王瑩 李文博 張磊 衛(wèi)傳凱 盧偉國

摘 要：本文通過對鈦合金鎖殼工業(yè)機(jī)器人自動線的生產(chǎn)環(huán)境、加工對象及其工藝的研究，制定零件的加工策略，最終明確了數(shù)控車床與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)工作流程、刀具選擇、工業(yè)機(jī)器人自動線節(jié)拍表等重要參數(shù)。研究表明：通過應(yīng)用鈦合金鎖殼工業(yè)機(jī)器人自動線，不僅提升了產(chǎn)品加工質(zhì)量，提高了加工效率，也在降低人工成本的同時更好地保證了操作者的安全性。

關(guān)鍵詞：鈦合金鎖殼；機(jī)器人；自動線

中圖分類號：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

通常意義上，機(jī)器人是自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。一直以來，機(jī)器人主要是在“工業(yè)”領(lǐng)域代替“工人”，所以也多了很多“工業(yè)機(jī)器人”的定義。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對“工業(yè)機(jī)器人”的定義是：“通過自動控制，具備操作功能或者移動功能，通過各種軟件程序能夠?qū)崿F(xiàn)各種作業(yè)，可用于工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械?！庇霉I(yè)機(jī)器人代替人工操作，不僅可以保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強(qiáng)度、提高勞動生產(chǎn)率，還能夠起到提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人自動線在國內(nèi)外民用車輛制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用普遍，但在國內(nèi)軍用、民用飛機(jī)零件加工中應(yīng)用較少。

本文針對鈦合金鎖殼在工業(yè)關(guān)節(jié)機(jī)器人自動線上應(yīng)用的研究，實(shí)現(xiàn)零件加工自動流水作業(yè)，一次性完成零件的加工，消除過程浪費(fèi)，從而達(dá)到大幅度提高加工效率，降低人工成本的目的。

1 自動線生產(chǎn)環(huán)境及鈦合金鎖殼對象分析

1.1 自動線生產(chǎn)環(huán)境

自動線是能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程自動化的一種機(jī)器體系。即通過采用一套能自動進(jìn)行加工、檢測、裝卸、運(yùn)輸?shù)臋C(jī)器設(shè)備，組成高度連續(xù)的完全自動化的生產(chǎn)線，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)。本文研究的鈦合金鎖殼關(guān)節(jié)機(jī)器人自動線如圖1所示，是一種柔性自動上下料系統(tǒng)，即一臺六軸工業(yè)機(jī)器人為兩臺數(shù)控車床提供上下料服務(wù)。自動線上下料系統(tǒng)包括1臺六軸工業(yè)機(jī)器人、1套工件抓手模塊、1套翻面模塊、1套工件料庫、1套下料設(shè)備及相關(guān)部件組成。整個自動化加工單元的具體布局如圖2所示，該自動線布局緊湊，優(yōu)化占地面積，上下料效率高。

1.2 鈦合金鎖殼對象分析

飛機(jī)口蓋與機(jī)體的聯(lián)接形式通常分為快卸鎖、口蓋鎖和承力鎖，承力鎖具有聯(lián)接強(qiáng)度高、鎖緊功能可靠、口蓋安裝拆卸方便、密封防雨等優(yōu)點(diǎn)。鈦合金鎖屬于小型承力鎖，該小型承力鎖在飛機(jī)上使用非常廣泛，而本次研究的鈦合金鎖殼是鈦合金小型承力鎖中最重要的組件之一。

鈦合金具有高的強(qiáng)度/重量比，更好的強(qiáng)度、韌性、延展性。另外鈦合金還具有較好抗氧化性與耐腐蝕性，并且在高溫下還能保持良好的強(qiáng)度。這些性能優(yōu)點(diǎn)使得鈦合金在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鈦合金雖然性能優(yōu)異，但由于自身材料物理性能原因，切削加工非常困難。研究表明，當(dāng)鈦合金布氏硬度小于HB300時，容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，而到達(dá)HB350時，切削將會變得很困難；鈦化學(xué)活性強(qiáng)，切削過程中容易與H、O、N等元素結(jié)合氧化，硬度增大，造成切削難度的增大，在加工中對刀具的磨損較大，刀具壽命短，生產(chǎn)效率不高。

本次研究的鈦合金鎖殼是由鍛件毛坯加工所成，因鈦合金材料鍛造成型技術(shù)所限，此鍛件只能達(dá)到HB6077 F級，故尺寸一致性不好，為了在零件加工時能有效提高尺寸精度和尺寸一致性，必須對零件的加工工藝流程進(jìn)行優(yōu)化。

2 工藝分析及加工策略

2.1 工藝分析

鈦合金鎖殼由鍛件毛坯加工成型，鍛件毛坯自身尺寸一致性不好，加工時定位基準(zhǔn)一致性也不好，無法滿足自動線加工生產(chǎn)，必須提高定位基準(zhǔn)的一致性，才能實(shí)現(xiàn)兩道數(shù)控車工序在關(guān)節(jié)機(jī)器人自動線上協(xié)同作業(yè)。故零件在上自動線加工之前，必須安排一道車工工序，加工零件外圓至Φ40，保證零件外圓尺寸一致性。零件兩道數(shù)控車加工內(nèi)容如圖3所示。

2.2 加工策略

2.2.1 自動線工作流程設(shè)計(jì)

鈦合金鎖殼關(guān)節(jié)機(jī)器人自動線的工作流程，從機(jī)器人上料到機(jī)器人下料的具體全部操作過程如下：

（1）工件由操作者擺放在托盤上，每個托盤上帶有定位導(dǎo)套，要求第一工序加工面向上放置。

（2）關(guān)節(jié)機(jī)器人抓手啟動，由機(jī)械手上料爪抓起托盤上第一個工件，運(yùn)輸至側(cè)排屑數(shù)控車床車門處，等待機(jī)床開門。

