在機（jī）械製（zhì）造領域，切削、磨削加工是應用較廣泛的加工方法［1］。近年來，隨著現（xiàn）代機械加工要（yào）求的（de）不斷提高，磨削技術也處在不斷（duàn）發展（zhǎn）之中（zhōng）［2］。磨削生產（chǎn）過（guò）程中的手動操作、人工上下料等傳統（tǒng）生產（chǎn）方式已無法滿足高速發展的機械、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（tì）人工操作（zuò），構成自動化生產單元或組成柔性自（zì）動化生產線，是進行高速、高效、高質量磨削生產的一種有效方法，也是現代磨削生（shēng）產技（jì）術（shù）的重要發展（zhǎn）方向之（zhī）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］，由於冰箱壓縮機曲（qǔ）軸零件自身結構的特殊性，以及磨削加工中上下料過程對柔性要求較高，目前業內還沒有使用機（jī）器人代替人工進（jìn）行曲軸磨削加工（gōng）自動上（shàng）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（gōng）開（kāi）發出基於工業機（jī）器人的冰（bīng）箱（xiāng）壓縮機曲軸（zhóu）磨削加工柔性（xìng）自動化生產線。

      1 零（líng）件及其工藝分析

      冰（bīng）箱用的壓縮機中，曲軸是重要的運動（dòng）部件，其受力情況比（bǐ）較複雜，在周期性的氣體壓力和慣性力作用下（xià），會（huì）產生交變的彎曲應力和扭轉應力。這就要求曲軸的材質要有足夠的剛度和強度，尤其（qí）是耐疲勞強度。曲軸的主軸徑和曲軸徑分別在機座（zuò）孔和（hé）滑（huá）塊孔內（nèi）作變（biàn）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］。而作為曲軸零件機加工的終端工藝（yì），磨削加工是曲軸成品精度的重要保證。

      如圖1 所（suǒ）示，為冰（bīng）箱壓縮機中曲軸零件的示意圖。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。該曲軸需磨削加工的位置分別為主軸徑即軸A 外圓，平衡塊端麵B 以及曲軸徑即軸C 外（wài）圓。

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

      2 整線係（xì）統設計

      為實現（xiàn）磨削加工生產成本削減，並提高生產效率，將順次（cì）完成4 道磨削加工工序的5 台磨床布局成類（lèi）L 型，從目前的5 名工（gōng）人（rén）操作轉變成1 名工（gōng）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）現高度自動化生產。生產線結構平麵（miàn）布局如圖3 所示。 

      其中，原有（yǒu）機床分別為半自動無心磨床1、端麵磨床、半（bàn）自動無心磨床2、外圓磨床1 和外圓磨床2。新增部分為2 台六自由度工業機器人和4 段傳送線，其中（zhōng）傳送線1 包括機械手1、輸送線體1 和機械手2，傳送線2 包括輸送線體2 和機械手3，傳送線3 包（bāo）括機械手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（tú）4 所示。

      依照程序流程，該曲軸磨削加（jiā）工（gōng）自動化生產線在機械傳動機構傳送與（yǔ）控製係（xì）統的精確控製下，不斷循環運轉（zhuǎn），便能實現由1 名工人加2 台機器人代替原來5 名工（gōng）人負（fù）責的（de）全部工（gōng）作。

      其中，機器人上料過程為（wéi）該生產線最大的難點。

      3 機器人上料實驗

      生產中，工序10 與工序30 均為無心磨削，在（zài）半自動無心磨床上進行（háng）。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，對工件上料無特別要求。工序20 原（yuán）來由人工負責上下料，上料時工人將（jiāng）工件軸A 塞進卡盤孔並使端麵B 與卡盤孔端麵定位點（diǎn）貼合。工序40 由人工負責上下料，上料時工人將工（gōng）件軸A 塞進卡盤孔並使（shǐ）端麵B 與卡盤孔端麵貼合，同時使（shǐ）工件繞軸A 旋轉（zhuǎn），使平衡塊突耳與卡盤孔端（duān）麵上的偏心（xīn）定位塊的（de）定位點（diǎn）貼合，如圖（tú）5 所示。可知，工序20 與工序40 上料均（jun1）為柔性操作，故由人工上料時可保證工件和機床（chuáng）均不（bú）受（shòu）損壞。若換用普通氣缸組合件或簡單線（xiàn）性模組機械手按工藝要求進行上料，會造成硬碰撞，故該生產線選用（yòng）具有浮動功能的進口品牌六自由度工業機器人代替以上兩工序的工人進（jìn）行上下料（liào）操作。 

