（1） 自由度的确定

换刀机器人需要通过水平移动在刀库和工位之间运动，应具备水平面上沿横向和纵向直线运动的两个自由度；需要通过竖直方向升降运动调整末端操作器位置，以便拔刀、插刀，所以应具备沿垂直方向移动的一个自由度；末端操作器为更换刀具，需要180°旋转，所以应具备在水平面内旋转的一个自由度。综上，该换刀机器人应有4个自由度。

（2） 夹紧力的确定文献综述

设计负载为单爪11kg，夹紧力的大小与手爪具体尺寸的设计相关，其计算请看3.2节。

（3）  工作范围的确定

该机器人的工作范围即各自由度上运动的范围，具体为：纵向移动——10m；横向移动——1.2m；垂直升降：1.5m；末端旋转：180°。

（4） 运动速度

设计中，速度为五档可调。其中最大运行速度为：纵向35m/s；横向25m/s；升降18m/min；旋转20rpm。

（5） 重复定位精度

重复定位精度是多次重复相同动作之间的一致性，关系到刀具更换时的定位是否保持一致，本设计中确定重复定位精度为±0.4mm

2.2.2  总体方案确定

（1）  运动形式的选择

工业机器人常见的运动形式有直角坐标系型、圆柱坐标型、球面坐标型（极坐标）、SCARA型和关节式五种。本设计选用直角坐标加旋转的组合式。

（2） 自由度的确定

设计中换刀机器人有四个自由度，分别为横向移动、纵向移动、垂直升降和末端操作器的旋转。

（3） 结构型式的选择

末端执行器可分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具（如焊枪、喷嘴、电磨头等）三类。本设计中选用双手爪式夹持末端操作器，负载重量为单爪11kg。

（4） 驱动方式的选择

工业机器人的常见驱动方式有三种，分别为电动（或电磁）、液压和气动。本设计中选择直流伺服电机驱动方式。

（5） 传动方式的选用

常见的机械传动方式有：皮带传动、齿轮传动、蜗杆传动、链传动、摩擦轮传动、滚珠丝杠、钢带传动等。本设计中，要求换刀机器人机构紧凑、运动精度高、运动连贯。水平移动中，纵向运动范围11m，距离较长。选用齿轮齿条传动，可降低冲击和震动，传动比较大且稳定。横向运动范围1.4m，适合使用滚珠丝杠副传动装置，传动精度高、速度快、效率高。垂直升降系统中，升降行程1.8m，同样选择滚珠丝杠副传动。来!自~751论-文|网www.751com.cn

（6） 重复定位精度的保证措施

设计的重复定位精度为±0.4mm，多次换刀操作后，手臂的旋转定位易发生偏移。谐波减速器运动误差小，无冲击，轮齿磨损小、传动精度高，传动平稳，故为了消除间隙，选择谐波齿轮减速器。

2.3  机械系统设计

2.3.1  总体结构设计

换刀机器人的总体结构设计主要是完成总体布局的设计。本设计中换刀机器人主要分为三个部件，分别为水平移动系统、垂直升降系统和末端操作器。换刀机器人的机械系统设计即包括这三者各自的设计以及三者装配的布局设计