XYZ直角坐标机械手的机械结构设计文档格式.docx
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2015年5月27日
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
Intoday’seraofrapiddevelopmentofmanufacturingindustry,entrepreneurshavebegun
tofocustheireyesandstrategiesonmechanicalautomation,strivetousealotofautomation
equipment,inordertoimprovetheproductionefficiency
andtheeconomicbenefits.
Nowadaystheautomationequipmenthasbeenspreadallovertheproductionlinesof
enterprises,especiallytheautomated.Duetomeettheneedsofthesocialindustry,people
begintodesignmoreadvanceds.Fromanotherperspective,theindustriallevelofacountry
depend
on
its
manipulator
technology
and
the
extensive
degree
of
application.
Anoverviewofrobotisoutlined,itsXYZrectangularcoordinateisintroduced,andthe
mechanicalstructureofthemanipulatorisdescribed.Thedesignprocessofthreelinear
motionmodulesisdetailed,includingtheselectioncalculationofthemotor,typeselectionof
theballscrewpairandtherollingguide,theselectionofrollingbearing,theselectionof
flexiblecoupling,thedesignofbearingbase,thedesignofmotormountingbase,thedesign
oftheframe,andthecheckoftherelatedindexesofmachineparts.Thecheckcontainsthe
stiffnessoftheguidescrew,theallowablespeedamongtheworkinglife,theloadofrolling
bearing,theworkinglifeofguidescrew.Theprocessofanon-standardpartisdetailed,
includingthedimensiondesign,themachiningprocessfromtheroughtorequiredpart.The
heatprocesscontainsnormalizing,tempering,modulationprocessing.
AlltheaboveworkisaimedatdesigningaXYZrectangularcoordinatemanipulator
whichcanmoveupanddown,moveleftandright,moveforwardandbackward.Thedesign
ofthestructuremustmeetnotonlythebasicmovementbutalsothehighlocatingandmove
accuracy.Themanipulatormusthavethesmallvolumeandabeautifulappearance.
Keywords:
manipulator;
motor;
ballscrew
引言 6
1ZYZ直角坐标机械手方案设计 7
1.1本次设计的机械手 7
1.2本次设计的重点 7
1.3设计的机械手的外观结构三维图 7
1.4设计总体方框图 8
2Z轴运动模块的设计 9
2.1滚珠丝杠的设计 9
2.1.1右旋磨制丝杠.............................................................................................a.v.U V
2.1.2最大载荷的计算............................................................................................v.3 o9S
2.1.3丝杠静载荷的计算.....................................................................................M u.161v
2.1.4丝杠副dn值的校验 Y.u.C1f1m
2.1.5丝杠临界转速进行校核.............................................................................e.U..ts181Z
2.1.6螺杆强度校核...............................................................................................s..1EJ2k
2.1.7刚度的校核..................................................................................................M Ia1s3N
2.1.8丝杠的效率校核..........................................................................................T..r.R.G1c3h
2.2滚动轴承的选择与校核 14
2.2.1径向外载荷的计算Fr.................................................................................1.4..l.z.q.7.
2.2.2计算轴向外载荷Fa...................................................................................1.4z.v.p.g.
2.2.3轴承支反力的计算...................................................................................1..4..N.r o
2.2.4计算角接触轴承的派生轴向力 1.n.o1w4fT
2.2.5轴承所受轴向载荷.......................................................................................fj.n.FLD1a55
2.2.6计算轴承所受当量载荷Pr............................................................................tf.n..h1n5E
2.2.7基本额定动载荷C.....................................................................................H....m.1VN67
2.2.8选定轴承.................................................................................................1..6..V.7..l4..j.
2.2.9轴承寿命Ln的校核..................................................................................1.6 l.
2.3设计滚动轴承座 16
2.4联轴器的选择与校核 17
2.5步进电机的选择 18
2.6导向机构的设计选择 19
2.6.1计算滚动直线导轨的额定寿命 g.I.iS2p0iu
2.6.2丝杠导轨的连接件.....................................................................................u.E..h.02U01
2.6.3导轨的润滑.................................................................................................IA..g.9..qL2s1g
2.7电机安装座 21
2.8Z轴运动模块连接架 22
3X轴运动模块的设计 23
3.1滚珠丝杠的设计 23
3.1.1滚珠丝杠副的特点 23
3.1.2滚珠丝杆运动副基本参数及校核 cd2X3w
3.1.3刚度的校核...............................................................................................h.8..c.5.3W1O
3.2滚动轴承的选则与校核 31
3.2.1径向外载荷Fa............................................................................................J.0..b.m.43q2M
3.2.2选定轴承型号.........................................................................................3..4..X.V.a..u.A
3.2.3轴承寿命Ln的校核 C364T
3.3滚动轴承座的设计.........................................................................................p.N9.L3B4D
3.4联轴器的选择与校核 35
3.5电机的选择 36
3.5.1电机所需基本参数.................................................................................3..6..4.B7.a
3.5.2运动所需功率...........................................................................................3..7..ix.6..iF..A
3.5.3计算丝杠转矩.........................................................................................3..7.......
3.6导向机构的设计选择 37
3.6.1滚动直线导轨的额定寿命..........................................................................Y..l4.H3d8O
3.6.2丝杠导轨连接件.......................................................................................3..8.......
3.6.3导轨的润滑.............................................................................................3..9..q...3 f
3.7电机安装座的设计 40
3.8X轴运动模块机架设计 40
3.9横梁的校核 40
4Y轴运动模块的的设计 42
4.1滚珠丝杠的设计 42
4.1.1滚珠丝杆基本参数及其校核.......................................................................L..O.Z4M2k
4.1.2刚度的校核 Q4s8U
4.2滚动轴承的选则与校核 49
4.2.1径向外载荷Fa........................................................................................4..9.......
4.2.2轴承支反力的计算..................................................................................4..9......
4.2.3角接触轴承的派生轴向力 u.W5r0U
4.2.4轴承所受轴向载荷 A5q09
4.2.6基本额定动载荷C 5..1..h..U..Q
4.2.7轴承的选定............................................................................................5..1.M..d..U..
4.2.5轴承所受当量载荷Pr W.5T0N
4.2.8轴承寿命的校核......................................................................................5..1..0.9..T..
4.3滚动轴承座的设计 51
4.4联轴器的选择与校核 52
4.5电机的选择 53
4.6导向机构的设计选择 54
5.6.1滚动直线导轨的额定寿命.....................................................................5..5..8.P..Q
4.6.2导轨连接件 5zx57
4.6.3导轨的润滑................................................................................................A.H..P..55h6B
4.7电机安装座的设计 57
4.8Y轴运动模块连接架设计 57
5非标准件零件的工艺设计 58
6 结论.............................................................................................. 59
谢辞................................................................................................. 60
参考文献 61
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。
1ZYZ
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撑Z轴X
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。
三个运动模块都是电机
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
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
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