机构应用１５－２　设计ＸＹＺ轴能够各自独立驱动的手臂单元装置

应用要点：　在机构装置的设计中，如果想要手臂单元机构能够在三维空间中自由运动。就必须让驱动手臂单元机构的三个方向的运动轴具有各有自独立的输入动力，各自独立的控制系统和单元。本章节主要讲述一个手臂单元机构的设计方法。介绍如何构建一个可以在三维空间中（Ｘ、Ｙ、Ｚ轴方向）自由活动的机构装置。在三轴分别独立的机构中，如何实现各自方向上的自由运动，以及三轴独立机构间的连接与联动设计过程。

１、　机构末端手臂单元装置

　　本机构装置的设计目标是让机构末端的手臂夹头机构能够在一个平台、平面上进行任意位置的移动，即手臂夹头可以停留在平台空间中，（上、下、左、右）任一点位置上。首先让我们来分析一下，本机构装置的设计最终要实现怎样的运动形式，运动状态，运动过程，即手臂夹头的运动状态描述与分析。

　　在一个平台空间中，我们通常会用三维空间的描述形式，来指定或标注空间中某一点的位置。以坐标轴的形式来进行说明的话，就是以Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的三个方向上的坐标来指定某一点的位置。在水平方向上，空间位置有前、后、左、右、上、下之分别。用坐标的形式来描述就是在水平平面上，左、右方向的移动可以用Ｘ坐标轴来说明，形容和标注。在水平平面上，前、后位置的描述用Ｙ坐标轴来说明，形容和标注。在空间平台的垂直方向，上、下（高、低）方向的位置描述用Ｚ坐标轴来说明，形容和标注。

　　３个坐标轴所汇聚的某一个空间点的位置，就称之为Ｘ、Ｙ、Ｚ坐标轴的原点或零点。在定义一个三维空间平台的位置时，原点通常是Ｘ，Ｙ，Ｚ轴的初始点，即Ｘ＝０，Ｙ＝０，Ｚ＝０，点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）的三维坐标位置描述为点（０，０，０）。

　　手臂夹头的空间运动过程就是延着Ｘ，Ｙ，Ｚ轴的每个轴的方向进行各自独立的直线运动的过程。每一个轴方向上的移动都来自于各自外部动力源的驱动以及各自独立的运动机构设计形式。

　　３轴手臂夹头运动单元装置的目标是实现夹头在三维空间平台上的移动。移动的依据就是让夹头分别延Ｘ，Ｙ，Ｚ轴方向进行分别的移动，从而到达指定的空间位置。

　　Ｘ，Ｙ，Ｚ轴方向上的移动过程都是沿各自轴向上的直线运动过程。所以，手臂夹头在Ｘ，Ｙ，Ｚ轴方向上的空间移动机构最好是采用线性导块结构来进行设计。并以此做为设计的引导，线索，发展方向。实现３轴机构的摆放，连接，组合，联动的控制过程。

２、　Ｚ轴移动机构的设计过程

　　首先是Ｚ轴方向上的机构设计过程，Ｚ轴是空间垂直方向的运动轴，所以将夹头安装在垂直方向运动的直进导块上面，就可以实现夹头的上、下方向的移动。

　　同时，为了能够让机构装置可以独立的驱动Ｚ轴机构运动，还需要在导块上面安装一个动力驱动臂杆。通过驱动臂杆的上、下移动来完成对手臂夹头的上、下运动和控制。

３、　Ｙ轴移动机构的设计过程

　　其次，将整个Ｚ轴移动机构安装在Ｙ轴线性导块机构的导块上面，使其可以跟随导块一起沿Ｙ轴方向，前、后移动。Ｙ轴移动机构中装有驱动Ｙ轴移动的驱动臂杆。它与整个Ｚ轴移动机构一样，安装于Ｙ轴线性机构的导块上面。它是整个Ｙ轴移动机构的动力驱动端，即Ｙ轴移动机构的驱动动力臂。

