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
23、命长；本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 30 页6） 制造工艺复杂。滚珠丝杠和螺母等的加工精度要求高，表面粗糙度值要求低；7） 不能自锁，特别是垂直安装的丝杠，由于自身质量的惯性力作用，下降时，当传动切断后不能立即停止运动，故常需添加制动装置。应用滚珠丝杠和滚动导轨副相配合传动，导轨承受载荷和导向升降部分采用如图 2.5所示滚珠丝杠，其特点是螺母只能移动且必须是轴向移动，而丝杠是轴向移动，当丝杠不动时，螺母必须有自锁功能，并且定位要准确。这样就可以在重复定位精度范围内实现上下移动或垂直升降运动。图 2.5 垂直升降系统示意图2.2.3 伺服系统方案设计伺服电
24、动机的选择选择要求：机器人控制系统的任务就是要驱动各部分关节机器人按照规划的轨迹在空间运动。机器人各部分输出的转矩是伺服误差的函数，并且有使伺服误差减小的趋势，从而机器人才会按照所要求的控制来执行任务，所以基于误差驱动的闭环伺服系统的基本性能就是满足系统的稳定性，同时要求系统具有一定的快速响应能力和精度本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 30 页指标，这样才能保证课题要求的运动中重复定位精度：0.6 mm。因此，在选用控制方式时根据课题的要求，综合考虑到这些方面，选用的控制方式为闭环反馈的点位控制。采用直流伺服电动机的最大特点除可控外还具有以下特点：1） 调速
25、范围广；2） 转子惯性小；3） 控制功率小，可靠性好。直流伺服电机的应用方案对于换刀机器人关节驱动的电动机，要求有罪大功率质量比和扭矩惯量比、高启动、转矩低惯量和较宽广且平滑的调速范围。特别是机器人末端操作器（旋转部）应采用体积、质量尽可能小的电动机，尤其是要求快速响应时，伺服电动机必须具有较高的可靠性和稳定性，并且具有较大的短时过载能力。这是伺服电动机在工业机器人中应用的先决条件。由于高启动转矩，大转矩、低惯量的交直流伺服电动机在工业机器人中得到广泛应用，一般负载 1000N（相当于 100kgf）以下的工业机器人大多采用电伺服驱动系统。所采用的关节驱动电动机主要是 AC伺服电动机、步进电动
26、机和 DC伺服电动机。其中，交流伺服电动机、直流伺服电动机、直接驱动电动机（DD）均采用位置闭环控制，一般应用于高精度、高速度的机器人驱动系统中。工业机器人电动伺服系统的一般结构分为三个闭环控制，即电流环、速度环、和位置环。综合以上因素的分析和考虑，该换刀机器人的关节驱动均采用直流伺服电动机，同时电动伺服系统为闭环反馈的控制系统。2.3 总体方案确定根据以上各部分的方案设计和论证，确定出可行性方案。本设计采用双轨机器人，这是因为双轨工作范围大，容易布置结构，精度也高，单轨不利于横向运动的要求，且单轨的刚度也较低，根据工作空间的环境，本设计采用空中导轨式，极大的减少了设备的占地空间，可保证较高的
27、精度和运动平稳性，不过调整要求较高。采用伺服电机作为动力系统，相对成本要求较高，但位置精度和速度精度高，能够保证换刀精度。手爪取刀后应该具有保持功能，即在运动过程或突然断电的情况下，刀具不会本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 30 页自行脱落。手爪的张开和抓紧靠电磁铁控制，而自锁则由弹簧来完成。在横向、升降和纵向自由度的导轨上设计有机械式限位块装置，防止失控时机构损伤和滑落。由于机器人在空中移动，而且高度大约在 2 m左右。在导轨部装有防止倾覆的装置，并且设计结构的重心要尽量的低，以提高安全性。机器人的运动平稳性指在启动过程中速度变化的特性。根据给出的速度可知
