機(jī)械手臂支撐架加工工藝分析及專用夾具設(shè)計*

蓋立武，龔利健，張克棟

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215104；2.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215021)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人能夠在復(fù)雜的工作條件下代替人類的勞動，它具有高效的工作效率和良好的工作精度，廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、醫(yī)療等各個領(lǐng)域，它的市場占有量是衡量一個國家的自動化水平的重要指標(biāo)。由于要在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境下保持長時間的工作精度和工作效率，這就要求工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手臂具有較高的強(qiáng)度和精度，因此機(jī)械手臂的關(guān)鍵零件加工制造的要求也比較高[1-2]。

某企業(yè)接到某型機(jī)械手臂支撐架零件的生產(chǎn)任務(wù)，零件的材質(zhì)為鑄鋁ZL108，外形屬于板類零件，它的上下兩面的形狀不規(guī)則，其主要用于安裝機(jī)械手臂的動力電機(jī)和傳送齒形帶，屬于機(jī)械手臂的基礎(chǔ)件之一。零件的制造精度直接影響機(jī)械手臂的工作精度。支撐架零件月需求量在1000件左右，前期采用“壓板+螺柱”的裝夾方式，每加工一個零件都要重新找正定位，導(dǎo)致零件的加工效率較低，產(chǎn)品合格率也僅有68%，生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性較差。本文通過對現(xiàn)有加工條件進(jìn)行分析與研究，提出了解決該問題的辦法，幫助企業(yè)圓滿完成了加工任務(wù)。

1 支撐架零件加工技術(shù)分析

分析圖1和圖2可以看出零件多個要素加工面的表面粗糙度要求達(dá)到1.6 μm，且多個孔的垂直度和同軸度公差在0.02 mm以內(nèi)，屬于精加工的范疇。提高零件表面粗糙度最常用的加工方法是磨削，但零件的材質(zhì)是鑄鋁ZL108，質(zhì)地較軟，采用磨削顯然是不適宜的，采用高速切削加工的方法應(yīng)該就能達(dá)到加工要求。同時零件的側(cè)壁還有若干安裝孔需要加工，側(cè)壁孔的形位公差要求也較高，這給加工中造成了一定難度。

圖1 支撐架零件正面工程圖

圖2 支撐架零件反面工程圖

2 支撐架加工工藝設(shè)計

2.1 加工設(shè)備選擇

支撐架零件屬于板類零件，從加工中的經(jīng)濟(jì)性考慮通常采用三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床來進(jìn)行加工，但三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床只能加工零件上下兩面、側(cè)面以及上下兩面上的孔和槽，側(cè)面上的孔不能直接進(jìn)行加工，需要設(shè)計專門的鉆孔夾具才能實(shí)現(xiàn)。這樣會增加工藝的準(zhǔn)備時間，零件也因?yàn)槎啻窝b夾而增加了定位誤差，導(dǎo)致零件的精度難以保證。如今四軸聯(lián)動的加工中心在企業(yè)變得非常普遍，其綜合加工費(fèi)用已大大降低，且該企業(yè)也有四軸聯(lián)動的加工中心機(jī)床。因此為了減少工藝的準(zhǔn)備時間，提高零件的加工精度，這里選擇四軸聯(lián)動的加工中心來進(jìn)行加工[3-4]。

2.2 毛坯選擇

支撐架零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上下面有局部的凸凹結(jié)構(gòu)，如果采用坯料直接切削加工，非常浪費(fèi)材料。同時客戶要求的材料是ZL108，具有良好的可成型性，其鑄造工藝性能優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零件的鑄造。綜合以上考慮，毛坯采用壓鑄成型(外協(xié)加工)，既節(jié)約了毛坯材料又提高了零件的力學(xué)性能。為了在夾具上便于裝夾毛坯增加了兩個連接板的設(shè)計，另外為了工序上描述的方便，對毛坯的方位進(jìn)行了定義如圖3所示。

