加工中心PIC自動換刀機械手分析

張繼紅

（四川職業技術學院，四川遂寧 629000）

加工中心PIC自動換刀機械手分析

張繼紅

（四川職業技術學院，四川遂寧 629000）

代表高科技的機器人技術近年來迅猛發展，備受先進工業化國家的追捧.日本不僅研制出了實用的各種工業機器人，而且也制造了具有頂級水平的智能機器人，如阿西莫.美國也是機器人制造和使用的大國，不但用于軍事也應用于民用領域，不但應用于航空航天也應用于深海探測.我國上世紀末開展機器人研究以來取得了長足進步，如消防用的排爆機器人，汽車流水線上用的焊接機器人等.為突破先進制造中加工中心換刀機械手傳統的機械、機電或機電液控制模式，分析了由PIC微控制器控制的換刀機械手，確保換刀的準確性、穩定性和靈活性，增強其實用性和通用性，極大改善加工中心的整體工藝能力.

先進制造技術；加工中心；機械手；PIC微控制器

1 引言

比爾蓋茨曾經說過：“前三十年是計算機的時代，后一百年是機器人的時代”.足見計算機時代后的機器人時代的重要性及其影響的長遠性.世界上幾大機器人巨頭，如日本，美國及歐共體，在機器人領域內取得了巨大進步，從研究型走向了實用型，從重要的軍事應用走向的民用，甚至走向了家庭，從高科技走向了普及.而我國機器人技術領域還有較大差距，很多方面還處于起步階段.

機器人一詞起源于捷克科幻劇作家Karel Capek在1920年發表的劇本《羅莎姆的萬能機器人》.到目前為此，還沒有一個對機器人的統一定義，美國機器人協會有定義，日本機器人協會也有其定義，而國際標準組織給機器人定義為“工業機器人是一種自動的，位置可控的，具有編程能力的機械手”.至于好萊塢大片中的超智商、超自然的機器人現實中并不存在，而把諸如玩具，簡單的一些機電裝置也叫作機器人有失偏頗.

在先進制造業領域中，機器人的應用主要在于示教焊接機器人，噴涂機器人，裝配機器人，裝卸機器人，換刀機器人等.作為先進制造中技術含量最高的裝備之一的加工中心，不僅是加工的多面手，也是構建柔性制造系統乃至計算機集成制造系統的核心硬件，除了數控加工工藝和編程能力外，其自動換刀機械手的性能也直接影響整機性能.要求機械手自動換刀具有準確性，穩定性，快速性等.傳統的換刀機械手都是專用的機械式的結構，通用性較差，標準化程度低，商業市場不廣.本文擬分析精密機械與微電子技術結合的加工中心PIC自動換刀機械手.

2 傳統的加工中心換刀機械手

加工中心由于加工工藝的復雜性，使用的刀具種類和數量較多，當程序執行到不同刀具功能代碼T時，要及時更換刀具完成其加工.機械手則是完成刀庫和機床主軸之間刀具裝卸與傳遞的裝置.

目前這類機械手的品種較多，比如：單臂單爪回轉式機械手，單臂雙爪擺動式機械手，雙臂回轉式機械手，雙臂往復交叉式機械手和雙臂端面夾緊式機械手等.沒有芯片控制純機械工作方式，它的拔刀，插刀及轉動由機構驅動，一種是液壓控制驅動的油缸來完成，一種是電動驅動凸輪聯動來完成.其結構復雜，柔性較差.

3 PIC微控制器加工中心換刀機械手

機器人技術涉及學科廣泛，涵蓋了精密機械，傳感技術，微電子技術，計算機技術，網絡技術，自動控制技術，智能技術等.具體表現有傳動機構，伺服控制，數據處理，人機對話的功能.

3.1 換刀機械手結構分析

換刀機械手在接受到換刀指令后，進行換刀作業，把主軸上使用的刀具T****換下來送入倒庫內，把本指令對應刀號T++++從刀庫取出裝入主軸內.必須使機械手的各個膀臂協調動作起來，使機械手的手爪向作業位置移動.

機械手在換刀過程中，微控制器必須準確控制其位置和姿勢，位置可以由基準坐標的位置矢量(x,y,z)來描述，而姿勢表示了手部抓持刀具的方向，由方向矢量（α，β，γ）來描述.對于多關節機械手結構分析時先畫出其坐標系中的結構圖，用它來描述機械手各軸的關節角度（θ1，θ2，θ3，…，θn），及手部的位置姿勢(x,y,z，α，β，γ).一種是正運動分析，從關節角度出發求取手部末端的位置姿勢，另一種是從手部末端位置姿勢出發求取各關節角度.如圖1所示.

3.2 PIC微控制器

PIC微控制器是機械手的中樞，是其核心部件.所有的信息都要由它分析處理，并發出控制指令，確保機械手有條不紊的工作.因此機器人的核心是控制系統，其功能與性能的的強弱與控制系統的性能有直接關系.機器人技術成為了一門跨學科的綜合性技術，涉及自動控制、計算機、傳感器、人工智能、微電子技術和精密機械等多學科內容.

微控制器實際上是把一個完整的計算機系統封裝在一塊硅片上，塑料外殼里的集成電路.組成由中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出管腳（I/O）、串口/并口和定時器，以及數/模（D/A）、模/數（A/D）信號轉換器.其管腳圖如圖2.

圖1 多關節機械手

圖2 PIC微控制器集成電路管腳圖

PIC微控制器芯片是由MicrochipTechnology公司生產的主要用于機器人控制的芯片之一.它易于嵌入到電路板中，其通用性好，能存儲和運行特定的程序.此外，由機器人的要求和構建微控制系統時還需要編譯器，可以使用能利用高級語言進行編程的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行芯片的開發了.如圖3所示.

圖3 EPIC編程器軟件和硬件

4 結論

先進制造技術中最重要的設備就是加工中心，長期以來，人們為改善其加工工藝性能，提高加工的精度，投入了大量資金和人力來研究和開發CNC數控系統，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性能的短板.本文一改傳統的換刀機械手純機械、機電或機電液的設計模式，把它作為一個既受CNC控制的子系統，又較獨立受其自身PIC微控制器控制的換刀系統來研發，提高使用的靈活性和通用性.

[1]李榮正.PIC單片機原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[2][日]三浦宏文.機電一體化[M].北京:科學出版社, 2003.

[3][美]約翰·埃歐文.PIC機器人初學指南[M].北京:科學出版社,2005.

[4][美]邁克·普瑞德科.機器人控制器與程序設計[M].北京:科學出版社,2004.

[5][日]西山一郎.自律型機器人制作[M].北京:科學出版社,2002.

[6]周宏甫.數控技術[M].廣州:華南理工大學出版社, 2005.

責任編輯：張隆輝

TG502

A

1672-2094(2013)05-0153-02

2013-05-18

張繼紅（1965-）,男，四川遂寧人，四川職業技術學院機械系副教授，工程師，碩士.研究方向：先進制造、機器人.