在機械製造領域（yù），切削、磨削加工是（shì）應用較廣泛的（de）加工方法［1］。近年來，隨著現代（dài）機械加工要求的不斷提高，磨削技術也處在不斷發展之中［2］。磨削（xuē）生（shēng）產過程（chéng）中的手動操作、人工上下料等傳統生產方式（shì）已無法滿足高速發展的機（jī）械、電子電氣、汽車及家用電器等工業需要。在磨（mó）削生產（chǎn）中用機器人［3］代替人工操作，構成自動化生（shēng）產單元（yuán）或組成（chéng）柔性自動（dòng）化生（shēng）產（chǎn）線（xiàn），是（shì）進（jìn）行高速（sù）、高效、高質量磨（mó）削生產的一種有效方法（fǎ），也是（shì）現代磨（mó）削生產技術的重（chóng）要發展方向之一。

      現代化大生產對生產和工藝設備提出了柔性化的要求［4］，由於冰（bīng）箱壓縮機曲軸零件自身結構的特殊（shū）性，以及磨削加工中上下料（liào）過程對柔性要求較高，目前業（yè）內還沒有使用（yòng）機器人代替人工進（jìn）行曲軸磨削加（jiā）工自動上下料的生（shēng）產線。以冰箱壓縮機曲軸磨削工藝為應用對象，成功（gōng）開發出基於工業機器人的冰箱壓縮（suō）機（jī）曲軸磨削加工柔性（xìng）自動（dòng）化（huà）生產線。

      1 零（líng）件及其工藝分析

      冰箱用的（de）壓縮機中，曲軸是重要的運動部件，其受力情況比較複雜，在周期性的氣體壓力（lì）和慣性力作用下，會產生（shēng）交變的彎曲應力和扭轉應力。這就要求曲（qǔ）軸的材質（zhì）要有足夠的剛度和強度，尤其是耐（nài）疲勞強（qiáng）度。曲軸的主軸徑和曲軸徑分（fèn）別（bié）在機座孔和滑塊孔內作變速的旋轉運動（dòng），故曲軸零件必須滿足與其他傳動零部件的配合精度要求［5］。而作為（wéi）曲軸零件機加工的終端工藝，磨削加工是（shì）曲軸（zhóu）成品精度的重要保證。

      如圖1 所示，為冰箱壓縮機中曲軸（zhóu）零件的（de）示意圖。該（gāi）曲軸整體結構（gòu）由相互平行的主軸徑和曲軸徑及兩軸之間的半圓形平衡塊組成。該曲軸需磨削加工的位置分別為主軸徑即軸A 外圓，平衡塊端（duān）麵B 以及曲軸徑即軸C 外圓。

      生產運作過（guò）程中，工序（xù）10、工序20 及工序30 平均節拍（pāi）為13 s，即每13 s 完成一個工件（jiàn）的（de）上下料（liào）與加工。工序40 平均節拍為23 s，即每23 s 完成一個工件上下料與加工。因前後（hòu）工（gōng）序生產節拍不一致，目前業內（nèi）曲軸磨削車間按照每2 台外圓磨床與前3 道工（gōng）序各（gè）1 台磨床的比例配置，以滿足（zú）曲軸磨削工藝生（shēng）產效率要求。

      2 整線係統設計

      為實現磨削加工生產成本削減，並（bìng）提高生產（chǎn）效率，將順次完（wán）成4 道磨削加工工序的5 台磨床布局成類L 型，從目前的5 名工人操作轉變成1 名（míng）工人、2台六自由度工業機器人，以及外加轉工序所需的傳送線，實（shí）現高度（dù）自動化（huà）生產。生產線結構（gòu）平麵布局如圖3 所示。 

      其中，原有機床分別為半自動無心（xīn）磨（mó）床1、端麵磨床、半自（zì）動無心磨床2、外圓磨床1 和外圓磨床2。新（xīn）增部分為2 台六自由度工業（yè）機器人和（hé）4 段傳送線，其中傳送線1 包括機械手1、輸送線體（tǐ）1 和機械手2，傳（chuán）送線2 包括輸送（sòng）線體2 和機械手3，傳送線3 包括機械手4、輸送線體3 和機械手5，傳（chuán）送線4 包括輸送線體4、機（jī）械手6 和皮（pí）帶輸（shū）送線。整線程序流程圖（tú）如圖4 所示。

      依照程序流程，該曲軸磨削加工自動化生產線在機械傳動機構傳送與控製係統的精確控製下，不（bú）斷循環運轉（zhuǎn），便（biàn）能實現（xiàn）由1 名工人加2 台機器人代替原來（lái）5 名工人負責的全部工作。

      其中，機器（qì）人上料過程為該生產線最大的難點。

      3 機器人上料實驗

      生產中，工（gōng）序10 與（yǔ）工序30 均為無心磨削，在半（bàn）自動（dòng）無心（xīn）磨床上進行。半自動無心磨床已集成有（yǒu）自動上下料輸送線及自（zì）動定位夾具，對工件上（shàng）料無特別要（yào）求。工序20 原來由（yóu）人工負責上下料，上料時工人將工件軸A 塞進（jìn）卡盤孔並使端麵B 與卡盤孔端麵（miàn）定位點貼合。工序40 由人工負責上下（xià）料，上料時工人將工件軸（zhóu）A 塞進卡盤孔並（bìng）使端（duān）麵B 與卡盤孔端麵貼合，同（tóng）時（shí）使工件繞軸A 旋轉（zhuǎn），使（shǐ）平衡塊突耳與（yǔ）卡盤孔端麵上的偏心定位塊的定（dìng）位點貼合，如圖5 所示。可知，工序20 與工序40 上料均為柔性操作，故由人（rén）工上料（liào）時可（kě）保證（zhèng）工件和機床均（jun1）不（bú）受損壞（huài）。若換（huàn）用普通氣（qì）缸組合件（jiàn）或簡單線性模組機械（xiè）手按工藝要求進行上（shàng）料，會（huì）造成硬碰撞，故（gù）該（gāi）生產線選用具有浮動功能的進口品牌六自（zì）由度工業機器人代替以上兩工序的工人進行上下料操作。 

