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自动换刀装置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，进而提高机床乃至整个生产线的生产力[2,3,4]。在机械加工中，当复杂零件工序高度集中时，必须频繁更换刀具，大部分时间都花在安装、调整刀具、装卸、搬运零件和检查加工精度等辅助工作上，而采用自动换刀装置可以缩短由于换刀及调整刀具所花费的时间，这样可以提高生产率，降低生产成本[5]。
本文通过对自动换刀装置的历史和发展趋势的研究，为自动换刀机器人的设计提供参考依据。
1.1自动换刀装置的发展历史和研究现状
1.2自动换刀装置的发展趋势
1.3本课题要研究或解决的问题
研究或解决的问题:
本课题要求是设计自动换刀机器人的垂直升降系统, 通过电动机带动丝杠螺母机构来实现机械手的垂直升降。该换刀机器人需要实现夹紧、放松刀具，实现换刀的功能。
为此，先要研究的总体方案设计，包括坐标形式的选择，自由度的确定，驱动方式的选择，传动方式的选择以及定位精度的设计。
2 总体方案设计
本次设计的是一个自动换刀机器人,设计的总体方案主要从以下几个方面考虑：
（1）坐标形式的选择
工业机器人的坐标形式有五种，包括直角坐标型、圆柱标型、多关节坐标型、极坐标型和SCARA型,如下图2-1至2-5所示。直角坐标机器人其位置精度高，直观性强，计算方便；圆柱坐标机器人其特点是:位置精度高、运动直观、结构简单、占地面积小、价廉，因此应用广泛，但其不能抓取靠近立柱或地面上的物体；极坐标型机器人其优点是结构紧凑、动作灵活、占地面积小，但其结构复杂、定位精度低、运动直观性差；多关节机器人的特点是工作范围大、动作灵活、能抓取靠近机身的物体，运动直观性差，要得到高定位精度困难；SCARA型机器人最适宜于平面定位、在垂直方向进行装配。因此本次设计的机器人采用直角坐标系。另外手爪部分使用一个180°旋转的坐标系。
图2-1 直角坐标型机器人
图2-2 圆柱坐标型机器人
图 2-3 多关节坐标型机器人
图 2-4 极坐标型机器人
图 2-5 SCARA型机器人
（2）自由度
机器人的自由度标志着机器人具有的功能大小，自由度越大，机器人的动作越灵活，适应性越强，但结构也越复杂。一般通用机器人有5到6个自由度即可满足要求。按照设计要求本设计为4个自由度。
（3）驱动方式的选择
工业机器人的驱动方式有电动、液压和气动三种方式。一个机器人可以只有一个驱动方式，也可以是几种驱动方式相结合。机器人的驱动系统要求有：驱动系统的质量要尽可能轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；反应速度要快，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；驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；安全可靠；操作文护方便；对环境无污染，噪声要小；经济合理。本课题选用直流伺服电机驱动方式对机器人进行驱动。
（4）传动方式的选择
机械常见的传动方式有：皮带传动；齿轮传动；蜗杆传动；链传动；、摩擦轮传动；滚珠丝杠；钢绳。机器人传动要求有：机构紧凑，传动刚度大，回差要小，寿命长价格低。本课题的升降系统选择滚珠丝杠传动，由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，可以达到较高的定位精度和重复定位精度；水平移动系统包含X、Y两个方向，传动不同，纵向长12m，由于一般丝杠长度达不到这么长，可以选用的是齿轮齿条传动，它的优点在于效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定等。横向长0.8m，可以选用的是滚珠丝杠传动，它适用于高精度距离较短定位，电机与滚珠丝杠用联轴器连接，没有间隙。
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