一種凸輪驅動的三自由度并聯機械手的制作方法

本實用新型屬于機械領域，涉及一種凸輪驅動的三自由度并聯機械手。

背景技術：

伴隨食品、醫藥、機械、電子等輕工業的快速發展，對于包裝、裝配、搬運等生產線的機械自動化方面提出越來越高的要求。高精度、高速度、高柔性機械手在電子、醫藥、食品、機械等生產線的包裝、裝配、搬運領域取得了重要應用。

目前，該類機械手主要在發達國家的輕工、電子、醫藥、食品等領域發揮作用，并創造了巨大的社會價值。隨著國內勞動力成本的上升，以機械代替人工趨勢必將不斷加強。而且隨著中國經濟的不斷發展，生產的標準化、規范化趨勢逐漸顯露，對于生產效率的追求也越來越明顯。所以，該類應用型機械的開發在未來將具備強大的市場競爭力。

目前市場上的類似機械手為伺服電機驅動，對于三自由度的機械手至少有三個伺服電機，這就使成本增加、對電機的控制復雜，并且如果要求改變運動軌跡就需要重新編程，這對于使用人員的素質要求也較高，如果僅應用在簡單重復動作的工況下就顯得未盡其用。

技術實現要素：

為解決上述問題，本實用新型提供了一種凸輪驅動的三自由度并聯機械手，能夠實現空間三個方向平動的三自由度的高速并聯機械手。

為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案：

一種凸輪驅動的三自由度并聯機械手，包括定平臺、電機和動平臺；電機豎直安裝在定平臺上，三個凸輪圍繞電機周向等夾角安裝在定平臺上，定平臺下方安裝有分別與電機和三個凸輪連接的齒輪，三個分別與各凸輪連接的齒輪同時與和電機連接的齒輪嚙合；

動平臺位于定平臺下方，動平臺通過三套獨立的傳動機構分別與定平臺上的三個凸輪連接，每套傳動機構包括擺桿、大臂、連桿和小臂，擺桿、大臂均通過回轉副連接在定平臺上，并且只能繞回轉中心轉動，擺桿與定平臺平行設置，滾子安裝在擺桿上，通過凸輪驅動擺桿擺動，大臂與定平臺平面交叉設置，連桿兩端設置有球頭，擺桿和大臂通過連桿連接，大臂與小臂一端鉸接，小臂另一端與動平臺鉸接；

電機驅動與其連接的齒輪轉動，同時與三個凸輪連接的齒輪同步轉動，由于凸輪輪廓的作用各自推動對應的滾子移動，帶動擺桿、連桿、大臂、小臂同時運動，最終共同帶動且限制約束動平臺運動。

進一步，所述定平臺為圓盤形，繞圓盤圓周等間隔設有三個開槽，三個大臂分別通過回轉副安裝于開槽中。

進一步，分別與電機和三個凸輪連接的齒輪模數相同，且與三個凸輪分別連接的齒輪參數相同。

進一步，所述電機通過三支腳的電機安裝座固定在定平臺上。

進一步，所述小臂通過第二銷軸與動平臺連接，第二銷軸的安裝軸線與動平臺中心軸線的距離為150mm，三個小臂的安裝軸線位于同一平面上。

進一步，所述三個擺桿的長度均為400mm，其回轉軸線到電機軸線的距離為530mm，并且在圓周上均布彼此夾角120°。

進一步，所述大臂通過回轉副連接在定平臺上，大臂回轉副以上較長段長度為300mm，回轉副以下較短段長度為130mm。

本實用新型結合實際需求，通過分析實際工作時所需工位動作，利用機構綜合方法創新設計出能夠實現空間三個方向平動的三自由度的高速并聯機械手，以便與各種空間移動工序的實現，并且利用平面凸輪作為控制和驅動元件，主體采用并聯機構，無需冗余驅動，電機和凸輪安裝在機架上，可有效減低構件慣性和提高系統負載能力，可實現動平臺在工作空間內大范圍平動。

本實用新型的機械手只由一個普通電機驅動，而將運動軌跡及運動規律通過計算編程固化在了驅動凸輪里，并且完成了不同運動軌跡及運動規律下凸輪的參數化設計，使得實際使用時只需要改變凸模型中關鍵參數的值即可實現相應凸輪的設計，從而大大簡化了設計者和操作者的設計工作，只需要更換凸輪就可以獲得需要的運動軌跡。綜上所述，本實用新型具有結構創新、適應性廣、控制簡單、成本低等優點。

本實用新型具有結構緊促、負載能力強、生產效率高、自動化程度高、重復誤差小、成本低、實用性強的特點。

附圖說明

圖1為本實用新型等軸測視圖；

圖2為本實用新型仰視圖；

圖3為本實用新型主視圖；

圖4為本實用新型俯視圖；

圖5為本實用新型兩位置提升搬運移動軌跡路線圖；

圖6為本實用新型三位置提升搬運移動軌跡路線圖；

圖7為本實用新型圓周移動軌跡路線圖；

圖中：定平臺1、電機2、擺桿3、小球頭鉸4、大球頭鉸5、大臂6、連桿7、第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10、電機安裝座11、聯軸器12、第一銷軸13、小臂14、動平臺15，滾子16、第二銷軸17、第一齒輪18、第二齒輪19、第三齒輪20、第四齒輪21。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明：

