三轴联动机械臂伺服运动机械结构设计

三轴联动机械臂伺服运动机械结构设计

（摘要）机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。根据结构形式的不同，机械手臂可分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂、球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。本文所设计的机械手臂为直角坐标系机械手臂，其由三个伺服电机驱动，通过运动控制卡实现运动控制，可以实现三轴联动，分别为X移动，Y移动，Z移动。手臂的运动由三个丝杠螺母副完成，伺服电机驱动丝杠旋转，螺母副移动，从而实现三个自由度的运动。

关键词机械手臂三轴联动三个自由度

Abstract II

Mechanical arm is currently the most widely practical application in the field of robot technology in automation machinery, industrial manufacturing, medical treatment, entertainment services, military, semiconductor manufacturing and other areas of space exploration can see its shadow. Despite their morphology vary, but they all have one common characteristic, that is able to accept instruction, precisely

positioned to carry out operations at a point three (or two-dimensional) space. According to the different structure, mechanical arm can be divided into multi-joint robot, Cartesian coordinates robot, spherical coordinates robot, polar coordinate robot, cylindrical coordinates robot arm and the like. This article is designed as Cartesian robot manipulator arm, which is driven by three servo motors, motion control through motion control card, you can achieve three-axis, respectively, X Mobile, Y movement, Z move. Arm movement consists of three screw nut is completed, servo motor drive screw rotation, nut move, in order to achieve three degrees of freedom of movement.

Key words Mechanical arm Axis linkage Three degrees of freedom

第1章绪论1

1.1 研究背景

随着科技的发展，工业自动化程度不断提高，机械臂广泛用于各种制造行业中，但对于机械臂在工业的应用来说，大部分时候并不需要机械臂具有六个自由度，其中的一个或几个即可满足工业需求，由于三轴联动机械臂具有三个自由度，基本上可以满足制造行业中以空间任意一点为目标位置的运动要求，故三轴联动机械臂在工业自动化上的运用最为广泛。

1.2 国内外研究现状

国际上对于机械臂的开发、研制和应用已有近50年历史，目前，以日、韩、

美、法、德等为代表的许多国家的机械臂产业日趋成熟和完善，其所生产的机械臂已成为一种标准设备在全球得到广泛应用。国外机械臂技术由于起步较早，基础雄厚，技术先进，市场占有率高。同国外相比，中国的机械臂技术起步较晚，经过“七五”、“八五”、“九五”三个阶段，中国机械臂从无到有，从小到大，发展迅速，一批国产机械臂已服务于国内诸多企业的生产线上，一批机械臂技术的研究人才也涌现出来，一些相关科研机构和企业已掌握了机械臂的一些关键技术，某些技术已达到了或接近国际先进水平，中国机械臂在世界机械臂领域已占有一席之地，而且中国是一个巨大的机械臂消费市场，行业市场也处于发展壮大中。机械臂技术在制造业应用范围越来越广，其标准化、模块化、智能化和网络化的程度越来越高，功能也越来越强，正向着成套技术和装备的方向发展。1.3 研究目的和意义

面对工业4.0时代机械臂的巨大市场，机械臂技术的发展和革新也变得尤为重要，由于三轴联动直角坐标系机械臂结构简单、用途广泛，市场份额最大，所以对其技术的研究最具市场价值。

在机械制造行业中，对于机械臂技术研究的意义可概括如下，

一、在生产过程中，机械臂可应用于传送材料，装卸工件，更换刀具以及装配机器，可以提高生产的自动化程度，降低劳动强度和生产成本。

二、在特殊工作空间如高温、高压、噪声、狭小空间等工作场合中，人工操作存在一些隐患甚至人工根本不可能完成，而通过机械臂的应用可以部分或全部代替工人安全的完成作业，改善了劳动条件，在一些简单、重复、笨重的操作中，通过机械臂的应用，可以避免由于疲劳或者疏忽而造成生产事故。

三、通过机械臂的应用，首先可以直接减少人力，而且由于机械臂可以连

续工作，使得生产工作有节奏的进行。

综上所述，加速开发和应用机械臂，是机械工业发展的必然趋势。

1.4 论文研究内容

第一章绪论简单介绍研究背景，国内外研究现状，研究的目的和意义。

第二章方案确定，提出两种设计方案，最后选择采用丝杠螺母副的直角坐标系机械手臂。

第三章电机驱动设计，分析运动情况，选择合适的伺服电机。

第四章机械结构设计，对整个机械臂上选要安装的零部件进行设计选型。

第五章基于CREO的设计与装配，将所设计的机械臂的零部件采用CREO 绘制，并将所绘制的零部件进行模拟装配

第2章方案确定

2.1 方案的设想

面对机械臂的巨大的应用市场，开发一种结构简单，可以满足工业基本应用机械臂有很大的市场前景，而且对于工业应用来说，三自由度直角坐标系机械手臂应用最为广泛。直角坐标系机械手臂可以由单轴机械手臂组合而成。单轴机械手臂作为一个组件在工业中应用广泛。故本文所设计的机械臂整体结构可以由三个单轴机械臂组合而成，我们设想了两种方案，两种方案的基本结构形式相似，主要区别在于机械臂的执行元件不同。

方案一：此方案执行原件为气缸，每个单轴机械臂的运动由一个气缸完成，通过三个气缸的组装，组装成一个具有三个自由度的直角坐标系机械臂，三个气缸可以由一个气泵供气，每个气缸都装有一个阀门，阀门由伺服电机控制气缸的