圖3 支撐架零件毛坯

2.3 支撐架專用夾具設(shè)計

2.3.1 支撐架正面加工夾具設(shè)計

根據(jù)支撐架零件的毛坯結(jié)構(gòu)，為了裝夾方便和定位準(zhǔn)確，設(shè)計了如圖4所示的支撐架零件正面加工用的專用夾具，該夾具主要有夾具體、定位柱、定位螺母、定位銷、輔助支撐、壓板、螺釘?shù)冉M成。裝夾零件時，零件的凹槽穿過夾具體上的螺釘和定位銷，把毛坯的底面放到夾具的3個定位柱上，通過三點(diǎn)定位一個平面的原理實(shí)現(xiàn)對工件的平面定位，然后毛坯的右側(cè)面抵在定位螺母上實(shí)現(xiàn)對工件的X向定位，用手拉毛坯沿Y軸的正向移動，使毛坯上方凹槽的側(cè)面抵在定位銷上，實(shí)現(xiàn)對工件的Y向定位。工件定位完成后，逐步擰緊壓板上方和夾具左側(cè)立柱上的螺釘即可把毛坯夾緊。

圖4 支撐架正面加工夾具結(jié)構(gòu)圖 圖5 支撐架正面加工夾具安裝圖

使用壓板夾緊毛坯時首先把壓板的U形口穿過支撐套筒上的螺釘放置到夾具上，把支撐套筒上螺釘螺帽的底平面調(diào)到同一水平高度，當(dāng)擰緊壓板上的螺釘時，壓板相對于支撐套筒上移，壓板的上表面就與支撐套筒上螺釘螺帽的底平面抵在一起，壓板螺釘?shù)亩瞬康衷诿魃?，即可把毛坯沿Z向夾緊，如圖6所示。由于零件X向和Y向的尺寸都較大，為了增加安裝的剛度，夾具還設(shè)有兩個輔助支撐，輔助支撐的工作原理如圖7所示，安裝毛坯時先把螺釘1松開，當(dāng)毛坯壓在支撐柱上時，支撐柱壓縮彈簧可以在支撐套內(nèi)上下移動，以適應(yīng)毛坯的定位需要，當(dāng)把壓板和立柱上的螺釘都擰緊后，此時毛坯已完成定位和夾緊，這時候再擰緊螺釘1，這樣支撐柱就被固定住了，輔助支撐只起到增加毛坯安裝剛度作用，不影響毛坯的定位精度。

圖6 壓板的夾緊原理圖 圖7 輔助支撐剖視圖

2.3.2 支撐架反面加工夾具設(shè)計

支撐架零件反面加工夾具主要由壓板、螺釘、定位銷和底板等組成，底板上還開了兩個工藝凹槽，在銑削毛坯上的連接板時可以起到保護(hù)刀具減少切削力的作用。裝夾毛坯時把夾具上的兩個定位銷插進(jìn)毛坯上的定位銷孔和定位腰孔(在上道工序已完成精加工)里即可實(shí)現(xiàn)對毛坯的定位，然后擰緊螺釘把3個壓板壓在毛坯的上表面處，如圖8和圖9所示，即可實(shí)現(xiàn)對毛坯的夾緊。

圖8 支撐架反面加工夾具結(jié)構(gòu)圖 圖9 支撐架反面加工夾具安裝圖

2.4 工序設(shè)計

制定工藝方案時主要考慮保證加工質(zhì)量、提高加工效率、節(jié)約成本以及減輕工人勞動強(qiáng)度等，而工藝流程作為其骨架，在整個加工工藝方案中起到非常重要的作用[5-6]。支撐架零件加工工序如表1所示。

表1 加工工序表

(1)工序1～工序7：使用零件正面加工用專用夾具，使四軸回轉(zhuǎn)工作臺處于初始位置(0°)，加工支撐架零件正面的表面、后側(cè)面以及正表面上的普通孔、銷孔、螺孔等。表1中有對應(yīng)工序后的加工圖。

(2)工序8～工序10：使四軸回轉(zhuǎn)工作臺順時針轉(zhuǎn)動至90°，加工支撐架零件后側(cè)面上的普通孔和螺孔。

(3)工序11～工序14：使用零件反面加工用專用夾具，使四軸回轉(zhuǎn)工作臺處于初始位置(0°)，加工支撐架零件反面表面、左右側(cè)面、凹槽側(cè)面并銑掉連接板。

