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編號(hào)
無(wú)錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923006
學(xué)生姓名： 王維維
指導(dǎo)教師： 過(guò)金超 （職稱：副教授）
（職稱： ）
2013年5月25日
III
無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠(chéng) 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) 換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級(jí)： 機(jī)械91
學(xué) 號(hào)： 0923006
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無(wú)錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2、專題
二、課題來(lái)源及選題依據(jù)
（一）科學(xué)意義：
工業(yè)機(jī)器人延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工中心、自動(dòng)搬運(yùn)小車以及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性織造系統(tǒng)（FMS）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。
（二）國(guó)內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢(shì)：
從近幾年世界上推出的機(jī)器人產(chǎn)品來(lái)看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢(shì)為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化和作業(yè)的柔性化，以及網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
任務(wù)要求：
（1）論證確定總體方案；
（2）設(shè)計(jì)水平移動(dòng)系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)和末端操作器的驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)系 統(tǒng)；
（3）設(shè)計(jì)水平移動(dòng)系統(tǒng)、垂直升降系統(tǒng)和末端操作器的結(jié)構(gòu)；
（4）編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械91 班 姓名 王維維
五、開(kāi)始及完成日期：
自2012年11月7日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月7日
摘 要
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。機(jī)械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，機(jī)械手主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。
本文將設(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的機(jī)械手，主要的功用就是自動(dòng)換刀。主要是實(shí)現(xiàn)加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)分析加工中心的整體結(jié)構(gòu)和自動(dòng)換刀系統(tǒng)的特點(diǎn)、應(yīng)用條件，設(shè)計(jì)要求等，并結(jié)合在數(shù)控機(jī)床上對(duì)刀庫(kù)和換刀機(jī)械手的需要——能在數(shù)控程序的控制下靈活的實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程。刀庫(kù)為立式單鏈?zhǔn)降稁?kù)。驅(qū)動(dòng)裝置采用電機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)的換刀機(jī)械手為回轉(zhuǎn)式單臂雙手機(jī)械手，手指采用彈簧銷壓緊式，驅(qū)動(dòng)裝置采用液壓雙作用缸。根據(jù)機(jī)械手和刀庫(kù)位置的需要，設(shè)計(jì)機(jī)械手在機(jī)床上下移動(dòng)裝置，以實(shí)現(xiàn)多排刀架上的刀與主軸上的刀之間的交換。結(jié)合工廠實(shí)際，該自動(dòng)換刀系統(tǒng)在數(shù)控的控制下能靈活的完成換刀程序，節(jié)省了時(shí)間、提高了效率、安全可靠。
關(guān)鍵詞 ：機(jī)械手；加工中心；刀庫(kù)；自動(dòng)換刀
Abstract
In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order 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 the 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 robot 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-changing 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 manipulator can do efficiently .reliably and quickly.
Key word : Tool-changing manipulator; Machining Center; Tool-magazine; Automatic Tool Changer
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1課題的意義、目的、研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求 1
1.1.1課題的意義 1
1.1.2課題的目的 1
1.1.3研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求 1
1.2課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題 2
1.2.1國(guó)內(nèi)的發(fā)展概況 2
1.2.2國(guó)外的發(fā)展概況 3
1.2.3存在的問(wèn)題 7
2 換刀機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 9
2.1 主要技術(shù)參數(shù)和外形尺寸 9
2.1.1 主要技術(shù)參數(shù) 9
2.1.2 外形尺寸 9
2.2 換刀機(jī)器人總體布局設(shè)計(jì) 10
2.2.1 自動(dòng)換刀機(jī)器人的組成及簡(jiǎn)單介紹 10
2.2.2 自動(dòng)換刀機(jī)器人的總體布局圖 10
2.3 換刀機(jī)器人自動(dòng)換刀過(guò)程 11
3 換刀機(jī)器人手部設(shè)計(jì) 15
3.1 手部的基本結(jié)構(gòu)、組成部分和動(dòng)作原理 15
3.1.1 機(jī)械手的簡(jiǎn)介 15
3.1.2 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、組成與動(dòng)作原理 15
3.2 手部裝置的選擇與計(jì)算 18
3.2.1 手指的設(shè)計(jì) 18
3.2.2 手臂油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
第4章自動(dòng)換刀機(jī)器人手部升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 27
