厚板吸塑工艺在智能服务机器人上的应用_林军.pdf

第1期机电技术机电技术厚板吸塑工艺在智能服务机器人上的应用厚板吸塑工艺在智能服务机器人上的应用林 军（福建汉特云智能科技有限公司，福建 福州 350001）摘要文章通过介绍厚板吸塑工艺特点及其研发流程，结合机器人外壳的特殊需求，阐述了厚板吸塑工艺在智能服务机器人行业上应用的可行性，为厚板吸塑工艺推广及智能服务机器人产品的设计开发提供了一定的指导与参考。关键词厚板吸塑；智能服务机器人；外壳工艺；研发流程中图分类号：TQ320.66文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-055-03DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.015作者简介：林军（1987），男，工程师，主要从事汽车整车及零部件设计与开发、智能机器人结构设计工作。近年来，厚板吸塑工艺的发展越来越成熟，因其模具成本低、成型周期快、外观可塑性强等优点，而得到广泛的应用和扩展。另外，近年来扫地机器人等服务型智能机器人在各个领域不断加速发展落地，市场对机器人产量以及外观的要求越来越高，使厚板吸塑工艺在智能服务机器人行业上的应用成为可能，本文将通过以下几个方面来探讨。1智能服务机器人外壳工艺需求分析1.1智能服务机器人发展现状1随着 AI人工智能化概念及该领域技术的深入研究，其应用步伐越来越快；另一方面，随着生活水平的不断提高，重复劳动性岗位人力缺失严重，从而更快的推动人工智能机器人的相关产品应用于各个领域。其中最具代表性的就是智能服务机器人，包含了室外智能扫地机器人、智能消杀机器人、智能迎宾服务机器人、智能安防巡逻机器人、智能巡检机器人、智能配送机器人、智能接驳机器人等等。1.2机器人外壳需求近年来，随着人工智能技术的突破以及核心零部件成本的下降，智能服务机器人的市场得以扩展，市面上的机器人产量也随之增加。但是，核心技术仍在不断的更新迭代，且机器人市场也仅是刚刚打开阶段，多为B端市场，并未真正下探到C端市场，所以对产品量级要求不高，而是对产品开发周期、成本，以及产品的多样性有着很高的要求。若机器人外壳采用注塑成型工艺，模具成本高；而采用钣金等其他工艺，外型不够简洁美观，达不到产品轻量化的需求。因此，急需一种适用性高的成型工艺来满足目前智能服务机器人外壳工艺的需求。2厚板吸塑工艺简介2.1厚板吸塑工艺介绍产品外壳成型工艺一般有：注塑成型、挤出成型、吹塑成型、吸塑成型2等。吸塑成型工艺早年多用于薄板材的产品成型，一般厚度在1 mm以下；随着吸塑成型工艺和设备的发展，近些年，针对厚板材的吸塑工艺也逐渐成熟。利用先进的吸塑设备和工艺就能很好的成型出板材厚度大于2 mm的产品，最大厚度甚至能达到 10 mm。该成型板材厚度大于 2 mm的吸塑工艺，行业上称为厚板吸塑。由于智能服务机器人外壳需要厚度适中的成型方案，因此厚板吸塑成型工艺达到了智能服务机器人外壳需求的基本条件。2.2厚板吸塑工艺优点由于有了先进的吸塑设备，厚板吸塑工艺不仅能生产成型大厚度的产品，也能一次性生产成型较大面积的产品。因其模具为单片模，结构相对简单，且对模具寿命要求不高，模具材质选择和加工的难度降低，从而使模具成本大大降低；同时开发周期亦大大缩短，更加适用于小批量的生产。另外同样一副厚板吸塑模具，可以使用不同材料、不同厚度的板材，从而成型出不同尺寸的产品，为产品研发提供了便利，可根据设计状态即时调整设计参数，而不用修改模具甚至报废模具。552023年1月机电技术机电技术厚板吸塑因其主要材料为塑料，又有模具可成型曲面，故制造出来的型面更加柔和精美，可进行高亮表面处理，外观简洁美观，亦有助于轻量化设计。结合后期的二次加工，可生产相较注塑成型工艺更为复杂的结构，使设计更加灵活。3厚板吸塑工艺特点分析通过分析厚板吸塑工艺的特点，以指导智能服务机器人外壳产品的设计，从而更好的将厚板吸塑工艺应用于智能服务机器人。3.1二次加工性厚板吸塑模具为单片成型模，因此成型的产品形状较为简单，无法一次成型内部复杂结构，为了满足产品的设计需求，一般会进行二次加工。二次加工分为：机器加工和人工加工。机器加工可应用NC加工中心等设备；人工加工一般进行粘接、打磨等辅助工艺。为了降低二次加工带来二次工艺成本，需要在产品设计阶段，尽可能的简单设计，以减少二次加工量。减少二次加工量，可减少大量工艺时间和工艺成本，提升产品强度，缩短生产周期。3.2成型材质的选择厚板吸塑工艺能成型的材料一般有ABS、PMMA（亚克力）、PC、PP等，无其他要求情况一般选用ABS，价格合适，产品性能好。选用亚克力或者PC材质，可实现透明效果，生产出来的产品具备透光性和透明性；但是工艺要求高，费用也较高。3.3表面处理厚板吸塑成型为单向真空吸塑，成型产品的外表面保留了源板材的表面性能。若源板材选用的是带色泽的光板，则吸塑成型后，可直接为带色泽光面表面性能的产品；若源板材选用的是带纹理的板材，那么即可直接成型出带有皮纹表面性能的产品。