換刀器設(shè)計(jì)—末端操作器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性技術(shù),它涉及到力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣動(dòng)液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)新型的綜合性技術(shù)，而隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，柔性生產(chǎn)自動(dòng)化的數(shù)控加工中心也得到了普及，換刀機(jī)器人則是柔性自動(dòng)化制造中非常重要的機(jī)電設(shè)備。</p><p>　　1.1 換

2、刀機(jī)器人概念及發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到了90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、私服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感器裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定

3、、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志[1]。</p><p>　　1985年美國(guó)K&T公司通過(guò)科研在數(shù)控（NC）機(jī)床基礎(chǔ)上創(chuàng)制出了帶自動(dòng)換刀機(jī)器人的多工序加工中心（MC），在一臺(tái)機(jī)床上能實(shí)現(xiàn)銑、鉆、鏜、攻絲多種工序[2]。多復(fù)雜箱體型零件加工能減少轉(zhuǎn)換、調(diào)整時(shí)間，提高精度、效率，自動(dòng)化，從而可實(shí)現(xiàn)減時(shí)、節(jié)能、省

4、地、減低成本，并能代替部分銑床、鉆床、攻絲機(jī)等。帶有自動(dòng)換刀機(jī)器人的數(shù)控加工中心在現(xiàn)代先進(jìn)制造業(yè)種起著越來(lái)越重要的作用，它能縮短產(chǎn)品的制造周期，提高產(chǎn)品的加工精度，適合柔性加工[3]。</p><p>　　1.1.1 換刀機(jī)器人概念</p><p>　　換刀機(jī)器人是一個(gè)具有4個(gè)自由度的比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中需要精確控制末端操作器（手爪）到達(dá)指定的位置，需要避開(kāi)障礙物以及多軸

5、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等，因此，不僅要求每個(gè)關(guān)節(jié)能準(zhǔn)確到達(dá)各自的設(shè)定位置，而且要求各關(guān)節(jié)之間能恰當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)，才能最終保證手爪的位置精度，完成換刀動(dòng)作[4]。自動(dòng)換刀機(jī)器人作為加工中心的重要組成部分，其主要作用在于減少加工過(guò)程中的非切削時(shí)間，以提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床乃至整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)力。</p><p>　　換刀機(jī)器人完成刀具裝卸站與中央刀庫(kù)之間或中央刀庫(kù)與機(jī)床（加工單元）刀具之間的刀具交換。刀具在刀具裝卸站上，

6、只是暫存一下。根據(jù)刀具工作站計(jì)算機(jī)的指令，換刀機(jī)器人將刀具裝卸站的刀具搬移至中央刀庫(kù)中，等待加工時(shí)調(diào)用。同時(shí)，再根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃和工藝規(guī)程的要求，換刀機(jī)器人又從中央刀庫(kù)將各加工單元需求的刀具取出，送至各加工單元，準(zhǔn)備加工。工件加工完成后，當(dāng)發(fā)現(xiàn)刀具需要刃磨，根據(jù)刀具工作站指令，換刀機(jī)器人人又將這些從機(jī)床上卸下來(lái)的刀具從各加工單元取走，送回中央刀庫(kù)，將一些需要重磨或重新調(diào)整的刀具甚至已經(jīng)斷裂了的刀具送至刀具裝卸站[5]。</p>

7、<p>　　由于各廠商根據(jù)各自產(chǎn)品的不同特點(diǎn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)自動(dòng)換刀機(jī)器人，所以自動(dòng)換刀機(jī)器人結(jié)構(gòu)種類繁多。在激烈競(jìng)爭(zhēng)以及現(xiàn)實(shí)多變的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)品需要不斷創(chuàng)新并能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)。因此，為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)加工中心的各種需求，有必要對(duì)自動(dòng)換刀機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，以產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)概念和快速的換刀裝置。一些相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)于有關(guān)機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的問(wèn)題已經(jīng)做了很多研究。然而很少有相關(guān)文獻(xiàn)涉及做空間運(yùn)動(dòng)的開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，由于自動(dòng)換刀機(jī)器人是一種

8、典型的開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，因此其創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念相對(duì)較新，有關(guān)的系統(tǒng)研究文獻(xiàn)很少。一些文獻(xiàn)僅限于適合某種加工中心的某類型自動(dòng)換刀機(jī)器人研究其設(shè)計(jì)問(wèn)題或者僅對(duì)自動(dòng)換刀機(jī)器人做簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　根據(jù)機(jī)床功能要求以及整體布局，自動(dòng)換刀機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式也多種多樣。而自動(dòng)換刀機(jī)器人主要有如下特性：</p><p>　　a)對(duì)于機(jī)床的相對(duì)獨(dú)立性。</p><p>　　b)每個(gè)

9、部分的功能相對(duì)確定。</p><p>　　目前，加工中心的各種不同類型的換刀機(jī)器人一般都是生產(chǎn)商根據(jù)各自產(chǎn)品的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。</p><p>　　1.1.2 換刀機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　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、告訴與高效的關(guān)鍵部件。</p><p&

10、gt;　　目前在世界上，對(duì)加工中心的換刀機(jī)器人的需求在迅速增長(zhǎng)，這是由于科技日益發(fā)展，各種機(jī)電產(chǎn)品向精密化、輕量化、小型化發(fā)展，復(fù)雜件增多，工藝上復(fù)雜對(duì)多工序。多功能的加工中心需求日增。特別是，對(duì)高性能、高檔的換刀機(jī)器人需求量不斷增多。美國(guó)是當(dāng)今世界上加工中心呢消費(fèi)最多的國(guó)家，中國(guó)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，機(jī)械工業(yè)各部門(mén)，如汽車、航空、軍工、模具發(fā)展生產(chǎn)的需求，對(duì)換刀機(jī)器人的需要量迅速增加。隨著世界和本國(guó)的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)變化、市場(chǎng)需求增減，各國(guó)（地區(qū)

