楊 勇，王佳欣，李秋晨，姚宇蘢，黃 福

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510635；2.廣州長(zhǎng)仁工業(yè)科技有限公司，廣東 廣州 511340）

0 引言

底座裝在機(jī)器人一軸上，底座的作用是支撐整個(gè)機(jī)器人，用于自動(dòng)線(xiàn)體內(nèi)安裝固定機(jī)器人，安裝在地面上起到固定及高度補(bǔ)償?shù)淖饔茫ＷC機(jī)器人工作范圍的最優(yōu)及最佳的工作姿態(tài)。其內(nèi)部安裝減速機(jī)，外部上表面連接軸承，需要保證一定的加工精度，對(duì)內(nèi)部圓面的直徑也有要求，否則過(guò)大或過(guò)小都不能很穩(wěn)固地安裝減速機(jī)。底座機(jī)械加工工藝的好壞直接決定了零部件毛坯的把控度，改進(jìn)機(jī)械加工工藝才能提高零部件加工的精準(zhǔn)性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，而檢測(cè)工藝方法能科學(xué)檢驗(yàn)零件是否達(dá)到尺寸與精度等要求。故本文重點(diǎn)研究底座機(jī)械加工與檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)方法。

1 零件分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

機(jī)器人底座的結(jié)構(gòu)具有同軸運(yùn)動(dòng)、內(nèi)外水平圈面相互水平、內(nèi)外圈面上表面等距環(huán)繞多個(gè)孔、周?chē)哂幸淮笕∽鳛楹讲褰涌诘陌疾鄣奶攸c(diǎn)。內(nèi)外圈水平面都需要鉆孔，并攻牙。其中外圈水平面連接機(jī)器人軸承，內(nèi)圈連接減速機(jī)，內(nèi)圈水平面與減速機(jī)支撐面接觸，并且由于減速機(jī)在機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中可能要高速運(yùn)動(dòng)，而鉆孔內(nèi)部攻有螺紋，單靠鉆孔難以保證在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中減速機(jī)支撐面與內(nèi)圈水平面完全水平且控制在合適的高度，因此內(nèi)圈面有四個(gè)銷(xiāo)孔，采用過(guò)盈配合的方式。

1.2 零件圖樣的分析

零件進(jìn)行機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)前，首先需要對(duì)加工的零件圖進(jìn)行分析。由圖1零件圖分析可知，根據(jù)粗糙度數(shù)值要求不同，采用不同的加工程序，在零部件機(jī)械生產(chǎn)加工過(guò)程中，為了使得零件水平達(dá)到質(zhì)量要求，在技術(shù)加工模式選擇上，一般采用分階段加工方式，粗加工及精加工技術(shù)相結(jié)合，以此作為基礎(chǔ)能有效去除多余應(yīng)力，保證有效消除零部件加工復(fù)映誤差[1]。零件上表面的光面銑削需要進(jìn)行粗加工及精加工，側(cè)面光面需要經(jīng)過(guò)粗加工、半精、精加工一系列工序?？椎拇植诙葦?shù)值為Ra=3.2μm，側(cè)面、減速機(jī)固定支撐面及軸承面粗糙度數(shù)值為1.6μm，其余粗糙度數(shù)值為Ra=6.3μm。由圖紙可以看出，內(nèi)外圈水平面都需要鉆孔，并攻牙。外圈最大軸向尺寸為760㎜，外圈最高面的寬度為30㎜，由外到內(nèi)第二圈的水平面（軸承面）寬度為20㎜。由上至下第一個(gè)側(cè)面高度為40㎜，第二個(gè)側(cè)面高度為17㎜。外圈最高面上的孔徑為8.5㎜，最左側(cè)的孔到最右側(cè)的孔最大距離為700㎜，誤差為+0.02~+0.03。外圈第二圈的水平面（軸承面）到Φ460內(nèi)圈水平面（減速機(jī)固定接觸面）的高度為126.5㎜。內(nèi)圈最大軸向尺寸為460㎜，水平面寬為40㎜，內(nèi)圈水平面上有四個(gè)孔，直接銷(xiāo)孔不需攻牙，銷(xiāo)孔的孔徑為12㎜，誤差為0.01mm范圍內(nèi)，其余鉆孔的孔徑為10.5㎜。外圈第二圈的水平面（軸承面）零件底面四個(gè)角都有三個(gè)孔，孔徑為20.5㎜，孔中心與孔中心之間的距離為146.1㎜，也需要進(jìn)行鉆孔及攻牙處理。零件四個(gè)側(cè)面都有一個(gè)方形的槽，是安裝機(jī)器人航插的槽口，有一個(gè)槽口寬度及高度都比較大，最大寬度為370㎜，最大高度為195㎜，兩側(cè)邊寬為20㎜，其余三個(gè)槽的最大寬度為196㎜，最大高度為155㎜，兩側(cè)邊寬為15㎜。外圈最高面水平面到大的槽上頂面的高度差為8㎜，小槽底面到零件底面的高度為88㎜，大槽上頂面到零件底面的高度差為243㎜，整個(gè)零件的最大高度差為283㎜，即落差為283㎜。

