加工中心PIC自动换刀机械手分析

张继红

（四川职业技术学院，四川遂宁 629000）

加工中心PIC自动换刀机械手分析

张继红

（四川职业技术学院，四川遂宁 629000）

代表高科技的机器人技术近年来迅猛发展，备受先进工业化国家的追捧.日本不仅研制出了实用的各种工业机器人，而且也制造了具有顶级水平的智能机器人，如阿西莫.美国也是机器人制造和使用的大国，不但用于军事也应用于民用领域，不但应用于航空航天也应用于深海探测.我国上世纪末开展机器人研究以来取得了长足进步，如消防用的排爆机器人，汽车流水线上用的焊接机器人等.为突破先进制造中加工中心换刀机械手传统的机械、机电或机电液控制模式，分析了由PIC微控制器控制的换刀机械手，确保换刀的准确性、稳定性和灵活性，增强其实用性和通用性，极大改善加工中心的整体工艺能力.

先进制造技术；加工中心；机械手；PIC微控制器

1 引言

比尔盖茨曾经说过：“前三十年是计算机的时代，后一百年是机器人的时代”.足见计算机时代后的机器人时代的重要性及其影响的长远性.世界上几大机器人巨头，如日本，美国及欧共体，在机器人领域内取得了巨大进步，从研究型走向了实用型，从重要的军事应用走向的民用，甚至走向了家庭，从高科技走向了普及.而我国机器人技术领域还有较大差距，很多方面还处于起步阶段.

机器人一词起源于捷克科幻剧作家Karel Capek在1920年发表的剧本《罗莎姆的万能机器人》.到目前为此，还没有一个对机器人的统一定义，美国机器人协会有定义，日本机器人协会也有其定义，而国际标准组织给机器人定义为“工业机器人是一种自动的，位置可控的，具有编程能力的机械手”.至于好莱坞大片中的超智商、超自然的机器人现实中并不存在，而把诸如玩具，简单的一些机电装置也叫作机器人有失偏颇.

在先进制造业领域中，机器人的应用主要在于示教焊接机器人，喷涂机器人，装配机器人，装卸机器人，换刀机器人等.作为先进制造中技术含量最高的装备之一的加工中心，不仅是加工的多面手，也是构建柔性制造系统乃至计算机集成制造系统的核心硬件，除了数控加工工艺和编程能力外，其自动换刀机械手的性能也直接影响整机性能.要求机械手自动换刀具有准确性，稳定性，快速性等.传统的换刀机械手都是专用的机械式的结构，通用性较差，标准化程度低，商业市场不广.本文拟分析精密机械与微电子技术结合的加工中心PIC自动换刀机械手.

2 传统的加工中心换刀机械手

加工中心由于加工工艺的复杂性，使用的刀具种类和数量较多，当程序执行到不同刀具功能代码T时，要及时更换刀具完成其加工.机械手则是完成刀库和机床主轴之间刀具装卸与传递的装置.

目前这类机械手的品种较多，比如：单臂单爪回转式机械手，单臂双爪摆动式机械手，双臂回转式机械手，双臂往复交叉式机械手和双臂端面夹紧式机械手等.没有芯片控制纯机械工作方式，它的拔刀，插刀及转动由机构驱动，一种是液压控制驱动的油缸来完成，一种是电动驱动凸轮联动来完成.其结构复杂，柔性较差.

3 PIC微控制器加工中心换刀机械手

机器人技术涉及学科广泛，涵盖了精密机械，传感技术，微电子技术，计算机技术，网络技术，自动控制技术，智能技术等.具体表现有传动机构，伺服控制，数据处理，人机对话的功能.

3.1 换刀机械手结构分析

换刀机械手在接受到换刀指令后，进行换刀作业，把主轴上使用的刀具T****换下来送入倒库内，把本指令对应刀号T++++从刀库取出装入主轴内.必须使机械手的各个膀臂协调动作起来，使机械手的手爪向作业位置移动.

机械手在换刀过程中，微控制器必须准确控制其位置和姿势，位置可以由基准坐标的位置矢量(x,y,z)来描述，而姿势表示了手部抓持刀具的方向，由方向矢量（α，β，γ）来描述.对于多关节机械手结构分析时先画出其坐标系中的结构图，用它来描述机械手各轴的关节角度（θ1，θ2，θ3，…，θn），及手部的位置姿势(x,y,z，α，β，γ).一种是正运动分析，从关节角度出发求取手部末端的位置姿势，另一种是从手部末端位置姿势出发求取各关节角度.如图1所示.

3.2 PIC微控制器

PIC微控制器是机械手的中枢，是其核心部件.所有的信息都要由它分析处理，并发出控制指令，确保机械手有条不紊的工作.因此机器人的核心是控制系统，其功能与性能的的强弱与控制系统的性能有直接关系.机器人技术成为了一门跨学科的综合性技术，涉及自动控制、计算机、传感器、人工智能、微电子技术和精密机械等多学科内容.

微控制器实际上是把一个完整的计算机系统封装在一块硅片上，塑料外壳里的集成电路.组成由中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出管脚（I/O）、串口/并口和定时器，以及数/模（D/A）、模/数（A/D）信号转换器.其管脚图如图2.

图1 多关节机械手

图2 PIC微控制器集成电路管脚图

PIC微控制器芯片是由MicrochipTechnology公司生产的主要用于机器人控制的芯片之一.它易于嵌入到电路板中，其通用性好，能存储和运行特定的程序.此外，由机器人的要求和构建微控制系统时还需要编译器，可以使用能利用高级语言进行编程的PicBasicPro编译器，或者PicBasic

编译器，再利用EPIC编程电路板及软件就可以进行芯片的开发了.如图3所示.

图3 EPIC编程器软件和硬件

4 结论

先进制造技术中最重要的设备就是加工中心，长期以来，人们为改善其加工工艺性能，提高加工的精度，投入了大量资金和人力来研究和开发CNC数控系统，形成了具有代表性的几大知名品牌，如法那科，西门子等.然而其辅助功能诸如换刀等功能却成为了提升整机性能的短板.本文一改传统的换刀机械手纯机械、机电或机电液的设计模式，把它作为一个既受CNC控制的子系统，又较独立受其自身PIC微控制器控制的换刀系统来研发，提高使用的灵活性和通用性.

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[6]周宏甫.数控技术[M].广州:华南理工大学出版社, 2005.

责任编辑：张隆辉

TG502

A

1672-2094(2013)05-0153-02

2013-05-18

张继红（1965-）,男，四川遂宁人，四川职业技术学院机械系副教授，工程师，硕士.研究方向：先进制造、机器人.