用于实体机器人的精密加工和制造部件

2026 年 4 月 30 日

为什么数控加工对具身机器人至关重要

当你看到那些栩栩如生的机器人就在你面前翻跟头时，你会不会担心它们会散架或发生故障？关节会弯曲，手臂会伸展，整个结构会受到真实的力——重力、惯性和冲击力的影响。

因此，硬件必须坚固、轻便且精确。

在原型制作和中小批量生产领域，主要有两种工艺：数控加工和钣金加工。这两种工艺都易于操作，都能快速生产出实际零件，但它们的用途却不尽相同。

这两个流程对于制造实体机器人也至关重要。接下来，我将一步步地向您展示如何利用数控加工和钣金制造来构建实体机器人。

CNC加工零件（精密核心）

机器人的某些部件决定了其性能。它们承受负载，决定精度。缺少这些部件，整台机器就会偏离轨道，甚至失效。

联合房屋

这些关节位于肩部、髋部、膝盖和脚踝。每个关节都能承受肢体摆动或身体姿势改变时产生的全部力量。关节壳体需要精确的孔径。轴承紧密压入。密封件与旋转轴同心。

除非客户有特殊要求，否则我们通常使用 6061 或 7075 铝合金来制造这些零件。五轴数控加工是最佳选择。刀具一次装夹即可加工出底切和斜面。但经验丰富的技师也可以使用三轴铣床加工相同的零件。只是需要多次装夹、更多夹具，并且需要仔细地重新校准基准。五轴加工速度更快、精度更高。三轴加工更适合小批量生产，成本更低。

旋转传动轴

这些部件旋转，将电机产生的扭矩传递到关节。它们的几何形状比较复杂。轴承轴颈的直径需要精确控制。花键或键槽传递旋转力而不打滑。螺纹部分用于固定锁紧螺母或皮带轮。许多轴上还有内部通孔。传感器或电源线直接穿过旋转组件的中心。

我们使用带动力刀具的数控车床来加工这些轴。车床负责车削外径等繁重工作。动力刀具则负责铣削平面、钻十字孔和切削键槽，无需将工件从主轴上取下。对于复杂的轴，通常最好使用五轴车铣复合加工中心。它们可以在一次装夹中处理偏轴特征和角度端口。

材料加工路径至关重要。首先，粗加工轴。务必记录关键直径。然后将其送去热处理。目标硬度范围为HRC 45至60，具体取决于合金及其耐磨性。热处理完成后，即可对轴承轴颈和密封表面进行精磨。对于硬化钢，磨削可以达到车削无法企及的精度。最终得到的轴旋转平稳，磨损缓慢，并且能够与机器人预期寿命相匹配。

躯干底盘（主安装板）

这是机器人的骨架。所有部件都连接到它上面，包括电脑、电池、执行器和线缆管理系统。这块底板提供了平整、平行的参考面。如果底板弯曲或扭曲，其他部件就无法正确对齐。最终，你的机器人会歪斜地站立。

我们用铝板制作这个部件。厚度在 12 到 25 毫米之间，具体取决于机器人的尺寸和构造。加工过程虽然简单，但却相当费力。部件上有数百个螺纹孔，每个孔都经过钻孔和攻丝，力求完美。如果孔的位置不对，可能会造成很大的损失。加工车间会使用带有探测循环的数控加工中心，在攻丝前检查孔的位置。

小型精密零件

并非所有部件都是结构隔板。有些部件非常微小，需要不同的机器和不同的设计思路。

手指骨骼和手部关节细小、结构复杂且数量众多。一只人手可能包含大约十五到二十个关节。每个关节都有轴承面、枢轴孔和导缆装置。瑞士型车床是加工这类零件的理想选择。它们利用机床从棒材上切削出细长的零件，并具有极高的同心度。对于更小的特征，微型铣床是最佳选择。我们使用的刀具直径小于一毫米。进给速度以微米/齿为单位。

