XYZ直角坐标机械手的机械结构设计.doc

1、编号： 毕业设计说明书题 目： XYZ 直角坐标机械手的 机械结构设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 黄显昌 学 号： 1100110210 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 张旭 职 称： 实验师 题 目 类 型 ： 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发2015 年 5 月 27 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘 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

2、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

3、，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；滚珠丝杠副桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸AbstractIn todays era of rapid development of manufacturing

4、 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 en

5、terprises, 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 outl

6、ined, 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 selectio

7、n 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, th

8、e 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 de

9、signing 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 appe

10、arance.Key words: manipulator; motor; ball screw桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸引言 .11 ZYZ 直角坐标机械手方案设计 .21.1 本次设计的机械手 21.2 本次设计的重点 21.3 设计的机械手的外观结构三维图 21.4 设计总体方框图 32 Z 轴运动模块的设计 .42.1 滚珠丝杠的设计 42.1.1 右旋磨制丝杠 .42.1.2 最大载荷的计算 .42.1.3 丝杠静载荷的计算 .62.1.4 丝杠副 dn 值的校验 .62.1.5 丝杠临界转速进行校核 .62.1.6 螺杆强度校核 .72.1.7 刚度的校核 .82.1

11、.8 丝杠的效率校核 .82.2 滚动轴承的选择与校核 92.2.1 径向外载荷的计算 Fr.92.2.2 计算轴向外载荷 Fa .92.2.3 轴承支反力的计算 .92.2.4 计算角接触轴承的派生轴向力 .92.2.5 轴承所受轴向载荷 .102.2.6 计算轴承所受当量载荷 Pr .102.2.7 基本额定动载荷 C .112.2.8 选定轴承 .112.2.9 轴承寿命 Ln 的校核 .112.3 设计滚动轴承座 112.4 联轴器的选择与校核 122.5 步进电机的选择 132.6 导向机构的设计选择 142.6.1 计算滚动直线导轨的额定寿命 .152.6.2 丝杠导轨的连接件 .

12、152.6.3 导轨的润滑 .162.7 电机安装座 17桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸2.8 Z 轴运动模块连接架 173 X 轴运动模块的设计 .183.1 滚珠丝杠的设计 183.1.1 滚珠丝杠副的特点 183.1.2 滚珠丝杆运动副基本参数及校核 .183.1.3 刚度的校核 .263.2 滚动轴承的选则与校核 263.2.1 径向外载荷 Fa .273.2.2 选定轴承型号 .293.2.3 轴承寿命 Ln 的校核 .293.3 滚动轴承座的设计 .293.4 联轴器的选择与校核 303.5 电机的选择 313.5.1 电机所需基本参数 .313.5.2 运动所需功率 .

13、323.5.3 计算丝杠转矩 .323.6 导向机构的设计选择 323.6.1 滚动直线导轨的额定寿命 .333.6.2 丝杠导轨连接件 .333.6.3 导轨的润滑 .343.7 电机安装座的设计 353.8 X 轴运动模块机架设计 353.9 横梁的校核 354 Y 轴运动模块的的设计 .364.1 滚珠丝杠的设计 364.1.1 滚珠丝杆基本参数及其校核 .364.1.2 刚度的校核 .424.2 滚动轴承的选则与校核 434.2.1 径向外载荷 Fa .434.2.2 轴承支反力的计算 .434.2.3 角接触轴承的派生轴向力 .444.2.4 轴承所受轴向载荷 .444.2.5 轴承

14、所受当量载荷 Pr .444.2.6 基本额定动载荷 C .454.2.7 轴承的选定 .45桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸4.2.8 轴承寿命的校核 .454.3 滚动轴承座的设计 454.4 联轴器的选择与校核 464.5 电机的选择 474.6 导向机构的设计选择 485.6.1 滚动直线导轨的额定寿命 .494.6.2 导轨连接件 .494.6.3 导轨的润滑 .504.7 电机安装座的设计 514.8 Y 轴运动模块连接架设计 515 非标准件零件的工艺设计 .526 结论 .53谢 辞 .54参考文献 .55桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 56

15、页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

16、、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

17、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。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 56 页1 ZYZ 直角坐标机械手方案设计1.1 本次设计的机械手设计的机械手

18、的有效工作的长、宽、高分别为 300mm、250mm、150mm。有效负载的最大质量为 2kg，没有外力。机械手的 XYZ 三个轴的结构均设计为执行元件直接带动丝杠，并设计选择合适的导向机构导向。X 轴和 Y 轴的执行元件采用永磁式有刷直流伺服电机，运动速度曲线为梯形，最大运动速度为 0.1m/s，最大及速度为0.2m/s。Z 轴的执行元件采用混合式步进电机，运动速度曲线为矩形，最大速度为10mm/s。此次设计的机械手为小型通用直角坐标机械手，设计采用计算机辅助设计。1.2 本次设计的重点1）ZXY 三个轴的直线运动模块执行元件的选型，即电机的选择计算。2）XYZ 三个轴传动机构的设计，包括滚

19、珠丝杠副设计选择，导向机构的设计选择，滚动轴承的选择，轴承的安装座座的设计，丝杠支承的选择设计，联轴器的选择，两轴连接处零件结构的设计，电机安装座的设计，机架与三个运动模块的链接设计。3）零件的各项参数的校核。1.3 设计的机械手的外观结构三维图图 1-1 机械手外观结构示意图如上图所示，丝杠伸出的地方就是电机安装的位置。此结构就是用一根横梁来支桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 56 页撑 Z 轴 X 轴的运动模块。Z 轴与 X 轴的连接就是用一个大滑块来固定连接。Z 轴固定在X 轴上，X 轴固定在 Y 轴上，Y 轴固定在机架上。机架加两块肋板，增加它的稳定性。三个运动

20、模块都是电机驱动，滚珠丝杠转动，滚动导轨导向，可独立完成直线运动，也可以相互配合，完成相应的空间曲线运动。1.4 设计总体方框图图 1-2 总体方框图根据设计的机构方案，因为 Z 轴运动模块总体质量会影响到 X 轴 Y 轴的工作负载，在计算 X 轴，Y 轴的有效负载，影响设计丝杠副的尺寸，校核刚度等会受到影响，所以优先完成设计 Z 轴运动模块。设计完 Z 轴运动模块后，再设计 X 轴，根据结构，同理，X 轴运动模块的设计也会影响到 Y 轴的设计，所以要先设计 X 轴运动模块。最后再设计 Y 轴的运动模块。最终设计机座。有了设计思路后，开始细化设计内容，确定的最终的设计思路如下图：图 1-3 详细设计思路图根据详细设计方案，就开始着手设计。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 56 页2 Z 轴运动模块的设计因为是精密运动机械手，要求精确度高，所以采用滚珠丝杠及滚动导轨。因为滚动丝杠及滚动导轨摩擦阻力小，传动效率高，经过预紧之