機(jī)器人典型本體與零部件制造工藝方法研究

張波 吳小邦 吳正勇

摘 要：基于雙臂機(jī)器人典型本體制造工藝，從本體材料分析與選用出發(fā)，以輕量化低成本制造工藝為角度，采取合適的加工與熱處理工藝以增強(qiáng)零部件性能，通過(guò)鋁合金材料特性對(duì)比，討論了本體零部件制造工藝方法及流程、本體鋁合金材料的鑄造工藝。

關(guān)鍵詞：雙臂機(jī)器人；本體零部件；制造工藝

中圖分類號(hào)：TP242

本體結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人系統(tǒng)中的重要部分，主要包括底座、殼體、中心軸和手臂等，本體結(jié)構(gòu)不僅要承受被抓取物體的重量，而且還要承受末端執(zhí)行器、腕部和手臂等自身的重量，以及慣性力。它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓取重量大小和定位精度都將直接影響機(jī)器人的工作質(zhì)量。為了保證機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)性能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料分析選用必須滿足慣量小、剛度高、摩擦和傳動(dòng)間隙小等要求?；诒倔w材料分析與選用，從輕量化低成本制造工藝角度，采取合適的加工與熱處理工藝以增強(qiáng)它的零部件性能。

一、典型本體制造工藝

基座是雙臂機(jī)器人各部件的安裝基體，主要考慮保證強(qiáng)度和提高抗震性，材料采用鑄鐵。其工藝流程為：鑄造，時(shí)效，數(shù)控加工。批量生產(chǎn)時(shí)采用金屬模鑄造毛坯，以減少加工余量，有效降低成本。

機(jī)械臂是雙臂機(jī)器人的關(guān)鍵部件，主要考慮保證剛度和減輕重量，材料采用鑄鋁合金。其工藝流程為：鑄造，固溶處理+人工時(shí)效，數(shù)控加工（可組合后加工）。批量生產(chǎn)時(shí)采用壓力鑄造毛坯，以提高強(qiáng)度、減少加工余量、改善外形。

中心軸是雙臂機(jī)器人關(guān)節(jié)聯(lián)接件，主要考慮保證剛度及回轉(zhuǎn)精度，材料采用合金鋼。其工藝流程為：調(diào)質(zhì)，車削，表面淬火，磨削。批量生產(chǎn)時(shí)采用精鍛毛坯，以提高強(qiáng)度和加工效率。

殼體件是指機(jī)器人各組件上的外套件，如安裝于機(jī)體外及各機(jī)械臂外部，主要從外觀及重量考慮，材料采用金屬薄壁件及塑料件。其主要工藝流程為沖壓及注塑。單件生產(chǎn)時(shí)可采用板金件焊接或采用快速成型技術(shù)。

二、材料選用

制作機(jī)器人材料選擇的好壞將直接影響其剛度、強(qiáng)度等機(jī)械性能。在材料種類選擇、材料配方調(diào)整、材料成型工藝仿真分析、爐前變質(zhì)爐后熱處理、機(jī)械性能測(cè)試、冷熱加工性能檢驗(yàn)、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性試驗(yàn)、金相組織分析等“多科”協(xié)同改善材料性能，避免極端性能指標(biāo)的相互抵消等問(wèn)題，有效保證了高強(qiáng)度、輕量化、低成本材料的綜合性能。以單項(xiàng)性能指標(biāo)作為選擇零件材料的依據(jù)可能會(huì)有優(yōu)勢(shì)相互抵消作用，高強(qiáng)度、輕量化、低成本材料制定綜合評(píng)價(jià)體系（圖1），指導(dǎo)全面評(píng)價(jià)零件改性綜合效果。

雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)材料的選取需要從材質(zhì)、剖面結(jié)構(gòu)、構(gòu)件組合形式等方面加以考慮，以便妥善解決應(yīng)力、變形、質(zhì)量、模態(tài)等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)綜合分析比較，確定機(jī)器人本體材料為鋁合金、低碳合金鋼。

雙臂機(jī)器人在精密裝配、打磨等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，對(duì)于本體結(jié)構(gòu)的綜合性能要求高，應(yīng)用鋁銅合金鑄造充型困難，在熱結(jié)的地方易產(chǎn)生縮松等缺陷，影響鑄件的力學(xué)性能，同時(shí)在凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，會(huì)引起鑄件變形。

