换刀器设计—末端操作器设计

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1、本科毕业设计说明书（论文）第30页共30页1引言机器人技术是一门跨学科的综合性技术,它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、自动控制技术、传感技术和计算机技术等科学领域，是一门新型的综合性技术，而随着制造业的快速发展，柔性生产自动化的数控加工中心也得到了普及，换刀机器人则是柔性自动化制造中非常重要的机电设备。1.1换刀机器人概念及发展状况从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工

2、业机器人由操作机（机械本体）、控制器、私服驱动系统和检测传感器装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志[1]。1985年美国K&T公司通过科研在数控（NC）机床基础上创制出了带自动换刀机器人的多工序加工中心（MC），在一台机床上能实现铣、钻、镗、攻丝多种工序[2]。多复杂箱体

3、型零件加工能减少转换、调整时间，提高精度、效率，自动化，从而可实现减时、节能、省地、减低成本，并能代替部分铣床、钻床、攻丝机等。带有自动换刀机器人的数控加工中心在现代先进制造业种起着越来越重要的作用，它能缩短产品的制造周期，提高产品的加工精度，适合柔性加工[3]。1.1.1换刀机器人概念换刀机器人是一个具有4个自由度的比较复杂的运动机构，在机器人运行过程中需要精确控制末端操作器（手爪）到达指定的位置，需要避开障碍物以及多轴插补运动等，因此，不仅要求每个关节能准确到达各自的设定位置，而且要求各关节之间能恰当地

4、协调，才能最终保证手爪的位置精度，完成换刀动作[4]。自动换刀机器人作为加工中心的重要组成部分，其主要作用在于减少加工过程中的非切削时间，以提高生产率、降低生产成本，进而提升机床乃至整个生产线的生产力。本科毕业设计说明书（论文）第30页共30页换刀机器人完成刀具装卸站与中央刀库之间或中央刀库与机床（加工单元）刀具之间的刀具交换。刀具在刀具装卸站上，只是暂存一下。根据刀具工作站计算机的指令，换刀机器人将刀具装卸站的刀具搬移至中央刀库中，等待加工时调用。同时，再根据生产计划和工艺规程的要求，换刀机器人又从中央刀

5、库将各加工单元需求的刀具取出，送至各加工单元，准备加工。工件加工完成后，当发现刀具需要刃磨，根据刀具工作站指令，换刀机器人人又将这些从机床上卸下来的刀具从各加工单元取走，送回中央刀库，将一些需要重磨或重新调整的刀具甚至已经断裂了的刀具送至刀具装卸站[5]。由于各厂商根据各自产品的不同特点设计生产自动换刀机器人，所以自动换刀机器人结构种类繁多。在激烈竞争以及现实多变的市场需求驱动下，产品需要不断创新并能够快速响应市场。因此，为了适应市场对加工中心的各种需求，有必要对自动换刀机器人进行系统的设计研究，以产生新的

6、设计概念和快速的换刀装置。一些相关文献对于有关机构概念设计的问题已经做了很多研究。然而很少有相关文献涉及做空间运动的开链机构的方案设计，由于自动换刀机器人是一种典型的开链机构，因此其创新设计概念相对较新，有关的系统研究文献很少。一些文献仅限于适合某种加工中心的某类型自动换刀机器人研究其设计问题或者仅对自动换刀机器人做简单介绍。根据机床功能要求以及整体布局，自动换刀机器人结构形式也多种多样。而自动换刀机器人主要有如下特性：a)对于机床的相对独立性。b)每个部分的功能相对确定。目前，加工中心的各种不同类型的换刀

7、机器人一般都是生产商根据各自产品的特点进行设计[6]。1.1.2换刀机器人发展状况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、告诉与高效的关键部件。目前在世界上，对加工中心的换刀机器人的需求在迅速增长，这是由于科技日益发展，各种机电产品向精密化、轻量化、小型化发展，复杂件增多，工艺上复杂对多工序。多功能的加工中心需求日增。特别是，对高性能、高档的换刀机器人需求量不断增多。美国是当今世界上加工中心呢消费最多的国家，中国由于经济发展迅速，机械工业各部

8、门，如汽车、航空、军工、模具发展生产的需求，对换刀机器人的需要量迅速增加。随着世界和本国的经济形势变化、市场需求增减，各国（地区）换刀机器人的产量在不断波动变化但总的趋势是不断增加[7]。本科毕业设计说明书（论文）第30页共30页近10年来，国产加工中心的换刀机器人的产量稳步增长，特别是进入新世纪以来，国产加工中心的产量直线上升，连上台阶。尽管如此，国产换刀机器人的产量远远满足不了我国市场的需求。产量和消费量的差