揭秘：工（gōng）業機器人旋轉底座精密加（jiā）工工藝設計
編者按
主要闡述工業機器人旋轉底座機械加工工藝設（shè）計問題，包括分析工業機器人旋轉底座（zuò）零件圖樣，了解旋（xuán）轉底（dǐ）座的結構、尺寸要（yào）求，選擇合適的毛坯材料，確定零件合理的加工餘（yú）量（liàng）和毛坯尺寸；選擇旋轉（zhuǎn）底座的定位基準和表麵（miàn）加工（gōng）方法，確定旋轉底座機械加工工藝路（lù）線和工序尺寸；選擇合適的加工設備和（hé）加（jiā）工刀具（jù）進行零件加工。
PART 01
序言
20世紀50年（nián）代戴沃爾提（tí）出了工業機器人的相關（guān）概念，戴沃（wò）爾認（rèn）為可以通過預先設定相應程序實（shí）現機器人的自（zì）動化運轉[1]。而工業機器（qì）人旋轉底座為整個機器人提供了支承，帶（dài）動了三軸與四軸（zhóu）的旋轉運動。目前機械製造、電子信息、汽車生產以及軍工等行業的發展都需要工（gōng）業機器人（rén）的支（zhī）持和主（zhǔ）導，工業機器人在整（zhěng）個現代化工業領域有著不（bú）可替代的作（zuò）用[2]。因旋轉底座的機（jī）械加工方法直接關係到（dào）整個工業（yè）機器人的質量，故本文重點講述旋轉（zhuǎn）底座（zuò）的機械加工工藝設計方法。
PART 02
零件（jiàn）結構分析
在（zài）工業（yè）機器人旋轉底座機械加工工藝設計前，需要對零件圖樣（yàng）進行分析以達到設計尺寸（cùn）和精度的要求。由（yóu）工業機器（qì）人旋轉（zhuǎn）底座（zuò）結構（見圖1）可知，旋轉底座體積較大，加工較難（nán），但技術要求比較低。由於工業（yè）機器人旋轉底座表麵粗糙（cāo）度不同，加工方法選擇多樣化，所以需要進行粗加工與（yǔ）精加工。零（líng）件（jiàn）加工要求為399mm兩側端麵、 φ 480mm外圓的表（biǎo）麵粗糙度值（zhí）Ra=3.2μm，零件其（qí）他表麵粗糙度值Ra=6.3μm。在加工（gōng）旋轉底座過程（chéng）中，確定定位基準，對零件部（bù）分端麵要進（jìn）行精加工。
PART 03
毛（máo）坯（pī）的確定
3.1 毛（máo）坯的類（lèi）型及選用
球墨鑄鐵的力學性能（néng）較好，使用（yòng）該材料鑄件製造的零部件可以滿足工業機器人（rén）旋轉底座支承（chéng）力較大（dà）的要求，且製造成本（běn）較低[3]，因此工業機器人旋轉底座毛坯材料選用球墨鑄鐵。
3.2 確（què）定機（jī）械毛坯尺寸及加工餘量
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（xuǎn）擇不合適（shì）的毛坯形（xíng）狀或尺寸，可能出現加工（gōng）餘量不足或加工餘量過大，浪費（fèi）材料等情況。一般情（qíng）況下，較（jiào）精密的機械加工所要求的加工（gōng）餘量較小，相對不精密的機械加工所要求的加工餘量較大[4]。
由圖1可知，橫向最（zuì）大輪廓尺寸為771.5mm，軸向最大（dà）尺寸為806.5mm。選用（yòng）的毛坯尺寸需大於零（líng）件的（de）最大輪廓尺寸，且為保證其精度，需具（jù）有一定的加工餘量。以在不影響（xiǎng）加工（gōng）出的零件精度的情況下，盡可能地節省材料為選取毛（máo）坯（pī）的原則，最（zuì）終確定毛坯尺寸為直徑783.5mm，厚（hòu）度818.5mm。
a）二維圖 b）三維圖
圖1 工業機器人旋（xuán）轉底座結構示意
PART 04
擬定加（jiā）工工藝路線
4.1 確定定位基準
定位（wèi）基準可分為粗加工基準和精加工基準[5]。零件開（kāi）始加工時，以毛坯麵作為定（dìng）位基準的稱為粗基準，以加工麵作為定位基準的稱為精基準[6]。定位基準對零件質量（liàng）以及對零件的加工工藝順序有（yǒu）重要影響。
