在機械（xiè）製造領域，切（qiē）削（xuē）、磨削加工是應用較廣泛的（de）加工方法（fǎ）［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（zhǎn）之中［2］。磨削生產過程中的手（shǒu）動操作（zuò）、人工上下料等（děng）傳統生產方（fāng）式已無法（fǎ）滿足高速發展的機械、電子電氣、汽車及家用（yòng）電器等工業需要。在磨（mó）削生產中（zhōng）用機器人［3］代替人工操作，構成自動化生產單元或組成柔（róu）性自動化生產線，是進行高速、高效、高質量磨削生產的一（yī）種有效方法，也是（shì）現代磨削生（shēng）產技術的重要發展（zhǎn）方向（xiàng）之一。

      現代化大生產對生產和工藝設（shè）備提出了柔性（xìng）化的（de）要求［4］，由於冰箱壓縮機曲軸零（líng）件自身（shēn）結構的（de）特殊性，以及磨（mó）削加工中上下料過程對柔性要求較（jiào）高，目前業（yè）內還沒有（yǒu）使用機器人代替人工（gōng）進行曲軸磨削加工自動上下料的生產線。以冰箱壓縮機曲軸磨削工藝為應用對象，成（chéng）功開發出基於工業機器人的冰（bīng）箱壓縮機曲軸磨削加工柔性自動化生產線（xiàn）。

      1 零件及其工藝分析

      冰箱用的（de）壓縮機中，曲（qǔ）軸是重要（yào）的運動部件，其受力情況比較複雜（zá），在周期性的氣體壓力和（hé）慣性力作用下，會產生交變的彎曲應力和扭轉應力（lì）。這就要求曲軸的材質要有足夠的剛度和強度，尤其是耐疲勞（láo）強（qiáng）度。曲軸的主軸徑和曲軸徑分別在機座孔和（hé）滑塊孔內作變速的旋轉運動，故曲軸零件必須滿足（zú）與其他（tā）傳動零部件的配合精度要求［5］。而作為曲軸零件機加工的（de）終端工藝，磨削加工是曲軸成品（pǐn）精度的重要保證。

      如圖1 所示，為冰箱壓縮機中曲軸零件的示意圖。該曲軸整體結（jié）構由相互平行的主軸（zhóu）徑和曲（qǔ）軸徑及兩（liǎng）軸之間的半圓形平衡塊組（zǔ）成。該曲軸需（xū）磨（mó）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（jìng）即軸C 外圓。

      生產運作過程中（zhōng），工序10、工（gōng）序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（gōng）。工序40 平均節拍為23 s，即每23 s 完成一個工件上（shàng）下料與加工。因前後工序生產節拍（pāi）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 道工序各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 整線係統設計

      為實現磨（mó）削加工生（shēng）產成本削減，並提高生產效率，將順次完成4 道磨削加工（gōng）工序的5 台磨床（chuáng）布局成類L 型（xíng），從目前的5 名（míng）工人操（cāo）作轉變（biàn）成1 名工（gōng）人（rén）、2台六自由度工（gōng）業機（jī）器人，以及外加轉工序所需的傳送線，實現（xiàn）高度自動化生產。生（shēng）產線結構平麵布局如圖3 所示。 

      其中，原有機床分別為半自動無心磨床1、端（duān）麵磨床、半自動無心磨床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（duàn）傳送線，其中傳送線1 包括機械手1、輸（shū）送線體（tǐ）1 和機械（xiè）手2，傳送線2 包括輸送線體2 和機械手3，傳送線3 包括機械手（shǒu）4、輸送線體3 和機械手5，傳（chuán）送線4 包括輸送線體4、機械手6 和皮帶（dài）輸送線。整（zhěng）線程（chéng）序流程（chéng）圖如圖4 所示（shì）。

      依照程序流（liú）程，該曲軸（zhóu）磨削加工自動化（huà）生產線在（zài）機械傳動機構傳（chuán）送（sòng）與控製係統的精確控製下，不斷循環運轉，便能（néng）實現由（yóu）1 名工人加2 台機器人代替原來5 名工人負責的全部工作。