4.1自動(dòng)換刀機(jī)器人手部升降機(jī)構(gòu)的組成及動(dòng)作原理 27
4.2滾珠絲杠及螺母副的設(shè)計(jì)與選用 28
4.3滾珠絲杠螺母副支撐方式及軸承的選擇 31
4.4減速齒輪的設(shè)計(jì) 33
4.5減速齒輪軸的設(shè)計(jì) 36
4.5.1減速齒輪軸的設(shè)計(jì) 36
4.5.2 減速齒輪軸的校核 37
4.6驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)的選擇 38
5 結(jié)論與展望 39
5.1結(jié)論 39
5.2不足之處以及未來(lái)展望 40
致 謝 41
參考文獻(xiàn) 42
V
換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1課題的意義、目的、研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求
1.1.1課題的意義
機(jī)械工業(yè)是國(guó)民的裝備部，是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開(kāi)各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國(guó)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一[1]。
工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來(lái)的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)，不知疲勞，不怕危險(xiǎn)，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。
在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。機(jī)械手的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平，目前，機(jī)械手主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。工業(yè)機(jī)器人延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)的重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控加工中心、自動(dòng)搬運(yùn)小車以及自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性織造系統(tǒng)（FMS）和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。所以從事工業(yè)機(jī)器人的研究具有非常重要的意義。
1.1.2課題的目的
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)的鍛煉，學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能進(jìn)行實(shí)際工程問(wèn)題的分析、綜合及設(shè)計(jì)。培養(yǎng)調(diào)查研究、中外文獻(xiàn)檢索與閱讀的能力，掌握定性與定量相結(jié)合的獨(dú)立研究與論證的能力；熟練掌握設(shè)計(jì)、計(jì)算及繪圖的能力；鍛煉文字與口頭表達(dá)能力；掌握撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書的，并且能設(shè)計(jì)出合乎實(shí)際要求的自動(dòng)換刀機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)。
1.1.3研究范圍及要達(dá)到的技術(shù)要求
用途：在給定的程序指令下，配合刀庫(kù)和臥式鏜銑床（簡(jiǎn)稱主機(jī)）實(shí)現(xiàn)所有加工工序的自動(dòng)裝、卸刀[2]。
技術(shù)要求：
結(jié)構(gòu)形式： 圓柱坐標(biāo)；
自由度數(shù)： 4；
負(fù)載重量： 10kg（單爪）；
末端操作器： 雙手爪；
工作空間： 縱向0.195m，橫向0.18m，升降1.22m，旋轉(zhuǎn)180°；
運(yùn)行速度： 五檔可調(diào)；
最大運(yùn)行速度： 縱向20m/min,橫向16m/min,升降8m/min,旋轉(zhuǎn)16rpm;
重復(fù)定位精度： ±0.6m；
記憶刀位數(shù)： 不小于170把，可擴(kuò)展；
總重量： ≧600kg；
1.2課題在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問(wèn)題
1.2.1國(guó)內(nèi)的發(fā)展概況
工業(yè)機(jī)器人誕生于20世紀(jì)60年代,在20世紀(jì)90年代得到迅速發(fā)展,是最先產(chǎn)業(yè)化的機(jī)器人技術(shù)。它是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。它的出現(xiàn)是為了適應(yīng)制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn),解決單調(diào)、重復(fù)的體力勞動(dòng)和提高生產(chǎn)質(zhì)量而代替人工作業(yè)。在我國(guó),工業(yè)機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近20多年了,已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)門戶的逐漸開(kāi)放,國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對(duì)越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)與沖擊,因此,掌握國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的實(shí)際情況,把握我國(guó)工業(yè)機(jī)器人研究的相關(guān)進(jìn)展,顯得十分重要。
中國(guó)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過(guò)“七五”攻關(guān)計(jì)劃、“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863計(jì)劃的支持已經(jīng)取得了較大進(jìn)展,工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)也已經(jīng)成熟,應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各業(yè),但進(jìn)口機(jī)器人占了絕大多數(shù)。我國(guó)在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破,但還缺乏整體核心技術(shù)的突破,具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人則很少。目前我國(guó)機(jī)器人技術(shù)相當(dāng)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)80年代初的水平,特別是在制造工藝與裝備方面,不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件。我國(guó)目前取得較大進(jìn)展的機(jī)器人技術(shù)有:數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)與裝備、隧道掘進(jìn)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、工程機(jī)械智能化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、裝配自動(dòng)化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出金屬焊接、噴涂、澆鑄裝配、搬運(yùn)、包裝、激光加工、檢驗(yàn)、真空、自動(dòng)導(dǎo)引車等的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品,主要應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械、家電等行業(yè)[2]。
