周俊鋒，李盛良，2，茅衛(wèi)東，2，溫強(qiáng)龍，黃在榮，崔強(qiáng)

1.奇瑞新能源汽車股份有限公司 安徽蕪湖 241000

2.新能源汽車輕量化技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽蕪湖 241000

3.安徽必達(dá)新能源汽車產(chǎn)業(yè)研究院有限公司 安徽蕪湖 241000

4.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽蕪湖 241000

我國《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，當(dāng)前新一輪科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)深度融合，以智能制造為牽引，不斷夯實(shí)工業(yè)基礎(chǔ)能力，優(yōu)化資源動(dòng)態(tài)配置，促進(jìn)制造業(yè)重大技術(shù)與裝備的創(chuàng)新發(fā)展，把握我國由“制造業(yè)大國”向“制造業(yè)強(qiáng)國”歷史性超越發(fā)展的窗口期[1]。相對柔性化差、尺寸大、投資成本高的數(shù)控機(jī)床，銑削機(jī)器人具有成本低、工作效率高及重復(fù)定位性好等特點(diǎn)，可快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造工藝變更需求。機(jī)器人技術(shù)與搬運(yùn)、銑削、磨削及焊接等應(yīng)用場景的深度融合，將驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)制造向先進(jìn)制造的快速迭代，給企業(yè)發(fā)展帶來新的增長極。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，機(jī)器人己經(jīng)較為廣泛地集成應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域的生產(chǎn)制造過程中。美國EI公司與波音公司聯(lián)合研制了用于波音飛機(jī)的副翼和后緣襟翼的銑削機(jī)器人加工系統(tǒng)，加工精度達(dá)到±0.5mm[2]。德國伯爵公司研制了通過兩臺(tái)機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了鉆孔、預(yù)擰與緊固的機(jī)器人自動(dòng)裝配裝置，大幅提高了裝配效率[3]。德國Fraunhofer Gesellschaft發(fā)明了在機(jī)械臂上安裝力位移傳感器和視覺裝置，應(yīng)用于空客公司飛機(jī)機(jī)身面部修配的銑削機(jī)器人加工系統(tǒng)，加工尺寸精度可達(dá)0.35mm[4]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國有72%的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于焊接、噴涂、搬運(yùn)及碼垛等場合，而銑削機(jī)器人系統(tǒng)多在實(shí)驗(yàn)室研究階段。浙江大學(xué)研制了通過采用激光跟蹤儀全閉環(huán)控制方法，對機(jī)器人末端作業(yè)位姿在線測量與修正，使銑削機(jī)器人加工精度提高到±0.2mm[5]。南京航空航天大學(xué)在銑削機(jī)器人離線軌跡編程、鉆銑工藝機(jī)理與集成控制等開展研究，對鋁合金制件孔位精度達(dá)到±0.3mm[6]。我國在基于工業(yè)機(jī)器人的高端制造裝備領(lǐng)域的研究起步較晚，加之國外企業(yè)的技術(shù)封鎖，在銑削機(jī)器人系統(tǒng)研究絕大部分集中在技術(shù)論證與樣機(jī)研制測試階段，與國外還存在一定的差距。本文嘗試?yán)猛ㄓ脵C(jī)器集成電主軸的技術(shù)方案，并選取鋁框架車身零部件為應(yīng)用場景。機(jī)器人應(yīng)用于汽車銑削加工對比如圖1所示。

圖1 機(jī)器人應(yīng)用國內(nèi)外對比

銑削機(jī)器人加工工藝流程

首先將待加工零件裝配至工裝夾具中，再將夾具夾緊，且保證被加工工件夾緊牢固、位置準(zhǔn)確，以免在加工過程中發(fā)生移動(dòng)導(dǎo)致加工品質(zhì)下降或加工失敗。然后啟動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)調(diào)用加工程序，根據(jù)程序指令是否切換刀具，在加工過程中采用壓縮空氣對加工產(chǎn)生的鋁削進(jìn)行吹掃（產(chǎn)生的鋁削采用負(fù)壓收集并定期集中處理）以及對加工刀具進(jìn)行冷卻，并按程序事先設(shè)定的軌跡完成鋁型材加工。最后，取出加工完成的零件，采用壓縮空氣對型材內(nèi)部遺留的鋁削清理，合格零件裝箱入庫。

銑削機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

銑削機(jī)器人加工系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、高速電主軸、工裝夾具、加工刀具庫和離線編程軟件等組成，銑削機(jī)器人系統(tǒng)生產(chǎn)線布置如圖2所示。

圖2 銑削機(jī)器人生產(chǎn)線布置

1.機(jī)器人的選擇

1）機(jī)器人本體具備以下四項(xiàng)功能：一是有六關(guān)節(jié)機(jī)械手裝置，并按照預(yù)先編排的程序運(yùn)行；二是機(jī)器人控制I/O模塊輸入＞32點(diǎn)，輸出＞16點(diǎn)，且具有信號(hào)指示燈和接線端子，輸出負(fù)載能力≥500mA；三是具有工具坐標(biāo)系、用戶坐標(biāo)系數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程工具坐標(biāo)系數(shù)據(jù)設(shè)定、負(fù)載檢測、碰撞檢測及安全ProfiSafe等功能；四是機(jī)器人現(xiàn)場總線通信可采用ProfiNet、EntherNet、CC-Link IE及DeviceNet通信方式。

