揭秘：工業機（jī）器人旋轉底座（zuò）精密加工工（gōng）藝（yì）設計
編（biān）者按
主（zhǔ）要（yào）闡述（shù）工業機器人旋轉底座機械加工工（gōng）藝設計（jì）問題，包括分析（xī）工業（yè）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（què）定零（líng）件合理的加工餘（yú）量和毛坯尺寸；選（xuǎn）擇旋轉（zhuǎn）底座的定位（wèi）基準和表麵加工方法，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加工（gōng）刀具進（jìn）行零件加工。
PART 01
序言（yán）
20世紀50年（nián）代（dài）戴沃爾提（tí）出了工業機器人的相關概念（niàn），戴沃爾認為可以通（tōng）過預（yù）先設定相應程序實現（xiàn）機器人的自動化運轉[1]。而工業機器人旋轉底座為（wéi）整個機器人（rén）提供了支承，帶動了三軸與四軸（zhóu）的旋轉運動。目前機械製造、電子信（xìn）息、汽車生（shēng）產以及軍工等行業的發展都需要工業機器人的（de）支持和主導（dǎo），工業機器人在整個現代化（huà）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（fāng）法直（zhí）接關（guān）係到整個工業機器人的（de）質量，故本文重點講述旋（xuán）轉底座的機械加工工藝設計方（fāng）法。
PART 02
零件結構分（fèn）析
在工業（yè）機器人旋轉底座機械加（jiā）工工藝設計（jì）前，需（xū）要對零件圖樣進行分析以達到設計尺寸（cùn）和精度的要求。由工（gōng）業機器（qì）人旋轉底座結構（見圖1）可知，旋轉底（dǐ）座體（tǐ）積較大，加工較難（nán），但技術要求比較（jiào）低。由於工（gōng）業機器（qì）人旋轉底座表（biǎo）麵粗糙（cāo）度不同，加工方法選（xuǎn）擇（zé）多樣化，所（suǒ）以需要進行粗（cū）加工與精加工。零件加工要（yào）求為399mm兩側端（duān）麵、 φ 480mm外圓的表麵粗（cū）糙度值Ra=3.2μm，零件其他表麵粗糙度值Ra=6.3μm。在加工旋轉底座過程中，確（què）定定位基準，對零件部（bù）分端麵要進行（háng）精加工。
PART 03
毛坯的確定
3.1 毛坯的（de）類型及選用
球墨（mò）鑄鐵的力學性能（néng）較好（hǎo），使用該材（cái）料鑄件製造的零部件可以滿足工業機器人旋轉底座支承力較大（dà）的要求（qiú），且製造成本較低[3]，因此工業機器人旋轉底座毛坯材料（liào）選用球墨鑄鐵。
3.2 確（què）定機械毛坯尺寸及加工餘量
選擇合適的毛坯（pī）形狀及尺寸在零件加（jiā）工中是極為重要的步驟，若選擇不合適的毛坯形狀或尺寸，可（kě）能出現加工餘量不足或加工餘量過大，浪費材料等情況。一般（bān）情況下，較（jiào）精密的機械加工所要求的（de）加（jiā）工餘量較小，相對不精密的（de）機械加工所要求的（de）加工餘量較大（dà）[4]。
由圖1可知，橫向最大輪廓尺寸為（wéi）771.5mm，軸向最大尺寸為806.5mm。選（xuǎn）用的毛坯尺（chǐ）寸需（xū）大於零件的最大輪廓尺寸，且（qiě）為保證其精度，需具有一（yī）定的（de）加工餘量。以（yǐ）在不影響加工出的零件精度的情況下，盡可能地節省（shěng）材（cái）料為選取（qǔ）毛坯的原則，最終（zhōng）確定毛（máo）坯尺（chǐ）寸為直徑783.5mm，厚度818.5mm。
a）二維圖 b）三維圖
圖1 工業機器人旋轉底座結構示（shì）意
PART 04
擬定加工工藝路線（xiàn）
4.1 確定定位基準（zhǔn）
