人形機器(qi)(qi)人小腿骨架的加工(gong)(gong)難點(dian)與(yu)解(jie)(jie)決方案、五軸加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝詳解(jie)(jie)正成為制造工(gong)(gong)程領域的熱點(dian)話題。2023年(nian)12月(yue)，特斯拉發(fa)布的Optimus Gen-2視頻展(zhan)示了(le)令(ling)人印象(xiang)深刻的進(jin)步(bu)——比第一(yi)代速(su)度快30%、重量減輕10kg，并(bing)增(zeng)加了(le)六維力(li)傳(chuan)感器(qi)(qi)和觸覺(jue)傳(chuan)感器(qi)(qi)。這些(xie)突破性進(jin)展背后(hou)，是精密機械加工技術(shu)的不斷創(chuang)新。
我們的制造團隊深知機械加工在人形機器人關節系統中的關鍵作用。特別是小腿骨架，作為承重和運動的核心部件，其精度和強度直接影響機器人的整體性能。靈巧手作為人形機器人的亮點，需要高度靈活和精細控制能力的末端執行器，而這種(zhong)精細(xi)控制同(tong)樣適用于腿部骨架系(xi)統的(de)設(she)計(ji)與制造(zao)。
在動(dong)力系(xi)統方(fang)面，空(kong)心杯電機目前仍是(shi)最(zui)可靠(kao)的方(fang)案，這也為我們的機械(xie)加工(gong)工(gong)藝(yi)提出了(le)(le)新(xin)的挑戰(zhan)。我們注意(yi)到特斯拉(la)在2023年(nian)AI day展示(shi)了(le)(le)三(san)款旋轉執行器，對應小中大三(san)個功率等(deng)級，這(zhe)種分級設計理念同樣適用(yong)于小腿骨架的(de)加工工藝優化。
此(ci)次，我(wo)(wo)們(men)將分享(xiang)多年來在輪腿機器人和人形(xing)機器人精密(mi)部件制造中積(ji)累(lei)的(de)經驗(yan)，探討五軸加工(gong)中的(de)技術(shu)難(nan)點及其突破方法(fa)。作(zuo)為專注(zhu)于精密(mi)機械加工(gong)的(de)高新技術(shu)企(qi)業，我(wo)(wo)們(men)期(qi)待通過這篇文章，為同行提供(gong)有(you)價值(zhi)的(de)工(gong)藝參(can)考(kao)。
小(xiao)(xiao)腿骨架作為人(ren)形機(ji)器人(ren)的關鍵負(fu)重部件(jian)，其結(jie)(jie)構設計(ji)與(yu)材料(liao)選擇直接(jie)影響整(zheng)機(ji)性能。傳統(tong)小(xiao)(xiao)腿骨架設計(ji)面(mian)臨(lin)著前后側支(zhi)(zhi)撐(cheng)強度(du)(du)不足或重量(liang)過大(da)的兩難(nan)困(kun)境(jing)。若(ruo)(ruo)采用空腔結(jie)(jie)構，支(zhi)(zhi)撐(cheng)強度(du)(du)不足；若(ruo)(ruo)全部填充鋁合金，又(you)會(hui)大(da)幅增加(jia)重量(liang)與(yu)電機(ji)負(fu)擔。
目前主流人(ren)形(xing)機器人(ren)身高在1.3至1.8米(mi)，重量區間為50至120公斤。在(zai)這一規格下，小腿(tui)(tui)骨架(jia)必須同時滿足(zu)輕量(liang)化(hua)與高強(qiang)度(du)的(de)(de)雙重要求。理想的(de)(de)小腿(tui)(tui)設(she)計應遵循"高總質心、低慣量(liang)、低質量(liang)、高剛性"原則(ze)，以(yi)提升(sheng)高動態響應能力。
材(cai)料選擇方面，近年來復合(he)(he)材(cai)料應用(yong)取(qu)得突破性進(jin)展。碳纖維復合(he)(he)材(cai)料密度(du)僅為鋼材(cai)的(de)1/3，比(bi)鋁合(he)(he)金輕30%，且抗(kang)拉強度(du)一般在3500MPa以(yi)上，是鋼的(de)7-9倍。