2 選擇毛坯

2.1 毛坯類(lèi)型與選用

機(jī)器人底座，作為支撐整個(gè)機(jī)器人的零件，同時(shí)需要安裝減速機(jī)，作為減速機(jī)的支撐零部件，要求抗壓強(qiáng)度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，不易變形。機(jī)器人一軸旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而鑄鐵材料及其高含量的石墨起到減震的效果，鑄鐵材料性?xún)r(jià)比最高，造價(jià)低，便于加工，強(qiáng)度較好，剛度也高，塑性變形小，不易形變，選用鑄鐵材料適用。加工方法選擇鑄造成型，毛坯為鑄鐵，初步加工成型工藝為鑄造，再經(jīng)過(guò)銑床進(jìn)行精密加工。

2.2 確定機(jī)械加工毛坯尺寸

機(jī)械零件加工精度參數(shù)包含尺寸、位置、形狀等，任何參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)不符都會(huì)降低機(jī)械零件精度，影響機(jī)械設(shè)備正常使用。為了確保零件加工精度，主要通過(guò)在加工過(guò)程中的精確對(duì)刀、科學(xué)選用刀具的磨損量和正確擬定合適的加工工藝等措施來(lái)保證[2]。為了達(dá)到加工后的尺寸達(dá)到880*283mm的要求，鑄造成型的毛坯尺寸為890*293mm。

3 擬定加工工藝流程

3.1 確定定位基準(zhǔn)

整個(gè)底座的上部分類(lèi)似是一個(gè)圓柱體，上端面是圓面，內(nèi)部也是圓面，下部分是底面，底面四個(gè)角分別有一個(gè)支撐腳，支撐腳需要倒圓角，根據(jù)圖紙分析，通過(guò)試切法對(duì)切的方法，合理剪去毛坯余量。機(jī)床測(cè)量每一個(gè)圓面x軸與y軸方向上的總長(zhǎng)度，從而確定整個(gè)零件的圓心作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，并根據(jù)圓的半徑，確定刀具離圓心的距離，在進(jìn)行光面銑削時(shí)也以圓心為基準(zhǔn)，進(jìn)行精加工及半精加工時(shí)以已經(jīng)粗加工的面為定位基準(zhǔn)，鉆孔及銷(xiāo)孔以及攻牙時(shí)，均以所在的圓面的水平面為定位基準(zhǔn)，這樣符合“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則，便于保證各加工表面間的相互位置精度，避免了因?yàn)榛鶞?zhǔn)變換所產(chǎn)生的誤差,可以極大程度避免定位誤差，從而提高了零件工藝的精準(zhǔn)性和準(zhǔn)確性，保證了零件的加工精度等級(jí)[3-4]。

3.2 零件加工

3.2.1 零件加工刀具與設(shè)備

零件材料為鑄鐵QT500，該零件的加工表面有三個(gè)圓面，分別為外圈最高水平面及軸承面以及內(nèi)圈水平面，外圈的兩個(gè)側(cè)面、底面、四個(gè)槽口所在的側(cè)面也需要加工。由于不同的加工面的粗糙度及精度要求不同，采用的刀具及加工方法也有偏差。主要采用刀具有銑刀、鉆頭、中心鉆、標(biāo)準(zhǔn)鉸刀、及絲錐。主軸轉(zhuǎn)速主要與刀具直徑及切削速度等有關(guān)，影響加工粗糙度、性?xún)r(jià)比及加工效率。加工設(shè)備為龍門(mén)式數(shù)控銑床，將數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械加工工藝，加工效率大大提高的同時(shí)，也減少用工損耗，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化與編程化，能精準(zhǔn)把控加工數(shù)據(jù)，提升零件加工精度，使得加工的產(chǎn)品具有較高的合格率[5]。

