机器人铣削加工夹具的设计与制作

朱宇辰

摘 要：机器人加工已日益广泛应用于大尺寸零件的铣削加工。然而，机器人的刚性在各个位姿下并不相同，且相比于数控机床过小。为此，设计并制作了一种可用于调整位姿的机器人铣削夹具，通过对铣削工件位姿调整实现铣削加工的最优性能。最后，通过试验验证了设计的合理性与实用性。

关键词：机器人;铣削加工;夹具;刚性最优

1 研究背景

工业机器人是20世纪60年代在自动操作机基础上发展起来的一种能模仿人的某些动作和控制功能，并按照可变的预定程序、轨迹及其他要求操作工具，实现多种操作的自动化机械系统[1]。工业机器人是最典型的机电一体化装备，技术附加值高，在机械、汽车、航空、航天、造船等行业具有广泛应用[2]。经过多年的发展，我国的机器人的研究和应用取得了一定的成果，先后研制出点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的机器人[3]。

与数控加工中心等其它加工设备相比，工业机器人应用于切削加工领域具有成本低、自动化程度高、柔性好、安装空间小等优点，能方便地实现切削加工工具头在空间的各种位姿位置和姿态[4， 5]。更重要的是，对于一些尺寸较大的工件，普通的数控加工中心无法满足加工的需求，此时工业机器人加工范围大的优势则完全得到了体现[6]，如图1所示。

现有的铣削加工夹具大多是以数控机床为基础进行开发，适用于小工件的三轴铣削加工。这些夹具缺少调整的自由度，无法针对工业机器人的实际位姿调整工件的姿态。为了克服现有技术的不足，本文设计了一种多自由度的机器人铣削夹具，可通过姿态调整，使得铣削工件相对于机器人处于刚性最佳的位姿。

2 机器人铣削工装设计

2.1 四自由度铣削工装方案

设计要求：能够进行垂直、水平、旋转、俯仰四个方向的调整;能够装夹幅面大小800*400（mm）的工件;整体结构紧凑，占地面积小。

设计思路：由于机器人铣削夹具需要有4个方向的自由度，按照模块化设计的思想，将各个自由度分别由单一模块实现。各个模块互不耦合，保证自由度之间互不影响。

（1） 垂直调整模块：垂直调整模块需要承受上部所有模块的重量，而且希望能在较大的范围内进行调节。选用液压缸驱动的叉剪型升降平台能够满足承重要求，且结构极其紧凑。

（2） 水平调整模块：工件在水平方向的调整距离不大，而水平调整模块需要承受上部模块的重量。考虑到精确性、承重性、自锁性等等要求，选用带手轮的丝杠导轨模组来实现水平方向的调节。

（3） 旋转调整模块：旋转调整模块只需要保证工件能够在加工与测量两个互相垂直的工位之间进行切换，因此设计了推力轴承配合定位销的形式来实现该功能。

（4） 俯仰调整模块：俯仰调整模块需要实现工件0度到90度的俯仰位姿调整，要实现结构最紧凑首先想到的就是吊车臂的液压缸升降结构，参考这种结构，并且考虑到工件幅面较大的因素，使用两个液压缸配合限位挡块的形式完成了俯仰自由度的设计。

该设计具有如下优缺点：优点是整体结构紧凑、功能明确，可以在垂直水平、旋转、俯仰四个方向进行调整，确保在铣削过程中机器人加工性能最佳;缺点是该工装设计中外购件所占比例较小，各结构详细设计时间及加工工期较长，无法立刻投入实际加工实验。为此改善设计方案，形成如下两自由度机器人铣削工装设计方案。

2.2 两自由度铣削工装方案

设计要求：为了弥补上述四自由度机器人铣削工装的不足，同时满足基本的旋转、俯仰调节自由度，设计了如下的两自由度机器人铣削工装。

设计思路：该两自由度机器人铣削工装是围绕着市面上现有的成熟产品可倾回转分度台来完成的。可倾回转分度台可以实现0～360度的旋转运动，以及0～90度的俯仰运动，承重达到300kg，符合所需的承重性、精确性等等要求。但是可倾回转分度台的台面直径只有400mm，是用于普通数控铣床上的配件，难以满足大幅面的平板类工件的加工需求。

（1） 底部支撑：由于可倾回转分度台适用于面积小于台面的零件，因此在增加了较大的型材台面时，如果下面不增加高度，在台面旋转到90度时台面下端一定会和安装基台发生干涉。

（2） 台面支撑：与底部支撑的功能类似，如果不加上台面的支撑，在台面旋转到90度时铝型材台面一定会和回转分度台本身发生干涉。

（3） 铝型材台面板：考虑到可倾回转分度台的承重为300kg，虽然铝型材台面在刚性上不如整体铸造的铸铁平台，但是为了满足重量的限制，在进行非金属切削的阶段，可以使用铝型材台面代替铸铁平台进行实验。

设计优缺点：优点是工装主体采用市面上的成熟产品可倾回转分度盘，整体工装的研发时间短，稳定性高，能够快速投入初期的试切实验，保证研究进展;缺点是暂时只能提供旋转与俯仰两个方向的自由度，无法进行水平垂直的调节。

3 试验验证

根据方案二加工并装配完成机器人铣削加工夹具，与机器人组成加工系统。切削实验选用的工件为聚甲醛（POM）板，俗称“赛钢板”。由于聚甲醛板表面光滑，机械强度高，熔点高，有非常好的尺寸稳定性，因此非常适用于精密的机械加工。

将600*450*30mm的聚甲醛板通过组合夹具安装在两自由度机器人铣削夹具上。将电主轴与冷却水循环机通过水管连接，与变频器通过电缆连接，与压缩空气供应口通过电磁阀与气管连接。准备工作完成后，以低速运行铣削程序以驗证无干涉碰撞或超范围等情况，确认安全后以自动运行模式运行机器人铣削程序，实验过程中时刻观察机器人运动与规划轨迹是否一致。

加工实验顺利，机器人从零位到加工位，加工完成后回到零位，中途无任何差错或碰撞。加工时运行平稳，未出现加工错误或断刀等危险情况。这表明所设计的两自由度铣削工装完全满足实际加工要求。

4 结论

本文针对工业机器人设计了铣削加工可调整姿态的两种夹具，并制作了两自由度专用夹具，实现了工件的多自由度调节，可保证机器人加工性能最优，能够用于实际加工。

致谢：本文工作依托于华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室开展。

参考文献：

[1] 毕胜. 国内外工业机器人的发展现状[J]. 机械工程师， 2008（7）.

[2] 王田苗， 陶永. 我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 机械工程学报， 2014， 50（9）：1-13.

[3] 采用工业机器人的磨削和抛光加工[J]. 现代制造， 1998（4）：24-25.

[4] 刘祥， 陈友东， 王田苗. 一种工业机器人切削加工的系统集成与仿真方法[J]. 机器人技术与应用， 2014（6）：19-22.

[5] 刘楚辉， 姚宝国， 柯映林. 工业机器人切削加工离线编程研究[J]. 浙江大学学报（工学版）， 2010， 44（3）：426-431.

[6] 赵晓飞， 郭丽峰. 工业机器人在机械加工中的应用[J]. 机械研究与应用， 2015（3）：113-115.