(4)工序15～工序17：使回轉(zhuǎn)工作臺逆時針轉(zhuǎn)動至90°，加工支撐架零件左側(cè)面上的階梯孔。

(5)工序18～工作19：使回轉(zhuǎn)工作臺順時針轉(zhuǎn)動至180°，加工支撐架零件右側(cè)面上的孔。

采用上述工序加工出的支撐架零件實(shí)物(零件經(jīng)過氧化處理)如圖10所示。

圖10 加工后的零件圖

2.5 夾具的使用方法

支撐架零件正、反面加工用夾具在機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺的安裝如圖11和圖12所示。該夾具的具體使用方法如下：

圖11 支撐架正面加工夾具實(shí)物圖 圖12 支撐架反面加工夾具實(shí)物圖

(1)首先用螺釘穿過夾具的安裝孔把零件的正反、面加工用夾具分別安裝在機(jī)床上的四軸回轉(zhuǎn)工作臺上(兩臺不同的機(jī)床，加工時一臺機(jī)床只加工零件的一面，夾具先不要完全擰緊)，然后打表找正，使夾具的前側(cè)面或者后側(cè)面與機(jī)床的X軸平行，然后擰緊螺釘使夾具固定在工作臺上。此操作可以使夾具的側(cè)面分別與X軸和Y軸平行，保證零件加工的位置精度。

(2)然后用找正器找到編程零點(diǎn)，這樣以后更換毛坯時可以直接更換，不需要找正。

(3)零件正面加工定位時，把毛坯的底面放到夾具的3個定位柱上，然后推動零件沿X軸移動，使零件的右側(cè)面抵在定位螺母上，用手拉毛坯沿Y軸移動，使毛坯上方凹槽的側(cè)面抵在定位銷上，完成對零件的完全定位。

(4)零件正面加工夾緊時，把壓板的U形口穿過支撐套筒上的螺釘放置到夾具上，然后逐步擰緊壓板上方和夾具左側(cè)立柱上的緊定螺釘即可把零件夾緊，為了防止零件翹起，擰緊這兩個方向的螺釘力矩一定要均勻，最好采用定力矩扳手。此時夾具上兩個輔助支撐的支撐柱已經(jīng)抵在毛坯的底面上(但力很小，僅是彈簧力)，最后擰緊輔助支撐上的螺釘即可完成對零件正面加工的定位和夾緊。

(5)零件反面加工定位時，把夾具體上的銷子分別插進(jìn)零件上的定位銷孔和定位腰孔里，然后逐步擰緊螺釘用3個壓板壓緊零件即可實(shí)現(xiàn)定位和夾緊。

3 支撐架新工藝優(yōu)點(diǎn)

采用上述工藝方案，支撐架零件順利加工完成，加工效率提升了27%。零件在三坐標(biāo)上檢測，合格率在98%以上，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需要。本夾具與傳統(tǒng)夾具相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)剛性好。零件正面加工用夾具設(shè)計了輔助支撐，增強(qiáng)了零件的安裝剛度，零件在加工中不易變形，切削震動也減小，零件的表面質(zhì)量容易保證。

(2)裝拆方便。零件正面加工用夾具的螺釘與壓板組合的夾緊方式，只需要松開或擰緊壓板中間的緊定螺釘即可取下壓板，使得裝夾毛坯便捷。

(3)結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜。采用定位銷、定位螺母等標(biāo)準(zhǔn)件對夾具進(jìn)行定位，使得夾具結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜。

(4)定位精度高，工藝準(zhǔn)備時間短。采用四軸旋轉(zhuǎn)工藝加工側(cè)面上的孔，避免了因零件二次裝夾造成的定位誤差，提高了加工精度，也減少了鉆孔夾具的設(shè)計，節(jié)約了工藝準(zhǔn)備時間。

4 結(jié)束語

在實(shí)際生產(chǎn)中加工工藝對零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有著重要的影響。根據(jù)支撐架零件的特殊結(jié)構(gòu)，利用專用夾具和四軸加工中心的組合，制定了新的工藝方案，順利完成了零件的生產(chǎn)任務(wù)。經(jīng)測算，此方案使加工效率提升了27%，合格率從68%提高到98%，滿足了零件的實(shí)際生產(chǎn)需要。實(shí)踐證明：采用專用夾具和四軸加工中心組合的加工方式，可以簡化夾具設(shè)計，保證零件加工中的形位精度，提高生產(chǎn)效率，是一種比較優(yōu)良的工藝方案。