摘 要
在当今制造业迅速发展的年代，为了提高企业的生产效率，增加企业的经济效益，企业家们开始把目光和战略放到机械自动化上，力求能大量的使用自动化设备。目前自动化设备已经遍布企业的生产线。其中最为典型的自动化机械手。为了满足社会工业的需求，人们开始研究设计更为先进的机械手。从另外的一个角度上，也可以这么认为，一个国家的机械手技术水平的先进程度和对机械手的应用广泛程度，体现出了一个国家目前的工业发达程度。
本文通过概述机械手，介绍XYZ直角坐标机械手，说明了本次要设计怎么样的机械手结构。文中有三个直线运动模块的详细设计过程，包括电动机的选择计算，滚珠丝杠副还有滚动导轨的型号的选择，滚动轴承的选择，弹性联轴器的选择，轴承座的设计，电机安装座的设计选择，机架的设计，以及机械零件的相关指标的校核。零件的相关指标的校核包括，丝杆的刚度、使用寿命许用转速等的校核，滚动轴承载荷的校核，使用寿命的校核，导轨的使用寿命等校核。文中还详细介绍了一个非标准零件的工艺，包括详细的尺寸设计加工工艺过程，即为从毛坯到形成所需零件的详细加工过程。零件的热处理工艺过程，包括正火，回火，调制处理等。
最终就是要实现设计一个能升降运动，左右移动，前后移动的XYZ直角坐标机械手的机械结构。机械手结构的设计不仅要能满足机械手的基本运动，还要能满足机械手的高定位精度，高移动精度。且其外形还要体积小，外形美观。
关键词：机械手；电动机；滚珠丝杠副
Abstract
In today’s era of rapid development of manufacturing industry, entrepreneurs have begun to focus their eyes and strategies on mechanical automation, strive to use a lot of automation equipment, in order to improve the production efficiency and the economic benefits. Nowadays the automation equipment has been spread all over the production lines of enterprises, especially the automated. Due to meet the needs of the social industry, people begin to design more advanced s. From another perspective, the industrial level of a country depend on its manipulator technology and the extensive degree of manipulator application.
An overview of robot is outlined, its XYZ rectangular coordinate is introduced, and the mechanical structure of the manipulator is described. The design process of three linear motion modules is detailed, including the selection calculation of the motor, type selection of the ball screw pair and the rolling guide, the selection of rolling bearing, the selection of flexible coupling, the design of bearing base, the design of motor mounting base, the design of the frame, and the check of the related indexes of machine parts. The check contains the stiffness of the guide screw, the allowable speed among the working life, the load of rolling bearing, the working life of guide screw. The process of a non-standard part is detailed, including the dimension design, the machining process from the rough to required part. The heat process contains normalizing, tempering, modulation processing.
All the above work is aimed at designing a XYZ rectangular coordinate manipulator which can move up and down, move left and right, move forward and backward. The design of the structure must meet not only the basic movement but also the high locating and move accuracy. The manipulator must have the small volume and a beautiful appearance.
