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1、华中科技大学 硕士学位论文 机器人原型制造技术基础研究 姓名：马俊杰 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：张海鸥 20070119 华中科技大学硕士学位论文 I 摘 要 近 20 年来,制造业市场环境发生了重大的变化, 用户需求趋向多样化与个性化。 因此，制造业不断探求快速响应市场的生产模式和技术策略。华中科技大学开发的 DPST（Direct Prototype Spray Tooling）技术，将机器人与熔射制模技术相结合，可 快速制造出具有优良耐磨耐腐蚀性能的不锈钢、耐磨合金等表面的注塑模和金属薄 板冲压模的优点而格外受到关注。 在 DPST 技术中，被熔射陶瓷原型是利用工
2、业机器人直接铣削陶瓷毛坯的技术 得到的。但陶瓷材料由于硬脆特性，可加工性比金属材料困难得多，因此，目前广 泛采用的主要是磨削加工方法，其去除机理是刀具刃口附近的被切材料产生脆性破 坏，而不是像金属材料那样产生剪切滑移变形。由于陶瓷脆性大，其加工参数、机 器人运行速度不能过大，导致加工周期长。所以在保证具有较高尺寸精度和表面质 量的陶瓷基模的前提下如何保证快速加工被熔射陶瓷原型是DPST的关键技术之一。 故本文对工业机器人加工原型的技术进行了研究。 粘土具有较好的可塑性，其加工参数、机器人运行速度相比陶瓷加工可大提高， 成型特性优良。本文分别以粘土原型与陶瓷原型为例对机器人原型制造技术进行了 基
3、础研究。 论文以六轴机器人为基础建立机器人数字化原型加工系统。研究了原型材料的 成型特性，提出了原型加工刀轨设计原则。进行了机器人原型加工路径规划，使用 间接法生成了加工路径，并进一步研究了机器人粘土原型与陶瓷原型的加工。 最后，以汽车覆盖件模具为例，采用间接法生成原型加工路径，进行机器人加 工实验，成功获得了陶瓷原型与粘土原型。粘土原型精度及表面质量均满足后续精 加工的要求。 关键词：机器人; 原型制造; 粘土; CAM 华中科技大学硕士学位论文 I I Abstract In the recent 20 years, the market environment of manufactur
4、ing industry has greatly changed, and the requests of customers are made for products diversification and characterization. Thereby manufacturing industry keep seeking new production mode and technique strategy which rapidly response to the changeable market. The DPST (Direct Prototype Spray Tooling
5、)which is developed by Huazhong University of Science it can manufacture injection mold and metal sheet punching mold, which have the stainless steel or Nickel- Chrome- Iron alloy shell with good abilities of corrosion- proof and wear resisting. In DPST, the previously method of fabricating ceramic
6、prototype is directly milling ceramic blank by robot. The ceramic is typical brittle material, which is hard to be fabricated. And only when wetness it can be fabricated, after completely dried i t can hardly be fabricated. So the main limitations of this method are the long period of actually produ
7、cing the ceramic prototype, and the limited fabricating size scale of the ceramic prototype. Clay has good plasticity, it can be easily shaped rapidly, and the maximum scrape depth can increase up to 100mm. When fabricating the clay, the maching parameter and robot scanning speed can be setted at a
8、higher level than that of the ceramic. The maching parameter and the scanning speed of robot can also be set higher than fabricating the solid ceramic blank. The utilization of it in place of previously method can save significant fabrication effort, especially when the geometry of the product is bi