      機器人浮動功能是（shì）指機器人在作（zuò）業過程中，開啟浮動功能（néng）後，機器人可以（yǐ）受外（wài）力改變姿態，即手爪在（zài）抓取工件往指定方向前進時，可實現與工（gōng）裝（zhuāng）完全貼合甚至預緊，避免碰撞和摩擦。浮動（dòng）力的大小可以通過參數設置，以保障機器人和手爪能（néng）按要求完成動作（zuò），並且不至於受（shòu）力過大而影響（xiǎng）壽命（mìng）。

      以工序40 進行實驗（yàn），該工序上料既要使工件端麵B 與卡盤孔端麵貼（tiē）合，又（yòu）要使平衡塊突（tū）耳與偏心定（dìng）位（wèi）塊貼合。該生產線選用（yòng）了（le）帶夾緊與旋轉一體的氣（qì）缸作（zuò）為機器人上料末端執（zhí）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，使得工件（jiàn）上料時可達到人工上料的定位裝夾標（biāo）準。

      上料（liào）實驗時，機器人2 的上料（liào）手爪從傳送線上抓取已完成工序30 的工件，進入（rù）磨床（chuáng）後，下料手爪將已完成（chéng）工序40 的（de）工件取出（chū），並將待加工工件送進（jìn）卡盤孔，送進工件的方向及（jí）工件端麵頂貼（tiē）後工件的旋轉方向如圖（tú）7 所示。

      由於目前業內還沒有機（jī）器人浮（fú）動功能的操作標準文件，也沒有關於浮動力設置的（de）指導規範，故（gù）在調試單機上（shàng）料時，需通過大量實（shí）驗才能找出最佳浮動力條件，既保證機器人滿足柔性上料要求，又不（bú）損壞機（jī）器人和末（mò）端（duān）執行器。

      預先編輯好機器人上（shàng）下（xià）料程序，逐步改變浮動力的大小，並在各（gè）種浮動力（lì）設置條件下進行多組實驗，如圖8 所示。

      經實驗，並對每（měi）組浮動力（lì）設置（zhì）條件下（xià）的多次上料完成姿態（tài）觀察記錄，發現以上（shàng）各設置條件下無法實（shí）現端麵B 與（yǔ）卡盤孔端麵貼合，均會留有約1 mm 左右的間隙，如圖9 所示。

      由圖11 可知（zhī）: 機器（qì）人上料手爪將工件送到端麵貼合後工（gōng）件無法旋轉到平衡塊突耳與偏心定位塊定位點（diǎn）貼合（hé）姿態（tài）。這可能是由於旋轉方向上機器人未打開浮動功能（néng），以至旋轉時機器人（rén）及卡盤孔對工件限位所致。將x、y、z 三軸浮動（dòng）功能全部（bù）打開後再進行幾次實驗，該問題得到解決。但對y、z 軸所設置的浮動力大小多少（shǎo）才是最合適，又需經過多組設置實驗。為此，嚐試關閉y、z 軸浮動功能，而（ér）在開啟直角坐標x軸方向浮動功能的同時，開啟關節（jiē）坐標末三軸的浮動功能，以自適（shì）應旋轉工件時所需的微小浮動量。經過多組實驗，找到合適的（de）浮動力設置條件如圖12 所示。此狀態下（xià）上料完（wán）成姿（zī）態全部符合人工上（shàng）料最佳（jiā）標準，如圖13 所示，並較（jiào）大程度上（shàng）保（bǎo）護了機器人和末端執行器。

      4 生（shēng）產線試運行及分析

      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，以盡量接近真實環境進行模擬試運（yùn）行。經過幾個班次試運行，各段傳送線結構穩固，運行穩（wěn）定，節拍均在10 s 以內，機器人1 及機器（qì）人2 均可代替工人完（wán）成柔性上下料工作（zuò），重複精度高，並且節（jiē）拍均在11 s 以內，完全滿足生產要求。

      5 結論（lùn）

      文中介紹了工業機（jī）器人在冰箱壓縮機（jī）曲軸磨削（xuē）加工生產中的應用，以工業機器人、傳送（sòng）線和磨床集成開發了冰箱（xiāng）壓縮機曲軸磨削（xuē）加工機器人自動生產線。試運行結果表（biǎo）明: ( 1) 壓縮機曲軸磨削加工原需5名工人負責的上下（xià）料（liào）工作，由（yóu）該生產線和1 名工人（rén）替代完成，可實現生產高度自動化; ( 2) 設定合適的機器人上料浮動力（lì），可實現高度柔性化生產（chǎn）; ( 3)整條生產線結構穩固，可靠（kào）性高，可（kě）提高生產效率，利（lì）於在業內推廣應（yīng）用。