摘 要
对工业机器臂的结构进行探讨，并对大臂的铣削加工方法综合分析，改进了机器臂的加工方法，为大臂的铣削加工工艺设计提供理论依据。根据工业机器人工作的需求，对工业机器臂铣削加工工艺设计进行优化，能实现批量生产工业机器人的大臂。工业机器人的出现，降低工人的劳动强度，同时降低生产成本，提高了企业生产效率。
关键词：工业器臂；批量生产；设计；铣削
第一章 绪论
1.1工业机器臂铣削问题的背景和意义
随着现代先进制造技术的不断发展，特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域迅速发展起来的一门新兴技术，而且近年来，随着制造业人工成本不断上涨，更加促进了工业搬运机器人在制造业中得到广泛的应用。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。工厂开始研发工业机器人，工业机器人开始代替人工工作，减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，为企业创造了良好的经济效益。除此之外，很多高危型的工作都由工业机器人取代，进一步的保障了工人的安全。工业机器人的大臂是主要承受外力和连接的部件，加工精度高，体积大，每个面都要铣削，加工步骤繁琐，花费的时间长。因此，进行对工业机器臂铣削加工工艺的研究设计是非常有意义的。
1.2工业机器臂铣削加工的设计和制造问题的描述
目前，工业搬运机器人已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把数控机床、料盘、手爪夹具及工业机器人等共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、大批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。工业机器人的应用，提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产。由于机器臂是主要承受外力的部件，制造加工不方便。所以要对大臂的铣削加工工艺进行优化设计，节省制造大臂的时间，让工业机器人代替人工操作，这样就可以提高劳动生产率。
工业机器人与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合形成新的生产线，实现加工过程的自动化。工业机器臂铣削加工的设计必须解决大臂的制造加工方便、节省生产大臂的加工时间、提高大臂的加工精度高，使工业机器人的自动化能满足加工的要求，提高产品的质量，更好地适应市场竞争的需要，为工厂创造最大的经济效益。
第二章 工业机器臂铣削加工工艺
2.1零件图纸技术要求分析
2.1.1零件图
工业机器臂的正反面零件图如下所示：
图2-1 大臂正面
图2-2 大臂反面
2.1.2图纸分析
从生产加工要求分析，该零件为批量生产零件，零件材料为铝合金，外形为手臂的结构，主要结构由8个小的通孔，6个较大的通孔，6个M6的螺纹孔和4个M5的螺纹孔，7个3.3的小孔以及8个槽构成。磨平上下两平面，保证两平面的平行度及厚度82mm。外形轮廓及正面的5个槽都是用16mm的平底刀加工，反面的3个槽都是用16的平底刀加工。正面上的孔都用钻头加工，反面上的M6的螺纹孔用直径为6的球刀加工，反面上其余的孔都是用钻头加工。正反面外形的倒圆角都是用直径为6的球刀加工。从零件图可知，孔的深度是有分层的，所以深度的控制是加工的重点，外形轮廓加工范围充足，易加工，工件表面尺寸标注完整。零件的技术要求，上下平面的平行度为0.04，86和108的圆槽的表面粗糙度为Ra3.2um，其余的表面粗糙度都是Ra6.3。工件不能有尖角毛刺或碰伤，棱边需要倒钝，未注倒角为1x45°，所有螺纹孔不涂黄漆，有要求的表面不涂黄漆，其余的均涂黄漆，固溶处理后人工时效。大臂的正反面都有很多尺寸不同的孔，需要用不同的钻头和刀具加工，在加工过程中零件的几何类型和尺寸要统一，减少换刀的次数，提高效率，加工圆槽和外形轮廓都用同一把刀具，相同的孔一起加工，这样可以提高效率和工艺。装夹此工件时需要用到六块压板压紧，在装夹时统一基准定位，减少定位误差。
2.2机床类型选择
根据加工零件的外形和材料以及需要使用很多把刀等条件，选用GSK983M加工中心。
2.3夹具选择
2.3.1夹具类型
数控铣床上的夹具，一般安装在工作台上，其形式根据被加工工件的特点可多种多样。如：通用台虎钳、数控分度转台、卡盘、组合夹具、专用夹具、可调整夹具、多工位夹具等。 2.3.2夹具的要求
数控加工对夹具主要有两大要求：一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点：1. 尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间。2. 在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。3. 装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间。4. 夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确的位置上加工。 2.3.3夹具选用
根据工业机器臂的外形结构，结合夹具的类型和夹具的要求，机器臂铣削加工工艺所选用的夹具有平口虎钳和组合夹具，这两种夹具有足够的强度和刚度，结构简单，便于装卸，安装稳定牢固，结构的工艺好，便于对工件的测量，装配，检验，清理方便。 2.3.4夹具使用步骤