力/扭矩传感器柔性元件的制造则完全是另一回事。这些元件是薄壁弹性结构，受压时会略微变形。应变片正是用来测量这种变形的。元件必须每次都能完美回弹。如果材料过多，传感器就会变得不灵敏，因为变形量不足以造成永久性改变。如果用铝或17-4PH不锈钢加工这些元件，则需要格外注意刀具路径的控制。任何刀痕都会造成应力集中。很多加工厂在发现这个问题后，最终不得不报废第一批产品的一半。

轴承保持架和编码器安装座结构更简单，但精度依然很高。它们用于轴向定位轴承，并将编码器读头固定在精确的气隙位置。虽然公差很重要，但其几何形状通常相当简单。

数控加工设计规则（要点列表）

你想知道我的想法吗？你觉得应该特别注意哪些方面？我总结了几点，希望能对你有所帮助。

尽量避免使用过窄的凹槽。任何深度超过宽度四倍的凹槽都会造成问题。切屑难以排出，冷却液也无法到达切削区域。细长的立铣刀容易发生颤动或断裂。应重新设计零件或增加通孔，以便更轻松地排出切屑。
内角加工时，只需使用标准立铣刀半径即可，好吗？最常用的半径是 1.5 毫米、3 毫米和 6 毫米。这些半径与市售刀具相匹配。如果半径非标准，例如 4.2 毫米，那么加工车间就需要定制刀具或多次走刀才能完成内角加工。这两种方法都会增加成本和工期。
只有在真正需要的时候才指定严格的公差。例如，轴承轴颈或齿轮安装面确实需要±0.005毫米的公差，而外观轮廓则不需要。很多设计师会为每个尺寸都设定严格的公差，但这最终只会增加成本，而不会提高性能。所以，选择供应商时一定要谨慎。
设计的理念是尽量减少装夹次数。每次将零件从机床上取下并重新装夹，精度都会下降，加工周期会增加。如果一个零件只需一两次装夹即可加工完成，其成本将只有需要五次装夹的零件的一半。定向特征只能从一个方向加工。尽量避免使用倒扣，除非绝对必要。设计时要考虑机床的特性，而不仅仅是功能。

钣金加工组件（轻量化框架）

实体机器人结构极其复杂，但其中一些部件仍需具备刚性、轻量化和低成本的特点。这时，金属薄板就派上了用场。它被用于制造机器人的外壳和辅助结构。

躯干外壳和面板

想想侧面板、后盖和顶板。这些部件可以防止灰尘进入，也能固定电线。它们还能让机器人看起来更完整。我们都知道，原型机上杂乱的电线有多么碍眼。

我们使用激光切割机来制造产品。这台机器从1.5至2毫米厚的铝板上切割出扁平的坯料。坯料上设有通风孔和电缆穿线槽。然后，坯料被送至折弯机。折弯机对坯料进行弯曲、翻边和成型，最终形成三维设计形状。

PEM螺母是这里的标准配件。它们是压入式螺纹嵌件。工厂会在弯曲后进行安装。嵌件与板材表面齐平。现在，您可以使用薄铝板和钢螺栓，而无需担心螺纹滑丝。非常简单。效果非常好。

腿部和手臂连接

实体机器人的肢体不必是实心金属。C型槽钢和封闭式金属盒都是不错的选择。它们都是用弯曲的金属薄板制成的。

一种常见的做法是使用两个U型槽钢。每个槽钢都是简单的弯曲形状。装配人员将它们背靠背放置，并用铆钉将凸缘铆接在一起。最终形成一个封闭的箱形截面。这种截面具有良好的抗弯刚度和抗扭刚度，并且由于大部分材料集中在外表面，因此重量很轻。这与工字钢或自行车车架管的原理相同。

这些钣金连接件直接通过螺栓或铆钉固定到机加工的连接壳体上。壳体提供精密的轴承表面，钣金连接件则提供结构支撑。每种材料都发挥了其最佳性能。

电池盒

锂离子电池需要保护。刺破电池可能引发火灾，凹陷可能导致内部短路。电池外壳其实就是带可拆卸盖子的弯曲盒子。金属外壳提供抗冲击性，还能防止电池在维护过程中意外接触工具或碎屑。