定位基準可分為（wéi）粗加工基準（zhǔn）和精加工基準[5]。零件（jiàn）開始加工時，以毛坯（pī）麵（miàn）作為定位基（jī）準的稱為粗基準（zhǔn），以加工麵作為（wéi）定位基（jī）準的稱為精（jīng）基準[6]。定位基準對零件質（zhì）量以及對零件的加工工藝順序有（yǒu）重要影響。
粗（cū）基準以底麵φ771.5mm圓心為中心，以底麵外（wài）圓為基準。當以底麵外（wài）圓為基準時，φ370mm的圓心與底麵（miàn）的距離為556.5mm。精基準以側端麵φ480mm外圓為精基準（zhǔn），方便另一（yī）側麵加工，一次成形，加工期間，毛坯不可移動。
4.2 零件表（biǎo）麵加工方法
表麵加工方法除了保證加工表麵的（de）精度和表麵粗糙度等質（zhì）量要求外，還須考慮性價比[7]。由圖1可（kě）知工業機器人旋轉底座零件複雜程度（dù）一（yī）般，但需加工表麵很（hěn）多，有左（zuǒ）右兩端麵、通孔、外圓、12個M12的螺紋孔及2個M12的（de）螺紋定位孔（kǒng）。各個需加工的表麵尺寸、形狀及加（jiā）工要求（qiú）各不相（xiàng）同，查閱機械工藝手冊，選擇使用不同的加工（gōng）方法。
4.3 零件機械加工工藝路線
機械（xiè）加工工藝是指在加工過程中使用某種方式改變（biàn）生產對象的幾何形狀等來達到（dào）生產對象向半成品或成品過渡的（de）目的[8]。合理的加工工藝路線可以在滿足加工要求的條件下，有效提高生（shēng）產效率。為了加工（gōng）旋轉底座，需要設計工（gōng）業機器人旋轉（zhuǎn）底座加工工（gōng）藝路線（xiàn），對於成形的鑄造毛坯進行粗加工，首先對底麵（miàn）圓粗加工，去除毛坯餘量，將底麵用龍門式（shì）數控銑床銑光滑，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數控單柱臥式銑床進行旋轉底座右側端麵粗加工，半精加工和精加工後得到φ480mm的外圓，再進行連接連杆座麵的粗（cū）加工（gōng），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、半精加工和精加工後得到φ480mm的外圓，最後再按照圖樣要求，對底麵2個M12定位孔進行鑽孔攻螺（luó）紋， 鑽9個（gè）φ12.5mm的孔，對側麵φ 370mm的圓均布12個M12鑽孔攻螺紋，對（duì）連接連杆座（zuò）麵鑽（zuàn）2個φ20mm的孔，完成（chéng）工（gōng）業機器（qì）人旋轉底座的加工，具體加工工藝路線（xiàn）見表1。
表1 機器（qì）人旋轉底座的加工（gōng）工藝路線（xiàn）
PART 05
確定工序尺寸（cùn）
在加工過（guò）程中，確定零件的加工工藝路線後，首先應確定機械（xiè）加（jiā）工餘量，再確定工序尺寸，接著再進一步安排各個（gè）工序的具體內容[9]。旋（xuán）轉底座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（gōng）序當中，然後由後往前對工序尺寸進行計算[10]。工業機器（qì）人旋轉底座加工（gōng）參數見（jiàn）表2。
表2 工業機（jī）器人旋轉底座加工參（cān）數
在零件圖（tú）樣中，工業機器人旋轉底座的軸向尺寸公（gōng）差未標注，說明其軸向尺寸精度（dù）要求較（jiào）小，部分工序尺寸和公差用不到工藝尺寸鏈的計算方法。在此（cǐ）零件中，毛坯的長度（dù）減去旋轉底座（zuò）的軸向尺寸等於加工總餘量，即818.5−806.5=12（mm）。
加工φ480mm外圓（yuán）時，因其尺寸精度和表麵粗糙度要求較（jiào）高，選用φ 63mm銑刀進行粗（cū）銑、半精銑和精銑（xǐ）工序。根據對圖（tú）1的（de）分析和計算，φ480mm的外圓軸向加工餘量為（wéi）21.2mm，粗銑和半精銑（xǐ）分別去除20mm和1mm，再精銑去除0.2mm。