（1）将工件安装在加工中心的工作台上，用平口虎钳夹紧，保证工件在同一水平面上。
（2）保证工件水平后，用M16螺母、长100mm的M16螺杆及调整压块114mm
固定在加工中心工作台上，然后用内六角螺钉锁紧工件。
（3）拆卸工件时，用六角匙旋动内六角螺钉一定的距离，然后拆下工件。加工反面时，首先要对工件侧面进行校正，连续校正几次，误差在00.05mm。反面加工，中间应该增加多两块压块来固定工件。使用组合夹具时，压块要安装在刀具加工不到的部分，避免刀具加工外形轮廓时，刀具与夹具发生碰撞。 2.3.5夹具使用注意事项
注意事项：1. 在工件夹紧时不要用力过大，以免损坏工件。2. 及时清理钻屑，保证安装平面的清洁。3.夹具与工件的距离要合适，以免加工时刀具与夹具发生碰撞铣削。4. 安放工件时要注意不要砸到基准平面，而影响加工精度。
2.4加工方法的选择
平面铣削加工粗铣后的公差等级一般可以达到IT10~IT12，表面粗糙度Ra=6.3~25um，经精铣的平面的等级公差一般可以达到IT7~IT9，表面粗糙度Ra=1.6~6.3um。轮廓有直线和圆弧及各种曲线构成，通常采用三坐标数控铣床进行两轴半坐标加工。孔的加工应先钻中心孔再钻小直径孔后进行扩孔。
2.5确定加工顺序和走刀路线
（1）装夹正面，面铣。
（2）加工正面大部分外形轮廓、挖槽。 （4）钻孔。
（3）精加工外形轮廓的倒角和圆角。 （4）加工反面装夹的基准平面。 （5）装夹反面，加工反面中间的槽。 （6）加工反面的外形轮廓，面铣。 （7）加工反面矩形槽。 （8）钻孔。
（9）精加工反面外形轮廓的边。
2.6对刀点与换刀点的确定
对刀点可选在工件上，也可选在工件外面（如选在夹具上或机床上），但必须与零件的定位基准有一定的关系。若对刀精度要求精度不高时，可以直接选用零件上的某些表面作为对刀面，若对刀精度要求较高时，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上。如以孔定位的工件，可以选孔的中心作为对刀点。换刀点是指刀架转位换刀时的位置，换刀点应该设在工件或夹具的外面，刀架转位是刀具不与其他部位干涉为准则。
2.7制定工业机器臂的加工工艺过程卡
工业机器臂正反面铣削的加工工艺过程卡见附录C表2-1、表2-2。
2.8制定工业机器臂的加工工序卡
工业机器臂正反面铣削的加工工序卡见附录D表2-3、表2-4。
2.9刀具选择
图2-3 刀具
2.9.1刀具选择的依据
金属加工时，刀具受到很大切削压力、摩擦力和冲击力，产生很高的切削温度，刀具在这种高温、高压和剧烈的摩擦环境下工作，刀具材料需要满足一些基本要求：
（1） 高硬度
（2） 高强度与强韧性
（3） 较强耐磨性和耐热性以及优良导热性 （4） 良好工艺性与经济性
综上所述，因为加工工件为铝料，所以采用高速钢刀具。 2.9.2加工大臂使用的刀具，见表2-5。
表2-5 加工大臂的刀具表
加工大臂的刀具表
序号 刀具号 1 2 T01 T02 刀具规格名称/mm 80面铣刀 16平底铣刀 加工内容 具体内容见工艺卡 备注 —— —— —— 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 T03 T04 T05 T06 T07 T08 T09 T05 T07 T06 2.5中心钻 3.3钻头 5.5钻头 11钻头 6球刀 16.5平底铣刀 32槽刀 5钻头 8平底铣刀 60槽刀 审核 —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— —— 编制
图2-4加工中心的刀库
2.9.3切削用量选择
工业机器臂的材料为铝合金，其切削用量选择见表2-6。
表2-6 机器臂铣削切削用量选择
被加工材料 切削速度（m/min) 条件 切削刃直径（mm) 5 6 8 10 12 16 切深量 纯铝 1070 250～300 转数 min 17500 14600 11000 8800 7300 5500 1,200 1000 -1铝合金Si系 4032 30～50 转数 min 2500 2100 1600 260 1300 1050 280 800 -1铝合金Mg系 5052 铝合金Mg系 7075 75～125 转数 min 00 5300 4000 650 3200 2700 750 2000 4500 7,100 6000 170 11,900 8,900 -1250～300 转数 min 14300 -1进给 速度 mm/min 进给 速度 mm/min 进给 速度 mm/min 进给速度 mm/min ap=1.5D以下、ae=0.2以下 ap=1.5D以下、ae=0.2以下 第三章 工业机器臂铣削生产试验结果与分析
3.1生产
结束语
通过分析机器臂的结构和加工技术要求，选择合理的设备、刀具，确定安全高效快速的走刀路线，选用合理的切削用量，这样生产的大臂，大臂的各项技术指标都达到了设计的要求，解决了生产大臂的难点，提高了生产效率和加工质量，给企业带来了可观的经济效益。
参考文献
附 录
附录A 工业机器臂正面加工程序 % : O0000
N100 G0 G17 G40 G49 G80 G90
( TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 80. ) ( D80-MX )
N102 G0 G90 G54 X-422.5 Y-62.998 S1500 N104 Z10. N106 Z2.
N108 G1 Z0. F300. N110 X377.5 F600.