我國(guó)機(jī)器人技術(shù)主題發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)是:根據(jù)2l世紀(jì)初我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)先進(jìn)制造及自動(dòng)化技術(shù)的需求,瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿高技術(shù)發(fā)展方向創(chuàng)新性地研究和開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)。未來(lái)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)有:第一,危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境作業(yè)機(jī)器人:主要有防暴、高壓帶電清掃、星球檢測(cè)、油汽管道等機(jī)器人;第二,醫(yī)用機(jī)器人:主要有腦外科手術(shù)輔助機(jī)器人,遙控操作輔助正骨等;第三,仿生機(jī)器人:主要有移動(dòng)機(jī)器人,網(wǎng)絡(luò)遙控操作機(jī)器人等。其發(fā)展趨勢(shì)是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。圖1.1和圖1.2分別是中國(guó)新松機(jī)器自動(dòng)化股份有限公司的轎車機(jī)器人焊接生產(chǎn)線和RH6弧焊機(jī)器人。
圖1.1 轎車機(jī)器人 圖1.2弧焊機(jī)器人
目前主要單位像中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所，原機(jī)械部的北京自動(dòng)化所，像哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動(dòng)化所等等的一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來(lái)看，我們國(guó)家在高校里邊，有很多單位從事機(jī)器人研究，很多研究生和博士生都在從事機(jī)器人方面的研究，目前我們國(guó)家比較有代表性的研究，有工業(yè)機(jī)器人，水下機(jī)器人，空間機(jī)器人，核工業(yè)的機(jī)器人，都在國(guó)際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國(guó)家在機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒(méi)有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機(jī)器人方面，我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删蚚4]。
1.2.2國(guó)外的發(fā)展概況
美國(guó)是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，比起號(hào)稱"機(jī)器人王國(guó)"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，美國(guó)現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。
由于美國(guó)政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒(méi)有把工業(yè)機(jī)器人列入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開(kāi)展了一些研究工作。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，在只看到眼前利益，政府又無(wú)財(cái)政支持的情況下，寧愿錯(cuò)過(guò)良機(jī)，固守在使用剛性自動(dòng)化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險(xiǎn)，去應(yīng)用或制造機(jī)器人。加上，當(dāng)時(shí)美國(guó)失業(yè)率高達(dá)6．65％，政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會(huì)造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機(jī)器人，這不能不說(shuō)是美國(guó)政府的戰(zhàn)略決策錯(cuò)誤。70年代后期，美國(guó)政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級(jí)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上，致使日本的工業(yè)機(jī)器人后來(lái)居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過(guò)了美國(guó)，產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上形成了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
進(jìn)入80年代之后，美國(guó)才感到形勢(shì)緊迫，政府和企業(yè)界才對(duì)機(jī)器人真正重視起來(lái)，
政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵(lì)工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機(jī)器人，另一方面制訂計(jì)劃、提高投資，增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi)，把機(jī)器人看成美國(guó)再次工業(yè)化的特征，使美國(guó)的機(jī)器人迅速發(fā)展。80年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機(jī)器人的技術(shù)性能越來(lái)越滿足不了實(shí)際需要，美國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)帶有視覺(jué)、力覺(jué)的第二代機(jī)器人，并很快占領(lǐng)了美國(guó)60％的機(jī)器人市場(chǎng)。
盡管美國(guó)在機(jī)器人發(fā)展史上走過(guò)一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究的曲折道路，但是美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。具體表現(xiàn)在：
（1）性能可靠，功能全面，精確度高；
（2）機(jī)器人語(yǔ)言研究發(fā)展較快，語(yǔ)言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；
（3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用；
（4）高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)方面。
