揭秘（mì）：工業機器人旋轉底座精密加工工藝設計

編者按

主要闡述工業機器人旋轉（zhuǎn）底座機（jī）械加工工藝設計問題，包（bāo）括分析工業機器人旋（xuán）轉底座零件（jiàn）圖樣，了解旋轉底座的結構、尺寸要（yào）求，選擇合適的毛（máo）坯（pī）材料，確定零件合理（lǐ）的加工餘量和毛坯（pī）尺（chǐ）寸；選（xuǎn）擇旋轉底座的（de）定位基準（zhǔn）和（hé）表麵加工方法，確定旋轉（zhuǎn）底座機械加工工藝路線和工序尺寸；選擇合適的加工設備和加工刀具進（jìn）行零件加工。

PART 01

序言

20世紀50年代戴沃爾提出了工業機器人（rén）的相關概念，戴沃爾認為可以通（tōng）過預先設定相應程（chéng）序（xù）實（shí）現機器人的自動化運（yùn）轉[1]。而（ér）工業機器人旋轉底（dǐ）座為整（zhěng）個機器人提供（gòng）了支承，帶動了三軸與四軸的旋轉運動。目前機械製造、電子信息（xī）、汽車生產以及軍工等行業的發展都需要工業機器人的支持和主導，工業機器人在整個現代化工業領域有著不可替代的作用[2]。因旋轉底座的機械加工方法直（zhí）接關（guān）係到整個工業（yè）機（jī）器人的質（zhì）量，故本文重點講述旋轉底座的機械加工（gōng）工藝（yì）設計方法。

PART 02

零件結構分析

在工業機器人旋轉（zhuǎn）底座機（jī）械加工工（gōng）藝設計前，需要對零件圖（tú）樣進行分析（xī）以達到設計（jì）尺寸和（hé）精度的要求。由工業機（jī）器人旋轉底座結構（見圖1）可知，旋轉底座體積較大，加工較難，但技（jì）術要求比較低。由於工業機（jī）器人旋轉底座表麵（miàn）粗糙度不同，加工方法（fǎ）選擇多樣（yàng）化，所以需要進行粗加工（gōng）與精加工。零件加工（gōng）要（yào）求為399mm兩側端麵、 φ 480mm外圓的表麵粗糙度值Ra=3.2μm，零件其他表麵（miàn）粗（cū）糙度值Ra=6.3μm。在加工旋轉底座過程中，確定定位基準，對零件部分端麵要進行精加工。

PART 03

毛坯的確定（dìng）

3.1 毛坯的類型及選用

球墨鑄鐵的力學性能較好，使用該材料鑄件製造的零部件可以滿足工業機器人旋轉底座支（zhī）承（chéng）力較大（dà）的要求，且製造成本較低[3]，因（yīn）此工業機器人旋轉底座毛坯材料選用（yòng）球墨鑄鐵。

3.2 確定機械毛坯尺寸及加工餘量

選擇合適的毛坯（pī）形狀（zhuàng）及尺寸（cùn）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（huò）尺寸，可能出現（xiàn）加（jiā）工（gōng）餘量不足或加工餘量過大，浪費材料等（děng）情況。一般（bān）情況下，較精密的機械加工所要求的加工餘量較小（xiǎo），相對不精密的機械加工（gōng）所要求的加工（gōng）餘量較大[4]。

由圖1可（kě）知，橫向最大輪廓尺寸為（wéi）771.5mm，軸向最大尺寸為806.5mm。選用的毛坯尺寸需大於（yú）零件的最大輪（lún）廓尺寸，且（qiě）為（wéi）保證其精度，需具有一定的加工餘量。以在不影響加工出的零件精度的情況下，盡可能地節省材料為選取毛坯的原則，最（zuì）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（gōng）業機器人旋轉底座結（jié）構（gòu）示意

