為什麼CNC加工對具身機器人至關重要
當你看到那些栩栩如生的機器人就在你面前翻跟頭時，你會不會擔心它們會散架或故障？關節會彎曲，手臂會伸展，整個結構會受到真實的力量－重力、慣性和衝擊力的影響。
因此，硬體必須堅固、輕巧且精確。
在原型製作和中小批量生產領域，主要有兩種製程：CNC加工和鈑金加工。這兩種製程都易於操作，都能快速生產出實際零件，但它們的用途卻不盡相同。
這兩個流程對於製造實體機器人也至關重要。接下來，我將一步一步地向您展示如何利用數控加工和鈑金製造來建造實體機器人。
CNC加工零件（精密核心）
機器人的某些零件決定了其性能。它們承受負載，決定精度。缺少這些零件，整台機器就會偏離軌道，甚至失效。
聯合房屋
這些關節位於肩膀、髖部、膝蓋和腳踝。每個關節都能承受肢體擺動或身體姿勢改變時所產生的全部力量。關節殼體需要精確的孔徑。軸承緊密壓入。密封件與旋轉軸同心。
除非客戶有特殊要求，否則我們通常使用 6061 或 7075 鋁合金來製造這些零件。五軸數控加工是最佳選擇。刀具一次裝夾即可加工出底切和斜面。但經驗豐富的技師也可以使用三軸銑床加工相同的零件。只是需要多次裝夾、更多夾具，並且需要仔細地重新校準基準。五軸加工速度更快、精度更高。三軸加工更適合小批量生產，成本更低。
旋轉傳動軸
這些部件旋轉，將馬達產生的扭矩傳遞到關節。它們的幾何形狀比較複雜。軸承軸頸的直徑需要精確控制。花鍵或鍵槽傳遞旋轉力而不打滑。螺紋部分用於固定鎖緊螺帽或皮帶輪。許多軸上還有內部通孔。感測器或電源線直接穿過旋轉組件的中心。
我們使用帶有動力刀具的CNC車床來加工這些軸。車床負責車削外徑等繁重工作。動力刀具則負責銑削平面、鑽十字孔和切削鍵槽，無需將工件從主軸上取下。對於複雜的軸，通常最好使用五軸車銑複合加工中心。它們可以在一次裝夾中處理偏軸特徵和角度連接埠。
材料加工路徑至關重要。首先，粗加工軸。務必記錄關鍵直徑。然後將其送去熱處理。目標硬度範圍為HRC 45至60，視合金及其耐磨性而定。熱處理完成後，即可對軸承軸頸和密封表面進行精磨。對於硬化鋼，研磨可以達到車削無法企及的精度。最終得到的軸旋轉平穩，磨損緩慢，並且能夠與機器人預期壽命相匹配。
軀幹底盤（主安裝板）
這是機器人的骨架。所有部件都連接到它上面，包括電腦、電池、執行器和線管理系統。這塊底板提供了平整、平行的參考面。如果底板彎曲或扭曲，其他部件就無法正確對齊。最終，你的機器人會歪斜地站立。
我們用鋁板製作這個零件。厚度在 12 到 25 毫米之間，取決於機器人的尺寸和構造。加工過程雖然簡單，但卻相當費力。零件上有數百個螺紋孔，每個孔都經過鑽孔和攻絲，力求完美。如果孔的位置不對，可能會造成很大的損失。加工車間會使用有探測循環的數控加工中心，在攻牙前檢查孔的位置。
小型精密零件
並非所有部件都是結構隔板。有些部件非常微小，需要不同的機器和不同的設計想法。
手指骨骼和手部關節細小、結構複雜且數量眾多。一隻人手可能包含大約十五到二十個關節。每個關節都有軸承面、樞軸孔和導纜裝置。瑞士型車床是加工這類零件的理想選擇。它們利用工具機從棒材上切割出細長的零件，並具有極高的同心度。對於較小的特徵，微型銑床是最佳選擇。我們使用的刀具直徑小於一毫米。進給速度以微米/齒為單位。
力/扭力感測器柔性元件的製造則完全是另一回事。這些元件是薄壁彈性結構，受壓時會略微變形。應變片正是用來測量這種變形的。元件必須每次都能完美回彈。如果材料過多，感測器就會變得不靈敏，因為變形量不足以造成永久性改變。如果用鋁或17-4PH不銹鋼加工這些元件，則需要格外注意刀具路徑的控制。任何刀痕都會造成應力集中。許多加工廠在發現這個問題後，最後不得不報廢第一批產品的一半。