現(xian)代高性(xing)能(neng)小腿骨(gu)架(jia)(jia)通(tong)常采用"三明治"復(fu)合結(jie)構：碳纖維外(wai)殼(ke)包覆(fu)、PEEK(聚(ju)醚(mi)醚(mi)酮)材料(liao)作為骨(gu)架(jia)(jia)、PMI(聚(ju)甲基丙烯(xi)酰亞胺)泡(pao)沫作為填充(chong)。PEEK樹脂耐高溫260度(du)，機械性(xing)能優異，自潤滑(hua)性(xing)好；而PMI泡沫(mo)是目前(qian)強度(du)和剛度(du)最高的耐熱泡沫(mo)塑料(180～240℃)。
在(zai)加工需求方面，小(xiao)腿骨架既要實現靈活(huo)的旋轉功能，又要在(zai)運動碰撞中具備足(zu)夠強度，同時保持(chi)輕量化特性。此(ci)外，腿部還需集成多種(zhong)傳(chuan)感器(qi)，包括角度(du)傳(chuan)感器(qi)、力傳(chuan)感器(qi)、加速度(du)計與陀(tuo)螺儀，以實現精確的運動控制和平衡調節。
五軸加工技術為人形機器人小腿骨架的制造提供了前所未有的可能性，然而這項技術也面臨諸多挑戰。與傳統加工方式相比，五軸加工通過多軸聯動，能在一次裝夾中完成復雜曲面、異形結構的加工，減少重復定位誤差，精度可達微米級。
在(zai)實際應用(yong)中，刀(dao)具干涉(she)問題(ti)是五(wu)(wu)軸加工(gong)最棘手的難點之一。由(you)于五(wu)(wu)軸加工(gong)同時(shi)進行(xing)多(duo)個軸向的運動，刀(dao)具的相對位(wei)置更為復雜，干涉(she)發(fa)生(sheng)的概(gai)率相對較高。刀具與(yu)工件表(biao)面的(de)碰撞、刀具與(yu)夾具的(de)干(gan)涉(she)以及刀具與(yu)加工路(lu)徑(jing)不匹配都是常見的(de)干(gan)涉(she)表(biao)現。
另(ling)外，刀具(ju)路徑規(gui)劃不當也會導(dao)致表(biao)面質量(liang)下降。五(wu)軸(zhou)加工對(dui)編程(cheng)要求(qiu)極高，編程(cheng)人員需結合機床(chuang)特點(dian)和(he)工件形態選(xuan)擇合適的夾(jia)具(ju)與定(ding)位方(fang)案。業內領先的(de)CAM軟件如Hypermill和Mastercam推出的(de)智(zhi)能編(bian)程(cheng)模塊，通(tong)過AI自動優(you)化刀(dao)具(ju)路徑，可(ke)減少人工編(bian)程(cheng)時間(jian)50%。
盡管(guan)五軸設備成本高昂(約50-100萬(wan)美元)，但(dan)其在高端定制(zhi)(zhi)領域的價值不可(ke)忽視(shi)。值得注意的是，與3D打印(yin)技術結合使用(yong)，先用(yong)3D打印(yin)制(zhi)(zhi)造(zao)毛(mao)坯，再用(yong)五軸加工進行高精度(du)表面處理，可(ke)縮短交付周期30%以上。
在我(wo)們的實踐中(zhong)，我(wo)們發現五軸加(jia)工(gong)還(huan)需解決材(cai)料變形問題(ti)。特(te)別(bie)是鋁合金熱處(chu)理過程中(zhong)產生的不均勻塑(su)性變形，會影(ying)響后續加(jia)工(gong)精(jing)度。因此，我們采用預氧化(hua)區(qu)退火(huo)與攪拌參數調整等技術(shu)手(shou)段，有(you)效控制材料變(bian)形。
針對人(ren)形機器人(ren)小腿骨架五軸加(jia)工的難點，我(wo)們在實踐中總結出了一套系(xi)統(tong)化(hua)解決方案。首先，采用高(gao)速高(gao)動態補償功能，通過提(ti)前預(yu)處(chu)理數據，預(yu)測機床加(jia)工軌跡并修(xiu)正變(bian)形誤差，從(cong)而實現高(gao)速高(gao)精度(du)的軌跡輸出。
溫度控(kong)制是保證加(jia)工精度的關鍵因素。我們引(yin)入(ru)的溫度場測量系統能實(shi)時(shi)監(jian)測機(ji)床溫度分布，預(yu)測并補償熱(re)變形對精度的影(ying)響，將(jiang)熱(re)位移誤差控(kong)制在最小范圍內。此外，空間補償位置(zhi)度(du)功能通過(guo)精(jing)(jing)確(que)測量(liang)和補償機床的21項空間精(jing)(jing)度(du)誤差，顯著(zhu)提升(sheng)了加工位置(zhi)的準(zhun)確(que)性(xing)。
在(zai)軟件應用(yong)方(fang)面，我(wo)們與hypermill等CAM解決方(fang)案提供(gong)商(shang)保持緊密(mi)合作(zuo)。基于機床運動(dong)學和(he)幾(ji)何學的最優傾斜策略是關鍵突破點，包(bao)括：