3.2.2 零件加工方法及路線(xiàn)

本文設(shè)計(jì)機(jī)器人一軸底座的加工工序，對(duì)其進(jìn)行編程、鉆孔、銑削等數(shù)控加工，能較好地滿(mǎn)足實(shí)際精度要求，提高加工質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率[6]。具體加工工序見(jiàn)表1，首先用Φ100銑刀對(duì)底面進(jìn)行光面銑削，去除余量，G代碼為G00和G01,其中G00為快速定位，之后的每一步都需要快速定位，G01為直線(xiàn)插補(bǔ)。用Φ100銑刀對(duì)底面其側(cè)邊進(jìn)行光面銑削，G代碼為G00和G02，G02為順時(shí)針?lè)较驁A弧插補(bǔ)。之后轉(zhuǎn)換Φ9中心鉆對(duì)底面四個(gè)支撐腳的位置鉆Φ20.5mm定位孔，由于所需鉆孔的深度超過(guò)鉆頭直徑的3倍，G代碼為G81，G81為鉆孔循環(huán)，表示連續(xù)一次性鉆到底，接著改用Φ22鉆頭鉆孔，G代碼為G00和G83，G83表示啄鉆循環(huán)，進(jìn)行抬削，所需孔深為48mm。接著將底座翻轉(zhuǎn)，用Φ50銑刀對(duì)外圈上表面及外圈所在的側(cè)面光面銑削加工余量，其中側(cè)面的光面需要經(jīng)過(guò)粗加工、半精及精加工三道程序，G代碼為G00和G03,其中G03表示逆時(shí)針?lè)较驁A弧插補(bǔ)。用Φ10銑刀對(duì)內(nèi)圈光面銑削加工余量，全部光面結(jié)束后，選擇Φ7中心鉆對(duì)外圈上表面鉆M10*18T40mm定位孔，用Φ8.5鉆頭鉆8.5—M10mm的孔，孔深為40mm。用Φ9中心鉆在內(nèi)圈上表面鉆M12*17T60mm的定位孔，Φ10.5鉆頭在內(nèi)圈上表面鉆10.5-M12mm的孔，孔深為60mm。Φ12鉆頭在內(nèi)圈上表面銷(xiāo)4個(gè)Φ12mm的孔，這四個(gè)孔不需要攻牙，孔深為60mm，采用過(guò)盈配合的方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同軸性好，能承受較大的軸向力及扭矩與動(dòng)載荷，使得減速機(jī)支撐面與底座內(nèi)圈之間獲得緊固的連接。完成上述工藝后對(duì)其余的孔進(jìn)行攻牙處理，M10絲錐對(duì)外圈上表面攻M10*18T40mm的螺紋，選擇M12絲錐對(duì)內(nèi)圈上表面攻M12*17T60mm的螺紋，G代碼為G84，表示攻絲循環(huán)。最后用Φ63銑刀進(jìn)行四個(gè)槽口飛邊處理，銑削大概5mm,G代碼為G00和G01。

表1 底座加工工藝卡

4 確定工序尺寸

機(jī)器人底座為了達(dá)到其尺寸要求和規(guī)定的表面粗糙度，結(jié)合圖紙的分析，需要明確毛坯尺寸及最終工序尺寸，從而計(jì)算出總加工余量及各道工序加工余量，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 加工余量、工序尺寸與表面粗糙度

由于零級(jí)其余表面精度要求不高，并不需要利用工藝尺寸鏈解算部分工序尺寸[7]。銑削零件上下表面的總加工余量等于毛坯的長(zhǎng)度減去底座的軸向尺寸，即總加工余量為293-283=10mm,分布到銑削外圈最高水平面和底面銑削光面工序中，工序1中，工序1切除5mm,工序5切除5mm?？傻贸龉ば?加工后的尺寸為293-5=288mm，工序5加工后的尺寸為288-5=283mm。銑削零件四周表面的總加工余量等于毛坯的長(zhǎng)度減去底座的徑向尺寸，即總加工余量為890-880=10mm,分布到底面其側(cè)邊光面銑削工序2中，左右分別切除3-5mm。

