揭（jiē）秘：工業機器人（rén）旋轉底座精密加工工藝設計

編者按

主要闡述工業機器人（rén）旋轉底座（zuò）機械加工工藝（yì）設計問題，包括分析工業機器（qì）人（rén）旋轉底座零件圖樣（yàng），了解旋轉底座的結構、尺寸要求（qiú），選擇合適的毛坯材料，確定零件（jiàn）合理的加工餘量和毛坯尺寸；選（xuǎn）擇旋轉底座的定位基準和表麵加工方法，確定旋轉底座機械加工（gōng）工藝路線和工序尺寸；選擇合適的加工設備和加工刀具（jù）進（jìn）行零件加工。

PART 01

序言

20世紀50年代戴沃爾提出了（le）工業（yè）機器人的相關概念，戴沃爾認為可以通過預先設定相應程序實現機器人的自動化運轉[1]。而工業機器人旋轉底座為整個機器人提供了支（zhī）承，帶動了三（sān）軸與四軸的旋轉運動。目前機械製造、電子信息、汽車（chē）生產以及軍工（gōng）等行業的發展都需要工業機（jī）器人的支持（chí）和主導（dǎo），工業機器人在（zài）整個現（xiàn）代化工業領域有著（zhe）不可替代的作（zuò）用[2]。因（yīn）旋轉底座的機械加工方法（fǎ）直接關係到（dào）整個工（gōng）業機器（qì）人的質量，故本文重點講述旋轉底座的機械（xiè）加工工藝設計方法（fǎ）。

PART 02

零件結構分析

在工業機器人旋（xuán）轉底座機械加工工藝設計前，需要對零件（jiàn）圖樣進行分（fèn）析以達到設計尺（chǐ）寸和精度的要（yào）求。由工業機器人旋轉底座結構（見圖（tú）1）可知，旋轉底座體（tǐ）積較（jiào）大（dà），加工較難，但技術要求比較低。由於工業（yè）機器人（rén）旋轉底座表麵（miàn）粗糙度（dù）不同，加工（gōng）方法選擇多樣化，所以需要進（jìn）行粗加工與精加（jiā）工。零件加工要求為399mm兩側端麵、 φ 480mm外圓的表麵粗糙（cāo）度值（zhí）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，確定定位基準，對零件部分端麵要進行精加工。

PART 03

毛坯的確定

3.1 毛坯的類型及選用

球墨鑄鐵的力學性能較（jiào）好，使用該材料鑄件製造的零部件可以滿足工業機器人旋轉底座支承（chéng）力較大的（de）要求，且製（zhì）造成本較低[3]，因此工業機器人旋轉底座毛坯材料選用球墨鑄鐵。

3.2 確定（dìng）機械毛坯尺寸及加工餘量

選擇合適的毛坯形狀及尺寸在零件（jiàn）加工中是極為重要的步驟，若選擇不合適的毛坯形狀或尺寸，可能出現加工餘量不足或加工餘量過大，浪（làng）費材料（liào）等情（qíng）況。一般情況下（xià），較精密的機械（xiè）加工所（suǒ）要求（qiú）的加工餘（yú）量較小，相對不精密的機械加工所要求的加（jiā）工餘（yú）量較（jiào）大[4]。

由圖1可知，橫向最大輪廓尺寸（cùn）為771.5mm，軸向最（zuì）大尺寸為806.5mm。選用的毛坯尺寸需大於零件的最大輪廓尺（chǐ）寸，且為保證其精度（dù），需（xū）具有一定的加工餘量。以在不影響加工出的零件精度的情況下，盡可能地節省材料為選取毛坯的原則，最終確定毛（máo）坯（pī）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（qì）人旋轉底座結構示意