固定刀(dao)具傾(qing)斜(xie)的多軸分度：通過移動和傾(qing)斜(xie)工作平面實現多方向加工，無需重新裝夾
自(zi)動(dong)分度：對于(yu)不(bu)符(fu)合5軸同步(bu)銑(xian)削(xue)動(dong)態要求的情(qing)況，采(cai)用自(zi)動(dong)化3+2銑(xian)削(xue)技術
5軸同步加工(gong)：替代傳統3+2銑削，尤其適用于陡壁區(qu)域的加工(gong)
同時，通過多軸(zhou)聯動的自動化控制方(fang)法(fa)，我(wo)們(men)簡(jian)化了(le)結構設計，利用內置電機(ji)(ji)及(ji)運(yun)動節(jie)點的減速機(ji)(ji)直接實(shi)現運(yun)轉，不僅節(jie)約成本，還(huan)提高了(le)運(yun)轉精度。我們采用"一次裝夾"工(gong)(gong)(gong)藝(yi)，整個加(jia)工(gong)(gong)(gong)過程無需重復(fu)定位，既保證了加(jia)工(gong)(gong)(gong)精(jing)度，又(you)減少了工(gong)(gong)(gong)裝夾具數量和(he)占地面積。
人形(xing)機器(qi)人小腿(tui)骨架的(de)(de)(de)五軸加工技術無疑是當代精(jing)密制造(zao)領域的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)要(yao)突破。通過本文的(de)(de)(de)分(fen)析，我們可以(yi)清(qing)晰看到，小腿(tui)骨架作為(wei)機器(qi)人的(de)(de)(de)關鍵負重(zhong)(zhong)部件，必須同時(shi)滿(man)足輕量化與高(gao)強度的(de)(de)(de)雙重(zhong)(zhong)要(yao)求。因此，材料選擇和加工工藝的(de)(de)(de)創新(xin)顯得尤為(wei)重(zhong)(zhong)要(yao)。
在實際生(sheng)產中，五軸(zhou)加工(gong)技(ji)術(shu)雖然面(mian)臨刀(dao)具干涉、路徑規劃和材料(liao)變形等諸多挑戰(zhan)，但通(tong)過高(gao)速高(gao)動態補償功能、溫度(du)(du)場測量系統(tong)和空間補償位置度(du)(du)功能的應用(yong)，這些問題已經得(de)到有效解決。尤其(qi)是"一(yi)次裝夾"工(gong)藝的采用(yong)，不僅保證了加工(gong)精度(du)(du)，同(tong)時也(ye)提高(gao)了生(sheng)產效率。
當然，先進的加(jia)工技(ji)術(shu)離不開專業(ye)團隊的支持。作為創始于2004年的高新(xin)技(ji)術(shu)企業(ye)，我們擁有東莞(guan)、常熟(shu)、沈(shen)陽三大(da)制造基地，以(yi)及日本和德國的海外(wai)技(ji)術(shu)與銷售服務(wu)中心。我們不僅在人形機器(qi)人領(ling)域積累了豐富經(jing)驗，還(huan)將業(ye)務(wu)拓展(zhan)至半導體、生物醫療、科研(yan)配套(tao)等(deng)多(duo)個高精尖領(ling)域。
最后，隨(sui)著人(ren)(ren)形(xing)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)技術的(de)(de)不(bu)斷發展(zhan)(zhan)，小腿骨架的(de)(de)加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝也(ye)將(jiang)持續(xu)優化。無論(lun)是(shi)材料科(ke)學(xue)的(de)(de)突破還是(shi)加工(gong)(gong)方法的(de)(de)創(chuang)新，都將(jiang)推動(dong)人(ren)(ren)形(xing)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)向更高效(xiao)、更智能的(de)(de)方向發展(zhan)(zhan)。聯(lian)系我(wo)們：讓機(ji)器(qi)人(ren)(ren)"跑得更穩一(yi)點"！我(wo)們期待與更多同(tong)行交(jiao)流合(he)作，共同(tong)推動(dong)中國制(zhi)造在人(ren)(ren)形(xing)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)領域取得更大(da)突破。
