木工榫槽加工機器人的研究

劉 宇，馮曉寧，李 璇，黃林秀，吳盈盈

（嘉興學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

我國已成為世界上家俱生產(chǎn)大國，但是我國家俱企業(yè)依然是人力密集型企業(yè)。榫槽結(jié)構(gòu)是家俱中使用極其廣泛的結(jié)構(gòu)，但是大多數(shù)企業(yè)依然依靠人工和簡單的鉆銑設(shè)備，一根一根地通過人工操作完成木料的榫和槽的加工，導致廢品率高。針對這一現(xiàn)狀，本文提出一種模塊化直角坐標機器人結(jié)構(gòu)型式的木工榫槽加工機器人，可以高效率、高精度地一次性完成多根木料的榫和槽的加工任務(wù)，為家俱制造企業(yè)提供了一種物美價廉的木工榫槽加工自動化設(shè)備。

1 木工榫槽加工機器人系統(tǒng)概述

榫槽加工機器人系統(tǒng)由機器人和工作臺組成如圖1所示，實物照片如圖2所示。

圖1 榫槽加工機器人的三維圖Fig.1 Tongue and groove processing three-dimensional map of the robot

機器人由直線運動模塊、電機驅(qū)動模塊、控制系統(tǒng)模塊、操作工具模塊組成。利用直線運動模塊組成三維機器人，具有高可靠性、高速度、高精度的特點，可長時間連續(xù)工作。

圖2 機器人實物照片F(xiàn)ig.2 Robot-kind photos

工作臺用于木方的排放與夾緊，長和寬根據(jù)木料的長度和根數(shù)確定。工作臺安裝2個螺旋夾緊機構(gòu)，對木料起到夾緊作用。工作臺上開設(shè)三條排屑槽，可以順利排出木料兩端和中部的切削木屑。安裝2根角鐵，對木木料起限位作用。

機器人系統(tǒng)的伺服電機、聯(lián)軸器、軸承及軸承座、滾珠絲杠、線性導軌等可以選購，其他零件可以自制，不僅精度可以滿足木料加工的要求，而且價格低，因此具有物美價廉、維修方便的特點。

2 直線運動模塊

機器人的機械結(jié)構(gòu)由三個互相垂直的直線運動模塊和一個鉆銑動力頭組成，底部運動模塊1安裝在工作臺上。垂直運動模塊2通過連接板安裝在底部運動模塊1的滑塊上。頂運動模塊3安裝在垂直運動模塊2的滑塊上，鉆銑動力頭安裝在頂部運動模塊3的滑塊上。

直線運動模塊通過伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的直線運動。在伺服控制系統(tǒng)的控制下，各個直線運動模塊相互配合，帶動鉆銑動力頭運動，即可完成木料的榫或槽的加工工作。直線運動模塊的三維結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要零部件包括：

圖3 直線運動模塊Fig.3 Linear motion module

（1）機體：機體為運動軌道的安裝支撐，具有高的直線度和平面度。底座采用重量輕、強度好的鋁鎂合金，通過機械加工及導軌安裝面的磨削來充分保證其幾何尺寸和位置精度。

（2）傳動部件：采用滾珠絲杠機構(gòu)作為傳動部件，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。底部直線運動模塊由于行程較長，可以使用同步帶代替絲杠傳動。

（3）導向部件：采用線性導軌和滑塊組成導向和運動部件。

（4）支撐部件：軸承及軸承座用于安裝滾珠絲杠及驅(qū)動單元。滾珠絲桿的遠支承側(cè)為游動支撐，可消除由于發(fā)熱引起的絲杠軸向伸縮變形。

（5）制動器：對于垂直的直線運動模塊，需要采用制動器防止失電時下落。

（6）限位裝置：利用行程開關(guān)作為直線模塊運動極限行程的檢測元件，當各軸運行到極限定位點時，行程開關(guān)發(fā)出信號，切斷動力源并接通制動器，使各軸運動停止并制動。

3 操作工具模塊

操作工具模塊采用鉆銑動力頭，如圖4所示。鉆銑動力頭由電機驅(qū)動，通過皮帶傳動帶動鉆夾作旋轉(zhuǎn)運動。鉆夾安裝不同直徑的模具銑刀，即可完成木料上的榫和槽的加工。

圖4 鉆銑動力頭的三維圖Fig.4 Three-dimensional map of the power head drilling and milling

4 電機驅(qū)動模塊

三個直線運動模塊均采用交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電機和驅(qū)動器兩部分組成。電機和滾珠絲桿之間使用彈性聯(lián)軸器相連，彈性聯(lián)軸器具有足夠的柔性，可補償兩軸的相對位移，減小制造、裝配、調(diào)整帶來的誤差。并具有緩和沖擊，保證電機和滾珠絲桿的正常工作和使用壽命的作用。

5 控制系統(tǒng)模塊

PLC具備強大的運算處理以及運動插補功能，與專用機器人控制器相比市場價格低廉。因此本項目采用PLC控制方式，控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。本文編制了完善的機器人控制指令，通過觸摸屏進行加工參數(shù)設(shè)置，可以實現(xiàn)不同尺寸、形狀和位置的榫槽加工任務(wù)。

圖5 控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of the control system

6 結(jié)束語

本文提出一種模塊化直角坐標機器人結(jié)構(gòu)型式的木工榫槽加工機器人，可以高效率、高精度地完成木工榫槽的加工任務(wù)，為家俱制造企業(yè)提供了一種物美價廉的木工榫槽加工自動化設(shè)備。

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