底座前后左右四個(gè)側(cè)面的四個(gè)槽口的正面的表面粗糙度及精度要求都較低，不需要經(jīng)過(guò)多道工序，飛邊大概需要銑削5mm。Φ760外圈水平面與Φ460內(nèi)圈水平面需要經(jīng)過(guò)光面處理，粗銑及半精銑兩道工序，總加工余量均為5mm，第一道粗銑銑削掉4.5mm，第二道銑削掉0.5mm。

由于Φ700與Φ660外圈軸承面及Φ380內(nèi)圈側(cè)面的粗糙度和尺寸精度等級(jí)要求較高，需進(jìn)行粗銑、半精銑及精銑?？偧庸び嗔烤鶠?mm，Φ700外圈側(cè)面分布到工序中，第一道工序切除2.7mm，第二道工序切除0.2mm，第三道切除0.1mm。可知第一道工序完成后的尺寸為L(zhǎng)6=703-2.7=700.3mm,第二道工序完成后的尺寸為L(zhǎng)7=700.3-0.2=700.1mm，第三道工序完成后的尺寸為L(zhǎng)8=700.1-0.1=700mm。Φ660外圈軸承面?zhèn)让妗ⅵ?80內(nèi)圈側(cè)面與Φ700外圈側(cè)面的表面粗糙度和尺寸精度等級(jí)要求一樣，所以也需要上述三道加工工序，在粗銑、半精銑和精銑過(guò)程中，分別去除金屬層厚度為2.7mm、0.2mm和0.1mm。

5 零件加工難點(diǎn)

操作者、設(shè)備、材料、加工方法都會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的加工效果[8]。對(duì)于這類(lèi)大型零件的加工，存在以下幾個(gè)難點(diǎn)。難點(diǎn)1在于不同刀具的應(yīng)用會(huì)對(duì)零件加工的精度造成影響，因此，操作人員需要對(duì)刀具的數(shù)量、規(guī)格與類(lèi)型進(jìn)行科學(xué)選擇，避免由于后期刀具更換頻繁導(dǎo)致加工精度不足的現(xiàn)象[9]。尤其是底部零件表面的加工需要用小阻力的刀具，避免重力切削，防止切削振蕩產(chǎn)生變形；難點(diǎn)2是加工過(guò)程中需明確零件加工的尺寸、基準(zhǔn)點(diǎn)及編程原點(diǎn)等，確保加工面與未加工面的相對(duì)位置與高度差，保證水平面相互平行；難點(diǎn)3是側(cè)面四個(gè)用于安裝航插線(xiàn)的槽口的加工，最好采用四軸的機(jī)床，本加工采用的是三軸的機(jī)床；難點(diǎn)4為基準(zhǔn)面的確定，合理控制加工位置，這需要操作者具備工匠精神，由于水平面表面都需要鉆孔，需要保證鉆孔均勻陣列環(huán)繞，編程時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)的確定就很關(guān)鍵；難點(diǎn)5體現(xiàn)在銷(xiāo)孔的偏差要盡量小，確保裝配后能實(shí)現(xiàn)減速機(jī)支撐面與底座內(nèi)圈水平面貼合，減少縫隙，實(shí)現(xiàn)同心同軸運(yùn)動(dòng)；難點(diǎn)6是在進(jìn)行加工前的固定準(zhǔn)備，用螺桿夾鐵進(jìn)行固定；難點(diǎn)7是加工易產(chǎn)生熱變形，可以在進(jìn)行粗加工后放置一段時(shí)間及時(shí)釋放應(yīng)力，或在加工過(guò)程中加入切削液與冷卻液，防止熱變形。機(jī)器人底座零件實(shí)際加工過(guò)程圖及成品實(shí)物分別如圖2、3所示，可以明顯看出，加工后的圖表面鉆孔及攻螺紋，粗糙度水平更高。

圖2 底座零件實(shí)際加工圖

6 工序質(zhì)量檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)

6.1 檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)

本工序關(guān)鍵部位主要尺寸、表面粗糙度及形位公差技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)手段，如表3所示。主要檢測(cè)手段為光顯檢測(cè)儀、粗糙度對(duì)比樣塊、目測(cè)刻度盤(pán)、接桿千分尺、百分表、二坐標(biāo)及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。

表3 工序主要尺寸、表面粗糙度及形位公差的檢測(cè)手段

具體檢測(cè)項(xiàng)目及合格標(biāo)準(zhǔn)如表4所示，測(cè)量質(zhì)量檢測(cè)中主要使用的量具有游標(biāo)卡尺、螺紋通規(guī)、螺紋塞規(guī)、垂直度檢具、光顯檢測(cè)儀。

