揭秘：工業機器人旋轉底座精密加工工藝設計
編者按
主要（yào）闡述工業機器人旋轉底座機械加工工藝（yì）設計問（wèn）題，包括分（fèn）析工業機器人旋轉底座零件圖樣，了解旋轉底座的結構、尺（chǐ）寸要求（qiú），選擇合適（shì）的毛坯材料，確（què）定零件合（hé）理的加工（gōng）餘量和毛坯尺寸；選擇旋轉底座的定位（wèi）基準和表麵加工方法，確定旋轉底（dǐ）座機械加工工（gōng）藝路線和工序尺寸；選擇合適的加工設備和加（jiā）工刀具進行零件加工。
PART 01
序言
20世紀50年代戴沃爾提出了工業機器人的相關概（gài）念，戴沃（wò）爾認為可以通（tōng）過預先設定相應程序實現機器人的自動化運轉[1]。而工業機（jī）器人旋（xuán）轉底座為整個機器人提供了支承，帶動了三軸與四軸的旋轉運動。目前機械（xiè）製造、電子（zǐ）信息、汽車生產（chǎn）以及軍工等行業的發展都需要工業機器人的支持（chí）和主導（dǎo），工（gōng）業（yè）機器人（rén）在整個現代化工業領域有著不可替代的作用[2]。因（yīn）旋轉（zhuǎn）底（dǐ）座的機械加工方法直接關係到整個工（gōng）業機器人的質（zhì）量，故本文重點講述旋轉底座的機械加工（gōng）工藝設計方法（fǎ）。
PART 02
零件結（jié）構分析
在工業機器人（rén）旋轉底座機械（xiè）加工工藝設計前（qián），需要對零件圖樣進行（háng）分析以達到設計（jì）尺寸和精度的要求。由（yóu）工（gōng）業機器人旋轉底座結構（見圖1）可知（zhī），旋轉底座體積較大，加工較難，但技術要求（qiú）比較低。由（yóu）於工業機器人旋（xuán）轉底座表麵（miàn）粗糙度不同，加工方法選擇多樣化，所以需（xū）要進行粗加工與精加工。零件加工要求為399mm兩側端麵、 φ 480mm外圓的表（biǎo）麵（miàn）粗糙度值Ra=3.2μm，零件其他（tā）表麵粗糙度值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（miàn）要進行精加工。
PART 03
毛坯的確定（dìng）
3.1 毛（máo）坯（pī）的（de）類型及（jí）選用
球墨鑄鐵的力學性能較好，使用該材（cái）料鑄（zhù）件製造的零部件可以滿足工業機器人（rén）旋轉底座支承力（lì）較（jiào）大的要求，且製造（zào）成本較低[3]，因此工業機器（qì）人旋轉底座毛坯材料選用球墨鑄鐵。
3.2 確定（dìng）機械毛（máo）坯尺寸及加工餘（yú）量
選擇合適的毛坯形狀及尺寸在零件加工中是極為重要（yào）的步驟，若選擇不合適的毛坯形狀或尺寸，可能出現加（jiā）工餘量不（bú）足或加工餘量過大，浪費材料（liào）等情況。一般情況下，較精密的機械加工所要求的加工餘量較小，相對不精密的機械加工所要（yào）求的加工餘量較大[4]。
由圖1可（kě）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（chǐ）寸需大於零件的最大輪廓尺寸，且為保證其精度，需具有一定的加工餘量。以在不影響加工出的零（líng）件精度的情況下，盡可能地節省（shěng）材料為選取毛坯的原則，最終確定毛坯尺寸為（wéi）直徑783.5mm，厚度818.5mm。
a）二維圖 b）三維圖（tú）
圖1 工業機器人旋轉底座結構示意
PART 04
擬定加工（gōng）工藝路（lù）線
4.1 確定定位基準
定位基準可分為粗加工基準和精加工基準[5]。零件開始加工時，以毛坯麵（miàn）作為定位基準的（de）稱為粗基準，以加工麵作為定（dìng）位基（jī）準的稱為精基準[6]。定位基準對零件質量以及對零（líng）件的（de）加工工藝順序有重要影響。
