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I 編號 畢業(yè)設計 論文 題 目 剛柔混聯下肢康復機器人結構設計 2014 年 5 月 25 日 II 摘 要 本次設計是對剛柔混聯下肢康復機器人裝置的設計 在這里主要包括 滾珠絲杠傳 動系統(tǒng)的設計 這次畢業(yè)設計對設計工作的基本技能的訓練 提高了分析和解決工程 技術問題的能力 并為進行一般機械的設計創(chuàng)造了一定條件 整機結構主要由電動機產生動力通過聯軸器將需要的動力傳遞到絲桿上 絲桿帶 動絲桿螺母 從而帶動整機運動 提高勞動生產率和生產自動化水平 更顯示其優(yōu)越 性 有著廣闊的發(fā)展前途 本論文研究內容 1 剛柔混聯下肢康復機器人裝置總體結構設計 2 剛柔混聯下肢康復機器人裝置工作性能分析 3 電動機的選擇 4 剛柔混聯下肢康復機器人裝置的傳動系統(tǒng) 執(zhí)行部件及機架設計 5 對設計零件進行設計計算分析和校核 6 繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設計零件的零件圖 關鍵詞 剛柔混聯下肢康復機器人裝置 聯軸器 滾珠絲杠 III Abstract This design is the design of the lower limb rehabilitation robot device mixed rigid flexible Here mainly include Design of ball screw drive system the graduation design on the design of the basic skills training enhancing the analysis and to solve engineering problems and create a certain condition for general mechanical design The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod the screw rod drives the screw rod nut thereby driving the movement improve labor productivity and automation level of production But also show its superiority there are broad prospects for the development The research of this thesis 1 the rigid flexible hybrid lower limbs rehabilitative robot device structure design 2 analysis of lower limbs rehabilitation robot device performance mixed rigid flexible 3 the choice of motor 4 transmission system execution unit and frame design of rigid flexible hybrid lower limbs rehabilitative robot 5 the design of components for the design calculation and check 6 to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design Key words rigid flexible hybrid lower limbs rehabilitative robot device coupling ball screw IV 目 錄 目 錄 IV 1 緒論 1 1 1 國內外研究現狀 1 1 2 剛柔混聯下肢康復機器人原理及結構 1 1 3 本課題研究的內容及方法 3 1 3 1 主要的研究內容 3 1 3 2 設計要求 3 2 剛柔混聯下肢康復機器人裝置總體結構設計 4 2 1 設計的要求與數據 4 2 2 總體結構設計 4 2 3 康復機器人結構設計草圖 框架圖 5 3 康復機器人結構及傳動設計 8 3 1 滾珠絲桿副的選擇 9 3 1 1 導程確定 9 3 1 2 確定絲桿的等效轉速 9 3 1 3 估計工作臺質量及負重 9 3 1 4 確定絲桿的等效負載 9 3 1 5 確定絲桿所受的最大動載荷 10 3 1 6 精度的選擇 11 3 1 7 選擇滾珠絲桿型號 11 3 2 校核 12 3 2 1 臨界壓縮負荷驗證 12 3 2 2 臨界轉速驗證 13 3 2 3 絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 13 3 3 電機的選擇 14 3 3 1 電機軸的轉動慣量 14 3 3 2 電機扭矩計算 15 V 4 其它零部件的設計計算 17 4 1 電機軸的設計校核 17 4 2 鍵的校核 18 4 3 軸承的校核 18 4 4 力矩電機的選取 19 5 機架的設計 23 5 1 對機架結構的基本要求 23 5 2 機架的結構 24 5 3 橫梁設計 25 5 4 機架的基本尺寸的確定 25 5 5 主要梁的強度校核 25 結論 28 參考文獻 29 致 謝 30 1 1 緒論 1 1 國內外研究現狀 康復訓練機器人的主要功能是幫助患者完成各種運動功能的恢復訓練 