换刀机器人机械系统的设计

1、编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 换刀机器人机械系统的设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 0923006学生姓名： 王维维 指导教师： 过金超 （职称：副教授） （职称： ）2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计 换刀机器人机械系统的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械91 学 号： 0923006 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院信 机系 机械工

2、程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 换刀机器人机械系统的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据（一）科学意义： 工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。工业机器人与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性织造系统（fms）和计算机集成制造系统（cims），实现生产自动化。 （二）国内外研究概况、水平和发展趋势： 从近几年世界上推出的机器人产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展。其发展趋势为：结构的

3、模块化和可重构化；工作环境设计的优化和作业的柔性化，以及网络化和智能化等方面。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：任务要求： （1）论证确定总体方案； （2）设计水平移动系统、垂直升降系统和末端操作器的驱动及传动系 统； （3）设计水平移动系统、垂直升降系统和末端操作器的结构； （4）编写设计说明书。 四、接受任务学生： 机械91 班 姓名 王维维 五、开始及完成日期：自2012年11月7日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研究所所长签名 系主任 签名2012年11月7日摘 要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产

4、品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的机械手，主要的功用就是自动换刀。主要是实现加工中心自动换刀系统的设计。通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件，设计要求等，并结合在数控机床上对刀库和换刀机械手的需要能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程。刀库为立式单链式刀库。驱动装置采用电机液压驱动；设计的换刀机械手为回转式单臂

5、双手机械手，手指采用弹簧销压紧式，驱动装置采用液压双作用缸。根据机械手和刀库位置的需要，设计机械手在机床上下移动装置，以实现多排刀架上的刀与主轴上的刀之间的交换。结合工厂实际，该自动换刀系统在数控的控制下能灵活的完成换刀程序，节省了时间、提高了效率、安全可靠。 关键词 ：机械手；加工中心；刀库；自动换刀abstractin the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order

6、 to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. as an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. the technique level and the, application degree of industrial robots reflect the national level of th

7、e industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc, which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way.in this paper i will design an industrial ro

8、bot with four dofs, which is used to carry material for a punch. the subject is to design numerically controlled tool-changing manipulator and numerically controlled tool-magazine. in this progress, the project synthesizes the characteristic and utility condition of numerically controlled tool-chang

9、ing manipulator and numerically controlled tool-magazine . numerically controlled tool-changing manipulator adopts rotary single arm and spring pin numerically controlled tool-magazine adopts vertical tool-magazine . driving gear uses hydraulic cylinder .in a word ,the tool-magazine and the manipula

10、tor can do efficiently .reliably and quickly. key word : tool-changing manipulator; machining center; tool-magazine; automatic tool changer目 录摘 要iiiabstractiv目 录v1 绪论11.1课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求11.1.1课题的意义11.1.2课题的目的11.1.3研究范围及要达到的技术要求11.2课题在国内外的发展概况及存在的问题21.2.1国内的发展概况21.2.2国外的发展概况31.2.3存在的问题72 换刀机器人总

11、体设计92.1 主要技术参数和外形尺寸92.1.1 主要技术参数92.1.2 外形尺寸92.2 换刀机器人总体布局设计102.2.1 自动换刀机器人的组成及简单介绍102.2.2 自动换刀机器人的总体布局图102.3 换刀机器人自动换刀过程113 换刀机器人手部设计153.1 手部的基本结构、组成部分和动作原理153.1.1 机械手的简介153.1.2 换刀机械手的结构、组成与动作原理153.2 手部装置的选择与计算183.2.1 手指的设计183.2.2 手臂油缸的设计与计算21第4章自动换刀机器人手部升降机构的设计274.1自动换刀机器人手部升降机构的组成及动作原理274.2滚珠丝杠及螺母

12、副的设计与选用284.3滚珠丝杠螺母副支撑方式及轴承的选择314.4减速齿轮的设计334.5减速齿轮轴的设计364.5.1减速齿轮轴的设计364.5.2 减速齿轮轴的校核374.6驱动液压泵电机的选择385 结论与展望395.1结论395.2不足之处以及未来展望40致 谢41参考文献421 绪论1.1课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求1.1.1课题的意义机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械

13、工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一1。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更

14、加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。工业机器人延伸和扩大了人的

15、手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调的重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。工业机器人与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性织造系统（fms）和计算机集成制造系统（cims），实现生产自动化。所以从事工业机器人的研究具有非常重要的意义。1.1.2课题的目的 通过毕业设计的锻炼，学会综合运用所学的知识和技能进行实际工程问题的分析、综合及设计。培养调查研究、中外文献检索与阅读的能力，掌握定性与定量相结合的独立研究与论证的能力；熟练掌握设计、计算及绘图的能力；锻炼文字与口头表达能力；掌握撰写设计说明书的，并且能设计出合乎