早在1966年，美國(guó)Unimation公司的尤尼曼特機(jī)器人和AMF公司的沃莎特蘭機(jī)器人就已經(jīng)率先進(jìn)入英國(guó)市場(chǎng)。1967年英國(guó)的兩家大機(jī)械公司還特地為美國(guó)這兩家機(jī)器人公司在英國(guó)推銷機(jī)器人。接著，英國(guó) Hall Automation公司研制出自己的機(jī)器人RAMP。70年代初期，由于英國(guó)政府科學(xué)研究委員會(huì)頒布了否定人工智能和機(jī)器人的Lighthall報(bào)告，對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而機(jī)器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。
但是，國(guó)際上機(jī)器人蓬勃發(fā)展的形勢(shì)很快使英政府意識(shí)到：機(jī)器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力大為下降。于是，從70年代末開(kāi)始，英國(guó)政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實(shí)施了一系列支持機(jī)器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機(jī)器人的重要性、在財(cái)政上給購(gòu)買機(jī)器人企業(yè)以補(bǔ)貼、積極促進(jìn)機(jī)器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國(guó)機(jī)器人開(kāi)始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時(shí)期。
法國(guó)不僅在機(jī)器人擁有量上居于世界前列，而且在機(jī)器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。這主要?dú)w功于法國(guó)政府一開(kāi)始就比較重視機(jī)器人技術(shù)，特別是把重點(diǎn)放在開(kāi)展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。
法國(guó)機(jī)器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過(guò)政府大力支持的研究計(jì)劃，建立起一個(gè)完整的科學(xué)技術(shù)體系。即由政府組織一些機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項(xiàng)目，而由工業(yè)界支持開(kāi)展應(yīng)用和開(kāi)發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機(jī)器人在法國(guó)企業(yè)界很快發(fā)展和普及. 德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國(guó)。這里所說(shuō)的德國(guó)，主要指的是原聯(lián)邦德國(guó)。它比英國(guó)和瑞典引進(jìn)機(jī)器人大約晚了五六年。其所以如此，是因?yàn)榈聡?guó)的機(jī)器人工業(yè)一起步，就遇到了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)不景氣。但是德國(guó)的社會(huì)環(huán)境卻是有利于機(jī)器人工業(yè)發(fā)展的。因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)，導(dǎo)致勞動(dòng)力短缺，以及國(guó)民技術(shù)水平高，都是實(shí)現(xiàn)使用機(jī)器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機(jī)器人的推廣開(kāi)辟道路；在"改善勞動(dòng)條件計(jì)劃"中規(guī)定，對(duì)于一些有危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來(lái)代替普通人的勞動(dòng)。這個(gè)計(jì)劃為機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)拓了廣泛的市場(chǎng)，并推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個(gè)重實(shí)際的民族，他們始終堅(jiān)持技術(shù)應(yīng)用和社會(huì)需求相結(jié)合的原則[5]。除了像大多數(shù)國(guó)家一樣，將機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車工業(yè)之外，突出的一點(diǎn)是德國(guó)在紡織工業(yè)
中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報(bào)廢了舊機(jī)器，購(gòu)買了現(xiàn)代化自動(dòng)設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對(duì)路。到1984年終于使這一被喻為"快完蛋的行業(yè)"重新振興起來(lái)。與此同時(shí)，德國(guó)看到了機(jī)器人等先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級(jí)的、帶感覺(jué)的智能型機(jī)器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)近十年的努力，其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。圖1.3和1.4是德國(guó)有名的機(jī)器人公司KUKA生產(chǎn)的機(jī)器人PRODUCTS FOR INDUSTRIAL SOLUTIONS，
圖1.3機(jī)器人加工內(nèi)腔 圖1.4機(jī)器人總布局
在前蘇聯(lián)（主要是在俄羅斯），從理論和實(shí)踐上探討機(jī)器人技術(shù)是從50年代后半期開(kāi)始的。到了50年代后期開(kāi)始了機(jī)器人樣機(jī)的研究工作。1968年成功地試制出一臺(tái)深水作業(yè)機(jī)器人。1971年研制出工廠用的萬(wàn)能機(jī)器人。早在前蘇聯(lián)第九個(gè)五年計(jì)劃（1970年一1975年）開(kāi)始時(shí)，就把發(fā)展機(jī)器人列入國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展綱領(lǐng)之中。到1975年，已研制出30個(gè)型號(hào)的120臺(tái)機(jī)器人，經(jīng)過(guò)20年的努力，前蘇聯(lián)的機(jī)器人在數(shù)量、質(zhì)量水乎上均處于世界前列地位。國(guó)家有目的地把提高科學(xué)技術(shù)進(jìn)步當(dāng)作推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的手段，來(lái)安排機(jī)器人的研究制造；有關(guān)機(jī)器人的研究生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣和提高工作，都由政府安排，有計(jì)劃、按步驟地進(jìn)行[6]。
日本在60年代末正處于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展時(shí)期，年增長(zhǎng)率達(dá)11％。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動(dòng)力本來(lái)就緊張，而高速度的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加劇了勞動(dòng)力嚴(yán)重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國(guó)Unimation公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺(tái)川崎的“尤尼曼特”機(jī)器人。