該類產品 有行走訓練 手臂運動訓練 脊椎運動訓練等 康復機器人有兩種 輔助型康復機器 人和康復訓練機器人 輔助型康復機器人主要是幫助肢體運動有困難的患者完成各種 動作 該類產品有機器人輪椅 機器人護士 機器人假肢 機械外骨骼等 康復機器人是康復醫(yī)學和機器人技術的完美結合 康復機器人技術在歐美等國家 得到了科研工作者和醫(yī)療機構的普遍重視 許多研究機構都開展了有關的研究工作 近年來取得了一些有價值的成果 對于中風 偏癱 下肢運動機能損傷等患者來說 下肢康復訓練機器人有著很好的治療效果 國內外許多研究機構都在這方面取得了不 錯的研究結果 下肢康復訓練機器人發(fā)展主要經歷了幾個階段 由早期的簡單步行訓 練機發(fā)展到現在功能豐富 符合人體運動機理的下肢康復訓練機器人 早期發(fā)展的下 肢康復訓練系統(tǒng)是借助于跑步機 懸吊系統(tǒng)等幫助患者進行運動訓練 此種產品結構 簡單 價格便宜 但訓練過程中必須有專業(yè)人員的幫助 而且并不符合人體運動機理 還不能稱為康復訓練機器人 只能是一種半自動的康復訓練機械 它的功能單一 價 格便宜 而且需要在專業(yè)護理人員的幫助下進行康復訓練 這種機械對下肢病情比較 輕的病人較合適 1 2 剛柔混聯下肢康復機器人原理及結構 剛柔混聯下肢康復機器人是一種下肢內收外展訓練機器人 該機器人由支撐框架 兩套繩索牽引支鏈 一套剛柔混聯支鏈和腳踏板組成 支撐框架由型材搭建而成 兩 套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動機 絞盤 繩索組成 固定在支撐框架上 的力矩電動機驅動絞盤轉動 從而帶動柔性繩索運動 兩套繩索牽引支鏈的繩索另一 端共同連接到腳踏板上的一點處 剛柔混聯支鏈由裝有編碼器的力矩電動機 絞盤 繩索 裝有編碼器的直流電動機 絲杠螺母 滑軌 過輪和力矩傳感器組成 固定在 支撐框架上的直流電動機驅動由滑軌機構約束的絲杠螺母機構 實現固定在螺母上的 過輪平移運動 固定在支撐框架上的力矩電動機驅動絞盤轉動 帶動柔性繩索運動 繩索的另一端通過力矩傳感器和過輪后連接到腳踏板上 可用于下肢損傷患者進行內 收外展康復訓練 也可用于健康人的體育鍛煉 2 本課題下肢內收外展訓練機器人由支撐系統(tǒng)框架 兩套繩索牽引支鏈 一套剛柔 混聯支鏈和一個腳踏板組成 支撐系統(tǒng)框架由型材搭建而成 可根據需要任意移動 兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動機 絞盤 繩索組成 兩個力矩電動機 分別固定在框架前后位置上的同一高度處 其驅動絞盤轉動 實現繩索牽引 兩根牽 引繩索均連接到腳踏板側面中點處 一套剛柔混聯支鏈由裝有編碼器的力矩電動機 絞盤 繩索 裝有編碼器的直流電動機 絲杠螺母 滑軌 過輪和力矩傳感器組成 固定在框架中間位置的直流電動機驅動受滑軌約束的絲杠螺母機構 固定在支撐框架 上的力矩電動機驅動絞盤轉動 帶動繩索運動 該繩索的另一端通過力矩傳感器和固 定在螺母上的過輪后連接到腳踏板另一側中點處 結構布置保證了連接到腳踏板上的 三根繩索是處于同一平面的 且剛柔混聯支鏈的牽引繩索平分兩套繩索牽引支鏈的牽 引繩索所夾角度 剛柔混聯支鏈的過輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上 這種機器人結構布置形式能夠實現下肢內收外展運動訓練 3 1 3 本課題研究的內容及方法 1 3 1 主要的研究內容 在查閱了國內外大量的有關剛柔混聯下肢康復機器人設計理論及相關知識的資料 和文獻基礎上 綜合考慮剛柔混聯下肢康復機器人結構特點 具體作業(yè)任務特點以及 剛柔混聯下肢康復機器人的推廣應用 分析確定使用剛柔混聯下肢康復機器人實現自 動化目的 為了實現上述目標 本文擬進行的研究內容如下 1 根據現場作業(yè)的環(huán)境要求本身的結構特點 確定康復機器人整體設計方案 2 確定康復機器人的性能參數 對初步模型進行靜力學分析 根據實際情況選擇電機 3 從所要功能的實現出發(fā) 完成康復機器人各零部件的結構設計 4 完成主要零部件強度與剛度校核 1 3 2 設計要求 1 根據所要實現的功能 提出康復機器人的整體設計方案 2 完成康復機器人結構的詳細設計 3 通過相關設計計算 完成電機選型 4 完成結構的設計總裝配圖 主要零件圖 4 2 剛柔混聯下肢康復機器人裝置總體結構設計 2 1 設計的要求與數據 隨著老齡化的到來以及自然災害和交通事故等原因 接受康復訓練的群體人數變 得越來越大 研究康復訓練機器人技術 研制康復訓練機器人產品 對和諧社會建設 具有重要意義 剛柔混聯下肢康復機器人主要是針對下肢內收外展 內旋外旋運動而設計的 目的 是同時實現下肢的上述運動模式 該機器人具有 3 個自由度 分別是平面 2 個移動和 腳踏板面的 1 個轉動 柔性機構用于直接對腳踏板的牽引 而剛性支鏈是為了實現繩 索驅動端位置的改變 實現不同的牽引形式 繩索和剛性支鏈構成一種剛柔混聯機器 人的傳動構件 2 2 總體結構設計 一般來講 主要有兩部分 一是設計一套康復機器人結構設計 固定在康復機器人 的機架上 本設計只對結構進行設計 取康復機器人步進電機的脈沖當量可選為 0 01mm 脈沖 步進電機的步距角 0 9 方案 1 系統(tǒng)運動方式的確定 系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng) 點位直線系統(tǒng) 連續(xù)控制系統(tǒng) 康復機器人 在工作臺移動過程中頭并不進行孔加工 