11、）換刀機(jī)器人的產(chǎn)量在不斷波動(dòng)變化但總的趨勢(shì)是不斷增加[7]。</p><p>　　近10年來(lái)，國(guó)產(chǎn)加工中心的換刀機(jī)器人的產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，特別是進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)產(chǎn)加工中心的產(chǎn)量直線上升，連上臺(tái)階。盡管如此，國(guó)產(chǎn)換刀機(jī)器人的產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了我國(guó)市場(chǎng)的需求。產(chǎn)量和消費(fèi)量的差距越來(lái)越大，每年需從國(guó)外進(jìn)口大量的加工中心[8]。</p><p>　　雖然因?yàn)楣I(yè)基礎(chǔ)方面的原因，我國(guó)在換刀機(jī)器人本體的生

12、產(chǎn)水平方面與過(guò)外還有較大差距，但在機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)集成等方面，與國(guó)外先進(jìn)水平的差距已經(jīng)不大。目前國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)已經(jīng)逐步走向成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將更加激烈，制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求越來(lái)越高，人力成本也將不斷提高，作為全球制造工廠的我國(guó)制造業(yè)對(duì)換刀機(jī)器人的需求也將會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期[9]。</p><p>　　1.2 換刀機(jī)器人未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)<

13、;/p><p>　　正由于地軌式的局限性，換刀機(jī)器人正向空間導(dǎo)軌式發(fā)展?？罩袑?dǎo)軌式能充分利用空間，占地面積小，能適應(yīng)各種條件的換刀工作。同時(shí)為了使工作空間更大，結(jié)構(gòu)安排更容易，精密度更高，可以根據(jù)需要分別采用空間單軌和雙軌兩種換刀機(jī)器人。采用換刀機(jī)器人可以使機(jī)床刀庫(kù)與中央刀庫(kù)的刀具交換與加工同時(shí)進(jìn)行，機(jī)床可實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工。近幾年來(lái)，伴隨著全球機(jī)床產(chǎn)業(yè)正朝著全方位、高效率、高速度、多功能的柔性制造系統(tǒng)的演進(jìn)趨勢(shì)以及降低生

14、產(chǎn)成本等的發(fā)展需求。換刀機(jī)器人將有如下發(fā)展[10]：</p><p>　　1） 換刀機(jī)器人系統(tǒng)要能承載重量70kg以上的超重刀具，并且要擁有強(qiáng)力鎖刀裝置，以防止重型刀具在運(yùn)行中墜落；</p><p>　　2） 對(duì)不同類型刀具的容納能力將更強(qiáng)，以便時(shí)常變換使用在多種主軸的加工中心；</p><p>　　3） 向著高效率且定位精確的驅(qū)動(dòng)和選刀系統(tǒng)發(fā)展，發(fā)展出更高精度且配

15、高質(zhì)量、高定位的伺服電機(jī)及減速機(jī)，以符合選刀的迅速和換刀的精確；</p><p>　　4） 換刀機(jī)器人也向著質(zhì)量輕，成本低，但能有高容量的刀庫(kù)發(fā)展，提高換刀效率。</p><p>　　如今，高速加工中心的切削技術(shù)和柔性制造技術(shù)正飛速發(fā)展起來(lái)，他們能進(jìn)一步減少加工時(shí)間、提高加工生產(chǎn)率。因此，換刀機(jī)器人技術(shù)也伴隨著兩者的發(fā)展而發(fā)展，換刀機(jī)器人技術(shù)主要是減少加工輔助時(shí)間，而且正處于發(fā)展階段，換刀

16、機(jī)器人技術(shù)的新技術(shù)新方法正不斷出現(xiàn)和改進(jìn)，使得加工中心的切削技術(shù)和柔性制造的效率進(jìn)一步得到提高。</p><p>　　1.3 課題研究意義</p><p>　　換刀機(jī)器人，是加工中心穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵功能部件。它的快速、準(zhǔn)確的換刀程序是影響加工中心發(fā)揮高效、可靠的加工性能的重要因素。有資料顯示，換刀機(jī)器人的故障率站整機(jī)故障率的25%[11]。</p><p>　　刀

17、庫(kù)中的刀具與主軸上的刀具交換的動(dòng)作的多少及機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度直接影響換刀機(jī)器人的工作效率，可靠性和可維護(hù)性。許多加工中心的換刀機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換刀動(dòng)作多，機(jī)械手換刀的準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)主軸上的刀具工作時(shí)間很短時(shí)，由于機(jī)械手的換刀準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，主軸在換刀點(diǎn)需要等待一段時(shí)間，影響加工中心的效率。又由于換刀的動(dòng)作多，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，可靠性降低。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，維護(hù)困難。希望通過(guò)對(duì)加工中心換刀過(guò)程的分析和研究，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，和同一小組的同學(xué)設(shè)計(jì)一個(gè)換刀機(jī)器人，

18、使得換刀動(dòng)作減少，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化。提高它的可靠性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性。</p><p><b>　　2 方案論證</b></p><p><b>　　2.1 技術(shù)要求</b></p><p>　　換刀機(jī)器人用于工廠車間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)完成機(jī)床與刀庫(kù)之間的換刀過(guò)程。</p><p>　

19、　根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)要求，確定其大致的作業(yè)空間，該機(jī)器人是用來(lái)控制一條生產(chǎn)線上的中央刀庫(kù)與加工中心主軸之間的換刀，同時(shí)服務(wù)于多臺(tái)加工中心，所以其移動(dòng)距離相對(duì)較長(zhǎng)，中央刀庫(kù)與加工中心主軸上的刀架有一定的高度落差，所以換刀過(guò)程中，該機(jī)器人還要作垂直方向的運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　換刀機(jī)器人為直角坐標(biāo)組合式的結(jié)構(gòu)，為達(dá)到手臂的運(yùn)動(dòng)范圍，需要有四個(gè)自由度，即縱向移動(dòng)、橫向移動(dòng)、垂直升降運(yùn)動(dòng)和手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。</p&