PART 04

擬定加工工藝路線

4.1 確定定位基準

定位基準可（kě）分為粗加工（gōng）基準和（hé）精加（jiā）工基準[5]。零件開始（shǐ）加工時，以毛坯麵作為定位基準的稱為粗基準，以加工麵作（zuò）為定位基準的稱為精基準[6]。定位基準對零件質量以及對零件的加工工藝順序有重要影響。

粗基準以底麵φ771.5mm圓（yuán）心為中心，以底麵外圓為基準。當以底麵外圓為（wéi）基準時，φ370mm的圓心與底麵的距離為556.5mm。精基準以側（cè）端麵φ480mm外圓（yuán）為精基準，方便另一側麵加工，一（yī）次成形，加工（gōng）期間，毛坯不可移動。

4.2 零件表麵加工方法

表麵加工方（fāng）法除了保證加工表麵的（de）精度和表麵粗糙（cāo）度等質量要求外，還須考慮性價比[7]。由圖1可知工業機器人旋轉底座零件複雜（zá）程度一般，但需加工表麵很多，有左右（yòu）兩端麵、通孔、外圓、12個M12的螺紋孔及2個M12的（de）螺紋（wén）定位孔。各個需加工的表麵尺（chǐ）寸、形狀（zhuàng）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（xiè）加工（gōng）工藝路線（xiàn）

機械加工工藝是指在加工過程中使用某種方式改變生產對象的幾何形（xíng）狀等來達到生產（chǎn）對象向半成品或成品過渡的目的[8]。合理的加工（gōng）工藝路線可以在滿足加工要求的條件下，有（yǒu）效提高生產效率。為了（le）加工（gōng）旋轉底座，需要設計工業機器人旋轉底座加工工藝路線（xiàn），對於成形的鑄造毛（máo）坯進行粗加工，首（shǒu）先對底麵（miàn）圓粗加工，去除毛坯餘量，將底麵用龍（lóng）門式數控銑床（chuáng）銑光滑，得到φ771.5mm底麵圓，接著以底麵為基準，固定銑床，按照技術要求，保證底麵與φ370mm的圓心的距離為556.5mm，用1710數控單柱臥式銑（xǐ）床進行旋轉底座右側（cè）端麵粗（cū）加工，半精加工和精加工後（hòu）得到φ480mm的（de）外圓，再進行連接連杆（gǎn）座麵的粗加工，將連接麵銑光滑，轉換工作麵，進行（háng）旋轉底座左側端麵粗（cū）加工、半精加工和精加工後得到φ480mm的外圓（yuán），最後再按照圖樣要求，對底麵2個M12定位孔進行鑽孔攻螺紋， 鑽9個φ12.5mm的孔，對側麵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的孔，完成工業機器人旋轉底座的加工，具體加工工（gōng）藝路線見表1。

表1 機器人旋轉底座的加工工（gōng）藝路（lù）線

PART 05

確定工序尺寸

在加工過程（chéng）中，確定零件的加工工藝路線後，首先應確定機械加工餘量，再確定工序尺寸，接著再進一步安排（pái）各個（gè）工序的具體內容[9]。旋轉底座（zuò）需在銑床上進行（háng）多次加工。將之前所確定的機械加工總餘量分布在每個工序當中，然後由後往前對工序尺寸進（jìn）行計算（suàn）[10]。工業機器人（rén）旋轉底座加工參（cān）數見表2。

表2 工業（yè）機（jī）器人旋轉底（dǐ）座加（jiā）工參數

在零件圖樣中，工業機器人旋轉底座的軸向尺寸公差未標（biāo）注，說明其軸向尺寸精（jīng）度要（yào）求較小，部分工序尺寸和公差用不到工藝尺寸鏈的計算方（fāng）法（fǎ）。在此零件中，毛坯的長度減去旋轉底座的軸向尺寸（cùn）等於（yú）加工總餘量，即818.5−806.5=12（mm）。

加工φ480mm外圓（yuán）時，因其尺（chǐ）寸精（jīng）度和（hé）表麵粗糙度要（yào）求較高，選用φ 63mm銑刀進行（háng）粗銑、半精銑和精銑工序。根據對圖1的分析和（hé）計算，φ480mm的外圓軸向加工餘量為21.2mm，粗銑和半精銑分別去（qù）除20mm和1mm，再精銑去除0.2mm。