正是由于日本當(dāng)時(shí)勞動(dòng)力顯著不足，機(jī)器人在企業(yè)里受到了“救世主”般的歡迎。日本政府一方面在經(jīng)濟(jì)上采取了積極的扶植政策，鼓勵(lì)發(fā)展和推廣應(yīng)用機(jī)器人，從而更進(jìn)一步激發(fā)了企業(yè)家從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的積極性。尤其是政府對(duì)中、小企業(yè)的一系列經(jīng)濟(jì)優(yōu)惠政策，如由政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵(lì)集資成立“機(jī)器人長(zhǎng)期租賃公司”，公司出資購(gòu)入機(jī)器人后長(zhǎng)期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業(yè)購(gòu)入機(jī)器人所需的資金負(fù)擔(dān)；政府把由計(jì)算機(jī)控制的示教再現(xiàn)型機(jī)器人作為特別折扣優(yōu)待產(chǎn)品，企業(yè)除享受新設(shè)備通常的40%折扣優(yōu)待外，還可再享受 13％的價(jià)格補(bǔ)貼。另一方面，國(guó)家
出資對(duì)小企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用機(jī)器人的專門知識(shí)和技術(shù)指導(dǎo)等等。
這一系列扶植政策，使日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來(lái)，經(jīng)過(guò)短短的十幾年，到80年代中期，已一躍而為“機(jī)器人王國(guó)”，其機(jī)器人的產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國(guó)際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會(huì)常務(wù)理事米本完二的說(shuō)法：“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)人普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”，開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。
日本政府和企業(yè)充分信任機(jī)器人，大膽使用機(jī)器人。機(jī)器人也沒(méi)有辜負(fù)人們的期望，它在解決勞動(dòng)力不足、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本方面，發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的一支不可缺少的隊(duì)伍。
日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠以價(jià)廉的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱“汽車王國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng)，并且向機(jī)器人誕生國(guó)出口日本產(chǎn)的實(shí)用型機(jī)器人。此時(shí)，日本價(jià)廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國(guó)市場(chǎng)……這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機(jī)器人，增大了國(guó)力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國(guó)家不得不采取措施，奮起直追[7]。圖1.5是日本川崎公司后期的比較成熟的機(jī)器人產(chǎn)品，圖1.6是日本安川機(jī)電公司比較成熟的機(jī)器人產(chǎn)品。
圖1.5 日本川崎機(jī)器人 圖1.6日本安川機(jī)器人
國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：
（1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬(wàn)美元降至97年的6．5萬(wàn)美元。
（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
（3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操性和可維修性。
（4）機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。
（6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
（7）機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。
1.2.3存在的問(wèn)題
據(jù)專家介紹，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定距離，如可靠性還較低；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄；生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人，只占全球已安裝臺(tái)數(shù)的４‰左右。
有關(guān)專家認(rèn)為，產(chǎn)生以上差距的主要原因，是我國(guó)還沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，面對(duì)單一客戶一次設(shè)計(jì)形成的，存在品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本較高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定等問(wèn)題。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
據(jù)專家介紹，我國(guó)制造行業(yè)和關(guān)鍵工序大部分仍然沿用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，有的僅是局部更新，這種情況嚴(yán)重制約了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。由于我們還不能自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)先進(jìn)的大型自動(dòng)化成套裝備，更形不成整體配套能力，于是目前只能幾乎全部依賴進(jìn)口，產(chǎn)品被國(guó)外公司所壟斷，由此嚴(yán)重制約了制造業(yè)的健康發(fā)展。
工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈,中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn),加快工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)是我們抓住這個(gè)歷史機(jī)遇的主要途徑。因此我國(guó)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)要認(rèn)識(shí)到以下幾點(diǎn)情況:第一,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的主要手段和途徑,政府要對(duì)國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人有更多的政策與經(jīng)濟(jì)支持,參考國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),加大技術(shù)投入與改造;第二,在國(guó)家的科技發(fā)展計(jì)劃中,應(yīng)該繼續(xù)對(duì)智能機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用給予大力支持,形成產(chǎn)品和自動(dòng)化制造裝備同步協(xié)調(diào)的新局面;第三,部分國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)與國(guó)外相當(dāng),企業(yè)采購(gòu)工業(yè)機(jī)器人時(shí)不要盲目進(jìn)口,應(yīng)該綜合評(píng)估,立足國(guó)產(chǎn)。