20、gt;<p><b>　　技術(shù)要求：</b></p><p>　　結(jié)構(gòu)形式： 組合式—直角坐標(biāo)加旋轉(zhuǎn)；</p><p>　　自由度數(shù)： 4；</p><p>　　負(fù)載重量： 10 Kg （單爪）</p><p>　　末端操作器： 雙手爪</p

21、><p>　　工作空間： 縱向 11m；橫向 0.6m；</p><p>　　升降 1m；旋轉(zhuǎn) 180º；</p><p>　　運(yùn)行速度： 五檔可調(diào)；</p><p>　　最大運(yùn)行速度： 縱向33.6 m/min；橫向16 m/min；</p><p>　　升降 8 m/m

22、in；旋轉(zhuǎn)16 rpm；</p><p>　　重復(fù)定位精度： ±0.6mm；</p><p>　　記憶刀位數(shù)： 不小于170把，可擴(kuò)展；</p><p>　　總重量： ≯600 kg.</p><p>　　2.2 總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2．1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方

23、案設(shè)計(jì)</p><p>　　從以上的分析介紹，可以得出換刀機(jī)器人的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求如下：</p><p><b>　　特點(diǎn)：</b></p><p>　　1）換刀機(jī)器人各個(gè)組成部分的功能具有相對(duì)的獨(dú)立性；</p><p>　　2） 換刀機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)與各部件的相對(duì)位置關(guān)系密切相關(guān)；</p><p&g

24、t;　　3） 換刀機(jī)器人的設(shè)計(jì)必須考慮縱向、橫向、垂直和手臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的參與。</p><p><b>　　要求：</b></p><p>　　1） 換刀時(shí)間越短越好；</p><p>　　2） 換刀機(jī)構(gòu)所占的空間??；</p><p>　　3） 換刀機(jī)器人機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)單</p><p>　　4） 換刀

25、機(jī)器人機(jī)械構(gòu)造簡(jiǎn)單；換刀時(shí)，不可與工件或工作臺(tái)發(fā)生干涉；</p><p>　　5） 能夠在切削時(shí)間內(nèi)完成換刀前的準(zhǔn)備動(dòng)作；</p><p>　　6） 刀庫(kù)與換刀機(jī)器人最好同機(jī)床主體分開(kāi)，防止振動(dòng)對(duì)精度的影響；</p><p>　　7） 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化或模塊化；</p><p>　　8） 良好的可靠性和定位精度；</p><p&

26、gt;　　9） 足夠的刀具夾緊力合夾持力。</p><p>　　根據(jù)以上功能要求，經(jīng)過(guò)對(duì)換刀系統(tǒng)的操作流程仔細(xì)研究以后，其主要的技術(shù)指標(biāo)和計(jì)算參數(shù)如下：</p><p><b>　　1） 運(yùn)動(dòng)范圍</b></p><p>　　根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)要求其運(yùn)動(dòng)范圍為：</p><p><b>　　縱向行走11m，</

27、b></p><p><b>　　橫向移動(dòng)0.6m，</b></p><p><b>　　升降1m，</b></p><p><b>　　旋轉(zhuǎn)180º</b></p><p><b>　　2） 自由度的確定</b></p>&

28、lt;p>　　該機(jī)器人要完成的動(dòng)作有縱向移動(dòng)、橫向移動(dòng)、垂直升降移動(dòng)、手臂旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，由此確定該機(jī)器人的自由度為四個(gè)。</p><p>　　3） 結(jié)構(gòu)形式的選擇</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有三種，直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)。直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，所以，

29、直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度。圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度一般。圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)完成的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但精度不夠高。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，換刀機(jī)器人要完成橫向、縱向和垂直三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。故采用直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)的要求

30、，所以最終的坐標(biāo)形式是：組合式—直角坐標(biāo)加旋轉(zhuǎn)。結(jié)合空間分析得出的結(jié)論要求四個(gè)自由度，所以其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 換刀機(jī)器人總體示意圖</p><p><b>　　4）軌道形式</b></p><p>　　軌道的形式有兩種：?jiǎn)诬壓碗p軌。在確定機(jī)器人工作空間后，由于換刀位置離地面有一定的高度，而且加工中心和中央刀

31、庫(kù)分布在導(dǎo)軌的兩側(cè)，因此，采用雙軌的形式。單軌不利于橫向運(yùn)動(dòng)，而且機(jī)器人本身的重量多達(dá)幾百千克，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)受到慣性等因素的影響，使運(yùn)動(dòng)偏離正常的工作要求，也無(wú)法擺正位置精度。采用雙軌形式可以避免這些問(wèn)題，同時(shí)也節(jié)省了空間。本設(shè)計(jì)要求縱向移動(dòng)導(dǎo)軌11米，橫向?qū)к?.6米，垂直導(dǎo)軌1米。如果采用單軌再考慮導(dǎo)軌剛度的問(wèn)題，動(dòng)力性能也不如雙軌形式。當(dāng)然雙軌也有面臨的問(wèn)題是對(duì)它的調(diào)整要求高，防護(hù)和保養(yǎng)要求高，但是相對(duì)比較而言，采用雙軌比單軌

32、好處多。所以本設(shè)計(jì)綜合考慮各方面的因素后，采用雙軌形式。</p><p><b>　　5） 定位精度</b></p><p>　　在本設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化和各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀機(jī)器人的定位精度。通過(guò)伺服電機(jī)和齒輪減速器能提高傳動(dòng)精度和旋轉(zhuǎn)時(shí)的精度，手部手指在設(shè)計(jì)時(shí)加入了凸形塊，能剛好卡住刀柄的凹槽，提高定位精度。</p><p>&

33、lt;b>　　6） 動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　驅(qū)動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)單元是機(jī)器人的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)動(dòng)力源的不同，可分為電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)三類。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，有較高的重復(fù)定位精度，但出力不大。液壓式的出力較大，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，但對(duì)液壓回路要求較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。因此，實(shí)際運(yùn)用中采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)比較好。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)多數(shù)情況下采用直流、交流伺服電機(jī)，也可