28、，各轴的速度，同时可知加速度并不是很大，这样既可以缩短启动及控制时间，又可以降低速度的突变，不会产生太大的冲击。在每个自由度中，本设计采用刚性比较好、精度高的部件结构，更主要的是在传动系统中加缓冲装置和定位装置，以减少定位前的冲击和变形。机器人的升降和纵向采用滚珠丝杠传动，传动效率高，而且位置精度高。3 执行系统的设计换刀机器人执行系统由纵向移动机构、横向移动滑台、垂直升降体、手臂旋转和双手爪五部分组成。3.1 纵向移动机构纵向移动机构是机器人的基础部分，横向移动，垂直升降等机构都要空置在纵向滑台上。纵向机构承载的机器人总重为 600 kg，所以框架结构采用空心矩形截面，以达到良好的刚度、强度
29、，同时保证轻量化和稳定性的要求。传动机构采用单边齿轮齿条传动，由直流伺服电机通过圆柱齿轮减速器带动行走齿轮和齿条啮合，纵向机构沿 11 m长的导轨运动。为保证纵向运动精度，主导轨一侧安装导向轮。传动机构的空间直接影响手爪的正常工作，圆柱齿轮减速器采用偏心套筒机构，以消除减速器空回。为调整齿轮齿条啮合间隙，减速器设计为整体可调式，为增加稳定性、安全性，在导轨与行走机构之间放置防倾覆轮。机构布局要考虑重量的分布和重心高度。加工中心最高处约 1.9 m则导轨所在高度在 2 m左右。3.2 横向移动机构横向移动采用上置式方案，横向移动部分完全置于导轨之上，此外还带动升降体和手部一起运动。传动丝杆采用双
30、螺母预紧，以消除间隙。丝杆端与电机轴联接，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 30 页螺母带动滑台运动，导轨期支撑和导向的作用。导轨两端设有限位挡块，以保证滑动部分在工作行程内运动不发生滑脱的情况。3.3 垂直升降机构升降系统采用滚珠丝杠副传动，滚珠导轨作为导向机构。传动方式：直流伺服电机轴与丝杆通过联轴器直接联接，丝杆由伺服电机驱动旋转，而轴向移动杯限制。则丝杆螺母带动升降滑台作垂直升降移动。在升降系统中，为防止意外情况，诸如突然断电等情况时，升降滑台在自身重力作用下向下滑移，以保证工作情况的安全性和系统的精度。由于滚珠丝杆没有自锁功能，所以只能采用其他办法
31、解决此问题。本设计中采用带有制动器的直流伺服电机，在意外情况发生时，电机的制动器可限制升降部分的滑动。3.4 末端操作器标准工业机器人不只是一台具有若干自由度的机电装置，孤立的一台机器人在生产中没有任何价值。只是根据作业内容，工件形状、质量和大小等工艺因素，给机器人配有相应的辅助机械装置，机器人才会成为实用的加工设备。这种辅助装置的性能极大地影响着机器人在实际生产中的作用。也是多年来人们给予重点研究的内容。最为重要的辅助装置有机器人末端操作器。机器人末端操作器有很多种分类，按操作要求分类有搬运类、加工中心和测量类等。本设计中的换刀机器人末端操作器属于搬运类。搬运类末端操作器是指各种夹持装置，用
32、来抓取或吸附被搬运的物体。它的用途广泛、结构各异。多数需要进行专门设计。设计机器人末端操作器时，要注意一下几项基本要求：1）末端操作器要根据机器人作业的要求来设计，尽量选用已定型的标准基础件，配以恰当的机构和连接件组合成适合生产作业要求的末端操作器。一种新型末端操作器的实现，就可以增加一种机器人新的应用场所。2）末端操作器的质量要尽可能地轻，并力求结构紧凑。3）正确对待末端操作器的通用性与专一性。万能的末端操作器结构相当复杂，几乎不可能实现。目前在实际应用中，仍然是结构简单、通用性不强的末端操作器本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 30 页最为适用，因此要着重
33、开发各种各样专用的、高效率的末端操作器，加上末端操作器的快速更换装置，从而实现机器人的多种作业功能。手臂的任务是带动手爪旋转 180，其传动结构为直流伺服电机输出，通过联轴器与齿轮减速器相连，齿轮减速器的输出轴带动双手爪转动。同时选择轴向尺寸较小的电机提高升降部分的有效行程。3.5 机械手爪换刀机器人的主要功能由末端操作器双手爪来实现换刀，手爪应该完成取刀、保持、换刀的功能。因此手爪部分的设计也是机械结构设计的一个关键。为减少驱动元件，保证结构紧凑，手爪结构采用连杆式。当手爪张开到取刀位置时，电磁铁通过锲块，推动杠杆机构使手爪合拢，手指定位块与刀柄上的定位槽结合，使刀具保持不动，横向移动时，刀