Key words: manipulator; motor; ball screw
引言 1
1 ZYZ直角坐标机械手方案设计 2
1.1本次设计的机械手 2
1.2 本次设计的重点 2
1.3 设计的机械手的外观结构三维图 2
1.4 设计总体方框图 3
2 Z轴运动模块的设计 4
2.1滚珠丝杠的设计 4
2.1.1 右旋磨制丝杠 4
2.1.2最大载荷的计算 4
2.1.3丝杠静载荷的计算 6
2.1.4 丝杠副dn值的校验 6
2.1.5 丝杠临界转速进行校核 6
2.1.6螺杆强度校核 7
2.1.7刚度的校核 8
2.1.8丝杠的效率校核 8
2.2滚动轴承的选择与校核 9
2.2.1径向外载荷的计算Fr 9
2.2.2计算轴向外载荷Fa 9
2.2.3轴承支反力的计算 9
2.2.4计算角接触轴承的派生轴向力 9
2.2.5轴承所受轴向载荷 10
2.2.6计算轴承所受当量载荷Pr 10
2.2.7基本额定动载荷C 11
2.2.8选定轴承 11
2.2.9轴承寿命Ln的校核 11
2.3设计滚动轴承座 11
2.4联轴器的选择与校核 12
2.5步进电机的选择 13
2.6导向机构的设计选择 14
2.6.1计算滚动直线导轨的额定寿命 15
2.6.2丝杠导轨的连接件 15
2.6.3导轨的润滑 16
2.7电机安装座 17
2.8 Z轴运动模块连接架 17
3 X轴运动模块的设计 18
3.1滚珠丝杠的设计 18
3.1.1滚珠丝杠副的特点 18
3.1.2滚珠丝杆运动副基本参数及校核 18
3.1.3刚度的校核 26
3.2滚动轴承的选则与校核 26
3.2.1径向外载荷Fa 27
3.2.2选定轴承型号 29
3.2.3轴承寿命Ln的校核 29
3.3滚动轴承座的设计 29
3.4联轴器的选择与校核 30
3.5电机的选择 31
3.5.1电机所需基本参数 31
3.5.2运动所需功率 32
3.5.3计算丝杠转矩 32
3.6导向机构的设计选择 32
3.6.1滚动直线导轨的额定寿命 33
3.6.2丝杠导轨连接件 33
3.6.3导轨的润滑 34
3.7电机安装座的设计 35
3.8 X轴运动模块机架设计 35
3.9 横梁的校核 35
4 Y轴运动模块的的设计 36
4.1滚珠丝杠的设计 36
4.1.1滚珠丝杆基本参数及其校核 36
4.1.2刚度的校核 42
4.2滚动轴承的选则与校核 43
4.2.1径向外载荷Fa 43
4.2.2轴承支反力的计算 43
4.2.3角接触轴承的派生轴向力 44
4.2.4轴承所受轴向载荷 44
4.2.5轴承所受当量载荷Pr 44
4.2.6基本额定动载荷C 45
4.2.7轴承的选定 45
4.2.8轴承寿命的校核 45
4.3滚动轴承座的设计 45
4.4联轴器的选择与校核 46
4.5电机的选择 47
4.6导向机构的设计选择 48
5.6.1滚动直线导轨的额定寿命 49
4.6.2导轨连接件 49
4.6.3导轨的润滑 50
4.7电机安装座的设计 51
4.8 Y轴运动模块连接架设计 51
5 非标准件零件的工艺设计 52
6 结论 53
谢 辞 54
参考文献 55
引言
现在的社会是自动化的机械代替人工工作的时代，机械工作效率高，成本比人工工作低，已经在大部分领域广泛应用推广。一个操作工人可以控制3到6台机器，工作安全性很高。现在大部分的自动化机构都运用到机械手结构，比如摘果机械手，自动上料机等等。XYZ直角坐标机械手，现在基本上是应用在自动化设备上的，可精确定位，一般用在高速高精度的工作环境，用来重复搬运；或者用来点胶，也可涂胶，也可焊接，甚至装配、检测、封装、剁码，锁螺丝当然也可以。在制造方面，它制造成本相当的低，它系统结构简单，只有控制系统，驱动系统，机械系统和操作工具。使用灵活，功能多，根据操作工具的不同，使用功能不同。可靠性高、速度快、精度高，可以代替人工，提高生产效率，稳定产品质量。它可以24小时在高温等恶劣环境下不停歇地工作，如果有故障，维修也很方便。
近年来，世界及我国电子技术特别是电子计算机得到很快地技术提升，应用更加广泛，机器人的研究制造与改良和生产顿时成为高技术领域的一门新兴技术，且其发展迅速，它也就促进了机械手的进一步发展，所以机械手现在能更好地实现机械化和自动化。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把传统的机床设备加上机械手即可共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它在适中、小批量生产中特别受欢迎，通过机械手的应用可以节省庞大的工件输送装置，它的结构很紧凑，对市场的适应性能力很强。没当改变加工的工件时，柔性生产系统也就很容易跟着改变，也就有利于企业不断更新研究制造适销对路的品种，提高市场产品的质量，更好地适应市场竞争的需要。但是目前我国的工业机器人技术还有对它的工程应用的水平和国外比较起来还是有相当大的距离。我国对工业机械手的应用规模和产业化水平相对很低，机械手的研究和开发从根本上会直接影响到我国自动化生产水平，故从经济上、技术都考虑要提高机械手的水平。因此，对机械手的研究设计是非常有现实意义和未来展望的。
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