2）機(jī)器人底座采用Q235A制作的圓筒結(jié)構(gòu)，底座外圓尺寸要略大于機(jī)器人底座安裝板且底座平面要水平零度，需要做防腐處理，安裝調(diào)試后需要將圓筒內(nèi)注入混泥土加固。

3）機(jī)器人管線包和電纜。管線包是保護(hù)機(jī)器人電纜的必備附件，需要結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積和長度小，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)干涉范圍?。蛔枞嫉燃?jí)符合美國UL94V2，耐磨耐焊屑，防止內(nèi)部管線的劃傷及燒傷，管線包的最小靜彎曲半徑為直徑的2倍，最小動(dòng)彎曲半徑為直徑的4.5倍。機(jī)器人電纜是機(jī)器人的神經(jīng)和血管，如何保證其穩(wěn)定性必須通過德國TUV標(biāo)準(zhǔn)2PFG2577快速地加速和減速、拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)，以及500萬次以上的周期性彎曲，經(jīng)受高溫、鋁屑飛濺、油類、磨損及其他化學(xué)品腐蝕，始終保持高靈活性和穩(wěn)定性的嚴(yán)苛測試。

2.電主軸的選擇

高速電主軸包括主軸、電動(dòng)機(jī)、軸承、變頻器和工具快換接口等。通過在實(shí)驗(yàn)室對鋁型材進(jìn)行銑削加工測試，獲得零件加工表面質(zhì)量較好的電主軸工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速n=12 000r/min，切削深度＜1mm，切削刀具直徑D=12mm，銑削力Fmax=50N，安全系數(shù)k取2，計(jì)算出輸出扭矩T和功率P如下。

T=kFmaxD/2=6N·m

P=nT/9550=7.54kW

通過以上計(jì)算，選取了意大利HSD品牌的ES 951型號(hào)電主軸，主要參數(shù)為輸出功率8.5kW，最大轉(zhuǎn)速24 000r/min，輸出扭矩8N·m，產(chǎn)品質(zhì)量25kg，可滿足該類鋁型材產(chǎn)品銑削機(jī)器人加工。

3.刀具庫的開發(fā)

刀具庫布局于機(jī)器人的一側(cè)，刀庫主要由刀具槽、集屑槽、翻轉(zhuǎn)蓋體、翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器及傳感器安裝板等構(gòu)成。刀具庫中存儲(chǔ)著直徑6mm、8mm、10mm和12mm的精加工鋁用硬質(zhì)合金三刃銑刀和鉆頭等加工刀具，工具由機(jī)器人程序根據(jù)不同加工需要自動(dòng)選取更換，如圖3所示。

圖3 刀具庫示意

4.機(jī)器人工具坐標(biāo)系標(biāo)定方法

機(jī)器人工具坐標(biāo)是原點(diǎn)安裝在機(jī)器人末端的工具中心點(diǎn)的坐標(biāo)系[7]。本文采用六點(diǎn)法建立銑削工具坐標(biāo)系。以發(fā)那科機(jī)器人示教器為例，通過機(jī)器人示教器選擇菜單（Menu）→設(shè)置（Setup）→類型（Type）→坐標(biāo)系（Frames）→其他坐標(biāo)（Othr）→工具坐標(biāo)（Tool Frame）→選擇要設(shè)置的坐標(biāo)系號(hào)（Detall）→方法（Method）→選擇六點(diǎn)坐標(biāo)系的設(shè)置方法。

記錄接近點(diǎn)坐標(biāo)值（見圖4），先定義兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，一是通過在銑削機(jī)器人工作半徑內(nèi)的工裝夾具Base板定位孔中安裝標(biāo)定點(diǎn)定位銷，此定位銷的尖點(diǎn)就定義為標(biāo)定點(diǎn)；二是定義工具TCP坐標(biāo)點(diǎn)：銑削機(jī)器人電主軸鉆銑工具頭上尖點(diǎn)作為工具中心點(diǎn)TCP。

圖4 記錄六點(diǎn)坐標(biāo)值位置

利用機(jī)器人示教器調(diào)整機(jī)器人各軸位置：1點(diǎn)用移動(dòng)機(jī)器人大于20cm；2點(diǎn)將工具尖端點(diǎn)移開標(biāo)定點(diǎn)大于20cm，六軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度90°～180°；3點(diǎn)將工具尖端TCP移開標(biāo)定點(diǎn)大于20cm，4至5軸轉(zhuǎn)動(dòng)小于90°；4點(diǎn)將工具的TCP與標(biāo)定點(diǎn)垂直；5點(diǎn)將工具的TCP沿X方向移動(dòng)＜50cm；6點(diǎn)從機(jī)器人世界坐標(biāo)點(diǎn)向工具坐標(biāo)方向移動(dòng)＜50cm。再用示教器手動(dòng)慢速調(diào)整機(jī)器人位置，使工具尖端接觸標(biāo)定點(diǎn)并用示教器分別記錄六點(diǎn)坐標(biāo)值，最終使用機(jī)器人自帶的求解器，可方便計(jì)算出準(zhǔn)確的工具TCP坐標(biāo)系。