總之，五軸加工技術為(wei)(wei)人(ren)形機器人(ren)小腿(tui)骨架的(de)制(zhi)造提供了無(wu)限(xian)可能。通過持(chi)續(xu)創新和(he)工藝優化，我們(men)相信未來的(de)人(ren)形機器人(ren)將更(geng)加靈活、可靠，為(wei)(wei)人(ren)類社會帶來更(geng)多(duo)便利(li)與價值。
人(ren)形機器人(ren)小腿骨架(jia)五軸加(jia)工的核心技術突(tu)破與(yu)實踐經(jing)驗，為制造(zao)工程師(shi)提供系統化解決方案。
? 小(xiao)腿骨(gu)(gu)架(jia)(jia)需(xu)采用"三(san)明治"復合結(jie)構：碳纖維外(wai)殼+PEEK骨(gu)(gu)架(jia)(jia)+PMI泡沫填(tian)充，實(shi)現輕量化與高強(qiang)度平衡
? 五(wu)軸加工關(guan)鍵(jian)難點(dian)包括刀(dao)具干涉、路徑規劃和材料變形(xing)，需通過高動(dong)態(tai)補償和溫度控制系統解決(jue)
? "一(yi)次裝夾"工藝配(pei)合(he)CAM軟件(jian)優化，可(ke)將加(jia)工精度(du)控制在微米級(ji)，同(tong)時(shi)減少重復定(ding)位誤差
? 采用固定刀具傾斜、自動分度和(he)5軸同(tong)步加工策略(lve)，顯著(zhu)提升復雜(za)曲面(mian)加工效(xiao)率和(he)表(biao)面(mian)質(zhi)量
? 溫度場(chang)測量(liang)系(xi)統實時監測補(bu)(bu)償熱變形，空間補(bu)(bu)償功能修(xiu)正21項(xiang)精度誤差，確保(bao)加工穩(wen)定性
通過系統化的(de)工(gong)藝優化和技(ji)(ji)術創新，五軸(zhou)加工(gong)已成(cheng)為人(ren)(ren)形機(ji)(ji)器人(ren)(ren)精密部件制造的(de)核心技(ji)(ji)術。掌握這(zhe)些關鍵技(ji)(ji)術要點，將為制造企業在人(ren)(ren)形機(ji)(ji)器人(ren)(ren)產業鏈(lian)中占據(ju)重要地位奠定(ding)基礎(chu)。
Q1. 人形機(ji)器人小腿骨架的主要材料是什么? 小腿骨架通常(chang)采用"三明治"復合結構,包括碳纖(xian)維外殼、PEEK(聚(ju)醚(mi)醚(mi)酮)骨架和(he)PMI(聚(ju)甲(jia)基丙烯(xi)酰亞胺)泡沫填(tian)充。這(zhe)種結構既輕量又高(gao)強度,滿足了機器人對性能的要(yao)求(qiu)。
Q2. 五(wu)軸加(jia)工技(ji)術在制造小腿骨(gu)架時面臨(lin)哪(na)些主要(yao)挑(tiao)戰(zhan)? 主要挑戰包括(kuo)刀具(ju)干涉問題(ti)、復雜(za)曲面的刀具(ju)路(lu)徑(jing)規劃、材料加(jia)工變(bian)形控(kong)制以及加(jia)工效率(lv)與(yu)表面質量的平衡。這些(xie)問題(ti)需要通過先進的CAM軟件和加(jia)工策略來(lai)解決。
Q3. 如何提(ti)高五(wu)軸加工的精度和穩定性? 可以采用高(gao)速高(gao)動(dong)態(tai)補償功能、溫度(du)場測量系統和空間補償位置(zhi)度(du)功能。這(zhe)些技(ji)術可以預測并修正(zheng)加工誤差(cha),控制(zhi)熱變(bian)形,提(ti)高(gao)加工位置(zhi)的(de)準(zhun)確(que)性。
Q4. "一次裝夾"工藝有(you)什么優勢? "一(yi)次裝(zhuang)夾"工藝可以(yi)在(zai)整個加工過程中無需重復定位,既保(bao)證了(le)加工精度,又(you)減(jian)少了(le)工裝(zhuang)夾具數量和占地面積,提(ti)高了(le)生產效率。
Q5. 五軸加(jia)工技術如(ru)何優化刀具路徑? 通過采用固定刀具傾斜的(de)多軸分度、自動分度和5軸同步加(jia)工(gong)等策略,結合先進的(de)CAM軟件,可以優化刀具路徑,提高復雜曲面的(de)加(jia)工(gong)效率和表面質(zhi)量。