34、具取出。为了把刀具夹紧，防止换刀过程中松动或脱落，在计算夹紧所需的夹紧力时，除考虑刀具重量外，还要考虑到换刀过程中的惯性。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 30 页4 末端操作器的设计4.1 手部结构设计及计算计算参数如下：负载重量： 10 kg （单爪）末端操作器： 双手爪4.1.1 手部结构选择手部是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持式常见的主要
35、有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式。根据换刀机器人的作业要求，其工作时是夹持刀具，所以该机器人手部采用夹钳式。夹钳式手部是由手指、传动机构偶和驱动装置三部分组成的。4.1.2 手部驱动力计算1） 手指握力的计算当手指水平位置夹持垂直刀具时，手指握住刀具时需要的夹紧力最大，取安全系数为 2，负载重量为 10 kg，则握力为：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 30 页(4-1)(1968.*02NmgN2) 手部的驱动力计算如图 4.1所示，P 为驱动力，G 为刀具的重量，N 为手指夹住刀具的夹紧力，由下列公式 12（4-2）tgacb2图 4.1 手部手受力分析
36、其中 c为动力臂，b 为阻力臂， cb5.1取 。015从而 03NtgaP在计算手部驱动力 P时，除了要考虑被加持刀具的重力外，还要考虑刀具在传动式惯性力、振动及传动效率的影响，其实际驱动力：（4-3）21k实式中：P理论驱动力-手部机械效率-安全系数，一般取 1.2-21k本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 30 页-工作情况系数，主要考虑惯性力及振动等因素。一般取 1.0-2.52k在此分别取值： =0.9 ， =1.3 ， =1 。从而：1k2（4-4）NtgP289.0156*3. 0实 际4.2 手部驱动方式选择及计算4.2.1 驱动方式选择机器人
37、手部的驱动方式主要有三种(1) 气动驱动方式(2) 电动驱动方式(3) 液压驱动方式考虑到机器人的工作行程较大，以及机器人结构尽量简便和经济性，故采用电动驱动方式。采用电动驱动能使手部结构简便，重量减轻。图 4.2是一种电磁式锲块杠杆式手爪。电磁铁心在电磁场的作用下产生直线运动，推动锲块产生王府运动，使手爪的手指产生夹紧及松开的动作。图 4.2 电磁式锲块杠杆式手爪4.2.2 电磁铁的选择推拉式电磁铁主要由外壳、定铁芯、动铁芯和线圈四部分组成。线圈通电后，动铁芯产生轴向直线运动，起到推、拉外接负载装置的功能。由于采用高导磁的材料和带有锥形配合的磁路结构，因此产品虽然体积小、重量轻，但与常规的小
38、型电本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 30 页磁铁相比，其行程和吸引力都较大。经过选择采用 TCT592推拉式电磁铁。该电磁铁的参数如下：直径：59mm高度：66.6mm行程：1-20mm负载：280N重量：1kg4.3 手指的设计加工中心所使用的刀柄类型：加工中心所用的刀具是由通用刀具（又称工作头或刀头）和与加工中心主轴前端锥孔配套的刀柄等组成。在加工中心机床上，各种刀具分别装在刀库中，按程序的规定自动换刀。因此必须采用标准刀柄，以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的刀具能迅速、准确地装到机床主轴上。加工中心机床所用的刀具必须适应加工中心告诉、高效和自动化程度高