      其中，機器人上（shàng）料過程為該生產（chǎn）線最大的難點。

      3 機器人上料實驗

      生產中，工序10 與（yǔ）工序30 均為無心磨削，在半自動無心磨床上進行。半自動無（wú）心磨床已集成（chéng）有自（zì）動上下料輸送線及（jí）自動定位夾具，對工件（jiàn）上料無（wú）特別要求。工序20 原來由（yóu）人工負責上下料，上料時工（gōng）人將工件（jiàn）軸A 塞（sāi）進卡盤孔並使端（duān）麵B 與卡盤孔端麵定位點貼合。工序40 由人工負責上下料，上料時工（gōng）人（rén）將工件軸A 塞進卡盤孔並使端麵B 與卡盤孔端麵貼合（hé），同時使工件繞軸A 旋轉，使平衡塊突耳與卡盤孔端麵上的偏（piān）心定位（wèi）塊（kuài）的（de）定位（wèi）點貼合，如圖5 所示。可知，工序20 與工（gōng）序40 上（shàng）料均為柔性操作（zuò），故由人工（gōng）上料時可保（bǎo）證工件和機床（chuáng）均不受損（sǔn）壞。若換用普通氣缸組合（hé）件（jiàn）或簡單線性模組機（jī）械手按（àn）工藝要求進（jìn）行上（shàng）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（yóu）度工業機器人代替以上兩工序的工人進行上下料操作（zuò）。 

      機器人浮動功能是指機器人在作業過程中，開啟浮動（dòng）功（gōng）能後，機（jī）器人可以受外力（lì）改變姿態，即（jí）手爪在（zài）抓取工件往指定方向前進時，可（kě）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（kě）以通過參數（shù）設置，以保障機器人和手爪能按要（yào）求完成動作，並且（qiě）不至於受力過大而（ér）影響壽命。

      以（yǐ）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合。該生產線選用了帶夾緊與旋轉一體（tǐ）的氣缸作為機器人上料末端執行器（qì）［3］，如（rú）圖6 所示，並在上（shàng）料過程中啟用了機（jī）器人在直角（jiǎo）坐標係下的浮動功能，使得工件上料時可達（dá）到人工上料的定位裝夾標準。

      上（shàng）料實驗（yàn）時，機器人2 的上料手爪從傳（chuán）送線上抓取已完成工序30 的（de）工（gōng）件，進入磨（mó）床後，下料手（shǒu）爪將已完成工序（xù）40 的工件取出，並將（jiāng）待（dài）加（jiā）工工件送（sòng）進卡（kǎ）盤孔，送進工件的（de）方向（xiàng）及工件端麵頂貼後工件的旋（xuán）轉（zhuǎn）方（fāng）向如圖7 所示。

      由於目前業內還沒有機器（qì）人浮動（dòng）功能的操作標準文件，也（yě）沒有關於浮動力設置的指導規範，故在調試單機上料時，需通過大量實驗（yàn）才（cái）能找出最佳浮動力條件，既保證機器人滿足柔性上料要求，又不損壞機器人和末（mò）端執（zhí）行（háng）器。

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

      經實驗，並對每組浮動力設置（zhì）條件下的多次上料（liào）完成姿態觀（guān）察記錄，發現以上各（gè）設置條件下無法實（shí）現端麵B 與卡盤孔端麵貼合，均會留有約1 mm 左（zuǒ）右（yòu）的間隙，如圖9 所示。

      由圖11 可知: 機器人上料手爪將工件送到端麵貼合後（hòu）工件無（wú）法旋轉到平（píng）衡塊突耳與偏心（xīn）定位塊定（dìng）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功（gōng）能，以至旋（xuán）轉時機（jī）器人及卡（kǎ）盤孔（kǒng）對工件限位所致。將x、y、z 三（sān）軸浮動功能（néng）全部打開後再進行幾次實驗，該問題得到解決。但對y、z 軸所設（shè）置（zhì）的浮（fú）動力大小多少才是最合適，又（yòu）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（biāo）x軸方向浮動功能的同（tóng）時，開啟關節坐標末三軸的浮動功能，以自適應旋轉工件（jiàn）時所需的微小浮動量。經過多組實（shí）驗，找到合適的浮動力設置條件如圖12 所示。此狀態下上料完成姿態（tài）全部符合人工上料（liào）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（jú）各機器（qì）人、傳送線和磨床，以盡量接近（jìn）真（zhēn）實環境（jìng）進行模擬試運行。經過幾個班次試運（yùn）行，各段傳送線結構（gòu）穩固，運行穩定，節拍（pāi）均在10 s 以內，機器人1 及（jí）機器人2 均可代替工（gōng）人完成柔性上下料工作（zuò），重複精（jīng）度高，並且節拍均在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在冰箱壓縮機曲軸磨削加工生產中的應用，以工（gōng）業機器人、傳送線和磨床集成（chéng）開發了冰箱壓縮（suō）機曲軸磨削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（jiā）工原需5名工人負責的上下料工作，由（yóu）該生產線和1 名工人替代完成，可實現（xiàn）生產高度自動化; ( 2) 設定合適的機器人上料浮動力，可實現高度柔性化生產; ( 3)整條生產線（xiàn）結構穩固，可靠性高，可（kě）提高生產效率，利於在業內推廣應用。