设计师在这些电池盒上增加了弯曲的卡扣。卡扣上有孔，这些孔与躯干底盘上的螺纹嵌件对齐。几个螺丝将整个电池组固定到位。拆卸只需几秒钟，更换也轻而易举。金属外壳略显简陋，但它功能齐全，而且运行可靠。

电子设备安装支架

传感器和电路板需要安装支架。支架不必很复杂，简单的L型支架和Z型支架就很好用。人们用它们来安装摄像头、激光雷达单元和微控制器。

整个流程非常快捷。只需从厚度在 1 到 1.5 毫米之间的铝板上裁出一个平面图，然后用折弯机折弯即可。大功告成。生产周期以天计算，而不是以周计算。对于产品的第一版来说，这种速度至关重要。需要重新定位传感器？那就设计一个新的支架，然后切割、折弯，最后试装。整个流程只需一个下午即可完成。

脚踏板（简易版）

脚踏板负责将地面反作用力传递到腿部结构。最基本的脚踏板就是一块平板。

水刀切割是最佳选择。它不会产生热影响区，也不会留下需要额外修整的毛刺。切割后的板材保持平整且无应力。切割完成后，加工车间会钻孔并攻丝，用于安装力/扭矩传感器。

为了提高耐用性，我们的工程师倾向于使用弹簧钢而非铝。这种板材在受压时会略微弯曲，但随后会恢复平整。因此，它的使用寿命更长，不易开裂。但缺点是重量和耐腐蚀性较差。弹簧钢更重，而且如果不进行涂层处理，容易生锈。

钣金加工设计规则

这些规则有助于保证零件的可制造性。否则，维修店可能会打电话来要求修改或收取更高的费用。

确保孔的直径至少与材料厚度一样大。您需要确保每张 1 毫米厚的板材上至少有一个 1 毫米的孔。更小的孔需要专用工具或额外的钻孔，这都会增加成本。
务必保持孔与弯曲处之间的距离。经验法则是：孔与弯曲处的距离为材料厚度的 2.5 倍加上弯曲半径。如果孔离弯曲处太近，材料会发生变形。弯曲处的材料会向外拉伸，导致孔的形状变成椭圆形，紧固件也无法再安装。
设计中的凸缘高度至少应为材料厚度的四倍。如果凸缘太短，则无法精确成型。折弯机模具需要足够的材料才能夹持。此外，过短的凸缘刚性不足，在负载下容易晃动。
在内角处添加圆角。尖角会给表面施加很大的压力。如果零件是弯曲的，尖锐的内角很容易导致裂纹。圆角可以分散压力，延长零件的使用寿命。这条规则适用于展开图和最终成型形状。
需要注意的是，指定弯曲方向与材料纹理方向的相对关系非常重要，尤其是在处理铝材时。板材在轧制过程中会形成纹理方向。横纹弯曲可以提高强度，而顺纹弯曲则可能导致弯曲处外侧开裂。经验丰富的设计师会在图纸上标明这一点。如果您经验不足，可能要等到第一批零件出现故障后才会意识到这一点。

混合组件（机加工+成型）

仅使用一种制造工艺不可能制造出完整的实体机器人。该工艺极其复杂，但我们通常的做法是：对于精度和强度要求极高的零件，采用数控加工；对于重量和成本要求更高的零件，则采用钣金加工。最后，我们将这些零件组装起来。

腿部结构图

让我们来看一下机器人腿，从髋部到脚部。它有三个关节：髋关节、膝关节和踝关节。每个关节都需要一个加工好的外壳。轴承孔必须同心，安装面必须平行，密封槽必须干净。这就是数控加工的领域。

现在，考虑一下连接这些关节的部位。大腿、小腿。这些都是较长的结构单元，需要在整个长度上都保持刚度。然而，它们并不需要像实心铝块那样高密度。金属板槽钢是理想的选择。U型槽钢或封闭式箱形截面可以在重量轻得多的情况下提供所需的弯曲刚度。

