在機械（xiè）製（zhì）造領域，切削（xuē）、磨（mó）削加工是應用較廣泛的加工方法（fǎ）［1］。近年來，隨著現代機械加工要（yào）求的不斷提高（gāo），磨削技術也處在不斷發展之中［2］。磨削生產過程（chéng）中的手（shǒu）動操作、人工上下料等傳統生產方式已無法（fǎ）滿足高速發展的機械（xiè）、電子（zǐ）電氣、汽（qì）車及家用電器等工業需要。在磨削生產中用機器人［3］代替人工操作，構成自動化生（shēng）產單元或組成柔性自動化生產線，是進（jìn）行高速、高效、高（gāo）質量磨削生產的一種有效方法，也是（shì）現代磨削生產技術的重要發展方向之（zhī）一。

      現代化大生產對生產和工藝設備提出（chū）了柔性（xìng）化的要求［4］，由於冰箱壓縮機曲（qǔ）軸零件自身結構（gòu）的特殊（shū）性（xìng），以及磨削加工中上下料過程對（duì）柔性要求較高，目前業（yè）內還（hái）沒有使用機器人代替人工進行曲軸磨削加工自（zì）動上下料的生產線。以冰箱壓縮機曲軸磨削工藝為應用對象，成功開發出基於工業機器人的冰箱壓縮機曲軸磨削加工柔性自（zì）動化生產線。

      1 零件（jiàn）及其工藝分析

      冰箱用的壓縮機中，曲軸是重要的運動部件，其受力情況比較複雜，在（zài）周期性的氣體壓力和慣性力作用下，會產生交變的彎曲應（yīng）力和（hé）扭轉應力。這（zhè）就要（yào）求曲軸的材質（zhì）要有足夠的剛度和強度，尤其是耐疲（pí）勞強度。曲（qǔ）軸（zhóu）的主軸徑和曲軸（zhóu）徑分別在機（jī）座孔和滑塊孔內作變速的旋轉運動，故曲（qǔ）軸零件必須滿足與其他傳動（dòng）零部件的配合精度要求［5］。而作為曲軸零（líng）件（jiàn）機加工的終端工藝，磨削加工是曲軸成品精度的重要保證。

      如圖1 所示（shì），為冰箱壓縮機（jī）中曲軸零件的（de）示意圖。該曲軸整體結構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（zhóu）需磨削加工（gōng）的（de）位置（zhì）分別為主軸徑即軸A 外圓，平衡塊端麵B 以（yǐ）及曲軸徑即軸C 外圓。

      生產運作過程中，工（gōng）序10、工序20 及工序30 平均（jun1）節拍為13 s，即每13 s 完成一個工件的上下料與加工。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（yīn）前後工序生產節拍不一致，目前業內曲軸磨（mó）削車間按照每2 台外圓磨床與前3 道（dào）工序（xù）各1 台磨床的比例（lì）配置，以滿足曲軸磨削工藝生產效（xiào）率要求。

      2 整線係統設計

      為實現磨削加工生產成本削減，並提高（gāo）生（shēng）產效（xiào）率，將順次完成4 道磨削加工（gōng）工序的5 台（tái）磨床（chuáng）布局成類（lèi）L 型，從目前的5 名工人操作轉變成1 名工（gōng）人（rén）、2台六自由（yóu）度工業機器人，以及外加轉工序所需的（de）傳送線，實現高（gāo）度自動（dòng）化生產。生產線結構平麵布局（jú）如圖3 所示。 

      其中，原有機床（chuáng）分別為半自動無（wú）心磨床1、端麵磨（mó）床、半自動無心磨床2、外（wài）圓磨床1 和外圓磨（mó）床2。新增部分（fèn）為2 台六自由度工業機器人和4 段傳送線（xiàn），其中傳送線（xiàn）1 包括機械手1、輸送線體1 和機（jī）械手2，傳（chuán）送線2 包括輸送線體2 和機械手3，傳送線3 包括機械手4、輸送線（xiàn）體3 和機械手5，傳送線4 包括輸送線體4、機械手6 和皮帶輸送線。整線（xiàn）程序流程圖如圖4 所示。

      依（yī）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（gòu）傳送（sòng）與控製係統的精（jīng）確控製下，不（bú）斷循環（huán）運轉，便能實現由1 名工人加2 台機器人代替（tì）原來5 名工人（rén）負責的全部工作。

      其中，機器人上料過程為該生產線最大的難點。

      3 機（jī）器人上料實驗

      生產中，工序10 與工序30 均（jun1）為無心磨削，在半自動無心磨床上進行。半自動無心磨（mó）床已集成有自（zì）動上下料輸送線及自（zì）動定位夾具，對工件上料無特別（bié）要求。工序20 原來由人工（gōng）負責（zé）上下（xià）料，上料時工人（rén）將工件軸A 塞進卡盤孔並使端麵B 與卡盤孔端麵定位點貼合。工（gōng）序40 由人工負責上下（xià）料，上料時工人將（jiāng）工件軸A 塞（sāi）進卡盤孔並使端麵B 與卡盤孔端麵貼合，同（tóng）時使工件繞軸A 旋轉（zhuǎn），使平衡塊突耳與卡盤（pán）孔端麵上的（de）偏心定位塊的定位點貼合，如圖5 所示（shì）。可知，工序20 與工序40 上料均為柔性（xìng）操作，故由人工上料時可保證工件和機床均不受損壞。若換用（yòng）普通（tōng）氣缸組合件或簡單線性模組（zǔ）機械手（shǒu）按工藝要求進行上料，會造成硬碰撞，故該生產線選用具有浮動功能的進口品牌六自由度工業機器人代替以上（shàng）兩工序的工人進行上下料操作。 

