在（zài）機（jī）械製造領域，切削、磨削加工是應用較（jiào）廣泛的加工方法［1］。近年來，隨著現代機械加（jiā）工要求的不斷提高，磨削技術（shù）也處在不斷發展之（zhī）中［2］。磨削生產過程中的手動操作、人工上下料等傳統生產方式已（yǐ）無法滿足高速發展（zhǎn）的機械、電子電氣、汽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（gōng）操（cāo）作，構成自動化生產單元或組成（chéng）柔性自（zì）動化生（shēng）產線，是進行高速、高（gāo）效、高質量磨削生產的一種有效方法，也是現（xiàn）代磨削生產技術的重（chóng）要發展方向之一。

      現代化大生產對生產（chǎn）和工（gōng）藝設備提出了柔性化的要求［4］，由於冰箱壓縮機曲軸零件（jiàn）自身結構的（de）特殊性，以及磨削加工中上下料過程對（duì）柔性要求較高，目前（qián）業（yè）內還（hái）沒有使用機器人（rén）代替人工進行曲軸磨削（xuē）加工自（zì）動上下料的生產線。以冰（bīng）箱壓縮機曲軸磨削工藝為應用對象，成功開發出基於（yú）工業機器（qì）人的冰箱壓縮機（jī）曲軸磨（mó）削加工柔性（xìng）自動（dòng）化生（shēng）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（chóng）要的（de）運動部件，其受力（lì）情況比較複雜，在周期性的氣體（tǐ）壓力和慣性力作用下，會產生（shēng）交變（biàn）的彎曲應力和扭轉（zhuǎn）應力。這就（jiù）要求曲軸的材（cái）質（zhì）要有足夠的剛度和強度，尤其是耐疲（pí）勞強度。曲軸的主軸徑和曲（qǔ）軸徑（jìng）分別在機座孔和滑塊孔內作變速的旋轉運動，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］。而作為曲軸零件機加工的終端工藝，磨削加工（gōng）是曲軸成品（pǐn）精（jīng）度的重要保證（zhèng）。

      如圖1 所示，為冰箱壓縮機中曲軸零件的示意圖。該曲軸整（zhěng）體結構由（yóu）相（xiàng）互平行的主（zhǔ）軸徑和曲軸徑及兩軸之間的半圓形平衡塊（kuài）組（zǔ）成。該曲軸需磨削加工的位置分別為主軸徑即軸（zhóu）A 外圓，平衡塊端麵B 以及曲軸徑即軸（zhóu）C 外（wài）圓。

      生產運作過程（chéng）中，工序10、工序（xù）20 及工序30 平均節拍為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（yī）個工（gōng）件上下料與加工。因前後工序生產（chǎn）節拍不一致，目前業內曲軸磨削車間按（àn）照每2 台外圓磨床與前3 道工序各1 台磨床的比例配置，以滿足曲軸磨削工（gōng）藝生產效率要求（qiú）。

      2 整（zhěng）線係統（tǒng）設計

      為實現磨削加工生產成本削減，並提高生產（chǎn）效率，將順次完成（chéng）4 道磨削加工工序的（de）5 台磨床布局成類L 型，從目（mù）前的5 名工人（rén）操作轉變成1 名工人、2台（tái）六自由度工業機器人，以及外加（jiā）轉工序所需的傳送線，實現高度自動化生產。生（shēng）產線結構平麵布局如（rú）圖3 所示。 

      其中，原有機（jī）床分別（bié）為半自動無心磨床1、端麵磨（mó）床、半（bàn）自動無心磨床2、外圓磨床1 和外圓磨（mó）床2。新增部分為2 台六自由度工業機器（qì）人和4 段傳送線，其中傳送（sòng）線1 包括機械手1、輸送線體1 和機械（xiè）手2，傳送線2 包括（kuò）輸送線體2 和機械手3，傳送線3 包括機械（xiè）手4、輸送線體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。整線程序流程圖如圖4 所示。

      依照（zhào）程序流程，該曲軸磨削加工自動化生產線在機械（xiè）傳動機構傳送（sòng）與控製係統的精確控製下，不斷循環運轉，便能實（shí）現由1 名工人加2 台機（jī）器人代替原來5 名工人（rén）負責（zé）的（de）全部工作。