34、用力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。根據(jù)本設(shè)計(jì)的精度要求，力矩電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)以及交流伺服電機(jī)雖能滿足精度要求，但不實(shí)惠，故采用直流伺服電機(jī)。經(jīng)過(guò)比較后，本設(shè)計(jì)中的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　2.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　換刀機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)速度參數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式等選擇傳動(dòng)方式和傳動(dòng)元件關(guān)于橫向移動(dòng)部分：橫向移動(dòng)和垂直升降部分唯一不同的地方就是受力方式不

35、一樣，因此仍采用滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副相配合傳動(dòng)。只是橫向運(yùn)動(dòng)的那個(gè)鐘螺母不和竄動(dòng)時(shí)只能做直線運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、剛度大和承受能力較好符合設(shè)計(jì)的要求，如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2 橫縱向移動(dòng)系統(tǒng)示意圖</p><p>　　圖2.3 橫縱向移動(dòng)系統(tǒng)側(cè)視圖</p><p>　　關(guān)于縱向移動(dòng)部分，縱向移動(dòng)部分屬于長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)達(dá)11m，不能采用

36、齒輪傳動(dòng)或者絲杠傳動(dòng)，因?yàn)闊o(wú)法滿足定位精度和重讀定位精度，更重要的是效率太低，達(dá)不到工業(yè)運(yùn)用的目的。所以根據(jù)各個(gè)傳動(dòng)的特點(diǎn)，選擇齒輪齒條傳動(dòng)，利用圓柱導(dǎo)軌導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)。并采用雙軌的特點(diǎn)就可以滿足要求。選擇齒輪齒條傳動(dòng)，利用圓柱導(dǎo)軌導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)。并采用雙軌的特點(diǎn)就可以滿足要求。</p><p>　　關(guān)于手爪部分：可采用氣動(dòng)也可采用電動(dòng)。為了使整個(gè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的協(xié)調(diào)和平穩(wěn)。同時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用電動(dòng)方式，因此傳動(dòng)部分相對(duì)

37、比較簡(jiǎn)單，這使得手爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，減輕了手臂的重量，增加了手臂的靈活性和相對(duì)空間位置的定位性。手爪的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 手爪結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　手臂旋轉(zhuǎn)部分：采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)為了減小部件的重量和體積。提高傳動(dòng)效率，改善系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能，目前技術(shù)研發(fā)了新的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如：行星齒輪傳動(dòng)、諧波齒輪傳動(dòng)等。從傳動(dòng)效率看，直齒輪減速器效率

38、較高，而且傳動(dòng)比大，承載能力強(qiáng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以采用直齒輪傳動(dòng)比較合適。</p><p>　　關(guān)于升降部分：升降部分主要是體現(xiàn)機(jī)器人的上下垂直運(yùn)動(dòng)，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為機(jī)構(gòu)的上下直線運(yùn)動(dòng)。采用的方式可以是蝸輪蝸桿傳動(dòng)，可以是圓錐齒輪傳動(dòng)。這兩種傳動(dòng)方式，相對(duì)比較而言傳動(dòng)效率都低，而且傳動(dòng)精度也不高。因此，采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。這種傳動(dòng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><

39、p>　　1） 傳動(dòng)效率高，摩擦損失?。?lt;/p><p>　　2） 給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋的間隙。適當(dāng)預(yù)緊后的滾珠絲杠副，可消除螺紋間隙，這樣方向時(shí)就沒(méi)有空程死區(qū)。反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副相比有較高的軸向剛度；</p><p>　　3） 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。滾珠絲杠副基本是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度影響很小，可以忽略。這樣可以擺

40、正運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性而不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動(dòng)精度高；</p><p>　　4） 有可逆性。由于滾珠絲杠副摩擦損失小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母可作為主動(dòng)件，也可作為從動(dòng)件；</p><p>　　5） 磨損小，使用壽命長(zhǎng)。因?yàn)闈L珠摩擦的摩擦系數(shù)小，磨損亦小，故壽命長(zhǎng)；</p><p>　　6） 制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等

41、的加工精度要求高，表面粗糙度值要求低；</p><p>　　7） 不能自鎖，特別是垂直安裝的絲杠，由于自身質(zhì)量的慣性力作用，下降時(shí)，當(dāng)傳動(dòng)切斷后不能立即停止運(yùn)動(dòng)，故常需添加制動(dòng)裝置。</p><p>　　應(yīng)用滾珠絲杠和滾動(dòng)導(dǎo)軌副相配合傳動(dòng)，導(dǎo)軌承受載荷和導(dǎo)向升降部分采用如圖2.5所示滾珠絲杠，其特點(diǎn)是螺母只能移動(dòng)且必須是軸向移動(dòng)，而絲杠是軸向移動(dòng)，當(dāng)絲杠不動(dòng)時(shí)，螺母必須有自鎖功能，并且定位

42、要準(zhǔn)確。這樣就可以在重復(fù)定位精度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)或垂直升降運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖2.5 垂直升降系統(tǒng)示意圖</p><p>　　2.2.3 伺服系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　伺服電動(dòng)機(jī)的選擇</b></p><p><b>　　選擇要求：</b></p><

43、p>　　機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)就是要驅(qū)動(dòng)各部分關(guān)節(jié)機(jī)器人按照規(guī)劃的軌跡在空間運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人各部分輸出的轉(zhuǎn)矩是伺服誤差的函數(shù)，并且有使伺服誤差減小的趨勢(shì)，從而機(jī)器人才會(huì)按照所要求的控制來(lái)執(zhí)行任務(wù)，所以基于誤差驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)伺服系統(tǒng)的基本性能就是滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)要求系統(tǒng)具有一定的快速響應(yīng)能力和精度指標(biāo)，這樣才能保證課題要求的運(yùn)動(dòng)中重復(fù)定位精度：±0.6 mm。因此，在選用控制方式時(shí)根據(jù)課題的要求，綜合考慮到這些方面，選用的控制

