摘 要
在當今制造業迅速發展的年代，為了提高企業的生產效率，增加企業的經濟效益，企業家們開始把目光和戰略放到機械自動化上，力求能大量的使用自動化設備。目前自動化設備已經遍布企業的生產線。其中最為典型的自動化機械手。為了滿足社會工業的需求，人們開始研究設計更為先進的機械手。從另外的一個角度上，也可以這么認為，一個國家的機械手技術水平的先進程度和對機械手的應用廣泛程度，體現出了一個國家目前的工業發達程度。
本文通過概述機械手，介紹XYZ直角坐標機械手，說明了本次要設計怎么樣的機械手結構。文中有三個直線運動模塊的詳細設計過程，包括電動機的選擇計算，滾珠絲杠副還有滾動導軌的型號的選擇，滾動軸承的選擇，彈性聯軸器的選擇，軸承座的設計，電機安裝座的設計選擇，機架的設計，以及機械零件的相關指標的校核。零件的相關指標的校核包括，絲桿的剛度、使用壽命許用轉速等的校核，滾動軸承載荷的校核，使用壽命的校核，導軌的使用壽命等校核。文中還詳細介紹了一個非標準零件的工藝，包括詳細的尺寸設計加工工藝過程，即為從毛坯到形成所需零件的詳細加工過程。零件的熱處理工藝過程，包括正火，回火，調制處理等。
最終就是要實現設計一個能升降運動，左右移動，前后移動的XYZ直角坐標機械手的機械結構。機械手結構的設計不僅要能滿足機械手的基本運動，還要能滿足機械手的高定位精度，高移動精度。且其外形還要體積小，外形美觀。
關鍵詞：機械手；電動機；滾珠絲杠副
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直角坐標機械手方案設計 2
1.1本次設計的機械手 2
1.2 本次設計的重點 2
1.3 設計的機械手的外觀結構三維圖 2
1.4 設計總體方框圖 3
2 Z軸運動模塊的設計 4
2.1滾珠絲杠的設計 4
2.1.1 右旋磨制絲杠 4
2.1.2最大載荷的計算 4
2.1.3絲杠靜載荷的計算 6
2.1.4 絲杠副dn值的校驗 6
2.1.5 絲杠臨界轉速進行校核 6
2.1.6螺桿強度校核 7
2.1.7剛度的校核 8
2.1.8絲杠的效率校核 8
2.2滾動軸承的選擇與校核 9
2.2.1徑向外載荷的計算Fr 9
2.2.2計算軸向外載荷Fa 9
2.2.3軸承支反力的計算 9
2.2.4計算角接觸軸承的派生軸向力 9
2.2.5軸承所受軸向載荷 10
2.2.6計算軸承所受當量載荷Pr 10
2.2.7基本額定動載荷C 11
2.2.8選定軸承 11
2.2.9軸承壽命Ln的校核 11
2.3設計滾動軸承座 11
2.4聯軸器的選擇與校核 12
2.5步進電機的選擇 13
2.6導向機構的設計選擇 14
2.6.1計算滾動直線導軌的額定壽命 15
2.6.2絲杠導軌的連接件 15
2.6.3導軌的潤滑 16
2.7電機安裝座 17
2.8 Z軸運動模塊連接架 17
3 X軸運動模塊的設計 18
3.1滾珠絲杠的設計 18
3.1.1滾珠絲杠副的特點 18
3.1.2滾珠絲桿運動副基本參數及校核 18
3.1.3剛度的校核 26
3.2滾動軸承的選則與校核 26
3.2.1徑向外載荷Fa 27
3.2.2選定軸承型號 29
3.2.3軸承壽命Ln的校核 29
3.3滾動軸承座的設計 29
3.4聯軸器的選擇與校核 30
3.5電機的選擇 31
3.5.1電機所需基本參數 31
3.5.2運動所需功率 32
3.5.3計算絲杠轉矩 32
3.6導向機構的設計選擇 32
3.6.1滾動直線導軌的額定壽命 33
3.6.2絲杠導軌連接件 33
3.6.3導軌的潤滑 34
3.7電機安裝座的設計 35
3.8 X軸運動模塊機架設計 35
3.9 橫梁的校核 35
4 Y軸運動模塊的的設計 36
4.1滾珠絲杠的設計 36
4.1.1滾珠絲桿基本參數及其校核 36
4.1.2剛度的校核 42
4.2滾動軸承的選則與校核 43
4.2.1徑向外載荷Fa 43
4.2.2軸承支反力的計算 43
4.2.3角接觸軸承的派生軸向力 44
4.2.4軸承所受軸向載荷 44
4.2.5軸承所受當量載荷Pr 44
4.2.6基本額定動載荷C 45
4.2.7軸承的選定 45
4.2.8軸承壽命的校核 45
4.3滾動軸承座的設計 45
4.4聯軸器的選擇與校核 46
4.5電機的選擇 47
4.6導向機構的設計選擇 48
5.6.1滾動直線導軌的額定壽命 49
4.6.2導軌連接件 49
4.6.3導軌的潤滑 50
4.7電機安裝座的設計 51
4.8 Y軸運動模塊連接架設計 51
5 非標準件零件的工藝設計 52
6 結論 53
謝 辭 54
參考文獻 55
引言
現在的社會是自動化的機械代替人工工作的時代，機械工作效率高，成本比人工工作低，已經在大部分領域廣泛應用推廣。一個操作工人可以控制3到6臺機器，工作安全性很高。現在大部分的自動化機構都運用到機械手結構，比如摘果機械手，自動上料機等等。XYZ直角坐標機械手，現在基本上是應用在自動化設備上的，可精確定位，一般用在高速高精度的工作環境，用來重復搬運；或者用來點膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測、封裝、剁碼，鎖螺絲當然也可以。在制造方面，它制造成本相當的低，它系統結構簡單，只有控制系統，驅動系統，機械系統和操作工具。使用靈活，功能多，根據操作工具的不同，使用功能不同�？煽啃愿�、速度快、精度高，可以代替人工，提高生產效率，穩定產品質量。它可以24小時在高溫等惡劣環境下不停歇地工作，如果有故障，維修也很方便。
近年來，世界及我國電子技術特別是電子計算機得到很快地技術提升，應用更加廣泛，機器人的研究制造與改良和生產頓時成為高技術領域的一門新興技術，且其發展迅速，它也就促進了機械手的進一步發展，所以機械手現在能更好地實現機械化和自動化。目前，機械手已發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把傳統的機床設備加上機械手即可共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，它在適中、小批量生產中特別受歡迎，通過機械手的應用可以節省龐大的工件輸送裝置，它的結構很緊湊，對市場的適應性能力很強。沒當改變加工的工件時，柔性生產系統也就很容易跟著改變，也就有利于企業不斷更新研究制造適銷對路的品種，提高市場產品的質量，更好地適應市場競爭的需要。但是目前我國的工業機器人技術還有對它的工程應用的水平和國外比較起來還是有相當大的距離。我國對工業機械手的應用規模和產業化水平相對很低，機械手的研究和開發從根本上會直接影響到我國自動化生產水平，故從經濟上、技術都考慮要提高機械手的水平。因此，對機械手的研究設計是非常有現實意義和未來展望的。
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