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摘 要

该研究工作主要是设计一种用于电光源制造中实现灯管自动上、下料作业的工业机械手，进而能够降低生产成本和在高温环境中代替工人连续作业，提高企业的经济利益。首先对工业机械手现状和应用前景初步认识之后，重点研究灯管自动上料和下料的技术特点和难点，以及工艺过程，收集研读国内外相关技术资料，进行功能设计和计算。要求机械手具有三个自由度，分别为机体升降、大臂水平旋转、小臂水平旋转，手臂末端有工件夹持器（抓手），三个自由度的驱动采用交流伺服电机。其次根据功能设计和结构设计的要求设计控制电路，并进行机械手的简单路径规划。经过调研，我们了解到工业机械手在国内电光源制造业中使用的不是很普遍，而且其发展前景相当好；设计几种机械手的传动系统和结

构方案进行比较，选出其中最具有优势的方案；得出了机械手简单路径规划方法。

关键词：工业机械手；电光源制造；路径规划

Design of Industrial Manipulator with Three Degrees of Freedom

Abstract

The research work is mainly designed an industrial manipulator, which aims to automatically feed and cut lamps in electric light sources manufacturing. In turn, the industrial manipulator can reduce production costs and replace continuous works of human workers in high temperature, increase their economic interests. First, after a preliminary understanding of the characteristics of the lamp part, status and application prospects of industrial robots, we focus on the technical characteristics and difficulties of the lamp automatically feeding and cutting, and processes, collect and study some relevant technical information at home and abroad. Then we do some functional design and calculation about industrial manipulator. Industrial manipulator has three degrees of freedom (DOF), respectively, body lift, large arm horizontal rotation, small arm horizontal rotation. And there is an end effector of the end of small arm. Every degree of freedom is driven by AC servo motor. Second, according to the functional and structural design, we design the control circuit, and make a simple path planning about industrial manipulator. After investigation, we learn that industrial manipulators are not widely used in in electric light sources manufacturing and its development prospects are good. We design several transmission system and structure scheme of manipulator, and choose the most dominant solution of them. We also solve the path planning of manipulator.

Key words：industrial manipulator；electric light sources manufacturing；path planning

目录

摘要 I

Abstract II

第一章. 绪言 1

1.1工业机械手的简单介绍 1

1.2国内外工业机械手的现状和发展趋势 1

1.3选题背景和意义 2

第二章. 机械手的机械结构设计 3

2.1机械手结构方案设计 3

2.1.1设计要求 3

2.1.2设计方案 3

2.2机械手结构设计 4

2.3机械零部件的设计校核 5

2.3.1滚珠丝杠传动设计 5

2.3.2减速机构设计（二级齿轮减速器） 13

2.3.3行星齿轮减速器设计 18

2.3.4同步带传动设计 18

第三章. 机械手简单路径规划 20

3.1广义连杆 20

3.2连杆坐标系 20

3.3路径规划 22

第四章. 结论 24

致谢 25

参考文献 26

三自由度工业机械手设计

第一章. 绪言

1.1工业机械手的简单介绍

工业机械手是一种能够模仿人类手臂完成各种复杂动作，来代替人类劳动的机器，可以在特殊的环境中代替人高效、准确的完成各种的任务，从而实现生产的自动化，还能提高生产效率，主要完成工业生产中的某些作业，如机械制造、冶金、喷涂、装配等。

机械手臂按坐标构造分类可以分为直角坐标型、球坐标型、圆柱坐标型和关节坐标型。直角坐标型机械手运动到目的地是顺着X、Y、Z三个方向做线性运动，位置精度高，容易操作，但比较笨重，速度很慢。圆柱坐标型机械手移动到目的地是由一个转动加两移动实现的，容易操作，避障性好，但是位置精度低，构造复杂，很难与其他机器配合工作。球坐标型机械手运动到目的地由一个移动和两个转动完成，底座小且质量轻，位置精度较高，容易与其他机器人配合，但由于底座小，导致平衡性避障性不好。关节坐标型，主要由立柱、前臂和后臂组成，运动由前后壁的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，但位置精度较低，有平衡问题，控制存在耦合，故比较复杂，但这种机器人目前应用最多^[1]。

工业机械手是由三部分、六个子系统组成。三部分是指机械部分，传感部分和控制部分。六个子系统是指驱动系统，机械系统，感知系统，人机交互系统，机器人-环境交互系统和控制系统。机器人的技术参数是反应机器人可胜任的工作、具有的最高操作性能等情况，是选择、设计、应用机器人所必须考虑的问题，其主要技术参数一般有自由度、分辨率、精度、重复定位精度、工作范围、承载能力及最大速度等^[2]。

1.2国内外工业机械手的现状和发展趋势

工业机器人是应用最成熟、最广泛的一类机器人，球工业机器人的应用领域，已呈现明显的多元化趋势^[3]。汽车工业所占比重最大，2009年占据了36%；电力电子、橡胶塑料、机械及金属制品跟随其后，分别占18%、10%、7%，食品饮料、通讯、陶瓷玻璃及其他行业总共占23%，这说明工业机器人的应用领域已经延伸到各个领域^[3]。

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