装配工用螺栓或铆钉将机加工好的外壳固定到钣金槽上。外壳起到精密连接的作用。槽将两个外壳保持在固定的距离。每个部件各司其职，共同构成一个整体。

躯干结构模式

躯干部分的设计遵循类似的逻辑，但比例有所不同。

中央脊柱板由一整块金属加工而成，贯穿整个设备。它构成了设备的刚性骨架。执行器直接安装在脊柱板上，计算机和电池则用螺栓固定在其表面。脊柱板必须平整、坚固且钻孔精度高。采用数控机床从厚铝板上进行加工是最佳方法。

在这个致密的核心部件周围，加装了金属侧板、前板和后板。这些面板有两个作用。首先，它们将内部组件包裹起来，避免了裸露电线。其次，它们防止手指戳到活动部件。第三，它们提高了抗扭刚度。封闭的金属板盒比单块平板更能有效地抵抗扭转。

这种组合非常高效。机加工的芯体可以承受集中载荷和实现精密接口。钣金外壳可以满足大面积表面和封闭空间的要求。两者结合，重量和成本都低于完全机加工的躯干。

手工构造图案

虽然手很小，但图案却保持一致。

这些精密的机械手指骨骼由数控机床加工而成，采用金属材质，并集成于机器人体内。骨骼上设有用于连接关节的销孔、用于固定肌腱的导缆槽以及用于连接其他部件的平面。虽然每根骨骼都很小，但公差控制非常严格。这些骨骼可以使用瑞士型车床或微型铣床进行批量生产。

手掌部分可以使用薄金属板，材料很薄，带有弯曲的凸缘。这些凸缘构成了手掌的弧形，同时也为手指骨骼提供了固定点。

小型铆钉或螺丝将整个组件固定在一起。经机械加工的指骨围绕精密销钉旋转。金属掌片提供支撑。最终成品是一款活动自如、重量轻且比全机械加工的同类产品便宜得多的手。

数控加工与钣金加工

人们常问哪种方法更好。这个问题问错了。每种方法解决的问题都不同。下表列出了它们的区别。

方面	数控加工	钣金加工
最适合	轴承孔、精密螺纹孔、复杂的三维几何形状。	平板或弯曲板、简单支架、外壳和结构蒙皮。
典型体积	少量。1至100件。	低至中等产量。10 至 500 台。
加工成本	没有。没有模具或冲模。	成本低。简单的折弯机模具。激光切割无需硬质模具。
单件成本	高。材料浪费严重。	批量订购10件或以上价格较低。
提前期（原型）	1 2周。	3至7天。
强度重量比	不错，但有点稠。	极佳。轻薄的材料能有效承载重量。
几何复杂性	非常高。底切、深口袋、复合角度。	低。仅限于可弯曲形状。

何时选择数控加工

对于需要轴承孔的零件，请选择CNC加工。这些孔必须完美圆润，且尺寸误差必须在几微米以内。对于需要与配合部件精确对齐的螺纹精密孔，也请选择CNC加工。对于无法用平面板材近似加工的复杂三维几何形状，例如接头壳体、带复合角度的传感器支架以及定制齿轮毛坯，也请选择CNC加工。

前期成本低，无需购买模具。然而，单件成本较高。机加工零件最初是一个实心块，大部分会在生产过程中变成切屑。对于一到一百个零件的生产批量，这种权衡是合理的。但对于更大的产量，我们就需要考虑其他方法。

何时选择钣金加工

对于需要轴承孔的机器人实体部件，请选择CNC加工。这些孔必须完美圆润，且尺寸误差必须在几微米以内。对于与配合部件精确对齐的螺纹精密孔，也请选择CNC加工。对于无法用平面板材近似加工的复杂三维几何形状，例如关节壳体、带复合角度的传感器支架以及定制齿轮毛坯，也请选择CNC加工。

