机器人底座零件加工及检测工艺设计

杨 勇，王佳欣，李秋晨，姚宇茏，黄 福

（1.广东技术师范大学机电学院，广东 广州 510635；2.广州长仁工业科技有限公司，广东 广州 511340）

0 引言

底座装在机器人一轴上，底座的作用是支撑整个机器人，用于自动线体内安装固定机器人，安装在地面上起到固定及高度补偿的作用，保证机器人工作范围的最优及最佳的工作姿态。其内部安装减速机，外部上表面连接轴承，需要保证一定的加工精度，对内部圆面的直径也有要求，否则过大或过小都不能很稳固地安装减速机。底座机械加工工艺的好坏直接决定了零部件毛坯的把控度，改进机械加工工艺才能提高零部件加工的精准性，提高产品的质量，而检测工艺方法能科学检验零件是否达到尺寸与精度等要求。故本文重点研究底座机械加工与检测工艺设计方法。

1 零件分析

1.1 零件结构特点

机器人底座的结构具有同轴运动、内外水平圈面相互水平、内外圈面上表面等距环绕多个孔、周围具有一大三小作为航插接口的凹槽的特点。内外圈水平面都需要钻孔，并攻牙。其中外圈水平面连接机器人轴承，内圈连接减速机，内圈水平面与减速机支撑面接触，并且由于减速机在机器人作业过程中可能要高速运动，而钻孔内部攻有螺纹，单靠钻孔难以保证在运动过程中减速机支撑面与内圈水平面完全水平且控制在合适的高度，因此内圈面有四个销孔，采用过盈配合的方式。

1.2 零件图样的分析

零件进行机械加工工艺设计前，首先需要对加工的零件图进行分析。由图1零件图分析可知，根据粗糙度数值要求不同，采用不同的加工程序，在零部件机械生产加工过程中，为了使得零件水平达到质量要求，在技术加工模式选择上，一般采用分阶段加工方式，粗加工及精加工技术相结合，以此作为基础能有效去除多余应力，保证有效消除零部件加工复映误差[1]。零件上表面的光面铣削需要进行粗加工及精加工，侧面光面需要经过粗加工、半精、精加工一系列工序。孔的粗糙度数值为Ra=3.2μm，侧面、减速机固定支撑面及轴承面粗糙度数值为1.6μm，其余粗糙度数值为Ra=6.3μm。由图纸可以看出，内外圈水平面都需要钻孔，并攻牙。外圈最大轴向尺寸为760㎜，外圈最高面的宽度为30㎜，由外到内第二圈的水平面（轴承面）宽度为20㎜。由上至下第一个侧面高度为40㎜，第二个侧面高度为17㎜。外圈最高面上的孔径为8.5㎜，最左侧的孔到最右侧的孔最大距离为700㎜，误差为+0.02~+0.03。外圈第二圈的水平面（轴承面）到Φ460内圈水平面（减速机固定接触面）的高度为126.5㎜。内圈最大轴向尺寸为460㎜，水平面宽为40㎜，内圈水平面上有四个孔，直接销孔不需攻牙，销孔的孔径为12㎜，误差为0.01mm范围内，其余钻孔的孔径为10.5㎜。外圈第二圈的水平面（轴承面）零件底面四个角都有三个孔，孔径为20.5㎜，孔中心与孔中心之间的距离为146.1㎜，也需要进行钻孔及攻牙处理。零件四个侧面都有一个方形的槽，是安装机器人航插的槽口，有一个槽口宽度及高度都比较大，最大宽度为370㎜，最大高度为195㎜，两侧边宽为20㎜，其余三个槽的最大宽度为196㎜，最大高度为155㎜，两侧边宽为15㎜。外圈最高面水平面到大的槽上顶面的高度差为8㎜，小槽底面到零件底面的高度为88㎜，大槽上顶面到零件底面的高度差为243㎜，整个零件的最大高度差为283㎜，即落差为283㎜。