PART 04

擬（nǐ）定（dìng）加工工藝路線

4.1 確定定位基準

定位（wèi）基準可分為粗加工基準和精加工基準[5]。零件開始加（jiā）工時，以毛坯麵作為定位（wèi）基準（zhǔn）的稱為粗基準，以加（jiā）工麵作為定位基準的稱為精（jīng）基準[6]。定（dìng）位基準對零件質量以（yǐ）及對零件的加工工藝順序有重要（yào）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（yuán）為基準時，φ370mm的圓心（xīn）與底麵的距離（lí）為556.5mm。精基準（zhǔn）以（yǐ）側端麵φ480mm外圓為精基準，方便另一側麵加工，一次成形（xíng），加工期間，毛坯不可移（yí）動。

4.2 零件表麵加工方（fāng）法

表麵（miàn）加（jiā）工方法除（chú）了（le）保證加工（gōng）表（biǎo）麵的精度和表麵粗（cū）糙度等質量要求外，還須考慮（lǜ）性價比[7]。由圖1可知工業機器（qì）人旋轉底座零件（jiàn）複雜程度一般，但需加工（gōng）表麵很多，有左右兩端麵、通孔、外圓、12個M12的螺（luó）紋孔及2個M12的螺紋定位孔。各個需加工的表麵尺寸、形狀（zhuàng）及（jí）加工要（yào）求各不相同，查閱機（jī）械工藝手冊，選擇（zé）使用（yòng）不同的加工方法。

4.3 零件機械加（jiā）工工藝（yì）路線

機械（xiè）加工工藝是指在加（jiā）工過程中使用某種方式改變生產對象的幾何形狀等來達到生產對象向半（bàn）成（chéng）品或成品過渡的目的[8]。合理的加工工藝路線可以在滿足加工要求的（de）條件下，有（yǒu）效提高生產效率。為（wéi）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，對於成形的鑄（zhù）造毛坯進行粗（cū）加工，首先對底麵圓粗加工，去除毛坯餘量，將底麵用龍門式數（shù）控銑（xǐ）床銑光滑（huá），得到φ771.5mm底麵圓，接著（zhe）以底麵為基準（zhǔn），固定銑（xǐ）床，按照技術要求，保證底麵與φ370mm的圓心的距（jù）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（gǎn）座麵的粗加（jiā）工，將連接麵銑光滑，轉換工作麵，進行旋轉底座左側（cè）端麵粗加工、半（bàn）精加工和精加工（gōng）後得到φ480mm的外圓，最（zuì）後再（zài）按照圖（tú）樣要求，對底麵2個M12定位孔（kǒng）進行鑽孔攻螺紋， 鑽9個φ12.5mm的孔，對側麵φ 370mm的圓均布12個（gè）M12鑽（zuàn）孔攻螺（luó）紋，對連接連杆座麵鑽2個φ20mm的孔，完（wán）成（chéng）工（gōng）業機器人旋轉底座的加工，具體加工工藝路線見表1。

表1 機器人旋轉底座的加工工藝路線

PART 05

確定工序尺寸

在加工過程中，確定零件的（de）加工（gōng）工藝路線後（hòu），首先應確定機械加工餘量，再確定工序（xù）尺（chǐ）寸，接（jiē）著再進一步（bù）安排（pái）各個工序的具體內容[9]。旋轉底座需在銑床上進行多次加工。將之前所（suǒ）確定的機械加工總餘量分布在每個（gè）工序當（dāng）中，然後由後往前對工序尺寸進行計算[10]。工業機器人（rén）旋轉底座加工參數見表2。

表2 工業機器（qì）人旋轉底（dǐ）座加工參數

在零（líng）件圖樣中，工業機器人（rén）旋轉底座的軸向尺寸公差未標注，說明其軸向（xiàng）尺寸精度要求較（jiào）小，部分工序尺寸和（hé）公差用不到工藝尺寸鏈的計算方法。在此零件中，毛坯的長度減去（qù）旋（xuán）轉底座的軸向尺寸（cùn）等於加工總餘（yú）量，即818.5−806.5=12（mm）。

