銑削機器人加工系統開發與應用

周俊鋒，李盛良，2，茅衛東，2，溫強龍，黃在榮，崔強

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安徽省重點實驗室 安徽蕪湖 241000

3.安徽必達新能源汽車產業研究院有限公司 安徽蕪湖 241000

4.安徽機電職業技術學院 安徽蕪湖 241000

我國《“十四五”機器人產業發展規劃》提出，當前新一輪科技創新與產業深度融合，以智能制造為牽引，不斷夯實工業基礎能力，優化資源動態配置，促進制造業重大技術與裝備的創新發展，把握我國由“制造業大國”向“制造業強國”歷史性超越發展的窗口期[1]。相對柔性化差、尺寸大、投資成本高的數控機床，銑削機器人具有成本低、工作效率高及重復定位性好等特點，可快速實現產品制造工藝變更需求。機器人技術與搬運、銑削、磨削及焊接等應用場景的深度融合，將驅動傳統制造向先進制造的快速迭代，給企業發展帶來新的增長極。

國內外發展現狀

在國外，機器人己經較為廣泛地集成應用于航空航天、船舶、汽車等領域的生產制造過程中。美國EI公司與波音公司聯合研制了用于波音飛機的副翼和后緣襟翼的銑削機器人加工系統，加工精度達到±0.5mm[2]。德國伯爵公司研制了通過兩臺機器人協同運動，實現了鉆孔、預擰與緊固的機器人自動裝配裝置，大幅提高了裝配效率[3]。德國Fraunhofer Gesellschaft發明了在機械臂上安裝力位移傳感器和視覺裝置，應用于空客公司飛機機身面部修配的銑削機器人加工系統，加工尺寸精度可達0.35mm[4]。

據統計，我國有72%的工業機器人應用于焊接、噴涂、搬運及碼垛等場合，而銑削機器人系統多在實驗室研究階段。浙江大學研制了通過采用激光跟蹤儀全閉環控制方法，對機器人末端作業位姿在線測量與修正，使銑削機器人加工精度提高到±0.2mm[5]。南京航空航天大學在銑削機器人離線軌跡編程、鉆銑工藝機理與集成控制等開展研究，對鋁合金制件孔位精度達到±0.3mm[6]。我國在基于工業機器人的高端制造裝備領域的研究起步較晚，加之國外企業的技術封鎖，在銑削機器人系統研究絕大部分集中在技術論證與樣機研制測試階段，與國外還存在一定的差距。本文嘗試利用通用機器集成電主軸的技術方案，并選取鋁框架車身零部件為應用場景。機器人應用于汽車銑削加工對比如圖1所示。

圖1 機器人應用國內外對比

銑削機器人加工工藝流程

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、位置準確，以免在加工過程中發生移動導致加工品質下降或加工失敗。然后啟動機器人自動調用加工程序，根據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生的鋁削進行吹掃（產生的鋁削采用負壓收集并定期集中處理）以及對加工刀具進行冷卻，并按程序事先設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部遺留的鋁削清理，合格零件裝箱入庫。

銑削機器人系統集成設計

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

圖2 銑削機器人生產線布置

1.機器人的選擇

1）機器人本體具備以下四項功能：一是有六關節機械手裝置，并按照預先編排的程序運行；二是機器人控制I/O模塊輸入＞32點，輸出＞16點，且具有信號指示燈和接線端子，輸出負載能力≥500mA；三是具有工具坐標系、用戶坐標系數據、遠程工具坐標系數據設定、負載檢測、碰撞檢測及安全ProfiSafe等功能；四是機器人現場總線通信可采用ProfiNet、EntherNet、CC-Link IE及DeviceNet通信方式。

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

3）機器人管線包和電纜。管線包是保護機器人電纜的必備附件，需要結構緊湊、重量輕、體積和長度小，機器人運行時干涉范圍小；阻燃等級符合美國UL94V2，耐磨耐焊屑，防止內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，最小動彎曲半徑為直徑的4.5倍。機器人電纜是機器人的神經和血管，如何保證其穩定性必須通過德國TUV標準2PFG2577快速地加速和減速、拉伸、壓縮和扭轉，以及500萬次以上的周期性彎曲，經受高溫、鋁屑飛濺、油類、磨損及其他化學品腐蝕，始終保持高靈活性和穩定性的嚴苛測試。

2.電主軸的選擇

高速電主軸包括主軸、電動機、軸承、變頻器和工具快換接口等。通過在實驗室對鋁型材進行銑削加工測試，獲得零件加工表面質量較好的電主軸工藝參數：主軸轉速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k取2，計算出輸出扭矩T和功率P如下。

T=kFmaxD/2=6N·m

P=nT/9550=7.54kW

通過以上計算，選取了意大利HSD品牌的ES 951型號電主軸，主要參數為輸出功率8.5kW，最大轉速24 000r/min，輸出扭矩8N·m，產品質量25kg，可滿足該類鋁型材產品銑削機器人加工。