9、g. In this paper, a digital prototype manufacture system has been built on a 6- axis robot. The principle of robotic path planning of prototype forming is presented，and robotic finish milling ceramics prototype path planning is researched further. Finally, the paper issues an example of automobile p
10、anel mold adopted indirect robot path system, the required soft prototype with good accuracy and surface quality has been fabricated. The above result verifies that the system is feasible and stable. Keywords: Robot; prototype manufacture; clay; CAM 华中科技大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及
11、取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授
12、权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属 华中科技大学硕士学位论文 1 1 绪 论 1.1 课题的来源和意义 1.1.1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目。 1.1.2 课题的目的和意义 近 20 年来,制造业市场环境发生了重大的变化,用户需求的多样化与个性化及国际 市场的一体化,使得制造商面临更为激烈的竞争。 为此,制造业在不断探求能够快速响应 市场的生产模式和技术策略,如并行工程、敏捷制造、高速切削和快速成形（Rapid Prototyping）等1,2。以为技术支撑的快速模具制造(Rapid
13、Tooling)也正是为了加快 新产品开发周期,早日向市场推出适销对路的、按客户意图定制的多品种、小批量产品 而发展起来的新型制造技术。RP切削试件拐角处时，因切入角 ? 和铣削 长度的增加(见图 4.9)，逆铣的摩擦效应也会引起切削振动,并在拐角处产生振纹。而顺 铣时则正好相反，虽然顺铣时切削力稍大于逆铣,但顺铣时切屑厚度是由厚变薄，刀具 后刀面与试件之间摩擦效应较小，在拐角处不易引起切削振动58,59。故本文选择顺铣 的铣削方式。 图 4.9 切入角和切出角 综合分析以上四种加工方案可以看出： （1）方案一，遇到的台阶最少，加工时间为42分钟，加工效率最高。但是此加工 路径在两突肋的曲面上
14、会产生残余材料，影响加工表面的精度。 （2）方案二，精度较高，但遇到台阶较多，加工时间为82分钟，效率不高。 （3）方案三，跟随周边型沿各斜面和陡峭面加工，避免产生残留材料，加工精度 比方案一高，但行走过程遇到台阶较多，效率没有方案一高，加工时间为 63 分钟。 （4）方案四，沿径向线加工刀轨呈放射形，中心点附近轨迹线加工精度高，周边 华中科技大学硕士学位论文 3 8 轨迹线加工精度越低。其加工精度要比方案一高，但由于中心轨迹过密，加工中遇到 的台阶和转折点最多，加工时间为 116 分钟。另外，在斜面处会产生残留材料，影响 加工精度。 对于汽车覆盖件原型（图 4.2） ，其特征比较复杂，特别是
15、两突肋和中间凸台以及 其两侧的狭窄凹槽，为难加工区域（图 4.10） ，使用 ? 2mm球头铣刀，步距 1mm，铣 削方式为沿 y 轴的平行线 Zig_Zag走刀，避免产生相邻两刀之间未切削材料，保证加 工精度。易加工区域（图 4.11）使用 ? 6mm 球头铣刀，3mm 步距，铣削方式为沿 x 轴的平行线 Zig_Zag走刀，提高加工效率。 图 4.10 难加工区域 图 4.11 易加工区域 4.3 本章小结 生成了四种陶瓷原型的加工路径方案，并就加工效率与加工精度对这四种方案进 行了评估。加工时可以根据工件具体形状特征，对工件分块使用不同的路径加工，达 到最优加工效果。 华中科技大学硕士学
16、位论文 3 9 5 机器人原型加工实例研究 本章介绍了机器人高速加工系统的硬件组成和若干加工实例。这些实例验证机器 人加工软、硬件系统的可行性与稳定性。 5.1 机器人加工设备 机器人加工的硬件部分由机器人系统、高速加工系统和数控转台等组成。 机器人系统包括机器人本体及控制柜。控制柜除了控制机器人的运行外，还能与 PC 机之间进行通讯联系，接收 PC 机上的轨迹文件，并具有一定的存储功能，能存储 多达 5000 点的轨迹。 5.2 轨迹生成实例 5.2.1 设计实体模型 随着计算机技术的发展，设计人员可使用 CAD/CAM 软件设计产品模型。目前， 常用的国外的 CAD 软件有 Unigraphics(UG)