16、实际要求的自动换刀机器人机械系统。1.1.3研究范围及要达到的技术要求用途：在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床（简称主机）实现所有加工工序的自动装、卸刀2。 技术要求：结构形式： 圆柱坐标；自由度数： 4；负载重量： 10kg（单爪）；末端操作器： 双手爪；工作空间： 纵向0.195m，横向0.18m，升降1.22m，旋转180；运行速度： 五档可调；最大运行速度： 纵向20m/min,横向16m/min,升降8m/min,旋转16rpm;重复定位精度： 0.6m；记忆刀位数： 不小于170把，可扩展；总重量： 600kg；1.2课题在国内外的发展概况及存在的问题1.2.1国内的发展概况

17、 工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国门户的逐渐开放,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人研究的相关进展,显得

18、十分重要。 中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。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、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有:数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检

19、验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业2。 我国机器人技术主题发展的战略目标是:根据2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有:第一,危险、恶劣环境作业机器人:主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人:主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人:主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。图1.1和图1.2分别是中国新松机

20、器自动化股份有限公司的轿车机器人焊接生产线和rh6弧焊机器人。图1.1 轿车机器人 图1.2弧焊机器人目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方

21、面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就4。1.2.2国外的发展概况美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，

22、也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达665，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研

23、究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：（1）性能可靠，功能全面，精确度高；（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；（4）高智

24、能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。 早在1966年，美国unimation公司的尤尼曼特机器人和amf公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 hall automation公司研制出自己的机器人ramp。70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的lighthall报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到：机器人技术的落后，

25、导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研

26、究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及. 德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在改善劳动条件计划中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓

27、了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则5。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为快完蛋的行业重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。图

28、1.3和1.4是德国有名的机器人公司kuka生产的机器人products for industrial solutions，图1.3机器人加工内腔 图1.4机器人总布局在前苏联（主要是在俄罗斯），从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968年成功地试制出一台深水作业机器人。1971年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划（1970年一1975年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到1975年，已研制出30个型号的120台机器人，经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有

29、目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行6。日本在60年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达11。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，

30、从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立“机器人长期租赁公司”，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品，企业除享受新设备通常的40%折扣优待外，还可再享受 13的价格补贴。另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃

31、居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本政府和企业充分信任机器人，大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军

32、号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追7。图1.5是日本川崎公司后期的比较成熟的机器人产品，图1.6是日本安川机电公司比较成熟的机器人产品。 图1.5 日本川崎机器人 图1.6日本安川机器人 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。 （

33、2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 （3）工业机器人控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操性和可维修性。 （4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用

34、。 （5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 （6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 （7）机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。1.2.3存在的问题据专家介绍，我国工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还

35、有一定距离，如可靠性还较低；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄；生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，只占全球已安装台数的左右。有关专家认为，产生以上差距的主要原因，是我国还没有形成机器人产业，当前机器人生产都是应用户的要求，面对单一客户一次设计形成的，存在品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较高，而且质量、可靠性不稳定等问题。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。据专家介绍，我国制造行业和关键工序大部分仍然沿用传统的生产方式，有的仅是局部更新，这种情况严重制约了相关行业

36、的发展。由于我们还不能自主设计和生产先进的大型自动化成套装备，更形不成整体配套能力，于是目前只能几乎全部依赖进口，产品被国外公司所垄断，由此严重制约了制造业的健康发展。工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况:第一,工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家的科技发展计划中,应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品

37、和自动化制造装备同步协调的新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人时不要盲目进口,应该综合评估,立足国产。2 换刀机器人总体设计2.1 主要技术参数和外形尺寸2.1.1 主要技术参数用途：在给定的程序指令下，配合刀库和卧式镗铣床（简称主机）实现所有加工工序的自动装、卸刀。技术参数：结构形式： 圆柱坐标；自由度数： 4；负载重量： 10kg（单爪）；末端操作器： 双手爪；手架运动参数： 拔、插刀行程（滑座伸缩z）：155mm(最大180mm)升降行程（找刀排y）： 3x420mm（刀排间垂直方向距离为420mm，共四排）回转角度（）： 180装、卸刀手手臂伸缩行程（x）

