機(jī)器人銑削加工夾具的設(shè)計與制作

朱宇辰

摘 要：機(jī)器人加工已日益廣泛應(yīng)用于大尺寸零件的銑削加工。然而，機(jī)器人的剛性在各個位姿下并不相同，且相比于數(shù)控機(jī)床過小。為此，設(shè)計并制作了一種可用于調(diào)整位姿的機(jī)器人銑削夾具，通過對銑削工件位姿調(diào)整實(shí)現(xiàn)銑削加工的最優(yōu)性能。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計的合理性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;銑削加工;夾具;剛性最優(yōu)

1 研究背景

工業(yè)機(jī)器人是20世紀(jì)60年代在自動操作機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種能模仿人的某些動作和控制功能，并按照可變的預(yù)定程序、軌跡及其他要求操作工具，實(shí)現(xiàn)多種操作的自動化機(jī)械系統(tǒng)[1]。工業(yè)機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化裝備，技術(shù)附加值高，在機(jī)械、汽車、航空、航天、造船等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用[2]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的機(jī)器人的研究和應(yīng)用取得了一定的成果，先后研制出點(diǎn)焊、弧焊、裝配、噴漆、切割、搬運(yùn)、包裝、碼垛等各種用途的機(jī)器人[3]。

與數(shù)控加工中心等其它加工設(shè)備相比，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于切削加工領(lǐng)域具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)，能方便地實(shí)現(xiàn)切削加工工具頭在空間的各種位姿位置和姿態(tài)[4， 5]。更重要的是，對于一些尺寸較大的工件，普通的數(shù)控加工中心無法滿足加工的需求，此時工業(yè)機(jī)器人加工范圍大的優(yōu)勢則完全得到了體現(xiàn)[6]，如圖1所示。

現(xiàn)有的銑削加工夾具大多是以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，適用于小工件的三軸銑削加工。這些夾具缺少調(diào)整的自由度，無法針對工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際位姿調(diào)整工件的姿態(tài)。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計了一種多自由度的機(jī)器人銑削夾具，可通過姿態(tài)調(diào)整，使得銑削工件相對于機(jī)器人處于剛性最佳的位姿。

2 機(jī)器人銑削工裝設(shè)計

2.1 四自由度銑削工裝方案

設(shè)計要求：能夠進(jìn)行垂直、水平、旋轉(zhuǎn)、俯仰四個方向的調(diào)整;能夠裝夾幅面大小800*400（mm）的工件;整體結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

設(shè)計思路：由于機(jī)器人銑削夾具需要有4個方向的自由度，按照模塊化設(shè)計的思想，將各個自由度分別由單一模塊實(shí)現(xiàn)。各個模塊互不耦合，保證自由度之間互不影響。

（1） 垂直調(diào)整模塊：垂直調(diào)整模塊需要承受上部所有模塊的重量，而且希望能在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。選用液壓缸驅(qū)動的叉剪型升降平臺能夠滿足承重要求，且結(jié)構(gòu)極其緊湊。

（2） 水平調(diào)整模塊：工件在水平方向的調(diào)整距離不大，而水平調(diào)整模塊需要承受上部模塊的重量?？紤]到精確性、承重性、自鎖性等等要求，選用帶手輪的絲杠導(dǎo)軌模組來實(shí)現(xiàn)水平方向的調(diào)節(jié)。

（3） 旋轉(zhuǎn)調(diào)整模塊：旋轉(zhuǎn)調(diào)整模塊只需要保證工件能夠在加工與測量兩個互相垂直的工位之間進(jìn)行切換，因此設(shè)計了推力軸承配合定位銷的形式來實(shí)現(xiàn)該功能。

（4） 俯仰調(diào)整模塊：俯仰調(diào)整模塊需要實(shí)現(xiàn)工件0度到90度的俯仰位姿調(diào)整，要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最緊湊首先想到的就是吊車臂的液壓缸升降結(jié)構(gòu)，參考這種結(jié)構(gòu)，并且考慮到工件幅面較大的因素，使用兩個液壓缸配合限位擋塊的形式完成了俯仰自由度的設(shè)計。

