1、 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 30 页1 引言机器人技术是一门跨学科的综合性技术,它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等科学领域，是一门新型的综合性技术，而随着制造业的快速发展，柔性生产自动化的数控加工中心也得到了普及，换刀机器人则是柔性自动化制造中非常重要的机电设备。1.1 换刀机器人概念及发展状况从机器人诞生到本世纪 80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人由操作机（机械本体） 、控制器、私服
2、驱动系统和检测传感器装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志 1。1985年美国 K&T公司通过科研在数控（NC）机床基础上创制出了带自动换刀机器人的多工序加工中心（MC） ，在一台机床上能实现铣、钻、镗、攻丝多种工序 2。多复杂箱体型零件加工能减少转换、调整时间，提高精度、效率，自动化，从而可实现减时、节能、省地、减低成本，并能代替部分铣床、钻床、攻丝机等。带
3、有自动换刀机器人的数控加工中心在现代先进制造业种起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工 3。1.1.1 换刀机器人概念换刀机器人是一个具有 4个自由度的比较复杂的运动机构，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调，才能最终保证手爪的位置精度，完成换刀动作 4。自动换刀机器人作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率、降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。换刀机器人完成刀
4、具装卸站与中央刀库之间或中央刀库与机床（加工单元）刀具之间的刀具交换。刀具在刀具装卸站上，只是暂存一下。根据刀具工作站计算机本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 30 页的指令，换刀机器人将刀具装卸站的刀具搬移至中央刀库中，等待加工时调用。同时，再根据生产计划和工艺规程的要求，换刀机器人又从中央刀库将各加工单元需求的刀具取出，送至各加工单元，准备加工。工件加工完成后，当发现刀具需要刃磨，根据刀具工作站指令，换刀机器人人又将这些从机床上卸下来的刀具从各加工单元取走，送回中央刀库，将一些需要重磨或重新调整的刀具甚至已经断裂了的刀具送至刀具装卸站 5。由于各厂商根据各自
5、产品的不同特点设计生产自动换刀机器人，所以自动换刀机器人结构种类繁多。在激烈竞争以及现实多变的市场需求驱动下，产品需要不断创新并能够快速响应市场。因此，为了适应市场对加工中心的各种需求，有必要对自动换刀机器人进行系统的设计研究，以产生新的设计概念和快速的换刀装置。一些相关文献对于有关机构概念设计的问题已经做了很多研究。然而很少有相关文献涉及做空间运动的开链机构的方案设计，由于自动换刀机器人是一种典型的开链机构，因此其创新设计概念相对较新，有关的系统研究文献很少。一些文献仅限于适合某种加工中心的某类型自动换刀机器人研究其设计问题或者仅对自动换刀机器人做简单介绍。根据机床功能要求以及整体布局，自动
6、换刀机器人结构形式也多种多样。而自动换刀机器人主要有如下特性：a) 对于机床的相对独立性。b) 每个部分的功能相对确定。目前，加工中心的各种不同类型的换刀机器人一般都是生产商根据各自产品的特点进行设计 6。1.1.2 换刀机器人发展状况目前我国机器人技术相当于国外发达国家 20世纪 80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、告诉与高效的关键部件。目前在世界上，对加工中心的换刀机器人的需求在迅速增长，这是由于科技日益发展，各种机电产品向精密化、轻量化、小型化发展，复杂件增多，工艺上复杂对多工序。多功能的加工中心需求日增。特别是，对高性能、高档的换刀机器人需求量不断增多。美国是
7、当今世界上加工中心呢消费最多的国家，中国由于经济发展迅速，机械工业各部门，如汽车、航空、军工、模具发展生产的需求，对换刀机器人的需要量迅速增加。随着世界和本国的经济形势变化、市场需求增减，各国（地本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 30 页区）换刀机器人的产量在不断波动变化但总的趋势是不断增加 7。近 10年来，国产加工中心的换刀机器人的产量稳步增长，特别是进入新世纪以来，国产加工中心的产量直线上升，连上台阶。尽管如此，国产换刀机器人的产量远远满足不了我国市场的需求。产量和消费量的差距越来越大，每年需从国外进口大量的加工中心 8。虽然因为工业基础方面的原因，我国
8、在换刀机器人本体的生产水平方面与过外还有较大差距，但在机器人应用技术和系统集成等方面，与国外先进水平的差距已经不大。目前国内的工业机器人市场已经逐步走向成熟，应用范围也越来越广。随着我国经济的不断发展，国内外市场竞争将更加激烈，制造业对产品质量和生产率的要求越来越高，人力成本也将不断提高，作为全球制造工厂的我国制造业对换刀机器人的需求也将会在较短时间内进入快速发展时期 9。1.2 换刀机器人未来发展趋势正由于地轨式的局限性，换刀机器人正向空间导轨式发展。空中导轨式能充分利用空间，占地面积小，能适应各种条件的换刀工作。同时为了使工作空间更大，结构安排更容易，精密度更高，可以根据需要分别采用空间单