2 选择毛坯

2.1 毛坯类型与选用

机器人底座，作为支撑整个机器人的零件，同时需要安装减速机，作为减速机的支撑零部件，要求抗压强度高，稳定性强，不易变形。机器人一轴旋转时会产生振动，而铸铁材料及其高含量的石墨起到减震的效果，铸铁材料性价比最高，造价低，便于加工，强度较好，刚度也高，塑性变形小，不易形变，选用铸铁材料适用。加工方法选择铸造成型，毛坯为铸铁，初步加工成型工艺为铸造，再经过铣床进行精密加工。

2.2 确定机械加工毛坯尺寸

机械零件加工精度参数包含尺寸、位置、形状等，任何参数与标准不符都会降低机械零件精度，影响机械设备正常使用。为了确保零件加工精度，主要通过在加工过程中的精确对刀、科学选用刀具的磨损量和正确拟定合适的加工工艺等措施来保证[2]。为了达到加工后的尺寸达到880*283mm的要求，铸造成型的毛坯尺寸为890*293mm。

3 拟定加工工艺流程

3.1 确定定位基准

整个底座的上部分类似是一个圆柱体，上端面是圆面，内部也是圆面，下部分是底面，底面四个角分别有一个支撑脚，支撑脚需要倒圆角，根据图纸分析，通过试切法对切的方法，合理剪去毛坯余量。机床测量每一个圆面x轴与y轴方向上的总长度，从而确定整个零件的圆心作为设计基准，并根据圆的半径，确定刀具离圆心的距离，在进行光面铣削时也以圆心为基准，进行精加工及半精加工时以已经粗加工的面为定位基准，钻孔及销孔以及攻牙时，均以所在的圆面的水平面为定位基准，这样符合“基准统一”原则，便于保证各加工表面间的相互位置精度，避免了因为基准变换所产生的误差,可以极大程度避免定位误差，从而提高了零件工艺的精准性和准确性，保证了零件的加工精度等级[3-4]。

3.2 零件加工

3.2.1 零件加工刀具与设备

零件材料为铸铁QT500，该零件的加工表面有三个圆面，分别为外圈最高水平面及轴承面以及内圈水平面，外圈的两个侧面、底面、四个槽口所在的侧面也需要加工。由于不同的加工面的粗糙度及精度要求不同，采用的刀具及加工方法也有偏差。主要采用刀具有铣刀、钻头、中心钻、标准铰刀、及丝锥。主轴转速主要与刀具直径及切削速度等有关，影响加工粗糙度、性价比及加工效率。加工设备为龙门式数控铣床，将数控加工技术应用于机械加工工艺，加工效率大大提高的同时，也减少用工损耗，实现加工过程自动化与编程化，能精准把控加工数据，提升零件加工精度，使得加工的产品具有较高的合格率[5]。

3.2.2 零件加工方法及路线

本文设计机器人一轴底座的加工工序，对其进行编程、钻孔、铣削等数控加工，能较好地满足实际精度要求，提高加工质量和设计效率[6]。具体加工工序见表1，首先用Φ100铣刀对底面进行光面铣削，去除余量，G代码为G00和G01,其中G00为快速定位，之后的每一步都需要快速定位，G01为直线插补。用Φ100铣刀对底面其侧边进行光面铣削，G代码为G00和G02，G02为顺时针方向圆弧插补。之后转换Φ9中心钻对底面四个支撑脚的位置钻Φ20.5mm定位孔，由于所需钻孔的深度超过钻头直径的3倍，G代码为G81，G81为钻孔循环，表示连续一次性钻到底，接着改用Φ22钻头钻孔，G代码为G00和G83，G83表示啄钻循环，进行抬削，所需孔深为48mm。接着将底座翻转，用Φ50铣刀对外圈上表面及外圈所在的侧面光面铣削加工余量，其中侧面的光面需要经过粗加工、半精及精加工三道程序，G代码为G00和G03,其中G03表示逆时针方向圆弧插补。用Φ10铣刀对内圈光面铣削加工余量，全部光面结束后，选择Φ7中心钻对外圈上表面钻M10*18T40mm定位孔，用Φ8.5钻头钻8.5—M10mm的孔，孔深为40mm。用Φ9中心钻在内圈上表面钻M12*17T60mm的定位孔，Φ10.5钻头在内圈上表面钻10.5-M12mm的孔，孔深为60mm。Φ12钻头在内圈上表面销4个Φ12mm的孔，这四个孔不需要攻牙，孔深为60mm，采用过盈配合的方式，结构简单，同轴性好，能承受较大的轴向力及扭矩与动载荷，使得减速机支撑面与底座内圈之间获得紧固的连接。完成上述工艺后对其余的孔进行攻牙处理，M10丝锥对外圈上表面攻M10*18T40mm的螺纹，选择M12丝锥对内圈上表面攻M12*17T60mm的螺纹，G代码为G84，表示攻丝循环。最后用Φ63铣刀进行四个槽口飞边处理，铣削大概5mm,G代码为G00和G01。

