钛合金锁壳机器人自动线应用研究

王莹 李文博 张磊 卫传凯 卢伟国

摘 要：本文通过对钛合金锁壳工业机器人自动线的生产环境、加工对象及其工艺的研究，制定零件的加工策略，最终明确了数控车床与工业机器人协同作业工作流程、刀具选择、工业机器人自动线节拍表等重要参数。研究表明：通过应用钛合金锁壳工业机器人自动线，不仅提升了产品加工质量，提高了加工效率，也在降低人工成本的同时更好地保证了操作者的安全性。

关键词：钛合金锁壳；机器人；自动线

中图分类号：TP249 文献标志码：A

0 引言

通常意义上，机器人是自动执行工作的机器装置。一直以来，机器人主要是在“工业”领域代替“工人”，所以也多了很多“工业机器人”的定义。日本工业标准对“工业机器人”的定义是：“通过自动控制，具备操作功能或者移动功能，通过各种软件程序能够实现各种作业，可用于工业领域的机械。”用工业机器人代替人工操作，不仅可以保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率，还能够起到提高产品质量、降低生产成本的作用。随着科学技术的进步，工业机器人自动线在国内外民用车辆制造产业应用普遍，但在国内军用、民用飞机零件加工中应用较少。

本文针对钛合金锁壳在工业关节机器人自动线上应用的研究，实现零件加工自动流水作业，一次性完成零件的加工，消除过程浪费，从而达到大幅度提高加工效率，降低人工成本的目的。

1 自动线生产环境及钛合金锁壳对象分析

1.1 自动线生产环境

自动线是能实现产品生产过程自动化的一种机器体系。即通过采用一套能自动进行加工、检测、装卸、运输的机器设备，组成高度连续的完全自动化的生产线，来实现产品的生产。本文研究的钛合金锁壳关节机器人自动线如图1所示，是一种柔性自动上下料系统，即一台六轴工业机器人为两台数控车床提供上下料服务。自动线上下料系统包括1台六轴工业机器人、1套工件抓手模块、1套翻面模块、1套工件料库、1套下料设备及相关部件组成。整个自动化加工单元的具体布局如图2所示，该自动线布局紧凑，优化占地面积，上下料效率高。

1.2 钛合金锁壳对象分析

飞机口盖与机体的联接形式通常分为快卸锁、口盖锁和承力锁，承力锁具有联接强度高、锁紧功能可靠、口盖安装拆卸方便、密封防雨等优点。钛合金锁属于小型承力锁，该小型承力锁在飞机上使用非常广泛，而本次研究的钛合金锁壳是钛合金小型承力鎖中最重要的组件之一。

钛合金具有高的强度/重量比，更好的强度、韧性、延展性。另外钛合金还具有较好抗氧化性与耐腐蚀性，并且在高温下还能保持良好的强度。这些性能优点使得钛合金在航空领域得到广泛应用。钛合金虽然性能优异，但由于自身材料物理性能原因，切削加工非常困难。研究表明，当钛合金布氏硬度小于HB300时，容易出现粘刀现象，而到达HB350时，切削将会变得很困难；钛化学活性强，切削过程中容易与H、O、N等元素结合氧化，硬度增大，造成切削难度的增大，在加工中对刀具的磨损较大，刀具寿命短，生产效率不高。

本次研究的钛合金锁壳是由锻件毛坯加工所成，因钛合金材料锻造成型技术所限，此锻件只能达到HB6077 F级，故尺寸一致性不好，为了在零件加工时能有效提高尺寸精度和尺寸一致性，必须对零件的加工工艺流程进行优化。

2 工艺分析及加工策略

2.1 工艺分析

钛合金锁壳由锻件毛坯加工成型，锻件毛坯自身尺寸一致性不好，加工时定位基准一致性也不好，无法满足自动线加工生产，必须提高定位基准的一致性，才能实现两道数控车工序在关节机器人自动线上协同作业。故零件在上自动线加工之前，必须安排一道车工工序，加工零件外圆至Φ40，保证零件外圆尺寸一致性。零件两道数控车加工内容如图3所示。

2.2 加工策略

2.2.1 自动线工作流程设计

钛合金锁壳关节机器人自动线的工作流程，从机器人上料到机器人下料的具体全部操作过程如下：

（1）工件由操作者摆放在托盘上，每个托盘上带有定位导套，要求第一工序加工面向上放置。

（2）关节机器人抓手启动，由机械手上料爪抓起托盘上第一个工件，运输至侧排屑数控车床车门处，等待机床开门。

（3）机床开门，由机械手下料爪负责数控车床内首道工序加工结束的零件下料工作，机械手自身旋转180°，机械手上料爪将夹持零件进行上料，机械手离开侧排屑数控车床，将加工过首道工序的零件运输至翻面平台处，与此同时，侧排屑数控车床车门关闭，进行已安装零件的首道工序加工。

