机械手加工工艺误差分析及改进措施

2015-03-18□周微张波

产业与科技论坛 2015年23期

□周微张波

一、引言

众所周知，机械手的应用越来越广泛，特别是近年来机械手的控制系统越来越成熟，机械手的国产化也日趋完善。机械工业的发展依赖于机械加工工艺技术，机械手臂的加工、制造和安装需要诸多的工艺才能顺利完成，本文结合实际机械手臂关节的加工谈谈机械加工工艺对机械手臂的精度影响。

二、机械手加工误差产生的原因

机械手臂由若干个关节组成，各个关节需要装配在一起，因此对每一个关节的精度要求都是比较高的，由机床装备在加工中产生的误差有以下几方面。

(一)机床制造误差。在机械手的加工中，一般都采用数控机床或者加工中心完成。虽然数控机床的加工精度比较高，但是也不能完全消除误差。数控机床的误差主要由三方面组成，传动链误差、主轴回转误差和导轨误差［1］。在车床上加工机械手时，主轴的回转误差对加工精度影响较大，特别在外圆和内孔加工时，主轴在回转过程中的偏移会对机械手关节的精度造成较大的影响，所以在车床加工中要重点关注主轴回转误差。导轨是机床的一个重要组成部分，刀架等运动部件直接安装在导轨上边，导轨的精度直接决定刀架的运动轨迹。导轨的误差分为两个方面，一是导轨自身制造精度，比如平面度、平行度等等;二是在安装过程中所产生的误差，比如安装的间隙等引起的误差。

(二)刀具几何误差。在机械手的加工中，选择刀具十分重要。刀具在加工过程中产生磨损，将会影响加工精度。刀具材料不同，磨损的速度不同。现在，高硬度、耐高温、长寿命的刀具越来越多，从以前的硬质合计刀具到现在较流行的PCB 刀具、立方氮化硼刀具、陶瓷刀具和金刚石刀具，它们在加工中应用越来越广泛并取得了很好的效果［2］。刀具几何角度的合理选择也十分重要，其中主偏角、刀尖角、副偏角、前角、后角的合理选择能够保证加工的事半功倍，为了防止径向切削力造成工件弯曲变形，主偏角应取大一些，端面和台阶面的主偏角在93°左右比较合适，当主偏角75°粗加工时，刀具的散热和强度性能都是最好的。但是只选择好的刀具还是不够的，加工中的不断磨损会使刀具产生几何变化。在这时，一个较好的解决办法是通过数控机床自带的刀具磨损补偿功能来补偿由于加工中磨掉的部分，这种方法不用修改数控程序，方便操作，能够取得较好的效果。

(三)定位误差。定位元件不准确和基准不重合都是产生定位误差的原因。特别是在数控车床加工机械手臂关节时候，常常选择三爪夹盘作为定位夹紧元件，虽然使用比较方便便捷，但是其定位精度不高(大约在0．05～0．15mm 之间)，容易影响机械手的加工精度，因此可选择四爪单动夹盘装夹，其通过找正后定位精度较高(0．01mm)，并且夹紧力比较大［3］。另外，在加工过程中，尽量要满足基准重合原则，避免由于基准不重合带来的定位误差。另外在粗基准和精基准的选择中也要遵循其各项原则，比如重要表面原则、余量均匀原则等等。

(四)工艺系统变形误差。工艺系统在加工工件时受到外力作用，受力的器件或多或少会产生一定的形变，比如主轴、刀具、导轨等等，这些形变综合影响到了加工精度，产生或多或少的误差。

(五)加工方向的影响。在机械手关节的数控铣削加工中，顺铣和逆铣方式的选择是影响加工表面质量的重要因素。顺铣时切削力的水平分力方向与进给运动方向相同，逆铣是切削力的水平分力的方向与进给运动方向相反，综合考虑到数控铣床采用滚珠丝杠结构，进给传动间隙很小，所以在机械手加工中顺铣工艺优于逆铣。

三、降低机械手加工误差的措施

(一)直接减少误差。根据对加工精度影响条件的分析，找到影响加工精度较大的因素，直接减少其误差。比如主轴的回转误差影响了机械手关节的质量，则需要调整主轴的回转精度，必要时更换机床。当车削末端机械手关节时，由于关节细长，在车床加工中容易产生形变，此时可以使用跟刀架等辅助措施直接减少误差［4］。

(二)降低热变形产生的误差。机械手加工中会产生较大的切削热，使工件的温度升高，使刀具的温度升高，也会使主轴的温度升高，温度升高会产生较大的形变，引起较大的误差。因此，针对这个问题，主要的措施就是降温。一种方法是在加工车间内采取空调恒温的方式，能够取得较好的效果。另一种就是采用冷水单独对机床降温的方式。

(三)合理利用切削用量。数控加工中切削用量包括背吃刀量、进给速度和切削速度，称切削用量三要素。这三个参数的选择，直接影响到机械手的加工质量。切削用量的选择原则是粗车一是考虑尽可能选择大的背吃刀量，因为在粗车加工时，对精度要求不是很高，在机床装备系统允许的范围内选择大的背吃刀量可以较大地提升加工效率［5］。二是选择较大的进给量;三是确定一个合适的切削速度。精车加工时与粗车相反，应选用较小的背吃刀量(但是也不能太小)和进给量，同时还要考虑刀具的各项参数尽可能提高切削速度，保证加工质量和加工效率，选择相关的参数需要查阅切削用量表。

(四)刀具半径补偿的运用。很多操作者在数控车床中往往忽略刀尖半径补偿的使用，这样很容易产生加工误差。在实际加工中，理想刀尖点和实际刀尖点往往不重合，因此当车削加工遇到加工锥面的情形，就会产生过切削和欠切削，造成偏差。因此，在数控程序中要灵活使用刀尖补偿功能，数控机床会自动补偿理想刀尖点和实际刀尖点产生的偏差［6］。