該設(shè)計具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)緊湊、功能明確，可以在垂直水平、旋轉(zhuǎn)、俯仰四個方向進(jìn)行調(diào)整，確保在銑削過程中機(jī)器人加工性能最佳;缺點(diǎn)是該工裝設(shè)計中外購件所占比例較小，各結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計時間及加工工期較長，無法立刻投入實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)。為此改善設(shè)計方案，形成如下兩自由度機(jī)器人銑削工裝設(shè)計方案。

2.2 兩自由度銑削工裝方案

設(shè)計要求：為了彌補(bǔ)上述四自由度機(jī)器人銑削工裝的不足，同時滿足基本的旋轉(zhuǎn)、俯仰調(diào)節(jié)自由度，設(shè)計了如下的兩自由度機(jī)器人銑削工裝。

設(shè)計思路：該兩自由度機(jī)器人銑削工裝是圍繞著市面上現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品可傾回轉(zhuǎn)分度臺來完成的。可傾回轉(zhuǎn)分度臺可以實(shí)現(xiàn)0～360度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以及0～90度的俯仰運(yùn)動，承重達(dá)到300kg，符合所需的承重性、精確性等等要求。但是可傾回轉(zhuǎn)分度臺的臺面直徑只有400mm，是用于普通數(shù)控銑床上的配件，難以滿足大幅面的平板類工件的加工需求。

（1） 底部支撐：由于可傾回轉(zhuǎn)分度臺適用于面積小于臺面的零件，因此在增加了較大的型材臺面時，如果下面不增加高度，在臺面旋轉(zhuǎn)到90度時臺面下端一定會和安裝基臺發(fā)生干涉。

（2） 臺面支撐：與底部支撐的功能類似，如果不加上臺面的支撐，在臺面旋轉(zhuǎn)到90度時鋁型材臺面一定會和回轉(zhuǎn)分度臺本身發(fā)生干涉。

（3） 鋁型材臺面板：考慮到可傾回轉(zhuǎn)分度臺的承重為300kg，雖然鋁型材臺面在剛性上不如整體鑄造的鑄鐵平臺，但是為了滿足重量的限制，在進(jìn)行非金屬切削的階段，可以使用鋁型材臺面代替鑄鐵平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是工裝主體采用市面上的成熟產(chǎn)品可傾回轉(zhuǎn)分度盤，整體工裝的研發(fā)時間短，穩(wěn)定性高，能夠快速投入初期的試切實(shí)驗(yàn)，保證研究進(jìn)展;缺點(diǎn)是暫時只能提供旋轉(zhuǎn)與俯仰兩個方向的自由度，無法進(jìn)行水平垂直的調(diào)節(jié)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)方案二加工并裝配完成機(jī)器人銑削加工夾具，與機(jī)器人組成加工系統(tǒng)。切削實(shí)驗(yàn)選用的工件為聚甲醛（POM）板，俗稱“賽鋼板”。由于聚甲醛板表面光滑，機(jī)械強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高，有非常好的尺寸穩(wěn)定性，因此非常適用于精密的機(jī)械加工。

將600*450*30mm的聚甲醛板通過組合夾具安裝在兩自由度機(jī)器人銑削夾具上。將電主軸與冷卻水循環(huán)機(jī)通過水管連接，與變頻器通過電纜連接，與壓縮空氣供應(yīng)口通過電磁閥與氣管連接。準(zhǔn)備工作完成后，以低速運(yùn)行銑削程序以驗(yàn)證無干涉碰撞或超范圍等情況，確認(rèn)安全后以自動運(yùn)行模式運(yùn)行機(jī)器人銑削程序，實(shí)驗(yàn)過程中時刻觀察機(jī)器人運(yùn)動與規(guī)劃軌跡是否一致。

加工實(shí)驗(yàn)順利，機(jī)器人從零位到加工位，加工完成后回到零位，中途無任何差錯或碰撞。加工時運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)加工錯誤或斷刀等危險情況。這表明所設(shè)計的兩自由度銑削工裝完全滿足實(shí)際加工要求。

4 結(jié)論

本文針對工業(yè)機(jī)器人設(shè)計了銑削加工可調(diào)整姿態(tài)的兩種夾具，并制作了兩自由度專用夾具，實(shí)現(xiàn)了工件的多自由度調(diào)節(jié)，可保證機(jī)器人加工性能最優(yōu)，能夠用于實(shí)際加工。

致謝：本文工作依托于華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展。

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