38、：195mm手指夹持刀柄的直径： 100mm；位置检测与定位方式：滑座伸缩、手架回转和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测，有挡块（或活塞与端盖）定位。手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测，并控制三位四通阀适时“关闭”来定位缓冲方式：滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲；手架回转运动采用换接不同尺寸的出油口增加背压减速缓冲；手架升降运动采用无触点行程开关发信，切断油路减速缓冲驱动方式： 液压控制方式： 数字控制总重量： 600kg 2.1.2 外形尺寸表2-1加工中心关键尺寸表项目尺寸加工中心设备的外形尺寸（长x宽x高）1120x888x2466(mmxmmxmm

39、)刀库的间隔尺寸420mm第一排刀库距离地面高640mm刀库换刀轴心距离刀架边缘19.6mm丝杠中心距离刀架边缘350.4mm续表2-1机械手旋转的支承点与刀库换刀轴心的距离570mm整个手部长度606mm丝杠长度1800mm双手间角度45单手与水平面所成角度22.5手指夹持刀具最小直径1002.2 换刀机器人总体布局设计2.2.1 自动换刀机器人的组成及简单介绍自动换刀机器人由升降丝杠、滑座、横梁、油马达、装刀手、手架、卸刀手组成并与刀库（由四排带刀套的链条组成，每排链条上均有15个刀套）组成自动换刀装置。（1）升降丝杠：主要用途是实现手架的上下移动，实现在不同的刀排之间来找到需要换的刀，所

40、以丝杠需要竖直安装。采用一端固定一端游动的支承方式。选用上海汉江机床厂的外购件，丝杠规格为fyc1d5010-5，丝杠长度为1800mm。（2）滑座：是支撑手架的一个基座，带着手架前伸和后退，实现换刀过程中的拔刀和插刀，在本次设计中不要详细设计此部件的结构。（3）横梁：主要是支撑滑座的一个基座，带着整个滑座和手架手臂在丝杠上移动，实现手的上下移动，找到对应的刀排。在本次设计中也不需要设计此部件的详细结构。（4）油马达：提供动力的机构。驱动丝杠运动实现找刀排的动作。（5）装、卸刀手：机器人手部本体，包括手臂和手抓。手臂上制有油缸用液压驱动实现手臂伸缩运动，手指采用弹簧销压紧式。（6）手架：是支撑

41、手的一个基座。（7）刀库：放有加工过程中所需的所有刀，方便加工过程的换刀。与换刀机器人组成自动换刀装置9。2.2.2 自动换刀机器人的总体布局图总体布局图如下图2.1：1丝杠 2滑座 3横梁 4油马达5装刀手 6手架 7卸刀手 8刀架图2.1自动机器人总体布局图这就是换刀装置的整个布局图：装刀手和卸刀手装在手架上，然后整体装在滑座上，滑座和手架及手部整体装在横梁上，横梁是固定在滚珠丝杠螺母副上可以随螺母上下移动的。这样一个整体装置就实现了换刀过程中的拔插刀和找刀排的动作。手部的回转动作是依赖液压驱动以手架为支撑的，详细的过程将在下节换刀过程介绍。2.3 换刀机器人自动换刀过程 现在为了很好的说

42、明整个换刀过程，我先设定现在正在进行第五工序，主机的主轴上正用t05号刀进行切削，第六工序用t09号刀，第七工序用t46号刀，p05是装t05号刀的刀套，已停在换刀位置，装刀手已抓取t09号刀，开始自动换刀前的状态如图2.2（a）第五工序最后的程序是：是主机立柱退到最后位置（z轴原点），主轴箱升到最高位置（y轴原点），主轴定向，并使自动换刀控制部分做好换刀准备。第六工序开始的第一个指令是选刀指令z46，控制部分得到选刀指令后开始自动换刀循环，其循环分三个阶段。第一阶段完成向主轴上换刀，包括十个动作（需要时间约8秒），完成时间大约8秒：模拟运动简图jihgfedbbca图2.2自动换刀机器人换刀

43、演示图（1）模拟运动简图lk图2.2自动换刀机器人换刀演示图（2）（1）手架转向主轴，如图2.2（b）;（2）卸刀手前伸，抓取主轴上t05号刀，如图2.2（c）;（3）主轴箱拉刀机构松开，主轴孔吹气；（4）滑座前伸拔刀，如图2.2（d）；（5）卸刀手缩回，如图2.2（e）；（6）装刀手前伸，如图2.2（f）；（7）滑座后退，把t09号刀插入主轴孔，如图2.2（g）；（8）主轴箱拉刀机构拉紧，停止吹气；（9）装刀手缩回，如图2.2（h）；（10）手架转向刀库，如图2.2（i）。手架转向刀库后机床即开始第六工序的加工，同时自动换刀循环进入第二阶段，把t05号刀送回刀库，包括五个动作：（1）横梁下降

