（2）自由度

机器人的自由度由机器人的结构决定，根据其用途来设计。自由度多，机器 人机构运动的灵活性大，通用性强，功能越多，但结构更复杂，刚性差。满足课 题所设计系统的动作和功能，避免冗余自由度，4个自由度即可满足条件，即横 向移动、纵向移动、垂直方向升降、末端操作器旋转。

（3）驱动方式的选择 工业机器人的驱动方式常见的有电动、液压和气动三种方式。一个机器人

可有一种驱动方式或几种驱动方式相结合进行驱动。机器人的驱动系统要求有：

驱动系统的质量尽可能轻，结构合理，效率高；灵活性要高，即要求力矩质量比 和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反切换；驱动精度高， 位移偏差和速度偏差要小；安全性高；便于维护维修或更换；无污染，噪声小； 成本合理。本设计选用交流伺服电机驱动方式对机器人进行驱动。其优点有：无 电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低；定子绕组散热比较方便； 惯量小，易于提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态。

（4）传动方式的选择 不同的机械系统因为结构特点和工作要求常常选用的传动方式也不一样，在

设计过程中应秉持满足传动要求、尽可能使机械结构紧凑、符合现实中对成本的 要求的原则。常见的传动方式有：皮带传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动、摩 擦轮传动、滚珠丝杠传动、钢绳传动。

本设计的升降系统选择滚珠螺旋传动，滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、 无间隙，有较高的定位精度和重复定位精度。考虑到垂直方向的丝杠所受力的方 向和结构的稳定性，采用两端固定的支承方式。

水平移动包含纵向、横向两个方向，其所选传动方式不同。纵向有效移动范 围为 11m，可以选用的是齿轮齿条传动，其优点在于效率高、结构紧凑、可靠性 高、稳定性好、能保证较长距离的传动效率；横向有效移动范围为 1.4m，选用 的是滚珠丝杠传动，其适用于高精度短距离定位，电机与滚珠丝杠用联轴器连接， 没有间隙。因为转速不高，对精度要求高并且轴向长度比较短，所以横向丝杠安 装方式为一端固定一端支承，固定的一端承受轴向力和径向力，而支承端只受径 向力，可以很好的避免丝杠因为自重而出现弯曲，同时受热时还可以向一端伸长。

为减轻末端操作器的重量，机构更加紧凑，效率更高，末端操作器选用谐波 减速器进行传动，通过齿轮传动实现换刀装置 180 度旋转。文献综述

（5）导轨安装形式

换刀机器人运动行程范围为纵向 11m、横向 1.4m、垂直方向 1.8m，即其工 作为一个立方体，选用的是直角坐标系，可以使换刀机器人末端操作器带动刀具 的运动相对简单直观，更加便于计算。为满足换刀机器人的运动需求，横向和纵 向的运动需要导轨。纵向导轨的有效长度为 11m,横向导轨的有效长度为 1.4m，

而整体机身重近 600kg，相对来说比较重，为保证机器人的稳定性与运动精度， 横向导轨和纵向导轨都选择双导轨。换刀机器人是在数控机床和刀库间完成工作， 而刀库处于离地面 1m 处，考虑到换刀机器人运动过程中的干涉与地面积屑问题， 并且为使机器人的安装使用更加方便，本设计将纵向的导轨安装在空中，俗称天 轨。

（6）位置精度的设计 位置精度是衡量机械手工作质量的一项重要指标，它包括位置设定精度和重

复定位精度。本设计的重复定位精度为±0.4mm。影响定位精度的因素有反向间 隙误差和丝杠螺距误差，因此要测量反向间隙误差和丝杠螺距误差值作为补偿参 数，以便以后编程过程中进行误差补偿。垂直方向丝杠使用双螺母进行预紧，减 小重复定位误差，从而保证重复定位精度要求。