表1 底座加工工艺卡

4 确定工序尺寸

机器人底座为了达到其尺寸要求和规定的表面粗糙度，结合图纸的分析，需要明确毛坯尺寸及最终工序尺寸，从而计算出总加工余量及各道工序加工余量，具体数值见表2。

表2 加工余量、工序尺寸与表面粗糙度

由于零级其余表面精度要求不高，并不需要利用工艺尺寸链解算部分工序尺寸[7]。铣削零件上下表面的总加工余量等于毛坯的长度减去底座的轴向尺寸，即总加工余量为293-283=10mm,分布到铣削外圈最高水平面和底面铣削光面工序中，工序1中，工序1切除5mm,工序5切除5mm。可得出工序1加工后的尺寸为293-5=288mm，工序5加工后的尺寸为288-5=283mm。铣削零件四周表面的总加工余量等于毛坯的长度减去底座的径向尺寸，即总加工余量为890-880=10mm,分布到底面其侧边光面铣削工序2中，左右分别切除3-5mm。

底座前后左右四个侧面的四个槽口的正面的表面粗糙度及精度要求都较低，不需要经过多道工序，飞边大概需要铣削5mm。Φ760外圈水平面与Φ460内圈水平面需要经过光面处理，粗铣及半精铣两道工序，总加工余量均为5mm，第一道粗铣铣削掉4.5mm，第二道铣削掉0.5mm。

由于Φ700与Φ660外圈轴承面及Φ380内圈侧面的粗糙度和尺寸精度等级要求较高，需进行粗铣、半精铣及精铣。总加工余量均为3mm，Φ700外圈侧面分布到工序中，第一道工序切除2.7mm，第二道工序切除0.2mm，第三道切除0.1mm。可知第一道工序完成后的尺寸为L6=703-2.7=700.3mm,第二道工序完成后的尺寸为L7=700.3-0.2=700.1mm，第三道工序完成后的尺寸为L8=700.1-0.1=700mm。Φ660外圈轴承面侧面、Φ380内圈侧面与Φ700外圈侧面的表面粗糙度和尺寸精度等级要求一样，所以也需要上述三道加工工序，在粗铣、半精铣和精铣过程中，分别去除金属层厚度为2.7mm、0.2mm和0.1mm。

5 零件加工难点

操作者、设备、材料、加工方法都会影响整个产品的加工效果[8]。对于这类大型零件的加工，存在以下几个难点。难点1在于不同刀具的应用会对零件加工的精度造成影响，因此，操作人员需要对刀具的数量、规格与类型进行科学选择，避免由于后期刀具更换频繁导致加工精度不足的现象[9]。尤其是底部零件表面的加工需要用小阻力的刀具，避免重力切削，防止切削振荡产生变形；难点2是加工过程中需明确零件加工的尺寸、基准点及编程原点等，确保加工面与未加工面的相对位置与高度差，保证水平面相互平行；难点3是侧面四个用于安装航插线的槽口的加工，最好采用四轴的机床，本加工采用的是三轴的机床；难点4为基准面的确定，合理控制加工位置，这需要操作者具备工匠精神，由于水平面表面都需要钻孔，需要保证钻孔均匀阵列环绕，编程时坐标点的确定就很关键；难点5体现在销孔的偏差要尽量小，确保装配后能实现减速机支撑面与底座内圈水平面贴合，减少缝隙，实现同心同轴运动；难点6是在进行加工前的固定准备，用螺杆夹铁进行固定；难点7是加工易产生热变形，可以在进行粗加工后放置一段时间及时释放应力，或在加工过程中加入切削液与冷却液，防止热变形。机器人底座零件实际加工过程图及成品实物分别如图2、3所示，可以明显看出，加工后的图表面钻孔及攻螺纹，粗糙度水平更高。