參見附圖1-4所示，本實用新型的凸輪驅動的三自由度并聯機械手，包括定平臺1、電機2、擺桿3、小球頭鉸4、大球頭鉸5、大臂6、連桿7、第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10、電機安裝座11、聯軸器12、第一銷軸13、小臂14、動平臺15，滾子16、第二銷軸17、第一齒輪18、第二齒輪19、第三齒輪20、第四齒輪21。

所述定平臺1為該設備的基體，可以根據實際需要安裝在工作現場，其他零部件都以它為參照進行安裝；所述第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10按照對應確定位置安裝，并且三個凸輪位于相同平面內周向均布兩兩之間夾角120°，所述三個凸輪均根據實際需求設計。

擺桿3、小球頭鉸4、大球頭鉸5、大臂6、連桿7、第一銷軸13、小臂14、滾子16、第二銷軸17，都有完全相同并且各自獨立的三套，第一齒輪18、第二齒輪19、第三齒輪20、第四齒輪21為相同模數的齒輪并且第一齒輪18、第二齒輪19、第四齒輪21為參數完全相同的齒輪，第三齒輪20大小可以與其他齒輪相同也可以根據實際傳動比進行設計。其中，擺桿3、大臂6均通過回轉副連接在定平臺上，并且只能繞回轉中心轉動；所述連桿7通過小球頭鉸4、大球頭鉸5分別與擺桿3和大臂6相連；三個相同滾子16分別安裝在三個相同擺桿3上；小臂14分別通過第一銷軸13、第二銷軸17與大臂6及動平臺15相連；第一齒輪18、第二齒輪19、第四齒輪21分別與第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10固連并且通過旋轉副與定平臺連接，第三齒輪20通過聯軸器12與電機2相連，并且第三齒輪20同時與第一齒輪18、第二齒輪19、第四齒輪21相嚙合。

參見附圖5，動平臺15中心點的運動軌跡為：沿著圖示關鍵位置點a1、點a2、點a3、點a4依次循環移動，先從點a1處提升至點a2然后平移至點a3，接著下降至點a4，最后再原路返回置點1，完成一個運動周期，如此往復運動。附圖6中從點a1移動到a6及附圖7中圓周運動的運動軌跡同附圖5類似不再贅述。

作為本實用新型的優選實施例，定平臺1為圓盤形，繞圓盤圓周等間隔設有三個開槽，三個大臂6分別通過回轉副安裝于開槽中，分別與電機2和三個凸輪連接的齒輪模數相同，且與三個凸輪分別連接的齒輪參數相同。

作為本實用新型的優選實施例，所述電機2通過三支腳的電機安裝座11固定在定平臺1上。

作為本實用新型的優選實施例，所述第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10的基圓半徑為140mm，厚度為30mm。

作為本實用新型的優選實施例，所述三個擺桿3的長度為400mm，其回轉軸線到電機2軸線的距離為530mm，并且在圓周上均布彼此夾角120°。

作為本實用新型的優選實施例，所述小臂14的長度為520mm。

作為本實用新型的優選實施例，所述大臂6的較長段長度為300mm，較短段長度為130mm。

作為本實用新型的優選實施例，所述連桿7的長度為200mm。

作為本實用新型的優選實施例，所述第一銷軸13與第二銷軸17的長度為70mm。

作為本實用新型的優選實施例，所述動平臺15上第二銷軸17的安裝軸線與動平臺中心軸線的距離為150mm，并且安裝軸線位于同一平面上。

作為本實用新型的優選實施例，附圖5中所述動平臺15中心點的運動軌跡中點1至點2距離為200mm，點2至點3距離為400mm。

本實用新型的工作原理是：

電機2驅動第三齒輪20通過第一齒輪18、第二齒輪19、第四齒輪21帶動三個第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10同步轉動，由于凸輪輪廓的作用各自推動對應的滾子16移動，帶動擺桿3、連桿7、大臂6、小臂14同時運動，并最終共同帶動且限制約束動平臺15的運動，限制了動平臺在空間中的移動路線和位置，在事先確定了動平臺的運動軌跡后，由運動軌跡及各桿長計算出三個凸輪的輪廓形狀，從而保證了動平臺運動軌跡的唯一性和正確性。

三個第一凸輪8、第二凸輪9、第三凸輪10旋轉一周，動平臺完成運動軌跡的一個循環，即如附圖5所示：首先從點a1位置豎直提升至點a2位置，沿點a2直線移動至點a3，接著從點a3豎直下降至點a4位置，然后原路返回至點a1位置。