加工中心PIC自動(dòng)換刀機(jī)械手分析

張繼紅

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川遂寧 629000）

加工中心PIC自動(dòng)換刀機(jī)械手分析

張繼紅

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川遂寧 629000）

代表高科技的機(jī)器人技術(shù)近年來迅猛發(fā)展，備受先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家的追捧.日本不僅研制出了實(shí)用的各種工業(yè)機(jī)器人，而且也制造了具有頂級(jí)水平的智能機(jī)器人，如阿西莫.美國(guó)也是機(jī)器人制造和使用的大國(guó)，不但用于軍事也應(yīng)用于民用領(lǐng)域，不但應(yīng)用于航空航天也應(yīng)用于深海探測(cè).我國(guó)上世紀(jì)末開展機(jī)器人研究以來取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，如消防用的排爆機(jī)器人，汽車流水線上用的焊接機(jī)器人等.為突破先進(jìn)制造中加工中心換刀機(jī)械手傳統(tǒng)的機(jī)械、機(jī)電或機(jī)電液控制模式，分析了由PIC微控制器控制的換刀機(jī)械手，確保換刀的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和靈活性，增強(qiáng)其實(shí)用性和通用性，極大改善加工中心的整體工藝能力.

先進(jìn)制造技術(shù)；加工中心；機(jī)械手；PIC微控制器

1 引言

比爾蓋茨曾經(jīng)說過：“前三十年是計(jì)算機(jī)的時(shí)代，后一百年是機(jī)器人的時(shí)代”.足見計(jì)算機(jī)時(shí)代后的機(jī)器人時(shí)代的重要性及其影響的長(zhǎng)遠(yuǎn)性.世界上幾大機(jī)器人巨頭，如日本，美國(guó)及歐共體，在機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)取得了巨大進(jìn)步，從研究型走向了實(shí)用型，從重要的軍事應(yīng)用走向的民用，甚至走向了家庭，從高科技走向了普及.而我國(guó)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有較大差距，很多方面還處于起步階段.

機(jī)器人一詞起源于捷克科幻劇作家Karel Capek在1920年發(fā)表的劇本《羅莎姆的萬能機(jī)器人》.到目前為此，還沒有一個(gè)對(duì)機(jī)器人的統(tǒng)一定義，美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)有定義，日本機(jī)器人協(xié)會(huì)也有其定義，而國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織給機(jī)器人定義為“工業(yè)機(jī)器人是一種自動(dòng)的，位置可控的，具有編程能力的機(jī)械手”.至于好萊塢大片中的超智商、超自然的機(jī)器人現(xiàn)實(shí)中并不存在，而把諸如玩具，簡(jiǎn)單的一些機(jī)電裝置也叫作機(jī)器人有失偏頗.

在先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域中，機(jī)器人的應(yīng)用主要在于示教焊接機(jī)器人，噴涂機(jī)器人，裝配機(jī)器人，裝卸機(jī)器人，換刀機(jī)器人等.作為先進(jìn)制造中技術(shù)含量最高的裝備之一的加工中心，不僅是加工的多面手，也是構(gòu)建柔性制造系統(tǒng)乃至計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的核心硬件，除了數(shù)控加工工藝和編程能力外，其自動(dòng)換刀機(jī)械手的性能也直接影響整機(jī)性能.要求機(jī)械手自動(dòng)換刀具有準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性，快速性等.傳統(tǒng)的換刀機(jī)械手都是專用的機(jī)械式的結(jié)構(gòu)，通用性較差，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，商業(yè)市場(chǎng)不廣.本文擬分析精密機(jī)械與微電子技術(shù)結(jié)合的加工中心PIC自動(dòng)換刀機(jī)械手.

2 傳統(tǒng)的加工中心換刀機(jī)械手

加工中心由于加工工藝的復(fù)雜性，使用的刀具種類和數(shù)量較多，當(dāng)程序執(zhí)行到不同刀具功能代碼T時(shí)，要及時(shí)更換刀具完成其加工.機(jī)械手則是完成刀庫(kù)和機(jī)床主軸之間刀具裝卸與傳遞的裝置.

目前這類機(jī)械手的品種較多，比如：?jiǎn)伪蹎巫剞D(zhuǎn)式機(jī)械手，單臂雙爪擺動(dòng)式機(jī)械手，雙臂回轉(zhuǎn)式機(jī)械手，雙臂往復(fù)交叉式機(jī)械手和雙臂端面夾緊式機(jī)械手等.沒有芯片控制純機(jī)械工作方式，它的拔刀，插刀及轉(zhuǎn)動(dòng)由機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，一種是液壓控制驅(qū)動(dòng)的油缸來完成，一種是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)凸輪聯(lián)動(dòng)來完成.其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，柔性較差.