軸承保持架和編碼器安裝座結構更簡單，但精度仍然很高。它們用於軸向定位軸承，並將編碼器讀取頭固定在精確的氣隙位置。雖然公差很重要，但其幾何形狀通常相當簡單。
數控加工設計規則（要點列表）
你想知道我的想法嗎？你覺得應該特別注意哪些面向？我總結了幾點，希望能對你有幫助。
- 盡量避免使用過窄的凹槽。任何深度超過寬度四倍的凹槽都會造成問題。切屑難以排出，冷卻液也無法到達切削區域。細長的立銑刀容易顫動或斷裂。應重新設計零件或增加通孔，以便更輕鬆地排出切屑。
- 內角加工時，只需使用標準立銑刀半徑即可，好嗎？最常用的半徑是 1.5 毫米、3 毫米和 6 毫米。這些半徑與市售刀具相符。如果半徑非標準，例如 4.2 毫米，那麼加工車間就需要定製刀具或多次走刀才能完成內角加工。這兩種方法都會增加成本和工期。
- 只有在真正需要的時候才指定嚴格的公差。例如，軸承軸頸或齒輪安裝面確實需要±0.005毫米的公差，而外觀輪廓則不需要。很多設計師會為每個尺寸設定嚴格的公差，但這最終只會增加成本，而不會提高效能。所以，選擇供應商時一定要謹慎。
- 設計的理念是盡量減少裝夾次數。每次將零件從機床上取下並重新裝夾，精度都會下降，加工週期會增加。如果一個零件只需一兩次裝夾即可加工完成，其成本將只有需要五次裝夾的零件的一半。定向特徵只能從一個方向加工。盡量避免使用倒扣，除非絕對必要。設計時要考慮工具機的特性，而不僅僅是功能。
鈑金加工 組件（輕量化框架）
實體機器人結構極為複雜，但其中一些零件仍需具備剛性、輕量化和低成本的特性。這時，金屬薄板就派上用場了。它被用於製造機器人的外殼和輔助結構。
軀幹外殼和麵板
想想側板、後蓋和頂板。這些零件可以防止灰塵進入，也能固定電線。它們也能讓機器人看起來更完整。我們都知道，原型機上雜亂的電線有多礙眼。
我們使用雷射切割機來製造產品。這台機器從1.5至2毫米厚的鋁板上切割出扁平的坯料。坯料上設有通風孔和電纜穿線槽。然後，坯料被送至折彎機。折彎機對坯料進行彎曲、翻邊和成型，最終形成三維設計形狀。
PEM螺母是這裡的標準配件。它們是壓入式螺紋嵌件。工廠會在彎曲後進行安裝。嵌件與板材表面齊平。現在，您可以使用薄鋁板和鋼螺栓，而無需擔心螺紋滑絲。非常簡單。效果非常好。
腿部和手臂連接
實體機器人的肢體不必是實心金屬。 C型槽鋼和封閉式金屬盒都是不錯的選擇。它們都是用彎曲的金屬薄板製成的。
常見的做法是使用兩個U型槽鋼。每個槽鋼都是簡單的彎曲形狀。裝配人員將它們背靠背放置，並用鉚釘將凸緣鉚接在一起。最終形成一個封閉的箱形截面。這種截面具有良好的抗彎剛度和抗扭剛度，並且由於大部分材料集中在外表面，因此重量很輕。這與工字鋼或自行車車架管的原理相同。
這些鈑金連接件直接透過螺栓或鉚釘固定到機械加工的連接殼體上。殼體提供精密的軸承表面，鈑金連接件則提供結構支撐。每種材料都發揮了最佳性能。
電池盒
鋰離子電池需要保護。刺破電池可能引發火災，凹陷可能導致內部短路。電池外殼其實就是帶有可拆卸蓋子的彎曲盒子。金屬外殼提供抗衝擊性，還能防止電池在維修過程中意外接觸工具或碎屑。
設計師在這些電池盒上增加了彎曲的卡扣。卡扣上有孔，這些孔與軀幹底盤上的螺紋嵌件對齊。幾個螺絲將整個電池組固定到位。拆卸只需幾秒鐘，更換也輕而易舉。金屬外殼略顯簡陋，但它功能齊全，而且運作可靠。
電子設備安裝支架
感測器和電路板需要安裝支架。支架不必很複雜，簡單的L型支架和Z型支架就很好用。人們用它們來安裝攝影機、雷射雷達單元和微控制器。
整個流程非常快速。只需從厚度在 1 到 1.5 毫米之間的鋁板上裁出一個平面圖，然後用折彎機折彎即可。大功告成。生產週期以天計算，而不是以週計算。對於產品的第一版來說，這種速度至關重要。需要重新定位感測器？那就設計一個新的支架，然後切割、折彎，最後再試裝。整個流程只需一個下午即可完成。