粗基準以底麵φ771.5mm圓心為中（zhōng）心，以底麵外（wài）圓（yuán）為基準。當以底麵外圓為基準（zhǔn）時（shí），φ370mm的圓心（xīn）與底麵（miàn）的距離為556.5mm。精基準以側端麵φ480mm外圓為精（jīng）基準，方便另一側麵（miàn）加工，一次成形，加工期間，毛坯不可移動。
4.2 零件表（biǎo）麵（miàn）加工方法（fǎ）
表麵加工方法除（chú）了保證加工表麵的精度和表（biǎo）麵粗糙度等質量要求外，還須考慮性（xìng）價比[7]。由圖1可知工業機器人旋轉底座零件複雜（zá）程度一般，但（dàn）需加工表麵很多，有左（zuǒ）右兩端麵、通（tōng）孔（kǒng）、外圓、12個M12的（de）螺紋孔及2個M12的螺紋定位孔。各個需加工的（de）表麵尺寸、形狀及加工要求各不相同，查閱機械工藝手冊，選擇使用不同的加工方法。
4.3 零件機械加工工藝路（lù）線
機械加（jiā）工工藝是指在（zài）加工過程中使（shǐ）用某（mǒu）種方（fāng）式改變生產（chǎn）對象的幾何形狀等來達到生產對象向半成品或成（chéng）品過渡的目的[8]。合理的加工（gōng）工藝路線可以（yǐ）在滿足加工要求的條件下，有效提高生產效率。為了加工旋轉底座，需要設計工（gōng）業機器人旋轉底座加工工藝路（lù）線，對於成形的鑄造毛坯（pī）進行粗加工，首先對底（dǐ）麵圓粗加工，去除毛坯餘量，將（jiāng）底麵用龍門式數控銑床銑光滑，得到φ771.5mm底麵圓，接著以底麵（miàn）為基準，固定銑床，按照技術（shù）要求，保（bǎo）證底麵（miàn）與φ370mm的圓（yuán）心的距離為556.5mm，用（yòng）1710數控單柱臥式銑床進行（háng）旋轉底座右側端（duān）麵粗加工，半精加工和精（jīng）加工後得到φ480mm的外圓，再進行連接連杆座麵的粗加工，將連接麵銑光滑，轉換工作麵，進行旋轉底（dǐ）座左側端麵粗加工、半精加工（gōng）和精（jīng）加工後得到φ480mm的外圓，最後（hòu）再按照圖樣要求，對底（dǐ）麵2個M12定（dìng）位孔（kǒng）進行鑽（zuàn）孔攻螺（luó）紋， 鑽9個（gè）φ12.5mm的孔，對側（cè）麵φ 370mm的圓均布12個M12鑽孔攻螺紋，對連接連杆座麵鑽2個φ20mm的（de）孔，完成工業機器人旋轉底座的加工，具體（tǐ）加工工藝路線見表（biǎo）1。
表1 機器人旋轉底（dǐ）座的加工工藝路線
PART 05
確定工序尺寸
在加工過程中，確定（dìng）零件的加工工藝路線後，首先應確定（dìng）機械加工餘量，再確定（dìng）工序尺（chǐ）寸，接著再進（jìn）一（yī）步安排各個工序的具體內容（róng）[9]。旋轉底座需在銑床上進行多（duō）次加工。將之前所確定的機械加工（gōng）總餘量分布在每個工序當中，然後由後往前對工序尺寸進行計算（suàn）[10]。工業機器人旋轉底座（zuò）加工參數見表2。
表2 工（gōng）業機器人旋轉底座加工參（cān）數（shù）
在零件圖樣中，工業機（jī）器（qì）人旋轉底（dǐ）座的軸向尺寸公差未（wèi）標注，說明（míng）其軸（zhóu）向（xiàng）尺寸精度要求較小，部分工序（xù）尺（chǐ）寸和公差（chà）用不到工藝尺寸鏈的計算方法。在此零件中，毛坯的長度減去旋轉底座的軸向尺寸等於加工總餘量，即818.5−806.5=12（mm）。
加工φ480mm外圓時，因其尺寸精度和表麵粗糙度（dù）要求較高，選用φ 63mm銑刀進行粗銑、半精銑和精銑工序。根據對圖（tú）1的分析和計算，φ480mm的外（wài）圓軸向加工餘量為21.2mm，粗銑和半（bàn）精（jīng）銑（xǐ）分別去除20mm和（hé）1mm，再精銑去除0.2mm。
