【正文】 編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手的 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 黃顯昌 學(xué) 號(hào)： 1100110210 指導(dǎo)教師單位： 機(jī)電工程學(xué)院 姓 名： 張旭 職 稱： 實(shí)驗(yàn)師 題目類型：168。理論研究 168。實(shí)驗(yàn)研究 254。工程設(shè)計(jì) 168。工程技術(shù)研究 168。軟件開(kāi)發(fā)2015年5月27 日58 / 64摘 要在當(dāng)今制造業(yè)迅速發(fā)展的年代，為了提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，企業(yè)家們開(kāi)始把目光和戰(zhàn)略放到機(jī)械自動(dòng)化上，力求能大量的使用自動(dòng)化設(shè)備。目前自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)遍布企業(yè)的生產(chǎn)線。其中最為典型的自動(dòng)化機(jī)械手。為了滿足社會(huì)工業(yè)的需求，人們開(kāi)始研究設(shè)計(jì)更為先進(jìn)的機(jī)械手。從另外的一個(gè)角度上，也可以這么認(rèn)為，一個(gè)國(guó)家的機(jī)械手技術(shù)水平的先進(jìn)程度和對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用廣泛程度，體現(xiàn)出了一個(gè)國(guó)家目前的工業(yè)發(fā)達(dá)程度。本文通過(guò)概述機(jī)械手，介紹XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手，說(shuō)明了本次要設(shè)計(jì)怎么樣的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。文中有三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程，包括電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算，滾珠絲杠副還有滾動(dòng)導(dǎo)軌的型號(hào)的選擇，滾動(dòng)軸承的選擇，彈性聯(lián)軸器的選擇，軸承座的設(shè)計(jì)，電機(jī)安裝座的設(shè)計(jì)選擇，機(jī)架的設(shè)計(jì)，以及機(jī)械零件的相關(guān)指標(biāo)的校核。零件的相關(guān)指標(biāo)的校核包括，絲桿的剛度、使用壽命許用轉(zhuǎn)速等的校核，滾動(dòng)軸承載荷的校核，使用壽命的校核，導(dǎo)軌的使用壽命等校核。文中還詳細(xì)介紹了一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)零件的工藝，包括詳細(xì)的尺寸設(shè)計(jì)加工工藝過(guò)程，即為從毛坯到形成所需零件的詳細(xì)加工過(guò)程。零件的熱處理工藝過(guò)程，包括正火，回火，調(diào)制處理等。最終就是要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)能升降運(yùn)動(dòng)，左右移動(dòng)，前后移動(dòng)的XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要能滿足機(jī)械手的基本運(yùn)動(dòng)，還要能滿足機(jī)械手的高定位精度，高移動(dòng)精度。且其外形還要體積小，外形美觀。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；電動(dòng)機(jī)；滾珠絲杠副AbstractIn 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 nonstandard 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 11 ZYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 2 2 本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn) 2 設(shè)計(jì)的機(jī)械手的外觀結(jié)構(gòu)三維圖 2 設(shè)計(jì)總體方框圖 32 Z軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 4 4 右旋磨制絲杠 4 4 6 絲杠副dn值的校驗(yàn) 6 絲杠臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核 6 7 8 8 9 9 9 9 9 10 10 11 11 11 11 12 13 14 15 15 16 17 Z軸運(yùn)動(dòng)模塊連接架 173 X軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 18 18 18 18 26 26 27 29 29 29 30 31 31 32 32 32 33 33 34 35 X軸運(yùn)動(dòng)模塊機(jī)架設(shè)計(jì) 35 橫梁的校核 354 Y軸運(yùn)動(dòng)模塊的的設(shè)計(jì) 36 36 36 42 43 43 43 44 44 44 45 45 45 45 46 47 48 49 49 50 51 Y軸運(yùn)動(dòng)模塊連接架設(shè)計(jì) 515 非標(biāo)準(zhǔn)件零件的工藝設(shè)計(jì) 526 結(jié)論 53謝 辭 54參考文獻(xiàn) 55引言現(xiàn)在的社會(huì)是自動(dòng)化的機(jī)械代替人工工作的時(shí)代，機(jī)械工作效率高，成本比人工工作低，已經(jīng)在大部分領(lǐng)域廣泛應(yīng)用推廣。