腳踏板（簡易版）
腳踏板負責將地面反作用力傳遞到腿部結構。最基本的腳踏板就是一塊平板。
水刀切割是最佳選擇。它不會產生熱影響區，也不會留下需要額外修整的毛邊。切割後的板材保持平整且無應力。切割完成後，加工車間會鑽孔並攻絲，用於安裝力/扭矩感測器。
為了提高耐用性，我們的工程師傾向於使用彈簧鋼而非鋁。這種板材在受壓時會略微彎曲，但隨後會恢復平整。因此，它的使用壽命更長，不易開裂。但缺點是重量和耐腐蝕性較差。彈簧鋼較重，如果不進行塗層處理，容易生鏽。
鈑金加工設計規則
這些規則有助於確保零件的可製造性。否則，維修店可能會打電話來要求修改或收取更高的費用。
- 確保孔的直徑至少與材料厚度一樣大。您需要確保每張 1 毫米厚的板材上至少有一個 1 毫米的孔。較小的孔需要專用工具或額外的鑽孔，這都會增加成本。
- 務必保持孔與彎曲處之間的距離。經驗法則是：孔與彎曲處的距離為材料厚度的 2.5 倍加上彎曲半徑。如果孔離彎曲處太近，材料就會變形。彎曲處的材料會向外拉伸，導致孔的形狀變成橢圓形，緊固件也無法再安裝。
- 設計中的凸緣高度至少應為材料厚度的四倍。如果凸緣太短，則無法精確成型。折彎機模具需要足夠的材料才能夾持。此外，過短的凸緣剛性不足，在負載下容易晃動。
- 在內角處添加圓角。尖角會對表面施加很大的壓力。如果零件是彎曲的，尖銳的內角很容易導致裂縫。圓角可以分散壓力，延長零件的使用壽命。這條規則適用於展開圖和最終成型形狀。
- 需要注意的是，指定彎曲方向與材料紋理方向的相對關係非常重要，尤其是在處理鋁材時。板材在軋製過程中會形成紋理方向。橫紋彎曲可以提高強度，而順紋彎曲則可能導致彎曲處外側開裂。經驗豐富的設計師會在圖面上標明這一點。如果您經驗不足，可能要等到第一批零件故障後才會意識到這一點。
混合組件（機械加工+成型）
僅使用一種製造流程不可能製造出完整的實體機器人。此製程極為複雜，但我們通常的做法是：對於精度和強度要求極高的零件，採用數控加工；對於重量和成本要求更高的零件，則採用鈑金加工。最後，我們將這些零件組裝起來。
腿部結構圖
讓我們來看看機器人腿，從髖部到腳部。它有三個關節：髖關節、膝關節和踝關節。每個關節都需要一個加工過的外殼。軸承孔必須同心，安裝面必須平行，密封槽必須乾淨。這就是CNC加工的領域。
現在，考慮一下連接這些關節的部位。大腿、小腿。這些都是較長的結構單元，需要在整個長度上保持剛度。然而，它們並不需要像實心鋁塊那樣高密度。金屬板槽鋼是理想的選擇。 U型槽鋼或封閉式箱形截面可以在重量輕得多的情況下提供所需的彎曲剛度。
裝配工用螺栓或鉚釘將機械加工好的外殼固定到鈑金槽上。外殼起到精密連接的作用。槽將兩個外殼保持在固定的距離。每個部件各司其職，共同構成一個整體。
軀幹結構圖
軀幹部分的設計遵循類似的邏輯，但比例有所不同。
中央脊椎板由一整塊金屬加工而成，貫穿整個設備。它構成了設備的剛性骨架。致動器直接安裝在脊椎板上，電腦和電池則用螺栓固定在其表面。脊柱板必須平整、堅固且鑽孔精度高。採用CNC工具機從厚鋁板上進行加工是最佳方法。
在這個緻密的核心部件周圍，加裝了金屬側板、前板和後板。這些面板有兩個作用。首先，它們將內部組件包裹起來，避免了裸露電線。其次，它們防止手指戳到活動部件。第三，它們提高了抗扭剛度。封閉的金屬板盒比單塊平板更能有效抵抗扭轉。
這種組合非常有效率。機械加工的芯體可以承受集中載荷和實現精密介面。鈑金外殼可以滿足大面積表面和封閉空間的要求。兩者結合，重量和成本都低於完全機械加工的軀幹。
手工構造圖案
雖然手很小，但圖案卻保持一致。
這些精密的機械手指骨骼由CNC工具機加工而成，採用金屬材質，並整合於機器人體內。骨頭上設有用於連接關節的銷孔、用於固定肌腱的導纜槽以及用於連接其他部件的平面。雖然每根骨骼都很小，但公差控制非常嚴格。這些骨骼可以使用瑞士型車床或微型銑床進行批量生產。