2 換刀機(jī)器人總體設(shè)計(jì)
2.1 主要技術(shù)參數(shù)和外形尺寸
2.1.1 主要技術(shù)參數(shù)
⑴用途：在給定的程序指令下，配合刀庫(kù)和臥式鏜銑床（簡(jiǎn)稱主機(jī)）實(shí)現(xiàn)所有加工工序的自動(dòng)裝、卸刀。
⑵技術(shù)參數(shù)：
結(jié)構(gòu)形式： 圓柱坐標(biāo)；
自由度數(shù)： 4；
負(fù)載重量： 10kg（單爪）；
末端操作器： 雙手爪；
手架運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
拔、插刀行程（滑座伸縮Z）：155mm(最大180mm)
升降行程（找刀排Y）： 3x420mm（刀排間垂直方向距離為420mm，共四排）
回轉(zhuǎn)角度（φ）： 180°
裝、卸刀手手臂伸縮行程（X）：195mm
手指夾持刀柄的直徑： Ф100mm；
位置檢測(cè)與定位方式：滑座伸縮、手架回轉(zhuǎn)和裝、卸刀手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)采用行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行位置檢測(cè)，有擋塊（或活塞與端蓋）定位。手架升降運(yùn)動(dòng)采用無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行位置檢測(cè)，并控制三位四通閥適時(shí)“關(guān)閉”來(lái)定位
緩沖方式：滑座伸縮、裝卸刀手手臂伸縮運(yùn)動(dòng)采用油缸端部節(jié)流緩沖；手架回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用換接不同尺寸的出油口增加背壓減速緩沖；手架升降運(yùn)動(dòng)采用無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)發(fā)信，切斷油路減速緩沖
驅(qū)動(dòng)方式： 液壓
控制方式： 數(shù)字控制
總重量： ≧600kg
2.1.2 外形尺寸
表2-1加工中心關(guān)鍵尺寸表
項(xiàng)目
尺寸
加工中心設(shè)備的外形尺寸（長(zhǎng)x寬x高）
1120x888x2466(mmxmmxmm)
刀庫(kù)的間隔尺寸
420mm
第一排刀庫(kù)距離地面高
640mm
刀庫(kù)換刀軸心距離刀架邊緣
19.6mm
絲杠中心距離刀架邊緣
350.4mm
續(xù)表2-1
機(jī)械手旋轉(zhuǎn)的支承點(diǎn)與刀庫(kù)換刀軸心的距離
570mm
整個(gè)手部長(zhǎng)度
606mm
絲杠長(zhǎng)度
1800mm
雙手間角度
45°
單手與水平面所成角度
22.5°
手指夾持刀具最小直徑
Ф100
2.2 換刀機(jī)器人總體布局設(shè)計(jì)
2.2.1 自動(dòng)換刀機(jī)器人的組成及簡(jiǎn)單介紹
自動(dòng)換刀機(jī)器人由升降絲杠、滑座、橫梁、油馬達(dá)、裝刀手、手架、卸刀手組成并與刀庫(kù)（由四排帶刀套的鏈條組成，每排鏈條上均有15個(gè)刀套）組成自動(dòng)換刀裝置。
（1）升降絲杠：主要用途是實(shí)現(xiàn)手架的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在不同的刀排之間來(lái)找到需要換的刀，所以絲杠需要豎直安裝。采用一端固定一端游動(dòng)的支承方式。選用上海漢江機(jī)床廠的外購(gòu)件，絲杠規(guī)格為FYC1D5010-5，絲杠長(zhǎng)度為1800mm。
（2）滑座：是支撐手架的一個(gè)基座，帶著手架前伸和后退，實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程中的拔刀和插刀，在本次設(shè)計(jì)中不要詳細(xì)設(shè)計(jì)此部件的結(jié)構(gòu)。
（3）橫梁：主要是支撐滑座的一個(gè)基座，帶著整個(gè)滑座和手架手臂在絲杠上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手的上下移動(dòng)，找到對(duì)應(yīng)的刀排。在本次設(shè)計(jì)中也不需要設(shè)計(jì)此部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
（4）油馬達(dá)：提供動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)找刀排的動(dòng)作。
（5）裝、卸刀手：機(jī)器人手部本體，包括手臂和手抓。手臂上制有油缸用液壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂伸縮運(yùn)動(dòng)，手指采用彈簧銷壓緊式。
（6）手架：是支撐手的一個(gè)基座。
（7）刀庫(kù)：放有加工過(guò)程中所需的所有刀，方便加工過(guò)程的換刀。與換刀機(jī)器人組成自動(dòng)換刀裝置[9]。
2.2.2 自動(dòng)換刀機(jī)器人的總體布局圖
總體布局圖如下圖2.1：
1—絲杠 2—滑座 3—橫梁 4—油馬達(dá)
5—裝刀手 6—手架 7—卸刀手 8—刀架
圖2.1自動(dòng)機(jī)器人總體布局圖
這就是換刀裝置的整個(gè)布局圖：裝刀手和卸刀手裝在手架上，然后整體裝在滑座上，滑座和手架及手部整體裝在橫梁上，橫梁是固定在滾珠絲杠螺母副上可以隨螺母上下移動(dòng)的。這樣一個(gè)整體裝置就實(shí)現(xiàn)了換刀過(guò)程中的拔插刀和找刀排的動(dòng)作。手部的回轉(zhuǎn)動(dòng)作是依賴液壓驅(qū)動(dòng)以手架為支撐的，詳細(xì)的過(guò)程將在下節(jié)換刀過(guò)程介紹。
2.3 換刀機(jī)器人自動(dòng)換刀過(guò)程
現(xiàn)在為了很好的說(shuō)明整個(gè)換刀過(guò)程，我先設(shè)定現(xiàn)在正在進(jìn)行第五工序，主機(jī)的主軸上正用T05號(hào)刀進(jìn)行切削，第六工序用T09號(hào)刀，第七工序用T46號(hào)刀，P05是裝T05號(hào)刀的刀套，已停在換刀位置，裝刀手已抓取T09號(hào)刀，開(kāi)始自動(dòng)換刀前的狀態(tài)如圖2.2（a）
第五工序最后的程序是：是主機(jī)立柱退到最后位置（Z軸原點(diǎn)），主軸箱升到最高位置（Y軸原點(diǎn)），主軸定向，并使自動(dòng)換刀控制部分做好換刀準(zhǔn)備。
第六工序開(kāi)始的第一個(gè)指令是選刀指令Z46，控制部分得到選刀指令后開(kāi)始自動(dòng)換刀循環(huán)，其循環(huán)分三個(gè)階段。第一階段完成向主軸上換刀，包括十個(gè)動(dòng)作（需要時(shí)間約8秒），完成時(shí)間大約8秒：
模擬運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
j
i
h
g
f
e
d
b
b
c
a
圖2.2自動(dòng)換刀機(jī)器人換刀演示圖（1）
模擬運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
l
k
圖2.2自動(dòng)換刀機(jī)器人換刀演示圖（2）
（1）手架轉(zhuǎn)向主軸，如圖2.2（b）;
（2）卸刀手前伸，抓取主軸上T05號(hào)刀，如圖2.2（c）;
（3）主軸箱拉刀機(jī)構(gòu)松開(kāi)，主軸孔吹氣；
（4）滑座前伸拔刀，如圖2.2（d）；
（5）卸刀手縮回，如圖2.2（e）；
（6）裝刀手前伸，如圖2.2（f）；
（7）滑座后退，把T09號(hào)刀插入主軸孔，如圖2.2（g）；