一個(gè)操作工人可以控制3到6臺(tái)機(jī)器，工作安全性很高?，F(xiàn)在大部分的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)都運(yùn)用到機(jī)械手結(jié)構(gòu)，比如摘果機(jī)械手，自動(dòng)上料機(jī)等等。XYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手，現(xiàn)在基本上是應(yīng)用在自動(dòng)化設(shè)備上的，可精確定位，一般用在高速高精度的工作環(huán)境，用來(lái)重復(fù)搬運(yùn)；或者用來(lái)點(diǎn)膠，也可涂膠，也可焊接，甚至裝配、檢測(cè)、封裝、剁碼，鎖螺絲當(dāng)然也可以。在制造方面，它制造成本相當(dāng)?shù)牡?，它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)和操作工具。使用靈活，功能多，根據(jù)操作工具的不同，使用功能不同?？煽啃愿摺⑺俣瓤?、精度高，可以代替人工，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。它可以24小時(shí)在高溫等惡劣環(huán)境下不停歇地工作，如果有故障，維修也很方便。近年來(lái)，世界及我國(guó)電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)得到很快地技術(shù)提升，應(yīng)用更加廣泛，機(jī)器人的研究制造與改良和生產(chǎn)頓時(shí)成為高技術(shù)領(lǐng)域的一門(mén)新興技術(shù)，且其發(fā)展迅速，它也就促進(jìn)了機(jī)械手的進(jìn)一步發(fā)展，所以機(jī)械手現(xiàn)在能更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)備加上機(jī)械手即可共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它在適中、小批量生產(chǎn)中特別受歡迎，通過(guò)機(jī)械手的應(yīng)用可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，它的結(jié)構(gòu)很緊湊，對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)性能力很強(qiáng)。沒(méi)當(dāng)改變加工的工件時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)也就很容易跟著改變，也就有利于企業(yè)不斷更新研究制造適銷對(duì)路的品種，提高市場(chǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。但是目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)還有對(duì)它的工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比較起來(lái)還是有相當(dāng)大的距離。我國(guó)對(duì)工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平相對(duì)很低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)從根本上會(huì)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平，故從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)都考慮要提高機(jī)械手的水平。因此，對(duì)機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有現(xiàn)實(shí)意義和未來(lái)展望的。1 ZYZ直角坐標(biāo)機(jī)械手方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的機(jī)械手的有效工作的長(zhǎng)、寬、高分別為300mm、250mm、150mm。有效負(fù)載的最大質(zhì)量為2kg，沒(méi)有外力。機(jī)械手的XYZ三個(gè)軸的結(jié)構(gòu)均設(shè)計(jì)為執(zhí)行元件直接帶動(dòng)絲杠，并設(shè)計(jì)選擇合適的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向。X軸和Y軸的執(zhí)行元件采用永磁式有刷直流伺服電機(jī)，運(yùn)動(dòng)速度曲線為梯形。Z軸的執(zhí)行元件采用混合式步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)速度曲線為矩形，最大速度為10mm/s。