9、轨和双轨两种换刀机器人。采用换刀机器人可以使机床刀库与中央刀库的刀具交换与加工同时进行，机床可实现连续加工。近几年来，伴随着全球机床产业正朝着全方位、高效率、高速度、多功能的柔性制造系统的演进趋势以及降低生产成本等的发展需求。换刀机器人将有如下发展 10：1） 换刀机器人系统要能承载重量 70kg以上的超重刀具，并且要拥有强力锁刀装置，以防止重型刀具在运行中坠落；2） 对不同类型刀具的容纳能力将更强，以便时常变换使用在多种主轴的加工中心；3） 向着高效率且定位精确的驱动和选刀系统发展，发展出更高精度且配高质量、高定位的伺服电机及减速机，以符合选刀的迅速和换刀的精确；4） 换刀机器人也向着质量轻
10、，成本低，但能有高容量的刀库发展，提高换刀效率。如今，高速加工中心的切削技术和柔性制造技术正飞速发展起来，他们能进一步减少加工时间、提高加工生产率。因此，换刀机器人技术也伴随着两者的发展而本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 30 页发展，换刀机器人技术主要是减少加工辅助时间，而且正处于发展阶段，换刀机器人技术的新技术新方法正不断出现和改进，使得加工中心的切削技术和柔性制造的效率进一步得到提高。1.3 课题研究意义换刀机器人，是加工中心稳定可靠运行的关键功能部件。它的快速、准确的换刀程序是影响加工中心发挥高效、可靠的加工性能的重要因素。有资料显示，换刀机器人的故障
11、率站整机故障率的 25%11。刀库中的刀具与主轴上的刀具交换的动作的多少及机构的复杂程度直接影响换刀机器人的工作效率，可靠性和可维护性。许多加工中心的换刀机器人结构复杂，换刀动作多，机械手换刀的准备时间长。当主轴上的刀具工作时间很短时，由于机械手的换刀准备时间长，主轴在换刀点需要等待一段时间，影响加工中心的效率。又由于换刀的动作多，机构复杂，可靠性降低。当出现故障时，维护困难。希望通过对加工中心换刀过程的分析和研究，在导师的指导下，和同一小组的同学设计一个换刀机器人，使得换刀动作减少，机构简化。提高它的可靠性、稳定性和可维护性。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共
12、 30 页2 方案论证2.1 技术要求换刀机器人用于工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成机床与刀库之间的换刀过程。根据机器人的作业要求，确定其大致的作业空间，该机器人是用来控制一条生产线上的中央刀库与加工中心主轴之间的换刀，同时服务于多台加工中心，所以其移动距离相对较长，中央刀库与加工中心主轴上的刀架有一定的高度落差，所以换刀过程中，该机器人还要作垂直方向的运动。换刀机器人为直角坐标组合式的结构，为达到手臂的运动范围，需要有四个自由度，即纵向移动、横向移动、垂直升降运动和手臂的旋转运动。技术要求：结构形式： 组合式直角坐标加旋转；自由度数： 4；负载重量： 10 Kg （单爪）末
13、端操作器： 双手爪工作空间： 纵向 11m；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 8 m/min；旋转 16 rpm；重复定位精度： 0.6mm；记忆刀位数： 不小于 170把，可扩展；总重量： 600 kg.本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 30 页2.2 总体方案设计2.21 运动系统方案设计从以上的分析介绍，可以得出换刀机器人的设计特点和设计要求如下：特点：1）换刀机器人各个组成部分的功能具有相对的独立性；2） 换刀机器人组成结构与各部件的相对位置关系密切
14、相关；3） 换刀机器人的设计必须考虑纵向、横向、垂直和手臂旋转运动的参与。要求：1） 换刀时间越短越好；2） 换刀机构所占的空间小；3） 换刀机器人机械构造简单4） 换刀机器人机械构造简单；换刀时，不可与工件或工作台发生干涉；5） 能够在切削时间内完成换刀前的准备动作；6） 刀库与换刀机器人最好同机床主体分开，防止振动对精度的影响；7） 设计标准化或模块化；8） 良好的可靠性和定位精度；9） 足够的刀具夹紧力合夹持力。根据以上功能要求，经过对换刀系统的操作流程仔细研究以后，其主要的技术指标和计算参数如下：1） 运动范围根据任务设计要求其运动范围为：纵向行走 11m，横向移动 0.6m，升降 1
15、m，旋转 1802） 自由度的确定该机器人要完成的动作有纵向移动、横向移动、垂直升降移动、手臂旋转移动，由此确定该机器人的自由度为四个。3） 结构形式的选择本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 30 页工业机器人的结构形式主要有三种，直角坐标机器人结构、圆柱坐标机器人结构、球坐标机器人结构、关节型机器人结构。直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于直线运动易于实现全闭环控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度。圆柱坐标机器人的空间运动是一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度一般。圆柱坐标机器人的空间运动是