表4 具體檢測(cè)項(xiàng)目及合格標(biāo)準(zhǔn)

圖3 底座實(shí)物圖

6.2 檢測(cè)方法介紹

（1）清理被測(cè)表面使其無(wú)鐵屑及雜物；（2）用0-200/0.02游標(biāo)卡尺的測(cè)量（Φ10.3+0.05）mm大螺紋底孔直徑及（Φ8.5+0.05）mm小螺紋底孔直徑,當(dāng)卡尺讀數(shù)在10.3~10.35mm及8.5~8.55㎜為合格；（3）用0-200/0.02游標(biāo)卡尺的測(cè)量（Φ12+0.03~0.05）㎜大孔孔窩直徑及（Φ10+0.03~0.05）㎜小孔孔窩直徑，當(dāng)卡尺讀數(shù)在12.03~12.05mm及10.03~10.05㎜為合格；（4）用0-200/0.02游標(biāo)卡尺測(cè)量大小螺紋底孔深,當(dāng)孔深在Φ10.6~10.8mm與Φ8.8~9.0㎜時(shí)為合格；（5）用螺紋通規(guī)測(cè)螺紋長(zhǎng)度，當(dāng)長(zhǎng)度不小于12.0mm及不小于10.0 mm時(shí)為合格；（6）用0-200/0.02游標(biāo)卡尺測(cè)量大小孔窩深，當(dāng)窩深在12.0~12.02㎜及10.0~10.02mm時(shí)為合格；（7）用螺紋塞規(guī)M-CR12檢測(cè)螺紋，當(dāng)通規(guī)通過(guò)但止規(guī)不通過(guò)時(shí)，判定螺紋合格；（8）用光顯檢測(cè)儀測(cè)準(zhǔn)（Φ13±0.01與Φ11±0.01）mm孔徑，當(dāng)尺寸在13.0~13.01mm及11.0~11.01mm為合格；（9）用垂直度檢具檢測(cè)窩,用手輕輕沿窩面轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)表的最大偏擺不超出0.2mm時(shí)為合格。

7 總結(jié)

7.1 適用機(jī)器人類(lèi)型及實(shí)際應(yīng)用效果

本機(jī)器人底座適用于四軸及五軸系列通用型機(jī)器人，主要運(yùn)用在通用型碼垛搬運(yùn)機(jī)器人，碼垛機(jī)器人正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)須人工干預(yù)，動(dòng)作平穩(wěn)可靠，可用于多種箱類(lèi)、袋裝類(lèi)、板塊碼垛，適用于地板、粉類(lèi)包、飼料、化肥、建材、鑄造等重體力、高溫、環(huán)境惡劣等工作場(chǎng)合。而碼垛搬運(yùn)型機(jī)器人型號(hào)也較多，比如本加工的底座型號(hào)適用于CR5-3000-200、CR4-3000-200、CR4-3000-500、CR4-3000-800、CR4-2500-800等一系列的機(jī)器人，圖4為部分在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中固定并安裝機(jī)器人后的情景圖，其安裝方式為地面/移動(dòng)式安裝。

圖4 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中固定并安裝機(jī)器人

7.2 總結(jié)

本文闡述機(jī)器人底座零件機(jī)械加工工序及檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)思路，首先是對(duì)底座的零件圖進(jìn)行分析零件結(jié)構(gòu)及一些加工參數(shù)，如表面粗糙度及精度要求。在減少材料浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且加工出來(lái)的產(chǎn)品符合最終尺寸及質(zhì)量要求的前提下，選擇合適的毛坯材料和毛坯尺寸，確定加工設(shè)備，再擬定加工工藝路線(xiàn)。通過(guò)對(duì)機(jī)器人底座加工工序進(jìn)行細(xì)化，確定加工刀具、轉(zhuǎn)速、加工面種類(lèi)、每個(gè)面的加工雙邊余量及工序尺寸，以保證底座零件最后符合質(zhì)量要求，達(dá)到加工精度要求。通過(guò)設(shè)計(jì)檢測(cè)工藝與檢測(cè)方法對(duì)加工后的機(jī)器人底座進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明本文加工零件為合格品，工藝設(shè)計(jì)方案可為開(kāi)展類(lèi)似零件的加工工藝研究提供借鑒與參考，為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量提供思考。