采用工藝性能良好的高強(qiáng)度鑄造鋁合金材料ZL101A，經(jīng)T6熱處理后，其抗拉強(qiáng)度不低于275MPa，延伸率不低于2%，具有綜合的力學(xué)性能和較好鑄造性能，是適合雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的理想材料。

毛壞材料通過(guò)理化測(cè)試分析，以保證材料選取的正確性和性能的可靠性。成形的本體零件采用金相檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)與無(wú)損檢測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行質(zhì)量的評(píng)定，以滿足整機(jī)的使用要求。

三、本體零部件制造工藝方法及流程

根據(jù)分析選取的本體結(jié)構(gòu)材料，研究樣機(jī)生產(chǎn)及批量化生產(chǎn)時(shí)低成本問(wèn)題，解決冗余關(guān)節(jié)機(jī)械串聯(lián)的累積誤差與高質(zhì)量整體裝配之間的矛盾，制定科學(xué)合理的制造工藝。

根據(jù)雙臂機(jī)器人本體的材料和結(jié)構(gòu)，選擇合理的毛坯成型方法，進(jìn)行預(yù)處理，減小內(nèi)應(yīng)力，調(diào)整組織，然后根據(jù)具體的零件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性，采用必要的加工工序，完成零件的精加工，最后光整加工，超聲波清洗及裝配調(diào)試。其流程如下圖所示。

用CAD軟件設(shè)計(jì)出機(jī)器人本體零件的三維實(shí)體模型；再將此模型沿某方向離散成一系列有序的二維層面；然后根據(jù)每個(gè)層面的輪廓信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃選擇合適的加工參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼；最后由快速成型機(jī)接受代碼指令制造出一系列層面并自動(dòng)將它們連續(xù)起來(lái)，得到三維物理實(shí)體，用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、功能測(cè)試、裝配樣機(jī)等。

雙于雙臂機(jī)器人的機(jī)械手臂，在機(jī)器人試制階段，為完成對(duì)多種規(guī)格機(jī)械臂的性能測(cè)試、復(fù)位精度評(píng)估，可以從三維進(jìn)行直接加工，以提高加工效率，并精確保證關(guān)節(jié)孔的加工精度及各孔與外形的對(duì)稱精度。批量生產(chǎn)時(shí)，對(duì)保證機(jī)械臂組件的組合精度，讓機(jī)械臂組合后再進(jìn)行關(guān)節(jié)孔的加工，這就要求開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床自檢自調(diào)功能，對(duì)機(jī)床PMC進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)修改，達(dá)到誤差補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

四、本體鋁合金材料的鑄造工藝

鋁合金的鑄造采用特種鑄造工藝，鑄型采用金屬型，以提高鑄件尺寸精度，應(yīng)用MAGMA軟件進(jìn)行仿真分析，在合適的部位安放冷鐵和冒口或增加加工余量等方法，確保順序凝固，以獲得致密的鑄件。

典型機(jī)器人手臂鑄造具體工藝實(shí)施過(guò)程如下：

1）根據(jù)材料成分?jǐn)?shù)據(jù)表選擇ZL101A，并根據(jù)機(jī)器人手臂的特殊功能對(duì)材料進(jìn)行研究，提高材料的性能。

2）選用低壓澆鑄對(duì)機(jī)器人手臂澆鑄成型，改善材料組織的致密性。采用開(kāi)放式澆鑄系統(tǒng)，順序凝固提升補(bǔ)縮效率。

3）采用MAGMA模擬分析軟件對(duì)鑄件進(jìn)行充型及凝固仿真分析，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)等預(yù)測(cè)，優(yōu)化鑄造工藝。

4）確定鑄造工藝后，即進(jìn)行模具開(kāi)發(fā)。

5）嚴(yán)格對(duì)造型、刷涂料、合箱、熔煉、澆鑄、清砂、熱處理、打磨、拋丸等生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，確保生產(chǎn)的機(jī)器人手臂質(zhì)量良好。

五、結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)雙臂機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)制造工藝等一直是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的瓶頸，通過(guò)擬定科學(xué)合理本體制造工藝，在本體材料分析與選用、輕量化低成本制造工藝和精密加工與熱處理工藝等方面有所拓展，為國(guó)內(nèi)機(jī)器人本體制造技術(shù)創(chuàng)新提供參考，推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展度。

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作者簡(jiǎn)介：張波（1978-），男，漢族，江蘇揚(yáng)州人，副教授，研究方向：材料成型與控制技術(shù)。