44、方式為閉環(huán)反饋的點(diǎn)位控制。采用直流伺服電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)除可控外還具有以下特點(diǎn)：</p><p><b>　　1） 調(diào)速范圍廣；</b></p><p><b>　　2） 轉(zhuǎn)子慣性?。?lt;/b></p><p>　　3） 控制功率小，可靠性好。</p><p>　　直流伺服電機(jī)的應(yīng)用方案</p&g

45、t;<p>　　對(duì)于換刀機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，要求有罪大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是機(jī)器人末端操作器（旋轉(zhuǎn)部）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動(dòng)機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時(shí)過(guò)載能力。這是伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。</p><p>　　由于高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大轉(zhuǎn)矩、低慣量的交直流伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)

46、機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用，一般負(fù)載1000N（相當(dāng)于100kgf）以下的工業(yè)機(jī)器人大多采用電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。所采用的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要是AC伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和DC伺服電動(dòng)機(jī)。其中，交流伺服電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)（DD）均采用位置閉環(huán)控制，一般應(yīng)用于高精度、高速度的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。工業(yè)機(jī)器人電動(dòng)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)分為三個(gè)閉環(huán)控制，即電流環(huán)、速度環(huán)、和位置環(huán)。</p><p>　　綜合以上因素的分析

47、和考慮，該換刀機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)均采用直流伺服電動(dòng)機(jī)，同時(shí)電動(dòng)伺服系統(tǒng)為閉環(huán)反饋的控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.3 總體方案確定</p><p>　　根據(jù)以上各部分的方案設(shè)計(jì)和論證，確定出可行性方案。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用雙軌機(jī)器人，這是因?yàn)殡p軌工作范圍大，容易布置結(jié)構(gòu)，精度也高，單軌不利于橫向運(yùn)動(dòng)的要求，且單軌的剛度也較低，根據(jù)工作空間的環(huán)境，本設(shè)計(jì)

48、采用空中導(dǎo)軌式，極大的減少了設(shè)備的占地空間，可保證較高的精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，不過(guò)調(diào)整要求較高。</p><p>　　采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，相對(duì)成本要求較高，但位置精度和速度精度高，能夠保證換刀精度。</p><p>　　手爪取刀后應(yīng)該具有保持功能，即在運(yùn)動(dòng)過(guò)程或突然斷電的情況下，刀具不會(huì)自行脫落。手爪的張開(kāi)和抓緊靠電磁鐵控制，而自鎖則由彈簧來(lái)完成。在橫向、升降和縱向自由度的導(dǎo)軌上設(shè)計(jì)有機(jī)

49、械式限位塊裝置，防止失控時(shí)機(jī)構(gòu)損傷和滑落。由于機(jī)器人在空中移動(dòng)，而且高度大約在2 m左右。在導(dǎo)軌部裝有防止傾覆的裝置，并且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的重心要盡量的低，以提高安全性。</p><p>　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性指在啟動(dòng)過(guò)程中速度變化的特性。根據(jù)給出的速度可知，各軸的速度，同時(shí)可知加速度并不是很大，這樣既可以縮短啟動(dòng)及控制時(shí)間，又可以降低速度的突變，不會(huì)產(chǎn)生太大的沖擊。在每個(gè)自由度中，本設(shè)計(jì)采用剛性比較好、精度高的部件結(jié)構(gòu)

50、，更主要的是在傳動(dòng)系統(tǒng)中加緩沖裝置和定位裝置，以減少定位前的沖擊和變形。機(jī)器人的升降和縱向采用滾珠絲杠傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，而且位置精度高。</p><p>　　3 執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　換刀機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)由縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向移動(dòng)滑臺(tái)、垂直升降體、手臂旋轉(zhuǎn)和雙手爪五部分組成。</p><p>　　3.1 縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p&g

51、t;　　縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，橫向移動(dòng)，垂直升降等機(jī)構(gòu)都要空置在縱向滑臺(tái)上。縱向機(jī)構(gòu)承載的機(jī)器人總重為600 kg，所以框架結(jié)構(gòu)采用空心矩形截面，以達(dá)到良好的剛度、強(qiáng)度，同時(shí)保證輕量化和穩(wěn)定性的要求。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用單邊齒輪齒條傳動(dòng)，由直流伺服電機(jī)通過(guò)圓柱齒輪減速器帶動(dòng)行走齒輪和齒條嚙合，縱向機(jī)構(gòu)沿11 m長(zhǎng)的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。為保證縱向運(yùn)動(dòng)精度，主導(dǎo)軌一側(cè)安裝導(dǎo)向輪。</p><p>　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的空間直接影響手

52、爪的正常工作，圓柱齒輪減速器采用偏心套筒機(jī)構(gòu)，以消除減速器空回。為調(diào)整齒輪齒條嚙合間隙，減速器設(shè)計(jì)為整體可調(diào)式，為增加穩(wěn)定性、安全性，在導(dǎo)軌與行走機(jī)構(gòu)之間放置防傾覆輪。機(jī)構(gòu)布局要考慮重量的分布和重心高度。</p><p>　　加工中心最高處約1.9 m則導(dǎo)軌所在高度在2 m左右。</p><p>　　3.2 橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p>　　橫向移動(dòng)采用上置式方案，

53、橫向移動(dòng)部分完全置于導(dǎo)軌之上，此外還帶動(dòng)升降體和手部一起運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)絲桿采用雙螺母預(yù)緊，以消除間隙。絲桿端與電機(jī)軸聯(lián)接，螺母帶動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌期支撐和導(dǎo)向的作用。導(dǎo)軌兩端設(shè)有限位擋塊，以保證滑動(dòng)部分在工作行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)不發(fā)生滑脫的情況。</p><p>　　3.3 垂直升降機(jī)構(gòu)</p><p>　　升降系統(tǒng)采用滾珠絲杠副傳動(dòng)，滾珠導(dǎo)軌作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)方式：直流伺服電機(jī)軸與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器直接聯(lián)接

