机器人手臂数字化制造技术研究

机器人手臂数字化制造技术研究近年来，工业机器人发展迅猛，以KUKA、ABB为代表的工业机器人已经从汽车自动化焊接生产线领域扩展到铸造、冲压以及机加工领域。智能技术+工业机器人+数字化制造也被认为是推动全球第3次工业革命的典型技术。

工业机器人的广泛应用，使机器人的应用领域越来越细分，机器人的规格品种也越来越多，机器人的更新换代加快，竞争也越来越激烈。如何实现机器人的低成本、短周期快速开发，也成为机器人制作企业迫切需要解决的问题。随着三维CAD/CAE/CAM技术的发展，机器人的结构设计以及运动学、动力学仿真早已实现了数字化，采用传统的基于二维工艺纸和铸造经验的铸造模式进行机器人零部件开发，已经无法适应机器人的快速发展。本文将基于三维CAD模型的铸造工艺数值模拟技术[4]和铸型数控切削加工技术[5-7]结合起来，实现了机器人手臂的数字化制造。

1数字化制造

某机械手臂铸件如1，轮廓尺寸为741mm×188mm×143mm，除了拐角处、连接处等局部外，绝大部分壁厚在4~18mm范围内；材料为QT400，铸

1机械手臂铸件三维CAD模型

Fig.13DCADmoldofbodycasting

件总重约为22kg。手臂是机器人的重要部件之一，是支撑运动机构的关键件，结构复杂，精度要求高，采用传统铸造工艺难度大。考虑到铸件的体积不是很大，而且铁液在凝固前期会因为石墨化膨胀形成自补缩能力，所以，直接用浇口作冒口。设置4个内浇道，且采用扁、薄型结构；设置均匀分布的明出气孔。采用低温快浇的浇注工艺，浇注温度为1360℃。2为机械手臂铸造工艺。

2浇注系统模型

Fig.2Modelofgatingsystem

利用ProCast软件进行了手臂铸件铸造工艺数值模拟，以分析机械手臂球铁铸件铁液充型和铸造凝固过程，检验铸造工艺方案。模拟结果如3、4所示。3为浇注过程流场状态，可以看出铁液充型平稳，无涡流、卷气现象。由4凝固过程温度场看出，安川机器人维修，铸件先从中心凝固，浇口最后凝固，实现了无冒口、自补缩的铸造工艺。

3浇注过程流场状态模拟(℃)

Fig.3Flowfieldsimulationinpouringprocess

4凝固过程温度场状态(℃)

Fig.4Thetemperaturefieldinsolidificationprocess

在确定铸造工艺后，就可以根据铸件的三维CAD模型通过布尔运算得到铸型的三维CAD模型，为了能够采用数字化无模铸造精密成形机进行铸型的数字化切削加工，必须将整体的铸型进行剖分，得到可以加工的三维CAD砂型单元，驱动数字化无模铸造精密成形机进行切削加工得到砂型。本文所述铸型只需剖成上模和下模就可以分别进行加工了，剖分后的砂型三维CAD模型如5。

得到上下模砂型的三维CAD模型后，利用CAM软件自动生成砂型型面的粗加工和精加工路径。上下模型面粗加工采用三轴型腔铣加工方式，首

先加工出砂型型面基本的轮廓形状，采取层优先方式，逐层铣削砂型，加工时容易及时排除加工废砂；精加工采用轮廓铣方式，ABB机器人维修，消除粗加工分层加工产生的加工余量和残差，通过三轴联动精确加工出砂型表面。铸型加工刀具路径如6。

6铸型加工刀具路径

Fig.6Toolpathofcasting-moldmachining

生成完加工路径后，导入数字化无模铸造精密成形机对加工路径进行优化，并结合内置的铸型切削加工工艺参数进行铸型的数字化加工。加工刀具为开发的专用于铸型加工的刀具，具有很好的耐磨性能，加工的砂坯也采用专用的型砂配方，使加工的砂型精度高，表面质量好。砂型加工产生的废砂被随刀具一起运动的喷嘴气流及时吹走。加工好的砂型如7。上模加工时间仅为13h，下模加工时间仅为15h。

7机器人手臂铸件的铸型

Fig.7Moldsofrobotarm

铸型加工完毕后，ABB机器人维修，将加工好的上下砂模合模组装进行浇注，得到的铸件如8。铸件结构完整，没有冷隔、缺肉等铸造缺陷，表面光滑，无夹砂、裂纹、气孔等表面缺陷。该机器人手臂铸件采用数字化制造技术，从得到零件三维CAD模型到铸造出金属件只需16天，铸件尺寸精度高且加工余量小；采用传统铸造技术需要1~2个月左右。

8机器人手臂铸件

Fig.8Robotarmcasting

2讨论

传统铸造一般是根据铸件二维纸结合工艺设计人员的铸造经验设计浇注系统，以定性为主，用于新产品开发往往难以一次成功，还要根据浇出的铸件情况修改铸造工艺。而且传统铸造也采用有模铸造，需要根据二维纸加工模具和芯盒，翻制砂型和砂芯，再进行修型，合模浇注。如果变动铸造工艺，还要进行修模，如果改动比较大，模具需要重新制作。制模周期较长，成本较高，且翻模过程也存在精度损失。

数字化制造作为推动第3次工业革命的主要技术之一，其最大的特点就是将定性化的以经验设计、制造为主，变为定量化的以数字化设计、制造为主。数字化制造从广义上包括数字化设计、数字化仿真和数字化加工。随着CAD/CAE/CAM技术的快速发展，基于三维数字化模型的设计、仿真和加工流程已经越来越成熟，也更加直观方便。机器人手臂铸件的铸造工艺模拟，可以定量的分析铸造的充型过程和凝固过程。数字化无模铸造精密成形技术直接在铸型制造环节实现了三维CAD模型驱动的数字化加工，精度更高，速度更快且缩短了铸造流程。

3结论

本文进行了工业机器人手臂的数字化无模铸造技术研究，并成功制造出了合格的金属件。数字化无模铸造方法直接进行铸型的数控切削加工，不需要模具，成本更低，周期更短，为机器人零部件制造提供了一种新方法。另一方面，铸造工艺数值模拟技术和铸型切削加工技术的在机器人手臂铸件开发的成功应用，也进一步证明了数字化制造的可行性。整个制造过程都是在三维CAD模型驱动下实现，新的数字化制造手段彻底摒弃了二维纸，采用三维电子模型作为设计制造过程流转的介质，更加直观便捷。基于数值模拟和铸型数控切削加工的数字化制造方法，为机器人等复杂零部件的开发提供了更加先进、更加柔性的制造手段。