39、的特点，其刀柄部分要联接通用刀具并安装在机床主轴上，由于加工中心类型不同，其刀柄柄部的形式及尺寸不尽相同。JT（ISO7388）表示加工中心机床用的锥柄柄部（带有机械手夹持槽） ，气候面的数字表示相应的 ISO锥度号。该加工中心所采用的刀柄为 40T刀柄：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 30 页图 4.3 刀柄机构示意图根据 40号刀柄的类型该机械手手指实际时要带有能卡住刀柄开口槽的定位块,这样即使在手部驱动力减小的情况下手指也能夹紧刀具.设计如下图 4.4：图 4.4 手指示意图4.4 手部转动力矩计算查资料 13得(4-4)偏摩惯转 M(4-5)启惯
40、tI本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 30 页(4-6)转摩 M.10(4-7)eG偏以上式中- 转动力矩（ ）转 mN- 惯性力矩（ ）惯M- 偏心力矩（ ）偏 - 手臂转动惯量（ ）J2mkg- 转动角速度（rad/s）- 手臂转动启动时间（s）,一般取 0.05-0.3s；启t- 工件重心到手臂回转轴线的垂直距离e- 工件重量1G因为手臂采用的材料是铝合金，根据手臂的尺寸如图 4.5所示，计算出手臂的重量 .1m（4-8）vm1密度： 3/7.2cg体积： hsv底面积： 2r（4-9）21S kgcmcgvmhs 873.1005.427/7.295
41、4.3).( 31 22 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 30 页图 4.5 手臂尺寸示意图因为电磁铁的重量为 1kg，又手臂为对称结构，需要两个电磁铁，故电磁铁总重。kgm2手臂上手指等其他结构总重 kgm3当手爪夹持在工件的重心（中间）位置回转 1800，则根据刚体对轴的转动惯量公式（4-10）21lJ其中 321m得手臂转动惯量 222321 07.19.1387.0mkglmJ 又惯性力矩：启惯 tMJ秒启 .20t因手臂旋转要求为 16rpm,则： )/(675.102srad即 ）（启惯 mtJMN8.92.本 科 毕 业 设 计 说 明 书
42、（ 论 文 ） 第 23 页 共 30 页又 kgG10me5.4则 )(1.8.91NeM偏所以 ）（转 转 转转 偏摩惯转 mNM5.81473.901.4.06.4.5 电机及齿轮减速器的选择4.5.1 电机的选择根据估算比较，选择苏州东炜庭电机有限公司 DC-12SP直流伺服电动机，其主要数据如下表：表 4.1 DC-12SP直流伺服电动机主要技术数据本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 30 页从中选取电压 12V，功率为 200W的电机。此伺服电机的主要特点：1）直流电机控制简单，调速性能好；2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车；3）具有全闭环控
43、制功能，提高系统精度；4）易于控制。4.5.2 齿轮减速器的选择根据换刀机器人的工作情况和精度要求，由伺服电机输出的转速和转矩并不能满足作业要求，所以需要在电机和换刀臂联接中间添加齿轮减速器，已达到减速增距的作用。根据前面的计算，换刀臂的转矩为 14.85 ，旋转 1800，旋转速度为mN16rpm，选用的私服电机转速是 3200rpm。则根据公式 14(4-11)输 出输 入ni其中：i-减速比-电机输出转速输 入n-减速器输出转速输 出得 20163i本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 30 页苏州东炜庭电机有限公司 DC-12SP直流伺服电动机有配套的齿
44、轮减速器可供选择，型号为 5GU-K，安装尺寸如下图：图 4.6 齿轮减速器安装尺寸附齿轮箱扭转力矩表：表 4.2 齿轮箱允许力矩本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 26 页 共 30 页根据减速比 i=200，查表得到对应变速档。该齿轮减速器特点如下：1) 能力高 齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。2) 传动比大 单级齿轮比已达 i=200.3) 体积小，重量轻。4）传动效率高、寿命长。5）传动平稳。无冲击，噪音低，运动精度高。5 联轴器的选择和转矩校核本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）