399mm兩側端麵（miàn）的尺寸精（jīng）度和表麵粗糙度要（yào）求同樣較高，要完（wán）成粗銑、半精銑、精銑3道工序以達（dá）到其要求，399mm兩側（cè）端（duān）麵（miàn）的軸向加工餘量為11.2mm，首先粗銑去除10mm，再經過半精銑去除1mm，最後精銑去除（chú）0.2mm。
PART 06
選擇（zé）加工（gōng）設備與刀具
旋轉底（dǐ）座為對稱零件並且尺寸較大，完成零件加工需要兩步，分別為銑削和鑽削。為（wéi）保（bǎo）證零件的加工效率，需（xū）使用（yòng）1台龍門式數控銑（xǐ）床（chuáng）和1台1710數控單柱臥式銑床完成旋轉底座的（de）加工，旋轉座底（dǐ）麵圓使用龍門式數（shù）控銑床和φ100mm銑刀銑光滑，再用1710數控單柱臥（wò）式銑床和φ63mm銑刀完成其（qí）他加工麵的加工，完成零（líng）件加工麵的加（jiā）工後，根據孔直徑的大小，分別選擇φ10.5mm鑽頭和φ12.5mm鑽（zuàn）頭對零件進行鑽孔，即完成整體工業機器人旋轉底座的加工製造。
PART 07
零件加工
按照上述工序及工藝（yì）方法加工出工業機器人旋轉（zhuǎn）底座零件，使用量具檢測，其公差尺寸在（zài）零件圖樣所標注（zhù）的範圍內，達到尺寸要求和加工精度要求，為合（hé）格品（pǐn）零件。工業機器人旋轉底座零（líng）件實（shí）物如圖2所示。
a）加工前
b）加（jiā）工後
c）噴漆後
圖2 工業機器人旋轉底座實物
PART 08
零件加工難點及解決方法
工業機器人旋（xuán）轉底座（zuò）體積較大，加工過程中存在以下難點：一是尋找基準（zhǔn）水平點較麻煩，其解決方法是按加工要求每次需（xū）用千分表進行水平（píng）找正，找正完成（chéng）後進行後續加工；二是球墨鑄鐵鑄件表麵相對粗糙，容易造成空刀銑削，其解決方法是在加工過程中，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（shǐ）鑄件表麵相對光滑；三是零件（jiàn）加工過（guò）程中需（xū）要多次裝夾，影響零件（jiàn）表麵精度，其解決方法是在（zài）裝夾過程中使用專用（yòng）夾具定位，再（zài）使用千分表測量基準水平點進行加工。
PART 09
結束（shù）語
針對（duì）工業機器人旋轉底座體積較大，零件加工較難的特點，本文對工業機器人旋轉底座加工設（shè）計工藝路線，旋轉底（dǐ）座加工工藝包括分析工業機器人旋轉底座零件圖樣，了解旋轉底座的結（jié）構、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餘（yú）量，從而達到工業機器人旋轉底座（zuò）的加（jiā）工要（yào）求，減少材料損耗，提高生產效率，選擇旋轉底座（zuò）的定位基（jī）準和（hé）表麵加工方法，從而確（què）定旋轉底座機（jī）械加工（gōng）工藝路線和（hé）工序尺寸，選擇合適的加工設備和切削刀具進行加工。經測（cè）量，旋轉底座的公（gōng）差尺寸在標準（zhǔn）範圍內，零件合格。本文（wén）設計的工業機器人旋轉底座機械加工工藝（yì）滿足市場對旋轉底座的（de）結構和功能要求，能夠有效解決現有的加工技術問題，提高生產效率，促進工業機器人的發展（zhǎn）。
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本文發表於《金屬加工（冷加工）》2022年第12期33~37頁，作者：廣東技術師範大學機電學院 陳芷君、楊勇、王（wáng）佳欣、李（lǐ）秋（qiū）晨、梁小鳳，廣州長仁工業科（kē）技有限公司（sī） 姚宇蘢 ，原標題（tí）：《工業（yè）機（jī）器人旋轉底座機械加工工藝設計》。