399mm兩側端麵的尺寸精度和表麵粗糙度要求（qiú）同樣較高，要完（wán）成粗銑、半精銑、精銑3道工序以達到其要求，399mm兩（liǎng）側端麵的（de）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0.2mm。

PART 06

選擇加工設（shè）備與刀具

旋轉底座為（wéi）對稱零件並且尺寸較大，完成（chéng）零件加工需要兩步，分別為銑削和鑽削。為保證零件的加工效率，需使用1台龍門式數控銑床和1台1710數控單柱臥（wò）式銑床完成（chéng）旋轉底座的（de）加（jiā）工，旋轉座底麵圓使用龍門式數控（kòng）銑床和φ100mm銑刀銑光滑（huá），再用1710數控單柱臥式銑床和φ63mm銑刀完成其他加工（gōng）麵的加工，完成（chéng）零件加工麵的（de）加工後，根據孔直徑的大小，分別選擇φ10.5mm鑽頭和φ12.5mm鑽頭對零件進行（háng）鑽孔，即（jí）完成整體（tǐ）工業機器（qì）人旋轉底（dǐ）座的加工製造。

PART 07

零件加工

按照上述工序及工藝方法加工出工業機器人旋轉底座零件，使用量具檢測，其公（gōng）差尺寸在零件圖樣所（suǒ）標注的範圍內，達到尺寸要求和加工精度要求，為合格品零件。工業機器人旋轉底座零件實物如圖2所示。

a）加工（gōng）前

b）加工後

c）噴漆（qī）後

圖2 工業機器（qì）人旋轉底座實物（wù）

PART 08

零件加工難點及解決方法

工業機器人旋轉底座體積較大，加工過程中存在（zài）以下難點（diǎn）：一是尋找基準水（shuǐ）平點較麻煩，其解（jiě）決方法是按加工要求每（měi）次需用千分表進行水平找正，找正（zhèng）完成後進行後（hòu）續加工；二是球墨鑄鐵鑄件表麵相（xiàng）對粗糙，容易造（zào）成空刀銑削，其解決方法是在加（jiā）工過程中（zhōng），刀具需從（cóng）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，使鑄件表麵相對光（guāng）滑；三是零件加工過程中需（xū）要（yào）多次（cì）裝夾（jiá），影響零件表麵精度，其解決方法是在裝夾過程中使用專用夾具（jù）定位，再使用千分表測量基準水平點進行加工。

PART 09

結束語

針（zhēn）對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計工藝路線（xiàn），旋轉底座加工工藝包括分析工業機器人旋轉底座零件（jiàn）圖（tú）樣，了解旋（xuán）轉底座的結（jié）構、尺寸要（yào）求，選擇合適（shì）的毛坯材料，確定合理的毛坯尺寸和加工餘量，從而達到工業（yè）機器（qì）人旋轉底座（zuò）的加工要求，減少材料損耗，提高生產效率，選擇旋轉底座的定位基準和表麵加工方法，從而確定旋轉（zhuǎn）底座機械加工工藝路線和工序尺寸，選擇合適的加工設（shè）備和（hé）切削刀具進行加工。經測量，旋轉底座的公差尺寸在標準範圍內，零件合格。本文設計的工業機器人旋轉底座（zuò）機械加工工藝滿足市場對旋轉底座的結構和（hé）功能要求，能夠（gòu）有效解（jiě）決現（xiàn）有的加工技術問題，提高生產效率，促進（jìn）工業機器人的發展。

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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（zuò）者：廣東（dōng）技術師範大學機電學院 陳芷君、楊勇、王佳（jiā）欣、李秋晨（chén）、梁小鳳，廣州長（zhǎng）仁工業科技有限公司 姚宇蘢 ，原標題：《工業機器人旋轉底座機械（xiè）加工工藝設（shè）計》。