（3）機(jī)床開門，由機(jī)械手下料爪負(fù)責(zé)數(shù)控車床內(nèi)首道工序加工結(jié)束的零件下料工作，機(jī)械手自身旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)械手上料爪將夾持零件進(jìn)行上料，機(jī)械手離開側(cè)排屑數(shù)控車床，將加工過首道工序的零件運(yùn)輸至翻面平臺處，與此同時，側(cè)排屑數(shù)控車床車門關(guān)閉，進(jìn)行已安裝零件的首道工序加工。

（4）零件運(yùn)輸至翻面平臺后，由機(jī)械手下料爪將工件交接到翻面平臺的抓取氣爪，翻轉(zhuǎn)氣缸伸出，實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，抓取氣爪松開將工件釋放到固定待抓取工位，翻面氣缸縮回后，機(jī)械手上料爪將工件取走，運(yùn)輸至后排屑數(shù)控車床車門處，等待機(jī)床開門。

（5）機(jī)床開門，由機(jī)械手下料爪負(fù)責(zé)數(shù)控車床內(nèi)第二道工序加工結(jié)束的零件的下料工作，機(jī)械手自身旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)械手上料爪將夾持零件進(jìn)行上料，機(jī)械手離開后排屑數(shù)控車床，將兩道工序都加工完畢的零件運(yùn)輸至下料庫，與此同時，后排屑數(shù)控車床車門關(guān)閉，進(jìn)行已安裝零件的第二道工序加工。

（6）零件運(yùn)輸至下料庫后，機(jī)械手下料爪將兩道工序都加工完畢的零件放置于下料庫傳送帶上，機(jī)器人抓手回到最初的工件料庫的位置，等待指令抓取第二個工件（以此類推），整套鈦合金鎖殼關(guān)節(jié)機(jī)器人自動線單個零件加工工作結(jié)束。

2.2.2 刀具選擇

由于自動線所加工的鎖殼材料為鈦合金，而鈦合金一直屬于難加工材料，在加工中對刀具的磨損較大，刀具使用壽命不高。刀具的性能與質(zhì)量直接影響到自動線是否能順利加工出合格產(chǎn)品。

加工鈦合金鎖殼所用刀具包括：粗車外圓刀、精車外圓刀、鉆頭、鏜刀?，F(xiàn)已將所用刀具從過去使用的手磨鉆頭和各類機(jī)夾刀片更改為多功能精密刃磨機(jī)磨制鉆頭和專門加工鈦合金材料的機(jī)夾刀刀片，既省時、省力，又保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高刀具使用壽命。

2.2.3 工件抓手模塊的改制

關(guān)節(jié)機(jī)器人的三指氣爪本身能夠完成夾緊、搬運(yùn)和安裝零件等任務(wù)，但在自動線實(shí)際運(yùn)行之后，所加工的零件尺寸局部存在超差。經(jīng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)原因?yàn)榱慵S向裝夾定位不精準(zhǔn)。隨后，我們在氣爪的定位板與氣爪卡盤主體之間增加彈簧，彈簧給零件一個前推力，使零件表面能緊緊地靠在數(shù)控車床的軟爪上，保證了定位精準(zhǔn)；同時在卡爪的夾持處增加棱邊，可以很好地固定零件，避免零件夾持不穩(wěn)，從而既有效地保證了零件的質(zhì)量精度，又提高了零件尺寸的一致性。

3 關(guān)節(jié)機(jī)器人自動線應(yīng)用效果

通過兩萬余件試驗(yàn)件的試切工作，得到了明確的工業(yè)關(guān)節(jié)機(jī)器人自動線節(jié)拍表、刀具使用情況等重要技術(shù)參數(shù)。

3.1 保證鈦合金鎖殼質(zhì)量一致性

鈦合金鎖殼凸緣尺寸1.3mm為加工過程中最難保證的尺寸，在一個批次裝機(jī)零件中隨機(jī)抽取100件進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見圖4，從圖4中可以看到，零件尺寸除滿足要求外，一致性也得到了非常好的保證。

3.2 確定機(jī)器人自動線實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍表

自動生產(chǎn)線經(jīng)實(shí)際加工生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)還有可提升的空間，在保證安全生產(chǎn)的前提下，為提高生產(chǎn)效率，使節(jié)拍安排更合理，得出如下機(jī)器人自動線節(jié)拍表，見表1。

經(jīng)過本次研究，鈦合金鎖殼關(guān)節(jié)機(jī)器人自動線至正式投入裝機(jī)零件的生產(chǎn)，已經(jīng)穩(wěn)定加工零件一萬余件。之前普通設(shè)備加工一個鈦合金鎖殼需要兩個操作者共4分半鐘的時間，使用鈦合金鎖殼機(jī)器人自動線僅需一個操作者兩分半鐘的時間，生產(chǎn)效率有了大幅度的提高。

結(jié)論

本文通過對鈦合金鎖殼工業(yè)機(jī)器人自動線的生產(chǎn)環(huán)境、加工對象及其工藝的研究，確定了刀具選擇、工業(yè)機(jī)器人自動線節(jié)拍表等重要參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了零件加工的流水作業(yè)，也使整條自動線實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)時化生產(chǎn)。采用鈦合金鎖殼關(guān)節(jié)機(jī)器人自動生產(chǎn)線，大幅度降低了操作者的勞動強(qiáng)度，節(jié)約加工成本；并在提高產(chǎn)品質(zhì)量一致性的同時提高了生產(chǎn)效率。

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