粗基準以底麵φ771.5mm圓心為中心，以底麵外圓為基準。當以底麵外圓為基（jī）準時，φ370mm的圓心與底麵的距離為556.5mm。精基準以側端麵φ480mm外圓為精基準，方便另（lìng）一側麵加工，一次成形，加工期間，毛坯不可移動。
4.2 零件表麵加工方法
表麵（miàn）加工方法除了保證加工（gōng）表麵的精度和表麵（miàn）粗糙度等質量要求外，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程度（dù）一般，但需（xū）加工表麵很多，有左右兩端麵（miàn）、通孔、外圓、12個M12的螺紋（wén）孔及2個M12的螺紋定位孔。各個需加工的表麵尺寸、形狀及加（jiā）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（jiā）工工藝路線
機（jī）械加工工藝是指在加工過程中使（shǐ）用某種方式改變生產對象的（de）幾何形狀等（děng）來達到生產對象向半成（chéng）品或（huò）成品過渡的目的[8]。合理的（de）加工工（gōng）藝（yì）路線可以在滿足加工要（yào）求的條件下，有效（xiào）提高生產效（xiào）率。為了加工旋轉底座，需要設計工業（yè）機器人旋轉底座加工工藝路線，對於（yú）成形的鑄造毛坯進行粗（cū）加工，首先對底麵（miàn）圓粗加工，去（qù）除毛坯餘量，將底麵用龍門式數控銑（xǐ）床銑光滑，得到φ771.5mm底麵圓，接著以底麵（miàn）為基準，固定銑床（chuáng），按照技術要求，保證底麵與φ370mm的圓心的距離為556.5mm，用1710數控單柱臥式銑床進行旋轉底座右側（cè）端麵粗加（jiā）工，半精加工和精加（jiā）工後得到φ480mm的外圓，再進行連接連杆座麵的粗加（jiā）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加工、半精（jīng）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（wèi）孔進行鑽孔攻螺紋（wén）， 鑽9個φ12.5mm的孔，對側（cè）麵（miàn）φ 370mm的（de）圓均布12個M12鑽孔攻螺（luó）紋（wén），對連接連杆座麵鑽2個φ20mm的孔，完成工業機器（qì）人旋（xuán）轉底座（zuò）的加工，具體加工工藝路線見表1。
表1 機器人旋轉底（dǐ）座的加工工藝路線
PART 05
確（què）定工序尺寸
在加工過程中，確定零件的加工工藝路線（xiàn）後，首先應確定機械加工餘量，再（zài）確定工序尺寸，接著再進一步安排各個工序的具體內容[9]。旋轉底座（zuò）需在銑床上進行多次加工。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行計算[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數（shù）
在零件圖樣中，工業機器人旋轉底座的軸向尺寸（cùn）公差未標注，說（shuō）明其軸向尺寸精（jīng）度（dù）要求較小（xiǎo），部分工序尺寸和公（gōng）差用（yòng）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（xuán）轉底（dǐ）座的軸向尺寸等於加工總餘量，即（jí）818.5−806.5=12（mm）。
加工（gōng）φ480mm外圓時（shí），因（yīn）其尺寸精度和表（biǎo）麵粗糙（cāo）度要求較高，選用φ 63mm銑刀進行粗銑（xǐ）、半精銑和精銑工序。根據對圖1的分析和計算（suàn），φ480mm的外圓軸向（xiàng）加工（gōng）餘量為21.2mm，粗銑和半（bàn）精銑（xǐ）分別去除20mm和1mm，再（zài）精銑去除0.2mm。
