鈦合金鎖殼機器人自動線應用研究

王瑩 李文博 張磊 衛傳凱 盧偉國

摘 要：本文通過對鈦合金鎖殼工業機器人自動線的生產環境、加工對象及其工藝的研究，制定零件的加工策略，最終明確了數控車床與工業機器人協同作業工作流程、刀具選擇、工業機器人自動線節拍表等重要參數。研究表明：通過應用鈦合金鎖殼工業機器人自動線，不僅提升了產品加工質量，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。

關鍵詞：鈦合金鎖殼；機器人；自動線

中圖分類號：TP249 文獻標志碼：A

0 引言

通常意義上，機器人是自動執行工作的機器裝置。一直以來，機器人主要是在“工業”領域代替“工人”，所以也多了很多“工業機器人”的定義。日本工業標準對“工業機器人”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實現各種作業，可用于工業領域的機械?！庇霉I機器人代替人工操作，不僅可以保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動生產率，還能夠起到提高產品質量、降低生產成本的作用。隨著科學技術的進步，工業機器人自動線在國內外民用車輛制造產業應用普遍，但在國內軍用、民用飛機零件加工中應用較少。

本文針對鈦合金鎖殼在工業關節機器人自動線上應用的研究，實現零件加工自動流水作業，一次性完成零件的加工，消除過程浪費，從而達到大幅度提高加工效率，降低人工成本的目的。

1 自動線生產環境及鈦合金鎖殼對象分析

1.1 自動線生產環境

自動線是能實現產品生產過程自動化的一種機器體系。即通過采用一套能自動進行加工、檢測、裝卸、運輸的機器設備，組成高度連續的完全自動化的生產線，來實現產品的生產。本文研究的鈦合金鎖殼關節機器人自動線如圖1所示，是一種柔性自動上下料系統，即一臺六軸工業機器人為兩臺數控車床提供上下料服務。自動線上下料系統包括1臺六軸工業機器人、1套工件抓手模塊、1套翻面模塊、1套工件料庫、1套下料設備及相關部件組成。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，優化占地面積，上下料效率高。

1.2 鈦合金鎖殼對象分析

飛機口蓋與機體的聯接形式通常分為快卸鎖、口蓋鎖和承力鎖，承力鎖具有聯接強度高、鎖緊功能可靠、口蓋安裝拆卸方便、密封防雨等優點。鈦合金鎖屬于小型承力鎖，該小型承力鎖在飛機上使用非常廣泛，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。

鈦合金具有高的強度/重量比，更好的強度、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度。這些性能優點使得鈦合金在航空領域得到廣泛應用。鈦合金雖然性能優異，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，當鈦合金布氏硬度小于HB300時，容易出現粘刀現象，而到達HB350時，切削將會變得很困難；鈦化學活性強，切削過程中容易與H、O、N等元素結合氧化，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所限，此鍛件只能達到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行優化。

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，加工時定位基準一致性也不好，無法滿足自動線加工生產，必須提高定位基準的一致性，才能實現兩道數控車工序在關節機器人自動線上協同作業。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。零件兩道數控車加工內容如圖3所示。

2.2 加工策略

2.2.1 自動線工作流程設計

鈦合金鎖殼關節機器人自動線的工作流程，從機器人上料到機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套，要求第一工序加工面向上放置。

（2）關節機器人抓手啟動，由機械手上料爪抓起托盤上第一個工件，運輸至側排屑數控車床車門處，等待機床開門。

（3）機床開門，由機械手下料爪負責數控車床內首道工序加工結束的零件下料工作，機械手自身旋轉180°，機械手上料爪將夾持零件進行上料，機械手離開側排屑數控車床，將加工過首道工序的零件運輸至翻面平臺處，與此同時，側排屑數控車床車門關閉，進行已安裝零件的首道工序加工。

（4）零件運輸至翻面平臺后，由機械手下料爪將工件交接到翻面平臺的抓取氣爪，翻轉氣缸伸出，實現90°旋轉，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，機械手上料爪將工件取走，運輸至后排屑數控車床車門處，等待機床開門。

（5）機床開門，由機械手下料爪負責數控車床內第二道工序加工結束的零件的下料工作，機械手自身旋轉180°，機械手上料爪將夾持零件進行上料，機械手離開后排屑數控車床，將兩道工序都加工完畢的零件運輸至下料庫，與此同時，后排屑數控車床車門關閉，進行已安裝零件的第二道工序加工。

（6）零件運輸至下料庫后，機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），整套鈦合金鎖殼關節機器人自動線單個零件加工工作結束。

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。刀具的性能與質量直接影響到自動線是否能順利加工出合格產品。

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已將所用刀具從過去使用的手磨鉆頭和各類機夾刀片更改為多功能精密刃磨機磨制鉆頭和專門加工鈦合金材料的機夾刀刀片，既省時、省力，又保證了產品質量的穩定性，提高刀具使用壽命。

2.2.3 工件抓手模塊的改制

關節機器人的三指氣爪本身能夠完成夾緊、搬運和安裝零件等任務，但在自動線實際運行之后，所加工的零件尺寸局部存在超差。經試驗，發現原因為零件軸向裝夾定位不精準。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控車床的軟爪上，保證了定位精準；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，從而既有效地保證了零件的質量精度，又提高了零件尺寸的一致性。

3 關節機器人自動線應用效果

通過兩萬余件試驗件的試切工作，得到了明確的工業關節機器人自動線節拍表、刀具使用情況等重要技術參數。

3.1 保證鈦合金鎖殼質量一致性

鈦合金鎖殼凸緣尺寸1.3mm為加工過程中最難保證的尺寸，在一個批次裝機零件中隨機抽取100件進行檢測，檢測結果見圖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 確定機器人自動線實際生產節拍表

自動生產線經實際加工生產，發現還有可提升的空間，在保證安全生產的前提下，為提高生產效率，使節拍安排更合理，得出如下機器人自動線節拍表，見表1。

經過本次研究，鈦合金鎖殼關節機器人自動線至正式投入裝機零件的生產，已經穩定加工零件一萬余件。之前普通設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，使用鈦合金鎖殼機器人自動線僅需一個操作者兩分半鐘的時間，生產效率有了大幅度的提高。

結論

本文通過對鈦合金鎖殼工業機器人自動線的生產環境、加工對象及其工藝的研究，確定了刀具選擇、工業機器人自動線節拍表等重要參數，成功實現了零件加工的流水作業，也使整條自動線實現了準時化生產。采用鈦合金鎖殼關節機器人自動生產線，大幅度降低了操作者的勞動強度，節約加工成本；并在提高產品質量一致性的同時提高了生產效率。

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