1.2 换刀机器人的历史发展

1.3 国内换刀机器人的研究状况

1.4 研究换刀机器人的意义

近年来，通过在各个地区使用工业机器人，可以发现，工业机器人在提高 生产自动化水平、促进劳动积极性以及带动经济发展上，都有着让不可代替的作 用，并引起了各国的广泛关注[9]。随着中国改革开放带来的机遇与竞争，针对国 内工业机器人的研究生产与设计改造，成为了新世纪发展要求的重要任务[10]。

未来的自动换刀装置，将根据不同的工作需要，进行多元化发展。数控机床 随时间也更加快速，精度也越加高，随之自动换刀装置的换刀时间将越来越短， 同时通用性和可靠性越来越强。同时随着仿生机器人技术的发展与成熟，也可将 仿生技术应用于自动换刀装置，使其更加灵活与准确。同时数控机床也会更加智 能化，能很好的应对加工过程中产生的不同问题，能很好的自主对加工进行分析， 做到自主控制，也能很好地做到人机交互，而换刀装置也将与智能化数控机床相 匹配；换刀装置的结构更加合理，体积会更小，能应对复杂的加工要求，而加工 工业也会更加完善[11]。

2 总体方案设计

2.1 换刀机器人的功能要求

加工中心在加工零件的过程中，通常会进行不只一个工序，换刀机器人的 主要功能是从刀库中取出加工中心进行加工工序所需的刀具，并送到指定位置。

考虑到换刀机器人的功能、现实生产中的时间成本和安全性，换刀机器人 应该满足以下几点要求：

（1）能满足刀具从刀库到机床的空间移动，具有一定的工作空间。论文网

（2）末端操作器的手爪，应具有较好的灵活性，以便能够快速稳定选取机 床所需刀具，并且不能损害刀具。

（3）机器人在各个自由度方向应具备一定的运动速度，能快速的完成换刀 任务。

（4）机器人在反复移动过程，应该具有很高的重复定位精度。

（5）机器人应具备良好的人机交互能力，能满足人对其的指示要求，并能 及时反馈工作过程中的问题。

（6）在遇到停电或机械故障等情况时，机器人应该能发出警报，并能紧急 制动，确保工作人员安全。

2.2 换刀机器人的设计方案

2.2.1 主要技术指标

换刀机器人的主要技术指标及设计参数如下：

（1）自由度数：换刀机器人满足工作需求，须有横向、纵向、垂直、旋转 4 个自由度。

（2）坐标形式：为满足换刀机器人空间移动要求，且计算简单，此课题所 设计的机器人为组合式——直角坐标加旋转。

（3）负载重量：单爪额定工作所需抓取重量为 11 kg。

（4）末端操作器：双手爪。

（5）运动行程范围：

（5） 最大运行速度：

纵向移动：11m 横向移动：1.4m 垂直升降：1.8m 末端操作器旋转：180

纵向移动：35 m/min 横向移动：25 m/min 垂直升降： 18m/min 末端操作器旋转：20 rpm

运行速度具备五档可调。

（6） 重复定位精度：换刀机器人一直做往复运动，需要较高的重复定位精 度；本设计所要求的重复定位精度为±0.4 mm。

2.2.2  总体方案拟定

（1）坐标形式的选择 工业机器人的坐标形式有五种，包括圆柱坐标型机器人、极坐标型机器人、

多关节坐标型机器人、直角坐标型机器人和 SCARA 型机器人。此设计的换刀机 器人的工作空间为纵向 11m; 横向 1.4m; 升降 1.8m; 旋转 180º，需实现 换刀的一系列动作，为满足此条件且方便计算，选择组合式结构──直角坐标加 旋转。