54、，絲桿由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，而軸向移動(dòng)杯限制。則絲桿螺母帶動(dòng)升降滑臺(tái)作垂直升降移動(dòng)。</p><p>　　在升降系統(tǒng)中，為防止意外情況，諸如突然斷電等情況時(shí)，升降滑臺(tái)在自身重力作用下向下滑移，以保證工作情況的安全性和系統(tǒng)的精度。由于滾珠絲桿沒(méi)有自鎖功能，所以只能采用其他辦法解決此問(wèn)題。本設(shè)計(jì)中采用帶有制動(dòng)器的直流伺服電機(jī)，在意外情況發(fā)生時(shí)，電機(jī)的制動(dòng)器可限制升降部分的滑動(dòng)。</p><p>

55、<b>　　3.4 末端操作器</b></p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人不只是一臺(tái)具有若干自由度的機(jī)電裝置，孤立的一臺(tái)機(jī)器人在生產(chǎn)中沒(méi)有任何價(jià)值。只是根據(jù)作業(yè)內(nèi)容，工件形狀、質(zhì)量和大小等工藝因素，給機(jī)器人配有相應(yīng)的輔助機(jī)械裝置，機(jī)器人才會(huì)成為實(shí)用的加工設(shè)備。這種輔助裝置的性能極大地影響著機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中的作用。也是多年來(lái)人們給予重點(diǎn)研究的內(nèi)容。最為重要的輔助裝置有機(jī)器人末端操作器。<

56、;/p><p>　　機(jī)器人末端操作器有很多種分類，按操作要求分類有搬運(yùn)類、加工中心和測(cè)量類等。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中的換刀機(jī)器人末端操作器屬于搬運(yùn)類。搬運(yùn)類末端操作器是指各種夾持裝置，用來(lái)抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。它的用途廣泛、結(jié)構(gòu)各異。多數(shù)需要進(jìn)行專門(mén)設(shè)計(jì)。</p><p>　　設(shè)計(jì)機(jī)器人末端操作器時(shí)，要注意一下幾項(xiàng)基本要求：</p><p&

57、gt;　　1）末端操作器要根據(jù)機(jī)器人作業(yè)的要求來(lái)設(shè)計(jì)，盡量選用已定型的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)件，配以恰當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)和連接件組合成適合生產(chǎn)作業(yè)要求的末端操作器。一種新型末端操作器的實(shí)現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)所。</p><p>　　2）末端操作器的質(zhì)量要盡可能地輕，并力求結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　　3）正確對(duì)待末端操作器的通用性與專一性。萬(wàn)能的末端操作器結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。目前在實(shí)際應(yīng)

58、用中，仍然是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性不強(qiáng)的末端操作器最為適用，因此要著重開(kāi)發(fā)各種各樣專用的、高效率的末端操作器，加上末端操作器的快速更換裝置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多種作業(yè)功能。</p><p>　　手臂的任務(wù)是帶動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)180º，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為直流伺服電機(jī)輸出，通過(guò)聯(lián)軸器與齒輪減速器相連，齒輪減速器的輸出軸帶動(dòng)雙手爪轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)選擇軸向尺寸較小的電機(jī)提高升降部分的有效行程。</p><p>&

59、lt;b>　　3.5 機(jī)械手爪</b></p><p>　　換刀機(jī)器人的主要功能由末端操作器雙手爪來(lái)實(shí)現(xiàn)換刀，手爪應(yīng)該完成取刀、保持、換刀的功能。因此手爪部分的設(shè)計(jì)也是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。為減少驅(qū)動(dòng)元件，保證結(jié)構(gòu)緊湊，手爪結(jié)構(gòu)采用連桿式。當(dāng)手爪張開(kāi)到取刀位置時(shí)，電磁鐵通過(guò)鍥塊，推動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)使手爪合攏，手指定位塊與刀柄上的定位槽結(jié)合，使刀具保持不動(dòng)，橫向移動(dòng)時(shí)，刀具取出。為了把刀具夾緊，防止換

60、刀過(guò)程中松動(dòng)或脫落，在計(jì)算夾緊所需的夾緊力時(shí)，除考慮刀具重量外，還要考慮到換刀過(guò)程中的慣性。</p><p>　　4． 末端操作器的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算</p><p><b>　　計(jì)算參數(shù)如下：</b></p><p>　　負(fù)載重量： 10 kg （單爪）</p&

61、gt;<p>　　末端操作器： 雙手爪</p><p>　　4.1.1 手部結(jié)構(gòu)選擇</p><p>　　手部是用來(lái)直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計(jì)。歸結(jié)起來(lái)，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持式常見(jiàn)

62、的主要有夾鉗式，此外還有鉤托式和彈簧式。</p><p>　　根據(jù)換刀機(jī)器人的作業(yè)要求，其工作時(shí)是夾持刀具，所以該機(jī)器人手部采用夾鉗式。</p><p>　　夾鉗式手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)偶和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的。</p><p>　　4.1.2 手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算</p><p>　　1） 手指握力的計(jì)算</p><p>

63、　　當(dāng)手指水平位置夾持垂直刀具時(shí)，手指握住刀具時(shí)需要的夾緊力最大，取安全系數(shù)為2，負(fù)載重量為10 kg，則握力為：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　2) 手部的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算</p><p>　　如圖4.1所示，P為驅(qū)動(dòng)力，G為刀具的重量，N為手指夾住刀具的夾緊力，由下列公式[12]</p><

64、;p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　圖4.1 手部手受力分析</p><p>　　其中c為動(dòng)力臂，b為阻力臂，</p><p><b>　　取。</b></p><p><b>　　從而 </b></p><p>　　

65、在計(jì)算手部驅(qū)動(dòng)力P時(shí)，除了要考慮被加持刀具的重力外，還要考慮刀具在傳動(dòng)式慣性力、振動(dòng)及傳動(dòng)效率的影響，其實(shí)際驅(qū)動(dòng)力：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　P—理論驅(qū)動(dòng)力</b></p><p>