此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為小型通用直角坐標(biāo)機(jī)械手，設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)1）ZXY三個(gè)軸的直線運(yùn)動(dòng)模塊執(zhí)行元件的選型，即電機(jī)的選擇計(jì)算。2）XYZ三個(gè)軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括滾珠絲杠副設(shè)計(jì)選擇，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇，滾動(dòng)軸承的選擇，軸承的安裝座座的設(shè)計(jì)，絲杠支承的選擇設(shè)計(jì)，聯(lián)軸器的選擇，兩軸連接處零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，電機(jī)安裝座的設(shè)計(jì)，機(jī)架與三個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊的鏈接設(shè)計(jì)。3）零件的各項(xiàng)參數(shù)的校核。 設(shè)計(jì)的機(jī)械手的外觀結(jié)構(gòu)三維圖圖11 機(jī)械手外觀結(jié)構(gòu)示意圖如上圖所示，絲杠伸出的地方就是電機(jī)安裝的位置。此結(jié)構(gòu)就是用一根橫梁來(lái)支撐Z軸X軸的運(yùn)動(dòng)模塊。Z軸與X軸的連接就是用一個(gè)大滑塊來(lái)固定連接。Z軸固定在X軸上，X軸固定在Y軸上，Y軸固定在機(jī)架上。機(jī)架加兩塊肋板，增加它的穩(wěn)定性。三個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)導(dǎo)軌導(dǎo)向，可獨(dú)立完成直線運(yùn)動(dòng)，也可以相互配合，完成相應(yīng)的空間曲線運(yùn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)總體方框圖圖12 總體方框圖根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)方案，因?yàn)閆軸運(yùn)動(dòng)模塊總體質(zhì)量會(huì)影響到X軸Y軸的工作負(fù)載，在計(jì)算X軸，Y軸的有效負(fù)載，影響設(shè)計(jì)絲杠副的尺寸，校核剛度等會(huì)受到影響，所以優(yōu)先完成設(shè)計(jì)Z軸運(yùn)動(dòng)模塊。設(shè)計(jì)完Z軸運(yùn)動(dòng)模塊后，再設(shè)計(jì)X軸，根據(jù)結(jié)構(gòu)，同理，X軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)也會(huì)影響到Y(jié)軸的設(shè)計(jì)，所以要先設(shè)計(jì)X軸運(yùn)動(dòng)模塊。最后再設(shè)計(jì)Y軸的運(yùn)動(dòng)模塊。最終設(shè)計(jì)機(jī)座。有了設(shè)計(jì)思路后，開(kāi)始細(xì)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，確定的最終的設(shè)計(jì)思路如下圖：圖13 詳細(xì)設(shè)計(jì)思路圖根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，就開(kāi)始著手設(shè)計(jì)。2 Z軸運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)因?yàn)槭蔷苓\(yùn)動(dòng)機(jī)械手，要求精確度高，所以采用滾珠絲杠及滾動(dòng)導(dǎo)軌。因?yàn)闈L動(dòng)絲杠及滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高，經(jīng)過(guò)預(yù)緊之后，可以得到很好地定位精度和重復(fù)定位精度，是本次設(shè)計(jì)的最合理選擇[2]。驅(qū)動(dòng)方面采用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度曲線為矩形，最大速度為10mm/s。 右旋磨制絲杠根據(jù)要求設(shè)計(jì)絲杠的最長(zhǎng)長(zhǎng)度為：絲杠的最大行程 絲杠的固定方式為絲杠支撐兩端固定。 絲杠設(shè)計(jì)為精度5級(jí)，可靠性90%。 機(jī)械手的有效負(fù)載的最大質(zhì)量為，故按最大負(fù)載計(jì)算絲杠的各項(xiàng)參數(shù)。（重力加速度?。? （21）所以得出絲杠軸向載荷N預(yù)設(shè)絲杠最高轉(zhuǎn)速r/mim機(jī)械手移動(dòng)最高速度mm/s允許的最大轉(zhuǎn)速r/min所以初步計(jì)算絲杠的導(dǎo)程mm （22）所以絲杠的導(dǎo)程取mm螺紋公稱直徑——mm鋼球直徑——mm圈數(shù)列數(shù)——螺桿滾道曲率—— （23）表21 各類機(jī)械預(yù)期工作壽命機(jī)械類型 備注普通機(jī)械普通機(jī)床數(shù)控機(jī)床精密機(jī)床測(cè)試機(jī)械航空機(jī)械5000～1000010000～150002000020000150001000250（天）16（h）10（年）（開(kāi)機(jī)率）=20000因?yàn)闉榫軝C(jī)械手，可按精密機(jī)床來(lái)選擇，故選擇壽命 由表得表22 載荷系數(shù)載荷性質(zhì)無(wú)沖擊平穩(wěn)時(shí)一般運(yùn)行有沖擊和振動(dòng)