工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座零件實(shí)物如圖2所示。
a）加工前
b）加工后
c）噴漆后
圖2 工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座實(shí)物
PART 08
零件加工難點(diǎn)及解決方法
工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座體積較大，加工過(guò)程中存在以下難點(diǎn)：一是尋找基準(zhǔn)水平點(diǎn)較麻煩，其解決方法是按加工要求每次需用千分表進(jìn)行水平找正，找正完成后進(jìn)行后續(xù)加工；二是球墨鑄鐵鑄件表面相對(duì)粗糙，容易造成空刀銑削，其解決方法是在加工過(guò)程中，刀具需從鑄件凸起的最高位置慢慢加工到最低位置，或者提高鑄鐵模具的精度要求，使鑄件表面相對(duì)光滑；三是零件加工過(guò)程中需要多次裝夾，影響零件表面精度，其解決方法是在裝夾過(guò)程中使用專用夾具定位，再使用千分表測(cè)量基準(zhǔn)水平點(diǎn)進(jìn)行加工。
PART 09
結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座體積較大，零件加工較難的特點(diǎn)，本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座加工設(shè)計(jì)工藝路線，旋轉(zhuǎn)底座加工工藝包括分析工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座零件圖樣，了解旋轉(zhuǎn)底座的結(jié)構(gòu)、尺寸要求，選擇合適的毛坯材料，確定合理的毛坯尺寸和加工余量，從而達(dá)到工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座的加工要求，減少材料損耗，提高生產(chǎn)效率，選擇旋轉(zhuǎn)底座的定位基準(zhǔn)和表面加工方法，從而確定旋轉(zhuǎn)底座機(jī)械加工工藝路線和工序尺寸，選擇合適的加工設(shè)備和切削刀具進(jìn)行加工。經(jīng)測(cè)量，旋轉(zhuǎn)底座的公差尺寸在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，零件合格。本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座機(jī)械加工工藝滿足市場(chǎng)對(duì)旋轉(zhuǎn)底座的結(jié)構(gòu)和功能要求，能夠有效解決現(xiàn)有的加工技術(shù)問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展。
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本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2022年第12期33~37頁(yè)，作者：廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院 陳芷君、楊勇、王佳欣、李秋晨、梁小鳳，廣州長(zhǎng)仁工業(yè)科技有限公司 姚宇蘢 ，原標(biāo)題：《工業(yè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)底座機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)》。