44、找第二排刀链，如图2.2（j）；（2）滑座前伸；（3）卸刀手前伸；（4）滑座后退，把t05号刀插入p05刀套中；（5）卸刀手后退。然后转入第三阶段，是自动换刀装置变成下一次换刀的换刀前状态，包括六个动作：（1）刀套链顺时针转动，把t46号刀送到换刀位置，横梁下降找第三排刀套链，如图2.2（k）;（2）装刀手前伸，取t46号刀；（3）滑座前伸拔刀；（4）装刀手后退；（5）滑座后退；（6）横梁上升到最高位置，刀链反转，把p09号刀套送到换刀位置，如图2.2（l）。这样就完成了整个自动换刀循环10。 3 换刀机器人手部设计3.1 手部的基本结构、组成部分和动作原理机械手,mechanical han

45、d，也被称为自动手，auto hand 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。3.1.1 机械手的简介 图3.1 机械手机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸

46、缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度11。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手

47、也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。3.1.2 换刀机械手的结构、组成与动作原理本设计设计的是单臂双爪交叉型机械手，有撞到手和卸刀手，装刀手和卸刀手对称配置在手架上，其结构和尺寸完全相同只是几个主要零件形状相反。所以这里只介绍卸刀手的结构和动作原理12。 （1）卸刀手的结构包括手臂和手抓。手臂伸缩运动机构由手架、手臂油缸、手指座和活塞杆组成。换刀机械手的结构，如图3.2：g向23451 1手架 2手臂 3手指座 4手臂油缸 5活塞杆图3.2换刀机械手总体结构图

48、图3.3机械手手指g向剖视图（2）卸刀手动作的原理如图3.2所示，活塞杆一端固定在手架上，当压力油从油孔分别进到油缸的两腔时，推动油缸的缸体在燕尾形导轨上往复运动，其行程位置由装在手架上的行程开关进行检测，采用油缸端部锥面节流缓冲，端盖和活塞端面相碰定位。装刀手和卸刀手手臂移动导轨的方向相交成45角，其焦点即是装刀手、卸刀手前伸移到终点时手指的夹紧中心。卸刀手手部属于弹簧夹持式手部，手指分为固定指和活动指，并属于一支点回转型手指。在手臂伸出抓刀时，活动指应能自由张开，抓住刀后，特别是在运刀过程中活动指应夹紧并锁住，因此手指内有自锁机构。在镗铣床主轴套筒的端面和滑座悬伸支架上均设有使手指松开的导

49、板（共4块，分a型和b型两种），刀具在手指中不允许有转动，以免刀柄的键槽错位，故在固定手指上装有定位键13。卸刀时，卸刀手手臂前伸，当卡销碰到挡块a的a面时，如图3.3，是卡销缩回；碰到b面顶销可以自由运动，手指碰上刀柄便能自动张开插入梯形槽中；当碰到c面时，卡销被弹簧弹出，锁紧活动指，将刀柄抓牢，以后进行拔刀等动作。如图3.3，如装刀完毕（即滑座缩回，作插刀运动，将刀具的刀柄插入机床主轴孔内），使卡销被b型挡块的b面压入，顶销能自由活动，手臂油缸2缩回时，手指就从刀柄的梯形槽中自动滑脱，当卡销移到b型挡块的a面时，弹簧将卡销弹出将活动指锁住。 手抓主要部件手指座如图3.4所示，由固定手指、顶

50、销、卡销、弹簧、活动手挡块和销轴组成。 图3.4 手指座主视图和左视图3.2 手部装置的选择与计算3.2.1 手指的设计（1）对手部设计的要求 有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏刀具。对于用于换刀的机械手应考虑采用自锁安全装置 有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如刀具的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好14。 力求结构简单，重量轻，体积小手部

51、处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 应保证工件在手指内的夹持精度 保证每个被夹持的工件在手指内都有准确的相对位置，这对一些有方位要求的场合更为重要，因此机械手的首部在夹持工件后应保持相对的位置精度。 应考虑通用性和特殊要求一般情况下首部多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高他的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采用手指可调整的办法。如更换手指甚至更换整个手部。 手指夹紧力的计算 手指加在刀具上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向、和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态15。由公式 (3.1)式中-安全系数，通常取1.2-2.0； -工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式计算 (3.2)式中 a-运载工件时重力方向的最大上升加速度； g-重力加速度，g=9.8m/； （3.3） -运载工