手掌部分可以使用薄金屬板，材料很薄，帶有彎曲的凸緣。這些凸緣構成了手掌的弧形，同時也為手指骨骼提供了固定點。
小型鉚釘或螺絲將整個組件固定在一起。機械加工的指骨圍繞著精密銷釘旋轉。金屬掌片提供支撐。最終成品是一款活動自如、重量輕且比全機械加工的同類產品便宜得多的手。
數控加工 與鈑金加工
人們常問哪種方法比較好。這個問題問錯了。每種方法解決的問題都不同。下表列出了它們的差異。
| 方面 | 數控加工 | 鈑金加工 |
| 最適合 | 軸承孔、精密螺紋孔、複雜的立體幾何形狀。 | 平板或彎曲板、簡單支架、外殼和結構蒙皮。 |
| 典型體積 | 少量。 1至100件。 | 低至中等產量。 10至500台。 |
| 加工成本 | 沒有。沒有模具或沖模。 | 成本低。簡單的折彎機模具。雷射切割無需硬質模具。 |
| 單件成本 | 高。材料浪費現象嚴重。 | 大量訂購10件或以上價格較低。 |
| 提前期（原型） | 1 到 2 週。 | 3至7天。 |
| 強度重量比 | 不錯，但有點濃稠。 | 極佳。輕薄的材料能有效承載重量。 |
| 幾何複雜性 | 非常高。底切、深口袋、複合角度。 | 低。僅限於可彎曲形狀。 |
何時選擇CNC加工
對於需要軸承孔的零件，請選擇CNC加工。這些孔必須完美圓潤，且尺寸誤差必須在幾微米以內。對於需要與配合部件精確對齊的螺紋精密孔，也請選擇CNC加工。對於無法用平面板材近似加工的複雜三維幾何形狀，例如接頭殼體、帶有複合角度的感測器支架以及客製化齒輪毛坯，也請選擇CNC加工。
前期成本低，無需購買模具。然而，單件成本較高。機械加工零件原本是一個實心塊，大部分會在生產過程中變成切屑。對於一到一百個零件的生產批量，這種權衡是合理的。但對於更大的產量，我們需要考慮其他方法。
何時選擇鈑金加工
對於需要軸承孔的機器人實體零件，請選擇CNC加工。這些孔必須完美圓潤，且尺寸誤差必須在幾微米以內。對於與配合部件精確對齊的螺紋精密孔，也請選擇CNC加工。對於無法用平面板材近似加工的複雜三維幾何形狀，例如關節殼體、複合角度的感測器支架以及客製化齒輪毛坯，也請選擇CNC加工。
前期成本低，無需購買模具。然而，單一零件的成本很高。機械加工零件原本是一個實心塊，大部分會在生產過程中變成切屑。對於一到一百個零件的生產批量來說，這種權衡是合理的。但對於更大的產量，人們就會開始考慮其他方法。
成本和交付週期考慮因素
CNC加工原型製作週期為1-2週。瓶頸在於程式設計和設定。一旦機器運轉起來，就能快速生產零件。然而，每個零件都需要大量的機器加工時間。較高的單件成本也反映了這一點。
鈑金加工速度更快。從圖紙到成品零件，整個過程只需三到七天。雷射切割速度也很快。折彎速度同樣很快。訂單數量達到十件或以上時，單價會顯著下降。第一件和第十件的加工時間相同。
對於完整的機器人而言，混合式方法是最具成本效益的解決方案。它採用精密加工關節、成型結構連接件，然後用螺栓將它們組裝起來。總成本低於全機械加工機器人，總重量也低於全鈑金機器人。掌握這兩種工藝的人可以更快地製造出性能更優的機器。
選擇NOBLE，體現其價值。 機器人製造
關於我們
NOBLE是一家精密CNC加工公司。我們在機器人、自動化和醫療器材的生產方面擁有豐富的經驗。
我們彌合了原型製作和批量生產之間的鴻溝。許多公司要么專注於單件項目，要么專注於大量生產。而我們兩者兼顧。我們生產單件產品進行測試，也承接從1件到1,000件以上的中型大量生產。我們使用相同的機器設備，遵循相同的品質標準，並同樣注重細節。
核心加工能力
數控銑床