3.刀具庫的開發

刀具庫布局于機器人的一側，刀庫主要由刀具槽、集屑槽、翻轉蓋體、翻轉驅動器及傳感器安裝板等構成。刀具庫中存儲著直徑6mm、8mm、10mm和12mm的精加工鋁用硬質合金三刃銑刀和鉆頭等加工刀具，工具由機器人程序根據不同加工需要自動選取更換，如圖3所示。

圖3 刀具庫示意

4.機器人工具坐標系標定方法

機器人工具坐標是原點安裝在機器人末端的工具中心點的坐標系[7]。本文采用六點法建立銑削工具坐標系。以發那科機器人示教器為例，通過機器人示教器選擇菜單（Menu）→設置（Setup）→類型（Type）→坐標系（Frames）→其他坐標（Othr）→工具坐標（Tool Frame）→選擇要設置的坐標系號（Detall）→方法（Method）→選擇六點坐標系的設置方法。

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

圖4 記錄六點坐標值位置

利用機器人示教器調整機器人各軸位置：1點用移動機器人大于20cm；2點將工具尖端點移開標定點大于20cm，六軸轉動角度90°～180°；3點將工具尖端TCP移開標定點大于20cm，4至5軸轉動小于90°；4點將工具的TCP與標定點垂直；5點將工具的TCP沿X方向移動＜50cm；6點從機器人世界坐標點向工具坐標方向移動＜50cm。再用示教器手動慢速調整機器人位置，使工具尖端接觸標定點并用示教器分別記錄六點坐標值，最終使用機器人自帶的求解器，可方便計算出準確的工具TCP坐標系。

5.離線加工程序的開發

通過在Tecnomatix軟件中安裝對應品牌機器人的離線程序插件[8]。先將銑削機器人工藝操作加載至路徑編輯器（Path Editor）中，創建離線程序（Robot Program）并將現場測量機器人原點坐標、工裝夾具Base坐標、工具TCP坐標在導出系統中進行設置，保證銑削機器人能按照加工路徑運行[9]。最后對目標程序進行離線程序輸出（Download）。利用該離線程序進行現場驗證（見圖5），可以實現銑削機器人生產加工，加工的零部件尺寸精度達到±0.3mm。

圖5 仿真程序現場驗證

6.工裝夾具的開發

（1）夾具的定位機理 零件在空間有3個旋轉和3個移動共計6個自由度。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個自由度完全約束[9]，并且實際零件不是嚴格的剛體，通常需要采用過約束的定位方式。

第一定位點選取通常選擇布置在工件最大的面，通過三個以上的定位點，限制2個旋轉自由度和1個移動自由度。當工件較小時（最大輪廓尺寸＜60mm），由于實際的定位元件接觸面較大，只需要一個定位面就能實現上述三個自由度的約束。

第二定位點選取一般以工件的“圓孔+圓銷”的形式進行定位，采用短銷限定兩個方向的移動自由度。

第三個定位點通常是以工件的側端面或是在工件上刻劃基準線來進行定位，一般采用側端面來進行限定一個旋轉自由度。

（2）批量生產要求 大批量生產輔助設施的限制與單件或小批量生產的生產線不同，大批量生產的鋁合金車身零部件生產線除了必要的夾具外，還需要有吸塵裝置、吊具及安全防護設施等。因此，在進行銑削機器人夾具的設計時，需要與周邊相關設施相適應，避免出現干涉現象。

（3）銑削機器人夾具的特殊要求 一是夾緊機構或其他元件不得影響進給，加工部位要敞開；二是工裝夾具的剛性穩定性要好且要與地面剛性連接，避免在切削過程中產生共振，影響加工質量；三是自動夾緊機構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；五是機器人圍欄要安裝防撞擊透明亞克力板，以免發生高速旋轉刀具斷裂傷人事件。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，銑削機器人的可達性越差。如何平衡這兩者的關系則成為了進行銑削機器人加工夾具設計中最為重要的考量。

結語

通過本文研究，使用銑削機器人對汽車鋁合金零部件進行加工的制造方案，可針對不同形狀的工件，通過將離線程序導入到機器人控制系統中，通過視覺識別待加工工件，可自動調用加工程序，使銑削加工過程更精確、穩定并適應多品種批量產品生產加工。通過驗證在保證零件加工精度±0.3mm的基礎上，采用銑削機器人工藝加工方法相比傳統數控機床，加工成本下降了20%，加工效率提升了60%，有效解決了數控機床加工零件存在成本高、柔性差、效率低的問題，該技術方案可以給同行業提供一些建議和參考。未來汽車零部件產品機加工需求呈現產品精度高、加工效率高、加工穩定性高及加工成本低等，銑削機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。