5.離線加工程序的開發(fā)

通過在Tecnomatix軟件中安裝對應(yīng)品牌機(jī)器人的離線程序插件[8]。先將銑削機(jī)器人工藝操作加載至路徑編輯器（Path Editor）中，創(chuàng)建離線程序（Robot Program）并將現(xiàn)場測量機(jī)器人原點(diǎn)坐標(biāo)、工裝夾具Base坐標(biāo)、工具TCP坐標(biāo)在導(dǎo)出系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置，保證銑削機(jī)器人能按照加工路徑運(yùn)行[9]。最后對目標(biāo)程序進(jìn)行離線程序輸出（Download）。利用該離線程序進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證（見圖5），可以實(shí)現(xiàn)銑削機(jī)器人生產(chǎn)加工，加工的零部件尺寸精度達(dá)到±0.3mm。

圖5 仿真程序現(xiàn)場驗(yàn)證

6.工裝夾具的開發(fā)

（1）夾具的定位機(jī)理 零件在空間有3個(gè)旋轉(zhuǎn)和3個(gè)移動(dòng)共計(jì)6個(gè)自由度。為了保證所加工零件位置的一致性，在加工前必須將工件的6個(gè)自由度完全約束[9]，并且實(shí)際零件不是嚴(yán)格的剛體，通常需要采用過約束的定位方式。

第一定位點(diǎn)選取通常選擇布置在工件最大的面，通過三個(gè)以上的定位點(diǎn)，限制2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和1個(gè)移動(dòng)自由度。當(dāng)工件較小時(shí)（最大輪廓尺寸＜60mm），由于實(shí)際的定位元件接觸面較大，只需要一個(gè)定位面就能實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)自由度的約束。

第二定位點(diǎn)選取一般以工件的“圓孔+圓銷”的形式進(jìn)行定位，采用短銷限定兩個(gè)方向的移動(dòng)自由度。

第三個(gè)定位點(diǎn)通常是以工件的側(cè)端面或是在工件上刻劃基準(zhǔn)線來進(jìn)行定位，一般采用側(cè)端面來進(jìn)行限定一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。

（2）批量生產(chǎn)要求 大批量生產(chǎn)輔助設(shè)施的限制與單件或小批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線不同，大批量生產(chǎn)的鋁合金車身零部件生產(chǎn)線除了必要的夾具外，還需要有吸塵裝置、吊具及安全防護(hù)設(shè)施等。因此，在進(jìn)行銑削機(jī)器人夾具的設(shè)計(jì)時(shí)，需要與周邊相關(guān)設(shè)施相適應(yīng)，避免出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

（3）銑削機(jī)器人夾具的特殊要求 一是夾緊機(jī)構(gòu)或其他元件不得影響進(jìn)給，加工部位要敞開；二是工裝夾具的剛性穩(wěn)定性要好且要與地面剛性連接，避免在切削過程中產(chǎn)生共振，影響加工質(zhì)量；三是自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)采用氣壓或液壓夾緊，以保證加工過程剛性；四是要方便裝卸，提升零件加工效率；五是機(jī)器人圍欄要安裝防撞擊透明亞克力板，以免發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)刀具斷裂傷人事件。因此，夾具的夾頭布置得越緊密，對零件加工剛性越有利。然而，夾具夾頭布置得越緊密，銑削機(jī)器人的可達(dá)性越差。如何平衡這兩者的關(guān)系則成為了進(jìn)行銑削機(jī)器人加工夾具設(shè)計(jì)中最為重要的考量。

結(jié)語

通過本文研究，使用銑削機(jī)器人對汽車鋁合金零部件進(jìn)行加工的制造方案，可針對不同形狀的工件，通過將離線程序?qū)氲綑C(jī)器人控制系統(tǒng)中，通過視覺識(shí)別待加工工件，可自動(dòng)調(diào)用加工程序，使銑削加工過程更精確、穩(wěn)定并適應(yīng)多品種批量產(chǎn)品生產(chǎn)加工。通過驗(yàn)證在保證零件加工精度±0.3mm的基礎(chǔ)上，采用銑削機(jī)器人工藝加工方法相比傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床，加工成本下降了20%，加工效率提升了60%，有效解決了數(shù)控機(jī)床加工零件存在成本高、柔性差、效率低的問題，該技術(shù)方案可以給同行業(yè)提供一些建議和參考。未來汽車零部件產(chǎn)品機(jī)加工需求呈現(xiàn)產(chǎn)品精度高、加工效率高、加工穩(wěn)定性高及加工成本低等，銑削機(jī)器人加工工藝需要攻克高剛度、低顫振與較高制跡精度等需求，還需深入研究。