2.4 换刀机器人的机械系统设计

2.4.1 总体结构的设计

换刀机器人的结构包括水平移动系统、垂直升降系统、末端操作器三部分 构成。换刀机器人总体结构设计秉持结构简单紧凑，重量尽量轻的原则，其设计 如图 2.1 所示。

图 2.1 换刀机器人总体结构示意图

2.4.2 末端操作器的设计

末端操作器是换刀机器人的重要部件，作为与刀具直接相关的部件，在抓取 刀具时应有快速准确的特性，有较高的稳定性，能对刀具有较大的抓取力，能够 抓紧刀具，但同时不又不对刀具造成损坏。并且其结构应小巧紧凑。

末端操作器由手腕和手爪构成，其设计如图 2.2 所示。

图 2.2 末端操作器示意图

2.4.3 水平移动系统的设计

水平系统中纵向移动机构将作为换刀机器人总体的基体，横向移动机构将放 于其上，而垂直升降系统将放于横向机构上。

纵向移动长11m，所以选择齿轮齿条传动，结构简单、传动效率高。 横向移动长1.4m，选用滚珠丝杠传动，结构紧凑。 水平移动系统示意图如图2.3所示。

 换刀机器人水平移动系统示意图

3 垂直升降系统的设计

3.1 交流伺服电机的选型与计算方案

3.1.1 伺服电机型式的选取来!自~优尔论-文|网www.youerw.com

伺服电机相对于其他电机来说，精度方面实现闭环控制，克服了失步问题； 具有更好的高速性能；抗过载能力强；而且伺服电机更加稳定；加减速的动态相 应时间短；发热和噪音明显较低。交流伺服电机是无刷电机，分为异步和同步电 机两种，而同步电机功率范围大，可以给系统提供很大的功率，所以一般在运动 控制中选用同步电机比较多。相对于无刷直流伺服电机，交流伺服电机好一些， 因为是由正弦波控制，转矩脉动小，而无刷直流伺服电机是梯形波控制。综合以 上所述，垂直升降系统选用交流伺服电机进行驱动。

3.1.2 伺服电机转速的的选择

电机的转速是根据垂直方向的最大运动速度来确定的，通常不能低于 500r/min。 在电机功率一定的情况下，电机转速越低，其尺寸就越大，而工作效率也就越低。

（1） 初选参数

I 为传动比，垂直升降系统无减速箱，此定 I 1

Vmax 为垂直升降运动最大速度，Vmax  18 m/min

所以电机最大转速为 2000rpm 满足要求。

3.1.3 电动机功率的选择

作用于垂直升降系统中的电动机的功率不能太大，也不能太小。所选择的 电动机的功率过大，会使电机造成浪费；电机功率过小，则不能满足系统运动所 需。因此，应该选择合适的电动机功率。

考虑到重力的影响，垂直升降系统在末端操作器满载做上升运动时为额定工 作情况。所以以此情况进行计算，从而选择电动机功率。

计算参数： 本部分计算采用的公式及部分参数选择参考文献[13]

垂直升降机构电机需带动部件包括丝杠螺母副及法兰盘和末端操作器及最 大夹取刀具量，设计应该时估算值应较大

则 电机转速

垂直升降系统最大运动速度

丝杠内摩擦系数 导杆副内摩擦系数

1   0.005   ；

2   0.1  ；

假设加速时间

t 0.1s ；

则加速度

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