图2 底座零件实际加工图

6 工序质量检测工艺设计

6.1 检测工艺设计

本工序关键部位主要尺寸、表面粗糙度及形位公差技术指标检测手段，如表3所示。主要检测手段为光显检测仪、粗糙度对比样块、目测刻度盘、接杆千分尺、百分表、二坐标及三坐标测量机。

表3 工序主要尺寸、表面粗糙度及形位公差的检测手段

具体检测项目及合格标准如表4所示，测量质量检测中主要使用的量具有游标卡尺、螺纹通规、螺纹塞规、垂直度检具、光显检测仪。

表4 具体检测项目及合格标准

图3 底座实物图

6.2 检测方法介绍

（1）清理被测表面使其无铁屑及杂物；（2）用0-200/0.02游标卡尺的测量（Φ10.3+0.05）mm大螺纹底孔直径及（Φ8.5+0.05）mm小螺纹底孔直径,当卡尺读数在10.3~10.35mm及8.5~8.55㎜为合格；（3）用0-200/0.02游标卡尺的测量（Φ12+0.03~0.05）㎜大孔孔窝直径及（Φ10+0.03~0.05）㎜小孔孔窝直径，当卡尺读数在12.03~12.05mm及10.03~10.05㎜为合格；（4）用0-200/0.02游标卡尺测量大小螺纹底孔深,当孔深在Φ10.6~10.8mm与Φ8.8~9.0㎜时为合格；（5）用螺纹通规测螺纹长度，当长度不小于12.0mm及不小于10.0 mm时为合格；（6）用0-200/0.02游标卡尺测量大小孔窝深，当窝深在12.0~12.02㎜及10.0~10.02mm时为合格；（7）用螺纹塞规M-CR12检测螺纹，当通规通过但止规不通过时，判定螺纹合格；（8）用光显检测仪测准（Φ13±0.01与Φ11±0.01）mm孔径，当尺寸在13.0~13.01mm及11.0~11.01mm为合格；（9）用垂直度检具检测窝,用手轻轻沿窝面转动当表的最大偏摆不超出0.2mm时为合格。

7 总结

7.1 适用机器人类型及实际应用效果

本机器人底座适用于四轴及五轴系列通用型机器人，主要运用在通用型码垛搬运机器人，码垛机器人正常运转时无须人工干预，动作平稳可靠，可用于多种箱类、袋装类、板块码垛，适用于地板、粉类包、饲料、化肥、建材、铸造等重体力、高温、环境恶劣等工作场合。而码垛搬运型机器人型号也较多，比如本加工的底座型号适用于CR5-3000-200、CR4-3000-200、CR4-3000-500、CR4-3000-800、CR4-2500-800等一系列的机器人，图4为部分在实际生产应用中固定并安装机器人后的情景图，其安装方式为地面/移动式安装。

图4 实际生产应用中固定并安装机器人

7.2 总结

本文阐述机器人底座零件机械加工工序及检测方法的设计思路，首先是对底座的零件图进行分析零件结构及一些加工参数，如表面粗糙度及精度要求。在减少材料浪费、经济实惠且加工出来的产品符合最终尺寸及质量要求的前提下，选择合适的毛坯材料和毛坯尺寸，确定加工设备，再拟定加工工艺路线。通过对机器人底座加工工序进行细化，确定加工刀具、转速、加工面种类、每个面的加工双边余量及工序尺寸，以保证底座零件最后符合质量要求，达到加工精度要求。通过设计检测工艺与检测方法对加工后的机器人底座进行检测，结果表明本文加工零件为合格品，工艺设计方案可为开展类似零件的加工工艺研究提供借鉴与参考，为进一步优化产品质量提供思考。