前期成本低，无需购买模具。然而，单个零件的成本很高。机加工零件最初是一个实心块，大部分会在生产过程中变成切屑。对于一到一百个零件的生产批量来说，这种权衡是合理的。但对于更大的产量，人们就会开始考虑其他方法。

成本和交付周期考虑因素

CNC加工原型制作周期为1-2周。瓶颈在于编程和设置。一旦机器运转起来，就能快速生产零件。然而，每个零件都需要大量的机器加工时间。较高的单件成本也反映了这一点。

钣金加工速度更快。从图纸到成品零件，整个过程只需三到七天。激光切割速度也很快。折弯速度同样很快。订单数量达到十件或以上时，单价会显著下降。第一件和第十件的加工时间相同。

对于完整的机器人而言，混合式方法是最具成本效益的解决方案。它采用精密加工关节、成型结构连接件，然后用螺栓将它们组装起来。总成本低于全机加工机器人，总重量也低于全钣金机器人。掌握这两种工艺的人可以更快地制造出性能更优的机器。

选择NOBLE，体现其价值。机器人制造

我们的团队

NOBLE是一家精密数控加工公司。我们在机器人、自动化和医疗器械的生产方面拥有丰富的经验。

我们弥合了原型制作和批量生产之间的鸿沟。许多公司要么专注于单件项目，要么专注于大批量生产。而我们两者兼顾。我们生产单件产品用于测试，也承接从1件到1,000件以上的中等批量生产。我们使用相同的机器设备，遵循相同的质量标准，并同样注重细节。

核心加工能力

数控铣床

我们提供三轴、四轴和五轴数控铣削加工。关键特征的公差控制在±0.005毫米（±0.0002英寸）以内。我们的高速加工能力能够无颤动、无变形地加工铝材和薄壁零件。

数控车削

我们拥有带Y轴功能的动力车床。瑞士型自动车床用于加工小型复杂零件，例如指骨、微型轴和传感器元件。瑞士型车床加工棒料，一次循环即可完成成品零件的加工。

支持流程

平面磨削和圆柱磨削均可获得轴承级表面光洁度。我们磨削后的表面粗糙度 Ra 值可达到 0.4 微米或更低。

热处理可在公司内部进行，也可委托合格的合作伙伴完成。我们提供退火、淬火和应力消除处理。NOBLE 负责整个流程和相关文档的管理。

加工后精加工包括去毛刺、阳极氧化（透明和 III 型硬质涂层）、不锈钢钝化以及介质滚磨以形成均匀的表面纹理。

认证

ISO 9001：2015

NOBLE已获得质量管理体系认证，确保从生产制造、检验到发货的所有流程均按照既定标准进行管理。ISO 9001:2015认证保证了我们零部件质量的稳定性、可追溯性和持续改进。这意味着我们的客户可以放心，每次都能收到符合规格的零部件。

ISO 13485：2016

除了ISO 9001认证之外，我们还获得了医疗器械制造管理体系认证。这对于机器人手术器械、医用外骨骼和康复机器人等领域尤为重要。该标准要求比ISO 9001本身更严格的文档记录、更规范的风险管理和更全面的流程验证。我们始终满足所有这些要求。

常见问题解答

哪些类型的机器人部件最适合采用数控加工而不是 3D 打印或钣金加工？

接头壳体、旋转轴以及任何需要轴承孔或公差在±0.005毫米范围内的零件。这些零件承受载荷并定位运动部件。3D打印适用于强度要求不高的复杂、低载荷支架。钣金则适用于几何形状简单的外壳和结构连接件。

大家推荐使用哪些材料制作机器人结构部件？

6061-T6铝合金是常用的主力材料。它强度高、易于加工、价格合理。如果需要更高的强度，可以选择7075-T6铝合金。它加工性能良好，但价格更高。对于需要表面硬度和耐磨性的接头外壳，17-4PH不锈钢是常用的材料。它经热处理后强度很高，并且具有良好的抗咬合性能。对于轻质非金属部件，PEEK和Delrin（聚甲醛）是不错的选择。它们刚性好、稳定性强、易于加工，而且不存在腐蚀问题。