66、<b>　　--手部機(jī)械效率</b></p><p>　　--安全系數(shù)，一般取1.2-2</p><p>　　--工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力及振動(dòng)等因素。一般取1.0-2.5</p><p>　　在此分別取值：=0.9 ，=1.3 ，=1 。從而：</p><p><b>　?。?-4）</b>&

67、lt;/p><p>　　4.2 手部驅(qū)動(dòng)方式選擇及計(jì)算</p><p>　　4.2.1 驅(qū)動(dòng)方式選擇</p><p>　　機(jī)器人手部的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種</p><p>　　(1) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　(2) 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　(3) 液壓驅(qū)動(dòng)方式</p>

68、<p>　　考慮到機(jī)器人的工作行程較大，以及機(jī)器人結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)性，故采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)能使手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，重量減輕。</p><p>　　圖4.2是一種電磁式鍥塊杠桿式手爪。電磁鐵心在電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鍥塊產(chǎn)生王府運(yùn)動(dòng)，使手爪的手指產(chǎn)生夾緊及松開(kāi)的動(dòng)作。</p><p>　　圖4.2 電磁式鍥塊杠桿式手爪</p><p>　

69、　4.2.2 電磁鐵的選擇</p><p>　　推拉式電磁鐵主要由外殼、定鐵芯、動(dòng)鐵芯和線圈四部分組成。線圈通電后，動(dòng)鐵芯產(chǎn)生軸向直線運(yùn)動(dòng)，起到推、拉外接負(fù)載裝置的功能。由于采用高導(dǎo)磁的材料和帶有錐形配合的磁路結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)品雖然體積小、重量輕，但與常規(guī)的小型電磁鐵相比，其行程和吸引力都較大。</p><p>　　經(jīng)過(guò)選擇采用TCT592推拉式電磁鐵。該電磁鐵的參數(shù)如下：</p>

70、<p><b>　　直徑：59mm</b></p><p><b>　　高度：66.6mm</b></p><p><b>　　行程：1-20mm</b></p><p><b>　　負(fù)載：280N</b></p><p><b>

71、　　重量：1kg</b></p><p><b>　　4.3 手指的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　加工中心所使用的刀柄類型：</p><p>　　加工中心所用的刀具是由通用刀具（又稱工作頭或刀頭）和與加工中心主軸前端錐孔配套的刀柄等組成。</p><p>　　在加工中心機(jī)床上，各種刀具分別裝在刀庫(kù)中，按程

72、序的規(guī)定自動(dòng)換刀。因此必須采用標(biāo)準(zhǔn)刀柄，以便使鉆、鏜、擴(kuò)、銑削等工序用的刀具能迅速、準(zhǔn)確地裝到機(jī)床主軸上。</p><p>　　加工中心機(jī)床所用的刀具必須適應(yīng)加工中心告訴、高效和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，其刀柄部分要聯(lián)接通用刀具并安裝在機(jī)床主軸上，由于加工中心類型不同，其刀柄柄部的形式及尺寸不盡相同。</p><p>　　JT（ISO7388）表示加工中心機(jī)床用的錐柄柄部（帶有機(jī)械手夾持槽），氣

73、候面的數(shù)字表示相應(yīng)的ISO錐度號(hào)。該加工中心所采用的刀柄為40T刀柄：</p><p>　　圖4.3 刀柄機(jī)構(gòu)示意圖</p><p>　　根據(jù)40號(hào)刀柄的類型該機(jī)械手手指實(shí)際時(shí)要帶有能卡住刀柄開(kāi)口槽的定位塊,這樣即使在手部驅(qū)動(dòng)力減小的情況下手指也能夾緊刀具.設(shè)計(jì)如下圖4.4：</p><p>　　圖4.4 手指示意圖</p><p>　　4.

74、4 手部轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算</p><p><b>　　查資料[13]得</b></p><p><b>　　(4-4)</b></p><p><b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p&g

75、t;<b>　　(4-7)</b></p><p><b>　　以上式中</b></p><p>　　---- 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩（）</p><p>　　---- 慣性力矩（）</p><p>　　---- 偏心力矩（）</p><p>　　---- 手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）</p&g

76、t;<p>　　---- 轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（rad/s）</p><p>　　---- 手臂轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間（s）,一般取0.05-0.3s；</p><p>　　---- 工件重心到手臂回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離</p><p><b>　　---- 工件重量</b></p><p>　　因?yàn)槭直鄄捎玫牟牧鲜卿X合金，根據(jù)手

77、臂的尺寸如圖4.5所示，計(jì)算出手臂的重量.</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　密度： </b></p><p><b>　　體積： </b></p><p><b>　　底面積： </b></p>

78、;<p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　圖4.5 手臂尺寸示意圖</p><p>　　因?yàn)殡姶盆F的重量為1kg，又手臂為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，需要兩個(gè)電磁鐵，故電磁鐵總重。</p><p>　　手臂上手指等其他結(jié)構(gòu)總重</p><p>　　當(dāng)手爪夾持在工件的重心（中間）位置回轉(zhuǎn)1800，則根據(jù)剛體

79、對(duì)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　其中 </b></p><p><b>　　得手臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</b></p><p><b>　　又慣性力矩：</b></p><p>

80、;　　因手臂旋轉(zhuǎn)要求為16rpm,則：</p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　又 </b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　

81、　4.5 電機(jī)及齒輪減速器的選擇</p><p>　　4.5.1 電機(jī)的選擇</p><p>　　根據(jù)估算比較，選擇蘇州東煒庭電機(jī)有限公司DC-12SP直流伺服電動(dòng)機(jī)，其主要數(shù)據(jù)如下表：</p><p>　　表4.1 DC-12SP直流伺服電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　從中選取電壓12V，功率為200W的電機(jī)。</p>

82、<p>　　此伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)：</p><p>　　1）直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，調(diào)速性能好；</p><p>　　2）起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動(dòng)、停車；</p><p>　　3）具有全閉環(huán)控制功能，提高系統(tǒng)精度；</p><p><b>　　4）易于控制。</b></p><p>　