加工φ480mm外圓時，因其尺寸精度和表麵粗糙度要求（qiú）較高，選用φ 63mm銑刀進行粗銑（xǐ）、半精銑和（hé）精銑工序。根據對（duì）圖1的分（fèn）析和計算，φ480mm的外圓軸向加工餘量為21.2mm，粗銑和半（bàn）精銑分別去除20mm和1mm，再精銑去除0.2mm。

399mm兩側端麵的尺寸精度和表麵粗糙度要求同樣較高，要完成粗（cū）銑、半精銑、精銑3道工序以達到（dào）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（hòu）精銑去除0.2mm。

PART 06

選擇加工設（shè）備與刀具

旋轉底座為對（duì）稱（chēng）零件並且尺（chǐ）寸較大，完（wán）成零件加工需要兩（liǎng）步，分別為銑（xǐ）削（xuē）和鑽削。為保證零（líng）件的加工效率，需使用1台龍門式數控銑床和1台1710數控單柱臥式銑（xǐ）床完成旋轉底座的加（jiā）工，旋轉座底麵圓使用龍門式數（shù）控銑床和φ100mm銑刀（dāo）銑光滑，再用1710數控單柱臥式銑床和φ63mm銑刀完成其（qí）他加工麵的加工，完成零件加工麵的（de）加工後，根據孔直徑的大小，分別選（xuǎn）擇φ10.5mm鑽頭和φ12.5mm鑽（zuàn）頭對零件進（jìn）行鑽孔，即（jí）完成整體工業機器人旋轉底座的加工製造（zào）。

PART 07

零件加工

按照上述（shù）工序及工藝方法加工（gōng）出工業（yè）機器人旋轉底座零件，使用量具檢（jiǎn）測，其公差（chà）尺（chǐ）寸在零件圖樣所標注的範圍內，達到尺寸要求和加工精度要（yào）求，為合格品零（líng）件。工業機器（qì）人旋轉底座零件實（shí）物如圖2所示。

a）加工前

b）加工後

c）噴漆後

圖2 工（gōng）業機器人旋轉底座實物

PART 08

零件加（jiā）工難點及解決方法

工業機器人旋轉底座體積較大，加工（gōng）過（guò）程中（zhōng）存（cún）在以下難點：一是尋找基準水平點較麻煩，其解決方法是按加工（gōng）要求每次需用千（qiān）分表進行水平找正，找（zhǎo）正完成後進行後續加（jiā）工；二是球墨鑄鐵鑄件（jiàn）表麵相對粗糙，容易（yì）造成空刀銑（xǐ）削，其解決方法是在（zài）加工過程中，刀具需從鑄件凸起的最高位置慢慢加（jiā）工到最低位置，或者提高鑄鐵模具（jù）的精度要求，使鑄（zhù）件表麵相對光滑；三是零件加工過程中（zhōng）需要多次裝夾，影響零件表麵精度（dù），其解決方法是在裝夾過程中使用專用夾具定位，再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（jī）較大，零件加工較難的特點，本文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，選擇合適的毛坯材（cái）料，確定合理的毛（máo）坯尺寸和加工餘量，從而達到工業機器人旋轉底（dǐ）座的（de）加工要求，減（jiǎn）少材料損（sǔn）耗，提高（gāo）生產效率，選擇旋（xuán）轉底座的定位基（jī）準和表麵加工方法，從而確定旋轉底座機械加工（gōng）工藝路線和工序尺寸，選擇合適的加工（gōng）設備和切削刀具進行加工。經測量，旋轉底座的公（gōng）差尺寸在標準範圍內，零件合格。本文設（shè）計的工業機器人旋轉底座機械加工工藝滿足市（shì）場對旋轉底座的結構和功（gōng）能要求，能夠（gòu）有效解決現有的加工技術問題，提高生產效率，促進工（gōng）業機器（qì）人的發展。

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本文（wén）發表於《金（jīn）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電學院 陳芷君、楊勇、王佳欣、李秋晨、梁小（xiǎo）鳳，廣州長（zhǎng）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械加工工藝設計》。