1、 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 37 页1 绪论柔性生产自动化的数控加工中心正普及化，换刀机器人作为 FMS 中非常重要的部分，被越来越受到重视，并也在日新月异的发展。它的出现会使制造业变得更方便化，轻松化。机器人技术涉及力学、机构学、机械设计、液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等众多领域。1.1 换刀机器人的概念所谓换刀机器人，就是一个 4 个自由度的比较复杂并且有快速自动换刀装置的运动机构，在机器人运行过程中需要精确控制末端操作器(手爪)到达指定的位置，需要避开障碍物以及多轴插补运动等 。因此，不仅要求每个关节能1准确到达各自的设定位置，而且要求各关节之间能恰当地协
2、调，才能最终保证手爪的位置精度，完成换刀动作，实现复杂结构件连续加工过程中的自动换刀。21.2 换刀机器人的发展从换刀机器人发展的历史来看，1956 年换刀机器人开始萌芽，美国 IBM 公司研制成功了刀具程序控制装置，同期在日本富士通公司成功研究了数控转塔式冲床。1958 年随着计算机辅助制造技术的发展，美国 K 横向 0.6m; 升降 1m; 旋转 180运行速度 五档可调最大运行速度 纵向 33.6 m/min; 横向 16 m/min;升降 8m/min; 旋转 16 rpm重复定位精度 0.6 mm记忆刀位数 不小于 170 把,可扩展总重量 600 kg工作要求：（1）完成总体方案的
3、论证设计； （2）完成水平移动系统设计；（3）绘制总装图、部件图和零件图；（4）撰写设计说明书。2.2.2 总体方案拟定1）工作空间 工作空间是指机器人正常运行时，手部参考点能在空间活动的最大范围，是机器人的主要技术参数。2）结构型式换刀机器人对于外界环境能够做出良好反应的基础是要有一个具有优异运动特性的移动平台。机器人平台的移动机构是机器人的一个关键组成部分，它直接影响到整个机器人的运动精度、灵活性乃至整个系统的可靠性。换刀机器人在空间运动，采用直角坐标加旋转的组合式型式。换刀机器人的结构形式为组合式，具有纵向移动走、横向移动、垂直升降和手腕旋转 4 个自由度，并带有无源式双机械手爪。3）重
4、复定位精度本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 37 页重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响，它影响一批零件加工的一致性，是一个非常重要的精度指标。滚珠丝杠将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动。具有有传动效率高，定位准确等特点本设计采用滚珠丝杆来保证重复定位精度。提高重复定位精度。4）驱动方式驱动装置的质量尽可能要轻。单位质量的输出功率要高，效率高。反应速度要快。要求力质量比和力矩转动惯量比要大。动作平滑，不产生冲击。控制灵活，位移偏差和速度偏差小。安全可靠。操作维修方便等。液压驱动适用大负载的情形；气压驱动适用节拍快、负载小且精度要求
5、不高的场合（因为空气具有可压缩性） ；电力驱动适用中等负载，特别适合于动作复杂、运动轨迹严格的各类机器人。直流伺服电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便的在宽范围内实现平滑无极调速。换刀机器人所有关节均采用直流伺服电机驱动。伺服驱动系统分为四组，每组独立驱动一个关节。每组伺服驱动单元由伺服控制器、伺服控制单元、伺服电机抱闸、光电编码器组成，采用 PWM 速度调制。位置、速度、电流三闭环结构和数字伺服技术。5）传动方式换刀机器人要求工作连贯，运动精度高，齿轮齿条传动能保证瞬时传动比恒定，平稳性较高，传递运动准确可靠；传递的功率和速度范围较大；结构紧凑、工作可靠，可实现较大的传动比；传动效率
6、高，使用寿命长。故纵向移动系统选用齿轮齿条传动。由于横向移动系统距离较短，故选用滚珠丝杠副传动装置。本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 37 页图 2-3 机器人外形图本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 37 页3 换刀机器人的机械系统设计3.1 换刀机器人的执行机构设计3.1.1 总体结构设计图 3-1 换刀机器人总体结构示意图3.1.2 末端执行机构设计换刀机器人的末端执行机构设计是用来抓持刀具的部件。手部抓持刀具的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到换刀机械手的工作性能，它是换刀机械手的关键部件之一。图 3-2 末端执行器本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 37 页
7、设计时要注意的问题：a. 末端执行机构应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧刀具，除考虑夹持刀具的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。b. 末端执行机构应有一定的开闭范围。其大小不仅与刀具的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。c. 应能保证刀具在末端执行机构内准确定位。d. 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。e. 根据应用条件考虑通用性。3.1.3 水平移动系统设计图 3-3 换刀机器人横向纵向运动示意图本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 37 页4 水平移动系统的设计4.1 伺服系统方案设计伺服电机的选取换刀机器人的水平采用了伺服电机驱动，下
8、面就给出各种驱动方式的比较，以作为选取伺服电机作为驱动方式的依据。表 4-1 各种驱动方式比较驱动方式电机 驱动比较内 容 机械传动异步电机，直流电机步进或伺服电机气压传动 液压传动输出力矩输出力矩较大 输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨
9、迹控制应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用由上表可知伺服电机应用于驱动换刀机器人有着许多无可替代的优点，如控制性能好，可精确定位，体积较小可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手等，下面就对伺服电机的型号进行选取。电机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的。在考虑机械减速机构的传动比值时，两者相互配合，经过在技术、经济全面比较的基础上，通常电动机的转速不能低于 500r/min，当功率一定时，电动机的转速越低，则其尺寸越大，价格就越昂贵，而且效率也就越低。但是如果选用高速电动机，势必加大机械减速机构的传动比，致使机械传动部分变得复杂 。9要求快速频繁启动、制动的机械，通常是电动机的转动惯量与额定转速平