399mm兩側端麵的尺寸精度和表麵粗糙度要求同樣較高，要（yào）完成粗銑、半精銑、精銑3道工（gōng）序以達到其要求，399mm兩側端麵的軸向加工餘量為11.2mm，首先粗銑去除10mm，再經過半精銑（xǐ）去（qù）除1mm，最後精銑去除0.2mm。
PART 06
選擇加工設備與刀具（jù）
旋轉底座為對稱零件並且尺寸較（jiào）大，完成零件加工需要兩步，分別為銑削和（hé）鑽（zuàn）削。為保（bǎo）證零件的加工效率（lǜ），需使用1台龍門式數控銑床和1台1710數控（kòng）單柱臥式銑床完成旋轉（zhuǎn）底座的加工（gōng），旋轉座底麵圓使用龍門式（shì）數控（kòng）銑床和（hé）φ100mm銑刀銑光滑，再用1710數控單（dān）柱臥式銑床和φ63mm銑（xǐ）刀完成其他加（jiā）工麵的加工，完成零件加工麵的加工後，根據孔直（zhí）徑的大小，分別選擇φ10.5mm鑽頭和φ12.5mm鑽頭對零件進行鑽孔，即完成整體工業機器人旋轉底座的加工製造。
PART 07
零（líng）件加工
按（àn）照上述工序及（jí）工藝方（fāng）法加（jiā）工出（chū）工業機器人旋轉底座零件，使用量具檢測，其公差尺寸在零件圖樣所標注的範圍內，達（dá）到尺（chǐ）寸要求和加工精度要（yào）求，為合（hé）格品零（líng）件。工業機器人旋轉底（dǐ）座零件實物如（rú）圖2所示。
a）加工前
b）加工後
c）噴漆後
圖2 工業機器人旋轉底座實（shí）物
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（cún）在以下難點：一是尋找基準水平點較麻煩，其解決方法（fǎ）是按加工（gōng）要求每次需用（yòng）千分表進行水平找正，找正（zhèng）完成後進（jìn）行（háng）後（hòu）續加工；二是球墨鑄鐵鑄件（jiàn）表麵相對粗糙，容易造成空（kōng）刀銑削，其解決方法是在加工過程中，刀具需從鑄件凸（tū）起的（de）最（zuì）高位置慢慢加工到最（zuì）低位置，或者提高鑄鐵模具（jù）的精度要求，使鑄件表麵相對（duì）光（guāng）滑；三是零件加工（gōng）過程中需要多次（cì）裝夾，影響零件表麵精度，其解（jiě）決（jué）方法（fǎ）是在裝夾過程中使用專用夾（jiá）具定位，再（zài）使用千分表測量基準水平點進行加工。
PART 09
結束語
針對工業機器人（rén）旋轉底座體積較（jiào）大，零件加工較難的特點，本文對（duì）工業機器人旋轉（zhuǎn）底座加工（gōng）設計工藝路（lù）線（xiàn），旋轉底座加工工（gōng）藝（yì）包括分析工（gōng）業機器人旋轉底座零件圖樣，了解旋轉底座的結構、尺寸要求，選擇合適的毛坯材料，確定合理的毛坯尺寸和（hé）加工餘量（liàng），從而達到工業機器人旋轉（zhuǎn）底座的加工要求，減少材料損耗，提高生產效率，選擇旋轉底座的定位基準（zhǔn）和表麵加工方法，從而確定旋轉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切削（xuē）刀具進行加工。經（jīng）測量，旋轉底座的（de）公差尺寸在標準範（fàn）圍內，零件合格。本文設計的工業機器（qì）人旋轉底座機械加工工藝滿足市場對旋轉底座的結構和功能要求，能夠有效解（jiě）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。
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本文發表於《金屬加工（冷加工（gōng））》2022年第12期33~37頁，作者：廣東技術師範大學機電學院 陳芷（zhǐ）君、楊（yáng）勇、王佳欣、李秋（qiū）晨、梁小鳳，廣州長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（jī）械加工工（gōng）藝設計》。