我們提供三軸、四軸和五軸數控銑削加工。關鍵特徵的公差控制在±0.005毫米（±0.0002英吋）以內。我們的高速加工能力能夠無顫動、無變形地加工鋁材和薄壁零件。
數控車削
我們擁有Y軸功能的動力車床。瑞士型自動車床用於加工小型複雜零件，例如指骨、微型軸和感測器元件。瑞士型車床加工棒料，一次循環即可完成成品零件的加工。
支援流程
平面磨削和圓柱磨削均可獲得軸承級表面光潔度。我們磨削後的表面粗糙度 Ra 值可達到 0.4 微米或更低。
熱處理可在公司內部進行，也可委託合格的合作夥伴完成。我們提供退火、淬火和應力消除處理。 NOBLE 負責整個流程和相關文件的管理。
加工後精加工包括去毛邊、陽極氧化（透明和 III 型硬質塗層）、不銹鋼鈍化以及介質滾磨以形成均勻的表面紋理。
認證
ISO 9001：2015
NOBLE已獲得品質管理系統認證，確保從生產製造、檢驗到出貨的所有流程均按照既定標準進行管理。 ISO 9001:2015認證保證了我們零件品質的穩定性、可追溯性和持續性改進。這意味著我們的客戶可以放心，每次都能收到符合規格的零件。
ISO 13485：2016
除了ISO 9001認證之外，我們還獲得了醫療器材製造管理系統認證。這對於機器人手術器械、醫用外骨骼和復健機器人等領域尤其重要。該標準要求比ISO 9001本身更嚴格的文件記錄、更規範的風險管理和更全面的流程驗證。我們始終滿足所有這些要求。
常見問題
哪些類型的機器人零件最適合採用數控加工而不是 3D 列印或鈑金加工？
接頭殼體、旋轉軸以及任何需要軸承孔或公差在±0.005毫米範圍內的零件。這些零件承受負荷並定位運動部件。 3D列印適用於強度要求不高的複雜、低載重支架。鈑金則適用於幾何形狀簡單的外殼和結構連接件。
大家推薦使用哪些材料製作機器人結構零件？
6061-T6鋁合金是常用的主力材料。它強度高、易於加工、價格合理。如果需要更高的強度，可以選擇7075-T6鋁合金。它加工性能良好，但價格更高。對於需要表面硬度和耐磨性的接頭外殼，17-4PH不銹鋼是常用的材料。它經熱處理後強度很高，並且具有良好的抗咬合性能。對於輕質非金屬零件，PEEK和Delrin（聚甲醛）是不錯的選擇。它們剛性好、穩定性強、易於加工，而且不存在腐蝕問題。
對於特定零件，人們如何選擇數控加工或鈑金加工？
一條簡單的規則適用於大多數情況。如果零件帶有軸承孔、複雜的三維幾何形狀或需要嚴格的公差，則選擇機械加工。如果零件是帶有緊固件孔且沒有精密介面的平板或彎曲板，則選擇鈑金加工。當零件同時具備這兩種特徵時，人們通常會將其設計成組合件。機械加工出精密芯材，成型鈑金外殼，然後用螺栓將它們組裝在一起。
哪些設計特點會增加機械加工零件的成本？
深而窄的型腔會帶來許多問題。當型腔深度超過刀具直徑的四倍時，排屑會變得困難，刀具斷裂的風險也會增加，加工週期會顯著延長。
尖銳的內角是另一個問題。直角內角需專用刀具或二次加工。圓角內角則可使用標準立銑刀。應盡可能添加圓角。
不必要的嚴格公差會增加成本，卻不會增加價值。軸承孔徑的公差確實需要±0.005毫米，但外形輪廓則不需要。只有在功能需要時才應指定嚴格的公差。
人們能否利用NOBLE製造醫療機器人或手術器械的零件？
是的。 NOBLE 已獲得 ISO 13485:2016 認證。這是醫療器材的品質管理標準，證明了我們具備為醫療保健應用加工零件的能力。對於這些項目，我們保持全程可追溯性，包括材料認證、檢驗記錄和製程文件。客戶將收到一套完整的資料包，可用於提交監管文件。
品質檢驗流程是什麼？
在加工過程中進行過程檢驗。操作人員依既定時間間隔檢查關鍵特徵，並將結果記錄在車間現場文件中。
最終檢驗使用校準設備。三坐標測量機用於測量尺寸精度。內徑規用於測量內徑。螺紋規用於測量螺紋特徵。光學比較儀用於測量複雜輪廓和微小特徵。