3 PIC微控制器加工中心換刀機(jī)械手

機(jī)器人技術(shù)涉及學(xué)科廣泛，涵蓋了精密機(jī)械，傳感技術(shù)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，智能技術(shù)等.具體表現(xiàn)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，伺服控制，數(shù)據(jù)處理，人機(jī)對(duì)話的功能.

3.1 換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析

換刀機(jī)械手在接受到換刀指令后，進(jìn)行換刀作業(yè)，把主軸上使用的刀具T****換下來送入倒庫(kù)內(nèi)，把本指令對(duì)應(yīng)刀號(hào)T++++從刀庫(kù)取出裝入主軸內(nèi).必須使機(jī)械手的各個(gè)膀臂協(xié)調(diào)動(dòng)作起來，使機(jī)械手的手爪向作業(yè)位置移動(dòng).

機(jī)械手在換刀過程中，微控制器必須準(zhǔn)確控制其位置和姿勢(shì)，位置可以由基準(zhǔn)坐標(biāo)的位置矢量(x,y,z)來描述，而姿勢(shì)表示了手部抓持刀具的方向，由方向矢量（α，β，γ）來描述.對(duì)于多關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析時(shí)先畫出其坐標(biāo)系中的結(jié)構(gòu)圖，用它來描述機(jī)械手各軸的關(guān)節(jié)角度（θ1，θ2，θ3，…，θn），及手部的位置姿勢(shì)(x,y,z，α，β，γ).一種是正運(yùn)動(dòng)分析，從關(guān)節(jié)角度出發(fā)求取手部末端的位置姿勢(shì)，另一種是從手部末端位置姿勢(shì)出發(fā)求取各關(guān)節(jié)角度.如圖1所示.

3.2 PIC微控制器

PIC微控制器是機(jī)械手的中樞，是其核心部件.所有的信息都要由它分析處理，并發(fā)出控制指令，確保機(jī)械手有條不紊的工作.因此機(jī)器人的核心是控制系統(tǒng)，其功能與性能的的強(qiáng)弱與控制系統(tǒng)的性能有直接關(guān)系.機(jī)器人技術(shù)成為了一門跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，涉及自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、微電子技術(shù)和精密機(jī)械等多學(xué)科內(nèi)容.

微控制器實(shí)際上是把一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)封裝在一塊硅片上，塑料外殼里的集成電路.組成由中央處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入/輸出管腳（I/O）、串口/并口和定時(shí)器，以及數(shù)/模（D/A）、模/數(shù)（A/D）信號(hào)轉(zhuǎn)換器.其管腳圖如圖2.

圖1 多關(guān)節(jié)機(jī)械手

圖2 PIC微控制器集成電路管腳圖

PIC微控制器芯片是由MicrochipTechnology公司生產(chǎn)的主要用于機(jī)器人控制的芯片之一.它易于嵌入到電路板中，其通用性好，能存儲(chǔ)和運(yùn)行特定的程序.此外，由機(jī)器人的要求和構(gòu)建微控制系統(tǒng)時(shí)還需要編譯器，可以使用能利用高級(jí)語言進(jìn)行編程的PicBasicPro編譯器，或者PicBasic

編譯器，再利用EPIC編程電路板及軟件就可以進(jìn)行芯片的開發(fā)了.如圖3所示.

圖3 EPIC編程器軟件和硬件

4 結(jié)論

先進(jìn)制造技術(shù)中最重要的設(shè)備就是加工中心，長(zhǎng)期以來，人們?yōu)楦纳破浼庸すに囆阅?，提高加工的精度，投入了大量資金和人力來研究和開發(fā)CNC數(shù)控系統(tǒng)，形成了具有代表性的幾大知名品牌，如法那科，西門子等.然而其輔助功能諸如換刀等功能卻成為了提升整機(jī)性能的短板.本文一改傳統(tǒng)的換刀機(jī)械手純機(jī)械、機(jī)電或機(jī)電液的設(shè)計(jì)模式，把它作為一個(gè)既受CNC控制的子系統(tǒng)，又較獨(dú)立受其自身PIC微控制器控制的換刀系統(tǒng)來研發(fā)，提高使用的靈活性和通用性.

[1]李榮正.PIC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2][日]三浦宏文.機(jī)電一體化[M].北京:科學(xué)出版社, 2003.

[3][美]約翰·埃歐文.PIC機(jī)器人初學(xué)指南[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[4][美]邁克·普瑞德科.機(jī)器人控制器與程序設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[5][日]西山一郎.自律型機(jī)器人制作[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[6]周宏甫.數(shù)控技術(shù)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社, 2005.

責(zé)任編輯：張隆輝

TG502

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1672-2094(2013)05-0153-02

2013-05-18

張繼紅（1965-）,男，四川遂寧人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系副教授，工程師，碩士.研究方向：先進(jìn)制造、機(jī)器人.