该特性省去了外壳产品的表面处理工艺，降低了工艺费用。3.4产品厚度的设定厚板吸塑成型的源板材靠真空吸附在单片模具上，成型的产品会被拉伸，从而产生厚度不均的特点。因此产品厚度的设定，必须考虑产品深度方向上的数值，产品越深，板材吸塑完后，下端处壁厚越薄；如果源板材未选定足够的厚度，产品有可能产生侧壁太薄、甚至缺料的现象。由于产品三维数据上设计的厚度并不能完整体现实际产品的厚度状态，因此产品设计或者模具设计时，侧壁的深度不应太大。例如，某智能服务机器人外壳侧壁深度为300 mm，则源板材选用8 mm的板。吸塑完后，侧壁最下端厚度仅剩1.5 mm左右。3.5脱模角度的设定厚板吸塑工艺，和注塑工艺一样，同样需要考虑产品的脱模性。为了能够让产品顺利脱模，模具侧面必须具有一定的倾斜度。在脱模方向上，模具侧面的倾角被称为脱模角度3。因此产品设计时，必须考虑脱模角度的设定，理论上脱模角度应设计的尽可能大，脱模角度越大，脱模越快，成型周期越短，而且在脱模的过程中制品变形的可能性小。设计时脱模角度一般大于3，至少要大于1。3.6产品外观R角的设计厚板吸塑成型，因其工艺特性，源板材是单方向拉伸成型，故成型的产品会有厚度不均的特点，且在转角处，吸塑成型的R角并不像注塑那样平顺和均匀，它会根据板材在转角处的厚度，进行拉伸延展，从而形成并不均匀、有一定弧度的R角。因此，在产品外观设计时，应当考虑吸塑工艺其厚度不均的特性，特别是在转角处R角的设计。凸模中，模具最小R角半径为1 mm，若该处板厚为 6 mm，那么外表面的 R 角会是半径为 47 mm的不均匀圆弧角。3.7产品BOSS柱、预埋螺母的设计吸塑产品成型时，内表面不能直接成型BOSS柱等固定结构，故需要二次人为的粘接加工。该粘接工艺，采用ABS胶或粘性强适合材质的胶水，将 BOSS 柱紧紧的粘接在产品内表面上。因此，BOSS柱设计时，形状截面应尽可能平整规则，设定位置尽量在平面上，不应设计在弧面上，以免影响粘接精度和强度。可采用预埋螺母方式通过热熔加胶水粘接工艺，将预埋螺母加热后，埋入BOSS柱中，并加胶水固定。3.8产品内壁加强筋的避让设计由于吸塑产品不同于注塑产品，无法直接成型筋条，故需后期进行二次加工，通过人工将经56第1期NC加工的加强筋粘接在产品内表面薄弱处。当两个产品进行拼接粘接的时候，一般也需要在接缝处进行粘接加强筋处理。因此，在产品设计时，应注意到内表面的加强筋避让。4机器人外壳厚板吸塑工艺研发流程4.1设计与开发周期以一款智能服务机器人外壳为例，从产品设计到产品开发完成，最短仅需4个月时间。其中产品结构设计完成大约需要1个月，模具设计制造大约需要 0.51.5个月，产品样件制作到量产1.52个月（依产品复杂度调整）。4.2设计与开发流程产品定义造型面设计结构设计模具设计制造样件制造首轮样件交货产品装机匹配量产（SOP）。4.2.1产品定义根据对市场分析及竞品件的对标，确定产品的技术状态，明确技术标准、性能要求。4.2.2造型面设计对产品外型进行初期的效果图绘制、曲面的设计评审，并最终完成造型曲面的发布。4.2.3结构设计对评审后的造型曲面做结构工程正向设计，设计时应考虑零件的分件和搭接方式，定义间隙面差、吸塑的脱模方向和脱模角度。设计的产品强度应满足使用需求，各部件的设计定位需可靠，应充分考虑各部件安装的可靠性、安装顺序、拆装性（装配流程），最终经评审确定发布产品数据。4.2.4模具设计制造当产品的数据完成发布后，将进行厚板吸塑模具的设计和制造，并根据产品性能要求来选择模具的材料。4.2.5样件制造完成首模样件（T0）产品生产，并对首模样件进行评审，问题修改；完成第二轮试模样件（T1），并对第二轮样件进行评审，问题修改；本轮样件状态可达到交付整机产品装机验证。4.2.6首轮样件交货经过两轮的样件确认，最终确定产品状态，交付产品。4.2.7产品装机匹配第二轮试模样件对应整机产品的首轮样机装配验证，过滤问题点，优化整改。整改后的首轮正式交付产品，对应整机产品的小批量生产（PP）。以上过程状态确认无问题后，准备量产（SOP）阶段生产。4.2.8量产整个厚板吸塑外壳研发流程完成，进入量产（SOP）。5结束语厚板吸塑工艺因其制造成本低、前期投入少、开发周期短、外观可塑性强、结构设计灵活的优点，可满足智能服务机器人对其产品外壳的需求。从机器人外壳的设计开发流程可以看出厚板吸塑成型产品的特点，特别适用于开发周期短、外观要求高的机器人产品。现阶段，智能服务机器人的产品技术迭代快，更新换代周期短，产品市场竞争日趋激烈，产品开发周期要求越来越短，采用厚板吸塑工艺将取得很好的效果。该工艺将会在智能服务机器人行业得以普及应用，为推动智能行业的发展起到积极作用。参考文献：1 张晶晶,陈西广,高佼,等.智能服务机器人发展综述J.人工智能,2018(3):83-96.2 王超,郭沫清.ABS树脂真空吸塑成型J.现代塑料加工应用,2000(5):21-24.3 苏源镇.吸塑工艺及技术简介J.上海包装,2016(8):42-45.林军：厚板吸塑工艺在智能服务机器人上的应用57