      機器（qì）人浮動功能是指機器人在（zài）作業過程中，開啟浮動功（gōng）能後，機器人可以受外力改變姿態，即手爪在抓取工件往指定方向前進時，可實現與工（gōng）裝完全貼合甚至預緊，避免碰撞（zhuàng）和摩擦。浮動力的大小可以通過參數設置（zhì），以保障機器（qì）人和手（shǒu）爪能按要求完成動作，並且不至於受力過大而影響壽命。

      以工序40 進行實（shí）驗，該工序上（shàng）料既要使工件端麵（miàn）B 與（yǔ）卡盤孔端麵貼合，又要使平衡塊突耳與偏心定位塊貼（tiē）合。該生產線選用了帶夾緊與旋轉一體（tǐ）的氣缸（gāng）作為機器人上料末端執行器［3］，如圖6 所示，並在上（shàng）料（liào）過程中（zhōng）啟用了機器人在直角坐標係（xì）下的浮動功能，使得工件（jiàn）上料（liào）時可達到人工上料的定位裝夾標準。

      上料實驗時（shí），機器人（rén）2 的上料手爪從傳送線上抓取已完成工序30 的工件，進（jìn）入磨床後，下料（liào）手爪將已完成工序40 的（de）工件取出，並將待加工工件送進卡盤（pán）孔，送進（jìn）工件的方向及工件端麵頂貼後工件的旋轉方向如圖7 所示。

      由於（yú）目前業內還沒有機器人浮動功能的操（cāo）作（zuò）標準文件，也沒有關（guān）於（yú）浮動力設置的指導規範，故在調（diào）試單機上料時，需通過大量實驗才能找出最（zuì）佳浮動力條件，既保（bǎo）證機器人滿足柔性上料要求，又不損壞機器人和末端執行器。

      預先（xiān）編輯好機器人上下料程序，逐步改變浮動力的大小，並（bìng）在各種浮動力（lì）設置條件下進（jìn）行多組實驗，如圖8 所示。

      經實驗，並對每組浮動力設置條件下的多次上料完成姿態觀察記錄（lù），發現以上各設置條件下無法實現端麵（miàn）B 與卡盤孔端麵貼合，均會留有約1 mm 左右的間（jiān）隙，如圖9 所（suǒ）示。

      由圖11 可知: 機器人上料（liào）手爪將工件送（sòng）到端（duān）麵（miàn）貼合後工件（jiàn）無法旋轉到平衡塊突耳與（yǔ）偏（piān）心定位塊定位點貼合姿態。這可能（néng）是由於旋轉方（fāng）向（xiàng）上機器人未打開浮動功能（néng），以至旋轉時機器人及卡盤孔對（duì）工件限位所致。將x、y、z 三軸浮動（dòng）功能全（quán）部打開後再進行幾次實驗，該問題得（dé）到解決。但對y、z 軸所設置的浮動力大（dà）小多少才是最（zuì）合適，又需經過多組設置實（shí）驗。為此，嚐試關（guān）閉y、z 軸浮動（dòng）功能，而在開啟（qǐ）直角坐（zuò）標（biāo）x軸（zhóu）方向浮動功（gōng）能的同（tóng）時，開（kāi）啟關節坐標末三（sān）軸的浮動功能，以自適應旋轉工件時所需的微小浮動量。經過（guò）多組實驗，找到（dào）合適（shì）的浮動力設置條件如（rú）圖（tú）12 所示（shì）。此狀態下上料完成（chéng）姿態全部符合人工上料最佳標準，如圖13 所示，並較大程度上保護了機器人和末端執（zhí）行器。

      4 生產線試運行及分析

      該生產線按照圖3 的位置和尺寸布局各機（jī）器人、傳（chuán）送線和磨床（chuáng），以盡量接（jiē）近真實環境進（jìn）行模擬試運（yùn）行（háng）。經過幾個班次試運行，各段（duàn）傳送線結構穩固（gù），運行穩定，節拍均在10 s 以內，機器人1 及機器（qì）人2 均可（kě）代替工人完成柔性上下料工（gōng）作，重複精度高，並且節拍均（jun1）在11 s 以內，完全滿足生產要求。

      5 結論

      文中介紹了工業機器人（rén）在冰箱壓縮機曲軸磨削加工生產中的應用，以工業機器人、傳送線和磨床集成開發了冰箱壓縮機曲軸磨削加工機器人自動生產（chǎn）線。試（shì）運行結果表明: ( 1) 壓縮機曲軸磨削加工原需5名工人負責的上下料工作，由該（gāi）生產線和1 名工人替（tì）代完成，可實現生產高度自動化; ( 2) 設（shè）定合適（shì）的機器人上料浮動力，可（kě）實現高度柔性化生產（chǎn）; ( 3)整（zhěng）條（tiáo）生產線結構穩（wěn）固，可靠性高，可提高生產效率（lǜ），利於在業內推（tuī）廣（guǎng）應用。