1.1  换刀机器人的概念

换刀机器人是一个具有4个自由度，并且有快速自动换刀装置的运动机构，在操作过程中，通过控制末端操作器来到达指定位置，完成刀具进出站与各个刀库之间的刀具交换任务[ ]。因此，各个关节要求能协调相互之间的位置关系，以完成换刀动作，并保证手爪的位置精度，实现在连续加工过程中的自动换刀[ ]。换刀机器人按工作范围划分，有固定式换刀机器人和移动式换刀机器人[ ]。

在特定的加工中心中，换刀机器人是其中必不可少的重要组成部分。它与中央刀库、机床刀库的配合直接决定换刀系统的设备质量。事实上，我们常说的换刀机器人，不是构造形式像人类手形状的机器人，而是具有类似“手”功能的换刀机构。它能够通过与刀库配合，实现取刀、放回、换刀等一系列操作动作[ ]。

1.2  换刀机器人的发展

从换刀机器人的发展历史来看，换刀机器人的发展经历了初期，稳定期，再到高速发展期。1956年，换刀机器人的设计雏形开始显现，美国的IBM成功地设计开发了刀具程序控制装置（APT），同一时期，日本富士通也顺利研究出了数控冲床。1958年，伴随着计算机辅助制造技术的不断提高，美国K&T公司研制出带有自动换刀装置（ATC）的新型加工中心[ ]。在1967年，随着数控技术的迅速发展，出现了柔性制造系统（FMS），使得换刀机器人和自动换刀装置、自动上下料机构以及工作台能够完整结合，工作系统的自动化程度更加完美[ ]。到1978年以后，随着数控加工中心的迅速发展，可实现多种工序加工，并带有自动刀具交换装置的数控机床开启了机床发展的新时代[ ]。1983年，数控刀具锥柄的国际标准横空出世，这是机械制造业的一个新起点，使得换刀机器人的自动换刀系统与结构形成了统一标准，同时也促使各大自动换刀装置的制造商有了统一而明确的目标，向着精度更高、速度更快的换刀生产模式发展[ ]。

随着科技的发展，技术的不断更新，国内外倾向于研发高性能、操作简单和便于维修的换刀机器人。其控制系统朝着实现网络化、标准化的要求发展；越来越紧凑的控制柜，被提高集成度的器件，并采用模块化设计方案的换刀机构，迅速提升了系统的可靠性、并易于操作和维护。现在，实现更快速度的自动换刀装置，已经发展成为主流趋势[ ]。

采用自动换刀装置，可以使中央刀库的刀具交换与加工同时进行，机床刀库能够进行切换与加工处理，并且机床可以实现连续加工。近年来，随着全球的机床产业走向全面、高效的发展道路，研制高效率多功能的柔性制造系统的需要已成为时代趋势，降低生产成本的要求已变成社会发展需求[ ]，发展全面高性能的自动换刀装置成为必然的时代趋势，换刀机器人也正朝着：1）开发出的换刀机器人系统可以承载超重刀具，并配有稳定的锁刀装置，保证重型刀具在使用过程中不会坠落；2）开发可以同时容纳多种类型换刀刀具的机器人，以便经常使用变换刀具的主轴的加工中心；3）换刀机器人朝着高效精确的驱动程序和自动选刀系统发展，需要发展出匹配其性能的减速器和伺服电机，以满足快速选刀和精确换刀的要求；4）换刀机器人朝着低成本，重量轻，且能有高容量的刀库发展，同时能够保证较高的换刀效率[ ]。

1.3  国内外研究历史和发展现状

1.4  课题研究的意义

    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[ ]。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[ ]。