（8）主軸箱拉刀機(jī)構(gòu)拉緊，停止吹氣；
（9）裝刀手縮回，如圖2.2（h）；
（10）手架轉(zhuǎn)向刀庫(kù)，如圖2.2（i）。
手架轉(zhuǎn)向刀庫(kù)后機(jī)床即開(kāi)始第六工序的加工，同時(shí)自動(dòng)換刀循環(huán)進(jìn)入第二階段，把T05號(hào)刀送回刀庫(kù)，包括五個(gè)動(dòng)作：
（1）橫梁下降找第二排刀鏈，如圖2.2（j）；
（2）滑座前伸；
（3）卸刀手前伸；
（4）滑座后退，把T05號(hào)刀插入P05刀套中；
（5）卸刀手后退。
然后轉(zhuǎn)入第三階段，是自動(dòng)換刀裝置變成下一次換刀的換刀前狀態(tài)，包括六個(gè)動(dòng)作：
（1）刀套鏈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，把T46號(hào)刀送到換刀位置，橫梁下降找第三排刀套鏈，如圖2.2（k）;
（2）裝刀手前伸，取T46號(hào)刀；
（3）滑座前伸拔刀；
（4）裝刀手后退；
（5）滑座后退；
（6）橫梁上升到最高位置，刀鏈反轉(zhuǎn)，把P09號(hào)刀套送到換刀位置，如圖2.2（l）。
這樣就完成了整個(gè)自動(dòng)換刀循環(huán)[10]。
3 換刀機(jī)器人手部設(shè)計(jì)
3.1 手部的基本結(jié)構(gòu)、組成部分和動(dòng)作原理
機(jī)械手,mechanical hand，也被稱為自動(dòng)手，auto hand 能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
3.1.1 機(jī)械手的簡(jiǎn)介
圖3.1 機(jī)械手
機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度[11]。
機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。
3.1.2 換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、組成與動(dòng)作原理
本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的是單臂雙爪交叉型機(jī)械手，有撞到手和卸刀手，裝刀手和卸刀手對(duì)稱配置在手架上，其結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同只是幾個(gè)主要零件形狀相反。所以這里只介紹卸刀手的結(jié)構(gòu)和動(dòng)作原理[12]。
（1）卸刀手的結(jié)構(gòu)包括手臂和手抓。手臂伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由手架、手臂油缸、手指座和
活塞桿組成。
換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，如圖3.2：
G向
2
3
4
5
1
1—手架 2—手臂 3—手指座 4—手臂油缸 5—活塞桿
圖3.2換刀機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)圖
圖3.3機(jī)械手手指G向剖視圖
（2）卸刀手動(dòng)作的原理
如圖3.2所示，活塞桿一端固定在手架上，當(dāng)壓力油從油孔分別進(jìn)到油缸的兩腔時(shí)，推動(dòng)油缸的缸體在燕尾形導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其行程位置由裝在手架上的行程開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，采用油缸端部錐面節(jié)流緩沖，端蓋和活塞端面相碰定位。
裝刀手和卸刀手手臂移動(dòng)導(dǎo)軌的方向相交成45°角，其焦點(diǎn)即是裝刀手、卸刀手前伸移到終點(diǎn)時(shí)手指的夾緊中心。
卸刀手手部屬于彈簧夾持式手部，手指分為固定指和活動(dòng)指，并屬于一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指。在手臂伸出抓刀時(shí)，活動(dòng)指應(yīng)能自由張開(kāi)，抓住刀后，特別是在運(yùn)刀過(guò)程中活動(dòng)指應(yīng)夾緊并鎖住，因此手指內(nèi)有自鎖機(jī)構(gòu)。在鏜銑床主軸套筒的端面和滑座懸伸支架上均設(shè)有使手指松開(kāi)的導(dǎo)板（共4塊，分A型和B型兩種），刀具在手指中不允許有轉(zhuǎn)動(dòng)，以免刀柄的鍵槽錯(cuò)位，故在固定手指上裝有定位鍵[13]。
卸刀時(shí)，卸刀手手臂前伸，當(dāng)卡銷碰到擋塊A的a面時(shí)，如圖3.3，是卡銷縮回；碰到b面頂銷可以自由運(yùn)動(dòng)，手指碰上刀柄便能自動(dòng)張開(kāi)插入梯形槽中；當(dāng)碰到c面時(shí)，卡銷被彈簧彈出，鎖緊活動(dòng)指，將刀柄抓牢，以后進(jìn)行拔刀等動(dòng)作。
如圖3.3，如裝刀完畢（即滑座縮回，作插刀運(yùn)動(dòng)，將刀具的刀柄插入機(jī)床主軸孔內(nèi)），使卡銷被B型擋塊的b′面壓入，頂銷能自由活動(dòng)，手臂油缸2縮回時(shí)，手指就從刀柄的梯形槽中自動(dòng)滑脫，當(dāng)卡銷移到B型擋塊的a′面時(shí)，彈簧將卡銷彈出將活動(dòng)指鎖住。
⑶手抓主要部件手指座如圖3.4所示，由固定手指、頂銷、卡銷、彈簧、活動(dòng)手擋塊和銷軸組成。
圖3.4 手指座主視圖和左視圖
3.2 手部裝置的選擇與計(jì)算
3.2.1 手指的設(shè)計(jì)
（1）對(duì)手部設(shè)計(jì)的要求
①有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞刀具。對(duì)于用于換刀的機(jī)械手應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置
②有足夠的開(kāi)閉范圍
夾持類手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置。工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱為開(kāi)閉范圍。對(duì)于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，可用開(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。手指開(kāi)閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如刀具的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來(lái)說(shuō)，如工作環(huán)境許可，開(kāi)閉范圍大一些較好[14]。
③力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。
④應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度
保證每個(gè)被夾持的工件在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確的相對(duì)位置，這對(duì)一些有方位要求的場(chǎng)合更為重要，因此機(jī)械手的首部在夾持工件后應(yīng)保持相對(duì)的位置精度。
⑤應(yīng)考慮通用性和特殊要求
一般情況下首部多是專用的，為了擴(kuò)大它的使用范圍，提高他的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采用手指可調(diào)整的辦法。如更換手指甚至更換整個(gè)手部。
⑵手指夾緊力的計(jì)算
手指加在刀具上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)其大小、方向、和作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)[15]。
由公式 (3.1)
式中---安全系數(shù)，通常取1.2-2.0；