N112 G3 Y-20.999 I0. J20.999 N114 G1 X-377.5
N116 G2 Y20.999 I0. J20.999 N118 G1 X377.5
N120 G3 Y62.998 I0. J20.999 ………………
N430 G1 Z-3.076 F300. N432 X-165.992 Z-4.659 F800. N434 X-166.138 Y-39.203
N436 G2 X3.792 Y-29.8 I169.929 J-1530.797 N438 G1 X115.018
N440 G2 X183.222 Y-31.311 I0. J-1540.2 N442 X200.245 Y-32.16 I-68.204 J-1538.6 N444 X195.771 Y-13.739 I92.255 J32.16 N446 X195.798 Y13.931 I96.729 J13.739 N448 X200.245 Y32.16 I96.702 J-13.931 N450 X176.035 Y31.009 I-85.227 J1537.84 N452 X115.018 Y29.8 I-61.017 J1538.991 N454 G1 X3.792
N456 G2 X-162.724 Y38.828 I0. J1540.2 N458 X-183.436 Y41.222 I166.515 J1531.172
M3 N460 X-175.513 Y12.083 I-94.0 J-41.222 N462 X-174.8 Y0. I-101.987 J-12.083 N4 X-177.275 Y-22.412 I-102.7 J0. N466 X-183.436 Y-41.222 I-100.225 J22.412 N468 X-166.138 Y-39.203 I187.228 J-1528.778 …………
N1268 G1 Z-28. F300. N1270 Y100. F320. N1272 Y-100.
N1274 G3 X-377.5 Y-108. I8. J0. N1276 G1 X377.5 N1278 X385.5 N1280 G0 Z10. N1282 X-385.5 Y115. N1284 Z-26.
N1286 G1 Z-56. F300. N1288 Y100. F320. N1390 Y-100.
N1392 G3 X-377.5 Y-108. I8. J0. N1394 G1 X377.5 N1396 X385.5 N1398 G0 Z10. N1400 M5 N1402 M30
附录B 工业机器臂反面加工程序 % : O0001
N100 G0 G17 G40 G49 G80 G90
( TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 16. ( D16-MX )
N102 G0 G90 G54 X-356.062 Y-2.877 S2500 N104 Z30. M8 N106 Z9.
) M3 N108 G1 Z8. F300.
N110 X-327.535 Z6.505 F2800. N112 X-247.721 Y-.175 N114 X-286.256 Y-3.375 N116 X-292.358 Y-.175 N118 X-2.575 Y1.425 N120 X-260.095
N122 X-203.476 Y-1.775 N124 X-187.382 Y-.975 N126 X-173.35 Y-1.775 N128 X58.927 N130 X77.398 Y-.975 N132 X97.931 Y-1.775 N134 X125.155 Y.625 N136 X124.35 Y-.975 N138 X131.724 Y-12.175 N140 X108.446 Y-10.575 N142 X-236.131
N144 X-280.273 Y-14.575 …………
N1060 G98 G81 Z-1. R2. N1062 Y-58.336 N10 X335.836 N1068 Y58.336 N1070 G80 …………
N8152 X336.224 Y78.226 N8154 X335.143 Y78.748 N8156 X334.437 Y79.057 N8158 X334.088 Y79.207 N8160 X333.761 Y79.354 N8162 X333.267 Y79.572 N81 X333.1 Y79.9 N8166 X332.554 Y79.6
F180. N8168 X331.904 Y80.2 N8170 X331.294 Y80.496 N8172 X331.197 Y80.547 N8174 X330.316 Y80.993 N8176 X329.96 Y81.196 N8178 X329.443 Y81.512 N8180 X328.953 Y81.791 N8182 X328.747 N8184 X328.712 N8186 X325.756 N8188 X322.683 N8190 X319.534 N8192 X316.314 N8194 X313.027 N8196 X309.681 N8198 X306.281 N8200 X302.835 N8202 X299.348 N8204 X295.829 N8206 G0 Z30. N8208 M5 N8210 M30
Y81.937 Y81.958 Y83.732 Y85.429 Y87.021 Y88.505 Y.875 Y91.126 Y92.257 Y93.262 Y94.14 Y94.888 附录C 工业机器臂正反面铣削的加工工艺过程卡
表2-1 工业机器臂正面铣削加工工艺卡
致 谢
论文完成之际，谨向我的论文指导老师陈华龙老师致以衷心的谢意！ 老师渊博的科学知识、敏锐的学术思维、严谨求实的治学态度和不断进取的科研作风使本人受益匪浅。在论文撰写期间，恩师不辞辛劳的指导以及鼓励，对我在专业方向上的进一步发展产生了积极的影响。在此向陈华龙老师表示崇高的敬意和最衷心的感谢。在此，非常感谢我的毕业设计指导老师赵少君老师，感谢他的悉心指导和教育。两位老师的指导和鼓励，给了我无限的动力，祝愿老师们桃李满天下，一切顺顺利利！
感谢所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友，愿他们身体健康、工作愉快！
由于笔者经验不足、能力有限，论文中难免有缺陷和不足，恳请各位老师和同学多多指正。