16、由两个回转运动加一个直线运动完成的。这种机器人结构简单，成本低，但精度不够高。关节型机器人的运动空间是由三个回转运动实现的。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。根据本设计的要求，换刀机器人要完成横向、纵向和垂直三个直线运动。故采用直角坐标机器人结构。同时考虑到设计的要求，所以最终的坐标形式是：组合式直角坐标加旋转。结合空间分析得出的结论要求四个自由度，所以其运动简图如图 2.1所示：图 2.1 换刀机器人总体示意图4）轨道形式轨道的形式有两种：单轨和双轨。在确定机器人工作空间后，由于换刀位置离本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 30 页地面有一定的高度，
17、而且加工中心和中央刀库分布在导轨的两侧，因此，采用双轨的形式。单轨不利于横向运动，而且机器人本身的重量多达几百千克，在运动的过程中会受到惯性等因素的影响，使运动偏离正常的工作要求，也无法摆正位置精度。采用双轨形式可以避免这些问题，同时也节省了空间。本设计要求纵向移动导轨 11米，横向导轨 0.6米，垂直导轨 1米。如果采用单轨再考虑导轨刚度的问题，动力性能也不如双轨形式。当然双轨也有面临的问题是对它的调整要求高，防护和保养要求高，但是相对比较而言，采用双轨比单轨好处多。所以本设计综合考虑各方面的因素后，采用双轨形式。5） 定位精度在本设计中通过对机构的优化和各传动机构的精度控制来实现换刀机器人
18、的定位精度。通过伺服电机和齿轮减速器能提高传动精度和旋转时的精度，手部手指在设计时加入了凸形块，能刚好卡住刀柄的凹槽，提高定位精度。6） 动力执行机构驱动器或驱动单元是机器人的动力执行机构。根据动力源的不同，可分为电动驱动、液压驱动和气动驱动三类。气动驱动速度快，结构简单，成本低，有较高的重复定位精度，但出力不大。液压式的出力较大，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，但对液压回路要求较高，结构较复杂。因此，实际运用中采用电动驱动比较好。电动驱动多数情况下采用直流、交流伺服电机，也可用力矩电机、步进电机等。根据本设计的精度要求，力矩电机和步进电机以及交流伺服电机虽能满足精度要求，但不实惠，故采用
19、直流伺服电机。经过比较后，本设计中的动力执行机构采用电动驱动。2.2.2 传动系统方案设计换刀机器人传动系统的设计主要是根据速度参数、驱动方式等选择传动方式和传动元件关于横向移动部分：横向移动和垂直升降部分唯一不同的地方就是受力方式不一样，因此仍采用滚珠丝杠副和滚动导轨副相配合传动。只是横向运动的那个钟螺母不和窜动时只能做直线运动。特点是：结构简单、紧凑、刚度大和承受能力较好符合设计的要求，如图 2.2所示：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 30 页图 2.2 横纵向移动系统示意图图 2.3 横纵向移动系统侧视图关于纵向移动部分，纵向移动部分属于长距离运动，长
20、达 11m，不能采用齿轮传动或者丝杠传动，因为无法满足定位精度和重读定位精度，更重要的是效率太低，达不到工业运用的目的。所以根据各个传动的特点，选择齿轮齿条传动，利用圆柱导轨导向运动。并采用双轨的特点就可以满足要求。选择齿轮齿条传动，利用圆柱导轨导向运动。并采用双轨的特点就可以满足要求。关于手爪部分：可采用气动也可采用电动。为了使整个机器人驱动方式的协调本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 30 页和平稳。同时简化结构，本设计采用电动方式，因此传动部分相对比较简单，这使得手爪结构简单、体积小，减轻了手臂的重量，增加了手臂的灵活性和相对空间位置的定位性。手爪的结构
21、示意图如图 2.4所示：图 2.4 手爪结构示意图手臂旋转部分：采用直流伺服电机驱动。同时为了减小部件的重量和体积。提高传动效率，改善系统的动力学性能，目前技术研发了新的机械结构，如：行星齿轮传动、谐波齿轮传动等。从传动效率看，直齿轮减速器效率较高，而且传动比大，承载能力强，传动平稳，传动精度高，体积小，质量轻等优点，所以采用直齿轮传动比较合适。关于升降部分：升降部分主要是体现机器人的上下垂直运动，把电机的旋转运动变换为机构的上下直线运动。采用的方式可以是蜗轮蜗杆传动，可以是圆锥齿轮传动。这两种传动方式，相对比较而言传动效率都低，而且传动精度也不高。因此，采用滚珠丝杠副传动。这种传动有以下几个
22、特点：1） 传动效率高，摩擦损失小；2） 给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹的间隙。适当预紧后的滚珠丝杠副，可消除螺纹间隙，这样方向时就没有空程死区。反向定位精度高。与常规丝杠螺母副相比有较高的轴向刚度；3） 运动平稳，无爬行现象，传动精度高。滚珠丝杠副基本是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小对运动的速度影响很小，可以忽略。这样可以摆正运动的平稳性而不易出现爬行现象，故传动精度高；4） 有可逆性。由于滚珠丝杠副摩擦损失小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动，即丝杠和螺母可作为主动件，也可作为从动件；5） 磨损小，使用寿命长。因为滚珠摩擦的摩擦系数小，磨损亦小，故寿命长；