      機（jī）器人浮動功能是（shì）指機器人在作業過（guò）程中，開啟浮（fú）動功能後，機器人可以受外力改變（biàn）姿（zī）態（tài），即手爪在抓（zhuā）取工件往指定方向前進（jìn）時，可實現與工裝完全貼合（hé）甚至預緊，避免碰撞和摩（mó）擦。浮動力的（de）大小可以通過參數設（shè）置，以保障機器人和手爪（zhǎo）能按要求完成動作，並且（qiě）不至於受力過大而影響壽命。

      以工序40 進行實驗，該工序上料既要使（shǐ）工件端麵B 與卡盤孔端麵貼合，又要使平衡（héng）塊突耳與偏心定位塊貼合。該生產線選用了帶夾緊與旋轉一體的氣缸作為機器人（rén）上料末端（duān）執（zhí）行器［3］，如圖（tú）6 所（suǒ）示（shì），並在上料過程中啟用了機器人在直角坐標係下的浮動功能，使得工件上料時可（kě）達到人工上料的定位裝夾（jiá）標準。

      上料實驗（yàn）時，機器人（rén）2 的上料（liào）手爪從傳送線上抓取已完成（chéng）工序30 的工件，進入磨（mó）床後，下料手爪將已完（wán）成工序40 的工件取（qǔ）出，並將待加工工（gōng）件送進卡盤孔，送進工件的方向及工件端麵頂貼後工件的旋轉方向如圖（tú）7 所示。

      由於目前業內還沒有機器人浮動功能的操作（zuò）標準（zhǔn）文件，也沒有關於浮動力設置的指（zhǐ）導規範，故在調試單機上料時，需（xū）通過大量實驗才能找（zhǎo）出最佳浮動力條件（jiàn），既保證機（jī）器（qì）人滿足柔性上料要求，又不損壞機器人和末端執行器。

      預先編輯好機器人上下料程（chéng）序，逐步改（gǎi）變浮動力的大小，並（bìng）在各種浮動力設置條（tiáo）件下進行多組實驗，如圖8 所（suǒ）示。

      經實驗，並對每組浮動（dòng）力設置條件下的多次上料完成姿態觀察記錄，發現以上（shàng）各設置（zhì）條件下無（wú）法實現端麵（miàn）B 與卡盤孔端麵貼合，均會留（liú）有約1 mm 左右的間隙，如圖9 所示。

      由圖11 可知: 機器（qì）人上料手爪將工件送到端麵貼合（hé）後工件無法旋轉到（dào）平衡塊突（tū）耳與偏（piān）心定位塊定位點貼合姿態。這可能是由於旋轉方向上機器人未打開浮動（dòng）功能，以至旋轉時機（jī）器人及卡盤孔對工件限位所致。將x、y、z 三軸浮動功能（néng）全部打開後再進行幾次實驗，該問題得到解（jiě）決。但對y、z 軸所設置的浮動力大小多（duō）少才是最合適（shì），又需經過多組設置實驗。為此，嚐試關閉y、z 軸浮動（dòng）功能，而在開啟直角坐（zuò）標x軸方向浮動功能的同時（shí），開啟關節坐標末三軸的浮動功能，以自適應（yīng）旋轉工件時所需的微小（xiǎo）浮動量。經（jīng）過多組實（shí）驗，找到合適的（de）浮動力設置條件如圖12 所示。此狀態下上料（liào）完成（chéng）姿態全部符合人工上料最佳標準，如圖13 所示（shì），並較大程度上（shàng）保護了機器人和末端執行器。

      4 生產線試運行及（jí）分析

      該生產線（xiàn）按照圖3 的位置和尺寸布局（jú）各機器（qì）人、傳送線和磨床，以盡量接近真實環境進行（háng）模擬試運行。經過幾個（gè）班次試運行，各段傳（chuán）送線結構穩固，運行穩（wěn）定，節拍均在10 s 以（yǐ）內，機器人1 及機器人2 均可代（dài）替工人完成柔性上下料工作，重複精度高，並（bìng）且節拍均在11 s 以內，完全滿（mǎn）足（zú）生產要求。

      5 結論

      文中介紹了工業機器人（rén）在冰箱壓縮機（jī）曲軸磨（mó）削加工生產中的應用，以工（gōng）業機器人、傳送線（xiàn）和磨床集成（chéng）開發了（le）冰（bīng）箱壓縮機曲軸磨削加工（gōng）機器人自動生產線。試運行結果表明（míng）: ( 1) 壓縮機曲軸磨削加工原需5名工人負責的（de）上下料工作，由該生產線和1 名工人替代完成，可實現生產高度自動化（huà）; ( 2) 設定合（hé）適（shì）的機器人上料浮動力，可實現高度柔性化生產; ( 3)整（zhěng）條生產（chǎn）線結構穩固（gù），可靠性高，可（kě）提高生產效（xiào）率，利於在業（yè）內推廣應用。