83、　4.5.2 齒輪減速器的選擇</p><p>　　根據(jù)換刀機(jī)器人的工作情況和精度要求，由伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩并不能滿足作業(yè)要求，所以需要在電機(jī)和換刀臂聯(lián)接中間添加齒輪減速器，已達(dá)到減速增距的作用。</p><p>　　根據(jù)前面的計(jì)算，換刀臂的轉(zhuǎn)矩為14.85，旋轉(zhuǎn)1800，旋轉(zhuǎn)速度為16rpm，選用的私服電機(jī)轉(zhuǎn)速是3200rpm。則根據(jù)公式[14]</p><p&

84、gt;<b>　　(4-11)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　i--減速比</b></p><p><b>　　--電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速</b></p><p><b>　　--減速器輸出轉(zhuǎn)速</b

85、></p><p><b>　　得</b></p><p>　　蘇州東煒庭電機(jī)有限公司DC-12SP直流伺服電動(dòng)機(jī)有配套的齒輪減速器可供選擇，型號(hào)為5GU-K，安裝尺寸如下圖：</p><p>　　圖4.6 齒輪減速器安裝尺寸</p><p>　　附齒輪箱扭轉(zhuǎn)力矩表：</p><p>　　表

86、4.2 齒輪箱允許力矩</p><p>　　根據(jù)減速比i=200，查表得到對(duì)應(yīng)變速檔。</p><p>　　該齒輪減速器特點(diǎn)如下：</p><p>　　1) 能力高 齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時(shí)嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動(dòng)形式高。</p><p>　　2) 傳動(dòng)比大 單級(jí)齒輪比已達(dá)i=200.</

87、p><p>　　3) 體積小，重量輕。</p><p>　　4）傳動(dòng)效率高、壽命長(zhǎng)。</p><p>　　5）傳動(dòng)平穩(wěn)。無(wú)沖擊，噪音低，運(yùn)動(dòng)精度高。</p><p>　　5 聯(lián)軸器的選擇和轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　5.1 聯(lián)軸器的選擇</p><p>　　電機(jī)和減速器之間輸出功率較為平穩(wěn)，且傳

88、動(dòng)距離近，對(duì)中性較好，但電機(jī)啟動(dòng)、變速、反轉(zhuǎn)頻繁，所以考慮選用能夠緩沖吸振的彈性聯(lián)軸器。</p><p>　　已知電機(jī)轉(zhuǎn)速3600rpm,傳遞扭矩0.196Nm.</p><p>　　直流伺服電機(jī)輸出軸直徑為15mm，諧波減速器輸入直徑為15mm，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器LT2。</p><p>　　其基本參數(shù)和主要尺寸如下；</p><p>　

89、　彈性套柱銷聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)配方便，具有一定的彈性和緩沖減震性能，補(bǔ)償兩周相對(duì)位移量不大，但重量輕，無(wú)噪音，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，承載大，效率高，使用壽命長(zhǎng)。</p><p><b>　　5.2 轉(zhuǎn)矩校核</b></p><p>　?。?） 直流伺服電機(jī)至換刀手的傳動(dòng)裝置總效率</p><p>　　（5-1） </p>

90、;<p>　　---- 彈性套柱銷聯(lián)軸器效率，查手冊(cè)得0.99~0.995</p><p>　　---- 齒輪減速器效率，查手冊(cè)得0.8~0.9</p><p>　　取=0.9， =0.85</p><p><b>　　則總效率</b></p><p>　?。?） 齒輪減速器實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩</p>

91、<p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　由前面計(jì)算得</b></p><p>　　又上一章計(jì)算得出手臂旋轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩，</p><p><b>　　得</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)校核得知，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩滿足手臂所需轉(zhuǎn)矩大小要求。<

92、;/p><p>　　至此換刀機(jī)器人末端操作器的機(jī)械設(shè)計(jì)部分已經(jīng)完成。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本課題主要工作在于設(shè)計(jì)出一種可靠性好、工作效率高、生產(chǎn)成本低的加工中心換刀機(jī)械手?？偟膩?lái)講，本課題主要做了以下幾個(gè)方面的工作：</p><p>　　1． 通過(guò)大量的調(diào)研，對(duì)加工中心換刀機(jī)器人進(jìn)行

93、分析和總結(jié)。同時(shí)對(duì)所要設(shè)計(jì)的換刀機(jī)器人總體方案、工作空間、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制形式進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2． 和同組同學(xué)進(jìn)行討論之后確定出總體方案，并繪制了換刀機(jī)器人的總體裝配圖。</p><p>　　3． 在選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載情況估算手臂的大致重量，計(jì)算出電機(jī)軸上的當(dāng)量載荷，并以此為依據(jù)選擇交流伺服電機(jī)，同時(shí)應(yīng)考慮刀電機(jī)轉(zhuǎn)速與減速比之間的配合。電機(jī)上應(yīng)配備有相應(yīng)的制動(dòng)

94、器、測(cè)速器和編碼器。</p><p>　　4． 設(shè)計(jì)中隊(duì)末端操作器部件的選擇及計(jì)算，進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明和驗(yàn)算，例如電磁鐵的選擇、手指的設(shè)計(jì)、減速器的選型、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算和校核等等。只有這些指標(biāo)達(dá)到末端操作器要求，方能安全高效地應(yīng)用。</p><p>　　由于本人學(xué)識(shí)不足、水平有限，對(duì)換刀機(jī)器手的設(shè)計(jì)仍是很膚淺的，對(duì)換刀機(jī)械手的動(dòng)作的減少缺少更詳細(xì)優(yōu)化的方案，論文中肯定存在許多不足之處，望各位老師

95、批評(píng)指正，我將不勝感激。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 龔振邦 等. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995。</p><p>　　[2] 陳循介. 目前世界加工中心的市場(chǎng)需求和發(fā)展動(dòng)向[J].市場(chǎng)縱橫，2004, 38（5）：38-39</p><p>　　[

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