      其中，機器人上料過程為該生產線最大的難點。

      3 機器人上料實（shí）驗

      生產中，工序10 與工序30 均為無心磨削，在半自動無（wú）心磨床上進行。半自動無心磨床已集成有自動上下料輸送線及自動定位夾具，對工（gōng）件上料無特別要求。工序20 原來由人工負責上下（xià）料，上料時工人將工件軸A 塞進卡盤孔（kǒng）並使端麵B 與卡盤（pán）孔端麵定位點貼合。工序40 由人（rén）工負責上下料，上（shàng）料時工人將（jiāng）工件軸A 塞進卡盤孔並使端麵B 與卡盤孔端麵貼合，同（tóng）時（shí）使工件繞軸（zhóu）A 旋轉，使平衡塊突耳與卡盤孔（kǒng）端麵上的（de）偏心定位塊的定位點貼（tiē）合，如圖（tú）5 所示。可知，工序20 與（yǔ）工序（xù）40 上料均（jun1）為柔性操作，故由人工上（shàng）料時（shí）可保證工件和機床均不受損壞。若換用普（pǔ）通氣缸組合件或（huò）簡單線性模組機械手按工藝要求進行上料，會造成硬碰撞，故（gù）該生產線選用具有浮動功能的進（jìn）口品（pǐn）牌六自由度工業機器人代替以上兩工序的工人（rén）進行上下料（liào）操作。 

      機器人浮動功能是指（zhǐ）機器人在作業（yè）過程中（zhōng），開啟浮動功能後，機器人可（kě）以受外力改（gǎi）變姿（zī）態，即（jí）手（shǒu）爪在抓取工件往指定方向前進時，可實現與工裝完全貼合甚至預緊，避免碰撞和摩擦。浮動力的大小可以通（tōng）過參數設置，以保障機器人和手爪能按要求完（wán）成（chéng）動作，並且不至於（yú）受力過大而影響壽命。

      以工序40 進行實驗，該工序上料既要使工件端麵B 與卡盤孔端麵貼合，又要使平衡塊突耳與偏心定位塊貼（tiē）合。該生產線選（xuǎn）用了帶夾緊與旋轉一體的氣缸作為機器人上料末端執行器［3］，如圖6 所示，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（dé）工件上料時可達到人工上料的定位裝夾（jiá）標準。

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

      由於目前（qián）業內還沒有機器人浮動功（gōng）能的操作標（biāo）準文件，也沒有關於浮動力設置的指導規範，故在調試單機上料時，需通過大（dà）量實驗才能找出最佳浮動（dòng）力條件，既保證機器人滿足柔性（xìng）上料要求，又不損壞機器（qì）人和末端執行器。

      預先編輯好機器人（rén）上下料程序，逐步改變浮動力的大小，並在各（gè）種浮動力設置條件下進行多組實（shí）驗，如圖8 所示。

      經實驗，並對每組浮動力設置條件下的多次（cì）上料完成（chéng）姿態觀察記（jì）錄，發（fā）現以上各設置條件下無法實現端麵B 與卡盤孔端麵貼（tiē）合，均會留有約1 mm 左右的間隙，如圖9 所示。

      由圖11 可知: 機器人上（shàng）料手爪（zhǎo）將工件送到端麵貼合後工件無法（fǎ）旋（xuán）轉到平衡塊突耳與偏心定位塊定位點貼合姿態。這可（kě）能是由於旋轉方向（xiàng）上（shàng）機器人未打開浮動功能（néng），以至旋轉時機器人及卡盤孔對工件限位所致。將x、y、z 三軸浮動功能全部打開後再進行幾次實驗（yàn），該問題（tí）得到解（jiě）決。但對y、z 軸所設置的浮動力大（dà）小多（duō）少才是最合適，又需經（jīng）過多組設置實驗。為此，嚐試關閉y、z 軸浮動功能，而在開啟直角坐標x軸方向浮動功（gōng）能的（de）同時，開啟關節坐標末三軸的浮動功能，以自（zì）適應旋轉工件時所需的（de）微小浮動量（liàng）。經過多組實驗，找到合適的浮動力設置（zhì）條件如圖12 所示。此狀態下上料完成姿態全部符合人工上料最佳（jiā）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（qì）。

      4 生產線試（shì）運行及（jí）分析

      該生產線按照圖3 的位置和尺寸（cùn）布局各機器人、傳送線和磨床（chuáng），以盡量接近真實環境進行模擬試運行。經過幾個班次試運行，各段傳送線結構穩固，運行穩定，節拍均在10 s 以內，機器人1 及機器人2 均可代替（tì）工人完成柔性上下（xià）料（liào）工作，重複精度（dù）高，並且節拍（pāi）均在11 s 以內，完全滿（mǎn）足生產要求。

      5 結論

      文中介紹了工業機器人在冰箱壓縮機曲軸磨削（xuē）加工（gōng）生產中的（de）應用，以工（gōng）業機器人、傳送線和磨床集成開發了冰箱壓（yā）縮機曲（qǔ）軸磨削加工機器人自動生產線。試運行結果表明: ( 1) 壓縮機曲軸磨（mó）削加工原需5名（míng）工人負責的上下料工作，由該生（shēng）產線和1 名（míng）工人替代完成，可實現生產高度自（zì）動化; ( 2) 設定合適的機器人上（shàng）料浮動力，可實現高度柔性化（huà）生產; ( 3)整條生（shēng）產線結構穩固，可靠（kào）性高（gāo），可提高生產效率，利於在業內推廣應用（yòng）。