（4）零件运输至翻面平台后，由机械手下料爪将工件交接到翻面平台的抓取气爪，翻转气缸伸出，实现90°旋转，抓取气爪松开将工件释放到固定待抓取工位，翻面气缸缩回后，机械手上料爪将工件取走，运输至后排屑数控车床车门处，等待机床开门。

（5）机床开门，由机械手下料爪负责数控车床内第二道工序加工结束的零件的下料工作，机械手自身旋转180°，机械手上料爪将夹持零件进行上料，机械手离开后排屑数控车床，将两道工序都加工完毕的零件运输至下料库，与此同时，后排屑数控车床车门关闭，进行已安装零件的第二道工序加工。

（6）零件运输至下料库后，机械手下料爪将两道工序都加工完毕的零件放置于下料库传送带上，机器人抓手回到最初的工件料库的位置，等待指令抓取第二个工件（以此类推），整套钛合金锁壳关节机器人自动线单个零件加工工作结束。

2.2.2 刀具选择

由于自动线所加工的锁壳材料为钛合金，而钛合金一直属于难加工材料，在加工中对刀具的磨损较大，刀具使用寿命不高。刀具的性能与质量直接影响到自动线是否能顺利加工出合格产品。

加工钛合金锁壳所用刀具包括：粗车外圆刀、精车外圆刀、钻头、镗刀。现已将所用刀具从过去使用的手磨钻头和各类机夹刀片更改为多功能精密刃磨机磨制钻头和专门加工钛合金材料的机夹刀刀片，既省时、省力，又保证了产品质量的稳定性，提高刀具使用寿命。

2.2.3 工件抓手模块的改制

关节机器人的三指气爪本身能够完成夹紧、搬运和安装零件等任务，但在自动线实际运行之后，所加工的零件尺寸局部存在超差。经试验，发现原因为零件轴向装夹定位不精准。随后，我们在气爪的定位板与气爪卡盘主体之間增加弹簧，弹簧给零件一个前推力，使零件表面能紧紧地靠在数控车床的软爪上，保证了定位精准；同时在卡爪的夹持处增加棱边，可以很好地固定零件，避免零件夹持不稳，从而既有效地保证了零件的质量精度，又提高了零件尺寸的一致性。

3 关节机器人自动线应用效果

通过两万余件试验件的试切工作，得到了明确的工业关节机器人自动线节拍表、刀具使用情况等重要技术参数。

3.1 保证钛合金锁壳质量一致性

钛合金锁壳凸缘尺寸1.3mm为加工过程中最难保证的尺寸，在一个批次装机零件中随机抽取100件进行检测，检测结果见图4，从图4中可以看到，零件尺寸除满足要求外，一致性也得到了非常好的保证。

3.2 确定机器人自动线实际生产节拍表

自动生产线经实际加工生产，发现还有可提升的空间，在保证安全生产的前提下，为提高生产效率，使节拍安排更合理，得出如下机器人自动线节拍表，见表1。

经过本次研究，钛合金锁壳关节机器人自动线至正式投入装机零件的生产，已经稳定加工零件一万余件。之前普通设备加工一个钛合金锁壳需要两个操作者共4分半钟的时间，使用钛合金锁壳机器人自动线仅需一个操作者两分半钟的时间，生产效率有了大幅度的提高。

结论

本文通过对钛合金锁壳工业机器人自动线的生产环境、加工对象及其工艺的研究，确定了刀具选择、工业机器人自动线节拍表等重要参数，成功实现了零件加工的流水作业，也使整条自动线实现了准时化生产。采用钛合金锁壳关节机器人自动生产线，大幅度降低了操作者的劳动强度，节约加工成本；并在提高产品质量一致性的同时提高了生产效率。

参考文献

[1]王喜文.工业机器人2.0：智能制造时代的主力军[M].北京：机械工业出版社，2016.

[2]李甜甜.PCBN高速切削钛合金实验研究[D].山东大学，2008.

[3]解鹏.钛合金车削的实验研究与有限元仿真[D].苏州大学，2009.

[4]邢钇浩.钛合金车削过程刀具热力学性能的测试研究[D].桂林理工大学，2015.