399mm兩側（cè）端（duān）麵的尺寸精度和表麵粗（cū）糙度要求同樣較高，要完成粗銑、半精銑、精銑3道（dào）工序以（yǐ）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，再經過半精銑去除1mm，最後精銑去除0.2mm。
PART 06
選擇加工設備與刀具
旋轉底座為（wéi）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。為保證零件的加工效率，需（xū）使用1台龍門（mén）式數控銑床和1台1710數控單柱臥式銑床完成旋轉底座的加工，旋轉座底麵圓使（shǐ）用龍門式數控銑床（chuáng）和φ100mm銑刀（dāo）銑（xǐ）光滑，再用1710數控單柱臥式銑床（chuáng）和φ63mm銑刀完成其他加工麵的加工，完成（chéng）零件加工麵的加工後，根（gēn）據孔直徑的大小，分別選擇φ10.5mm鑽（zuàn）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
零件加（jiā）工
按照上述工序及工藝方法加工出工（gōng）業機（jī）器人（rén）旋轉底座零件，使用（yòng）量具（jù）檢測，其公差尺寸在零（líng）件圖樣所標注（zhù）的範圍內，達到尺寸要求（qiú）和加工精度要求，為（wéi）合格品零件。工業機器人旋轉底座零件實物如圖（tú）2所示。
a）加工前（qián）
b）加工後
c）噴漆後
圖2 工業機器人（rén）旋（xuán）轉底座實物
PART 08
零（líng）件加（jiā）工難點及解決方法
工業機器人旋（xuán）轉底座體積較大（dà），加工過程中存在以下難點：一是尋找基準水（shuǐ）平（píng）點較麻煩，其解決方法是按加工要求每次需用（yòng）千分表進行水平找正，找正完成後進行後續加（jiā）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（chéng）中，刀具需從鑄件凸起的（de）最高位置慢慢加工到最低位置（zhì），或者提高鑄鐵模具（jù）的精度要求，使鑄件表（biǎo）麵相（xiàng）對光滑；三（sān）是零件加工（gōng）過程中需要多次裝夾，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（gōng）。
PART 09
結束語
針對（duì）工業機（jī）器人旋轉底座體積較大，零件加工較難的特點，本文（wén）對工業機器人旋轉底座加工設計工藝路線，旋轉底座加工工藝包括分析工業機器人旋轉底座零件圖樣，了解（jiě）旋轉底座的結構、尺寸要求（qiú），選擇合適的（de）毛坯材料，確定合（hé）理的毛坯尺寸和加工餘量，從而達（dá）到工（gōng）業機器人旋轉底座的加（jiā）工要求（qiú），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（jiā）工（gōng）方法，從而確定旋（xuán）轉（zhuǎn）底座機械加（jiā）工工藝（yì）路線和工序尺寸，選擇合適的加工設備和切削刀具進行加工。經測量，旋轉（zhuǎn）底座的公差尺寸（cùn）在標準範（fàn）圍內，零件合格。本文設計的工業機器人旋轉底座機械加（jiā）工（gōng）工藝滿足市場（chǎng）對旋轉底座的結構和（hé）功能要求，能夠有效解決現有的加工（gōng）技術問題，提高生（shēng）產效（xiào）率，促進（jìn）工業（yè）機器人的發展。
參（cān）考（kǎo）文（wén）獻：
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本文發表於《金屬加工（冷加工）》2022年第12期33~37頁（yè），作者：廣東技術師範大學機（jī）電學院 陳芷君、楊勇、王佳欣（xīn）、李秋晨、梁小（xiǎo）鳳，廣州長仁工業科技有限公司 姚宇蘢（lóng） ，原（yuán）標題：《工業機器人旋轉底座機械加工工藝設計》。