45、 第 27 页 共 30 页5.1 联轴器的选择电机和减速器之间输出功率较为平稳，且传动距离近，对中性较好，但电机启动、变速、反转频繁，所以考虑选用能够缓冲吸振的弹性联轴器。已知电机转速 3600rpm,传递扭矩 0.196N m.直流伺服电机输出轴直径为 15mm，谐波减速器输入直径为 15mm，选用弹性套柱销联轴器 LT2。其基本参数和主要尺寸如下 ；14名称 单位 数值许用转矩 N m16许用转速 r/min 7600轴孔直径 Mm 12、14轴孔长度 Mm 35质量 Kg 1.2转动惯量 kg m2 0.0008许用安装补偿 mm 0.1弹性套柱销联轴器结构紧凑，转配方便，具有一定的弹
46、性和缓冲减震性能，补偿两周相对位移量不大，但重量轻，无噪音，环境适应性强，可靠性高，承载大，效率高，使用寿命长。5.2 转矩校核（1） 直流伺服电机至换刀手的传动装置总效率 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 28 页 共 30 页（5-1） 21- 弹性套柱销联轴器效率，查手册 得 0.990.99515- 齿轮减速器效率，查手册 得 0.80.92 16取 =0.9， =0.8512则总效率 8415.0.9.0（2） 齿轮减速器实际输出转矩 17（5-2）iM电 机实由前面计算得 2045.8096. M，电 机.31实 mN又上一章计算得出手臂旋转所需转矩 ，转得
47、转实 M经过校核得知，实际输出转矩满足手臂所需转矩大小要求。至此换刀机器人末端操作器的机械设计部分已经完成。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 29 页 共 30 页结论本课题主要工作在于设计出一种可靠性好、工作效率高、生产成本低的加工中心换刀机械手。总的来讲，本课题主要做了以下几个方面的工作：1 通过大量的调研，对加工中心换刀机器人进行分析和总结。同时对所要设计的换刀机器人总体方案、工作空间、传动机构及控制形式进行全面的设计。2 和同组同学进行讨论之后确定出总体方案，并绘制了换刀机器人的总体装配图。3 在选择驱动电机时，需要根据负载情况估算手臂的大致重量，计算出电机轴上的
48、当量载荷，并以此为依据选择交流伺服电机，同时应考虑刀电机转速与减速比之间的配合。电机上应配备有相应的制动器、测速器和编码器。4 设计中队末端操作器部件的选择及计算，进行了详细的说明和验算，例如电磁铁的选择、手指的设计、减速器的选型、转矩的计算和校核等等。只有这些指标达到末端操作器要求，方能安全高效地应用。由于本人学识不足、水平有限，对换刀机器手的设计仍是很肤浅的，对换刀机械手的动作的减少缺少更详细优化的方案，论文中肯定存在许多不足之处，望各位老师批评指正，我将不胜感激。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 30 页 共 30 页参考文献1 龚振邦 等. 机器人机械设计M. 北
49、京：电子工业出版社，1995。2 陈循介. 目前世界加工中心的市场需求和发展动向J.市场纵横，2004, 38（5）：38-393 刘炜. 数控加工中心自动换刀系统J. 机床与液压，2005（5）：584 刘建慧. 加工中心自动换刀装置类型综述及设计特点J. 机械设计与研究，2001， 17（3）：49-515 王科社，杨庆东，张怀存. 关于换刀装置速度和可靠性提高的讨论J. 机械，2002， 29（3）：92-516 颜鸿森. 基于功能分析的加工中心自动换刀装置方案设计研究J. 机械设计与研究，2002（18）：59-617 张宪. 一种新型换刀机构J. 工具展望，2005（2）：148 范超毅. 国产加工中心及未来主攻方向J