----工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式計(jì)算
(3.2)
式中 a---運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度；
g---重力加速度，g=9.8m/㎡；
（3.3）
---運(yùn)載工具時(shí)重力方向的最大上升速度；
----系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取。一般取0.03—0.5s。
---方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定。按表3-1選取。
G---被抓取刀具所受重力。
表3-1 夾緊力的方位系數(shù)
手指與工件位置
手指是水平放置夾水平放置的工件
手指是水平放置夾水平懸置放置的工件
手指是水平放置夾垂直放置的工件
手指是垂直放置夾水平放置的工件
手指是垂直放置夾垂直放置的工件
手指與工件形狀
平直指端夾方形件
=0.5
,粗略計(jì)算
=0.5/f
f---摩擦系數(shù)
粗略計(jì)算=5
=0.5/f
f---摩擦系數(shù)
粗略計(jì)算=5
=0.5/f
f---摩擦系數(shù)
粗略計(jì)算=5
V形指端夾圓棒
=0.5
粗略計(jì)算
，—V形手指半角，粗略計(jì)算=4
粗略計(jì)算=（0.9—1.1）
—V形手指半角，粗略計(jì)算=4
⑶拉緊裝置原理[16]
（1）固定手指
如圖3.5所示：
圖3.5 固定手指三視圖
如圖3-6所示
（2）活動(dòng)手指
圖3.6 活動(dòng)手指主視圖和俯視圖
手指夾緊部位關(guān)系圖，手指夾緊與松開(kāi)狀態(tài)如圖3.7。
8--擋塊（此處為B型）
4--鎖緊彈簧
3--活動(dòng)手指
7--夾刀彈簧
6--頂銷
5--卡銷
1--固定手指
2--刀具定向鍵
C-C
8
7
6
5
4
3
2
1
圖3.7 手爪的結(jié)構(gòu)圖
3.2.2 手臂油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
（1）手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)[17]。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動(dòng)、靜載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力較復(fù)雜。
機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。
（2）機(jī)械傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)的簡(jiǎn)介
①純機(jī)械傳動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)平均負(fù)荷系數(shù)低，因此一般只能進(jìn)行有級(jí)變速，并且布局方式受到限制。但由于其具有在穩(wěn)態(tài)傳動(dòng)效率高和制造成本低方面的優(yōu)勢(shì)，在調(diào)速范圍比較小的通用客貨汽車和對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求苛刻、作業(yè)速度恒定的農(nóng)用拖拉機(jī)領(lǐng)域迄今仍然占據(jù)著霸主地位。
②液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)相比。液壓傳動(dòng)更容易實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)(流量)和動(dòng)力參數(shù)(壓力)的控制，而液壓傳動(dòng)較之液力傳動(dòng)具有良好的低速負(fù)荷特性。由于具有傳遞效率高，可進(jìn)行恒功率輸出控制，功率利用充分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)調(diào)速，可正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)，速度剛性大，動(dòng)作實(shí)現(xiàn)容易等突出優(yōu)點(diǎn)，液壓傳動(dòng)在工程機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。幾乎所有工程機(jī)械裝備都能見(jiàn)到液壓技術(shù)的蹤跡，其中不少已成為主要的傳動(dòng)和控制方式。極限負(fù)荷調(diào)節(jié)閉式回路，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的恒壓，恒功率組合調(diào)節(jié)的變量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，給液壓傳動(dòng)應(yīng)用于工程機(jī)械行走系提供了廣闊的發(fā)展前景。
與純機(jī)械和液力傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是其調(diào)節(jié)的便捷性和布局的靈活性，可根據(jù)工程機(jī)械的形態(tài)和工況的需要，把發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、工作機(jī)構(gòu)等各部件分別布置在合理的部位，發(fā)動(dòng)機(jī)在任一調(diào)度轉(zhuǎn)速下工作，傳動(dòng)系統(tǒng)都能發(fā)揮出較大的牽引力，而且傳動(dòng)系統(tǒng)在很寬的輸出轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)仍能保持較高的效率，并能方便地獲得各種優(yōu)化的動(dòng)力傳動(dòng)特性，以適應(yīng)各種作業(yè)的負(fù)荷狀態(tài)。在車速較高的行走機(jī)械中所采用的帶閉式油路的行走液壓驅(qū)動(dòng)裝置能無(wú)級(jí)調(diào)速，使車輛柔和起步、迅速變速和無(wú)沖擊地變換行駛方向。對(duì)在作業(yè)中需要頻繁起動(dòng)和變速、經(jīng)常穿梭行駛的車輛來(lái)說(shuō)這一性能十分寶貴。但與開(kāi)式回路相比，閉式回路的設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試以及維護(hù)都有較高的難度和技術(shù)要求[18]。
所以綜上述：手臂的伸縮采用液壓驅(qū)動(dòng)，在手臂上直接加工出一個(gè)油缸。
（3）①手臂水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力
根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所需克服的摩擦、回油背壓及慣性等幾個(gè)方面的阻力，來(lái)確定液壓缸所需的驅(qū)動(dòng)力。
（3.4）
式中---摩擦阻力。手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，為運(yùn)動(dòng)件表面間的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。
---密封裝置處的摩擦阻力；
---液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力；
---啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，活塞桿所受平均慣性力。
a的計(jì)算
不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，導(dǎo)向截面為圓柱面時(shí)，向桿對(duì)稱配置在伸縮缸兩側(cè)，啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大。由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均勻，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算
得：
得:
（3.5）