　　Ｚ轴机构与Ｙ轴机构在实现彼此连接的同时，也保持了各自运动方向上的独立驱动结构设计。

４、　Ｘ轴移动机构的设计过程

　　同样的方法，将Ｚ轴与Ｙ轴相连接组合而成的机构，整体安装在Ｘ轴的线性机构的导块上面。由Ｘ轴上的滑动线性导块带动整个机构沿Ｘ轴方向移动。由此连接组成的机构在保持原来Ｚ轴，Ｙ轴各自自由移动控制的基础上，又实现了Ｘ轴方向上的自由移动控制。

　　Ｘ轴移动机构的设计采用的是两组齿条与小齿轮机构。在安装设计中，两组齿条与小齿轮相互垂直驱动同一个旋转轴上的两个小齿轮，从而实现驱动齿条与执行齿条之间的移动方向的转换，即使用纵向齿轮结构驱动Ｘ轴沿横向齿轮机构方向做水平移动。

　　这样的设计是为了保持Ｘ轴的驱动控制方向与Ｙ轴、Ｚ轴的驱动控制端方向保持一致。使它们处在同一个驱动控制侧，在实施驱动控制、安装、结构设计时，更有利于驱动器的结构设计，安装与控制。

　　在Ｘ轴驱动侧方向与移动侧的方向转换方面，如果改用臂杆结构或曲柄结构来实现对Ｘ轴的直线式横向驱动的话。由于结构本身的运动特征，会使Ｘ轴在移动过程中，因为移动位置的不同而导制运动速度的不一致。所以，改用具有均等变换功能的机构，齿条与小齿轮机构来完成方向转换。实现Ｘ轴运动中匀速、平稳的移动过程。

５、　使用弯角臂杆与滑槽块结构实现Ｚ轴方向转换

　　为了保证所有Ｘ，Ｙ，Ｚ轴驱动端的应用方向和位置的一致性，在Ｚ轴机构的驱动侧，我们采用弯角臂杆与滑槽块机构相结合的形式，来实现对Ｚ轴的操作方向转换和驱动运动控制。

　　如图所示，使用９０度的弯角臂杆和反向器原理，将Ｚ轴机构的上、下驱动运动转换成水平方向的前、后运动驱动形式。即将Ｚ轴的水平（前、后）运动形式作为驱动侧的驱动方式，实现对移动侧的垂直（上、下）运动形式的驱动。

　　因为臂杆为摆动运动形式，所以在手臂夹头的驱动侧臂杆上设计一个滑槽机构，让弯角臂杆末端的插销（滑槽块）在滑槽中运动。以此来调整运动中带来的构件间的距离差异，实现手臂夹头的上、下运动。

　　另外，滑槽块的设计，要比一般的滑槽孔开的要大很多。这是由滑槽块的功能和作用决定的。Ｚ轴机构驱动侧的滑槽孔除了用于弯角臂杆的运动驱动功能外，还具有调节Ｚ轴机构与Ｙ轴运动机构之间，在结构上相互连接与配合的作用。

　　这是因为Ｚ轴机构的驱动侧结构虽然通过滑槽结构连接，但是驱动侧的结构构件并不在Ｙ轴运动机构上面。也就是说，当Ｙ轴机构被驱动而产生运动时，其驱动侧的结构构件并不会像其移动侧构件一样随Ｙ轴方向的移动而移动。为了消除因Ｙ轴机构移动而产生的，在滑槽连接处的距离差距。故而将滑槽孔设计的稍大，稍长一些，用来调整Ｙ轴机构运动时的移动空间，保证非移动的驱动侧插销与Ｙ轴机构的滑槽孔的始终有效连接。

６、　设计完成

　　整个机构的设计过程、指导思想就是使机构的运动产生具有稳定、平顺的运行动作。根据设计的需要一步步调整，修正机构的构件配置，结构组成，灵活运用各种基本结构单元要素，熟练掌握各种单元机构的运动特性和特征，并加以应用，组合，实现更多，更新，更具创造性的机构，装置。

　　在本章节设计的机构装置中，一旦将各部分驱动器接入３个动力输入轴（Ｘ、Ｙ、Ｚ轴输入端），就能够使这３个轴向所牵连的机构产生各自独立的运动过程。在３轴运动机构的带动下，实现了手臂夹头单元装置在平台上任意位置的移动过程。