因此裝置可采用點位控制方式 對點位系統(tǒng) 的要求是快速定位 保證定位精度 2 伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)實現位置伺服控制有開環(huán) 閉環(huán) 半閉環(huán) 3 種控制方式 開環(huán)控制的伺服 系統(tǒng)存在著控制精度不能達到較高水平的基本問題 但是步進電機具有角位移與輸入 脈沖的嚴格對應關系 使步距誤差不會積累 轉速和輸入脈沖頻率嚴格的對應關系 而且在負載能力范圍內不受電流 電壓 負載大小 環(huán)境條件的波動而變化的特點 并且步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題 結構比較簡單 易于控制系統(tǒng)的實現與調試 并且隨著電子技術和計算機控制技術的發(fā)展 在改善步 進電機控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展 因此 在一定范圍內 這種采用步進電機 作為驅動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求 適宜于在精度要求不很高的一 般系統(tǒng)中應用 雖然閉環(huán) 半閉環(huán)控制為實現高精度的位置伺服控制提供了可能 然 而由于在具體的系統(tǒng)中 增加了位置檢測 反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié) 除了在安裝 5 調試增加工作量和復雜性外 從控制理論的角度看 要實現閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動 態(tài)性能 其難度也將大為提高 為此 考慮到在康復機器人上進行設計 精度要求不 是很高 為了簡化結構 降低成本 本設計采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng) 3 執(zhí)行機構傳動方式的確定 為確保系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性 在設計機構傳動裝配時 通常提出低摩擦 低慣量 高剛度 無間隙 高諧振以及有適宜阻尼比的要求 縮短傳動鏈 縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度 減小傳動鏈誤差 可采用預緊 以提高系統(tǒng)的傳動剛度 如應用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠傳動副 絲杠支承設 計成兩端軸向固定 并加預拉伸的結構等提高傳動剛度 采用滾珠絲杠螺母傳動副和 滾動導軌 2 3 康復機器人結構設計草圖 框架圖 人體的主要尺寸 國標 GB10000 1988 給出身高 體重 上臂長 前臂長 大腿長 小腿長共六項主要尺寸數據 下表是我國成年人人體主要尺寸和坐姿人人體尺寸 摘自 GB10000 1988 中國成年 人人體尺寸 主要尺寸 男 18 60 歲 女 15 55 歲 百分位數 5 50 95 5 50 95 身高 1583 1678 1775 1484 1570 1659 體重 kg 48 59 75 42 52 66 上臂長 289 313 338 262 284 308 前臂長 216 237 258 193 213 234 大腿長 428 465 505 402 438 476 小腿長 338 369 403 313 344 376 根據參數擬定如下草圖 具體見下圖表示 6 上方要加支撐裝置 以分擔人體重量 右側添加導引裝置防止繩對絞盤造成損害 正視圖框架 左右 1 2m 側視圖框架間距離 1m 7 右側添加的導引裝置簡圖 8 3 康復機器人結構及傳動設計 表 3 1 滾珠絲桿副支承 支承 方式 簡圖 特點 一端 固定 一端 自由 結構簡單 絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉速 都較低設計時盡量使絲桿受拉伸 這種安裝 方式的承載能力小 軸向剛度底 僅僅適用 于短絲桿 一端 固定 一端 游動 需保證螺母與兩端支承同軸 故結構較復雜 工藝較困難 絲桿的軸向剛度與兩端相同 壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的較高 絲 桿有膨脹余地 這種安裝方式一般用在絲桿 較長 轉速較高的場合 在受力較大時還得 增加角接觸球軸承的數量 轉速不高時多用 更經濟的推力球軸承代替角接觸球軸承 兩端 固定 只有軸承無間隙 絲桿的軸向剛度為一端固 定的四倍 一般情況下 絲桿不會受壓 不 存在壓桿穩(wěn)定問題 固有頻率比一端固定要 高 可以預拉伸 預拉伸后可減少絲桿自重 的下垂和熱膨脹的問題 結構和工藝都比較 困難 這種裝置適用于對剛度和位移精度要 求較高的場合 9 3 1 滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿 螺母和滾珠組成的一個機構 作用就是把旋轉運動轉和 直線運動進行相互轉換 絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體 絲杠轉動時帶動滾珠滾動 3 1 1 導程確定 電機與絲桿通過聯軸器連接 故其傳動比 i 1 選擇電動機的最高轉速 則絲杠的導程為cmkgfMrn 2min 150maxmax 最 大 轉 矩 取 Ph 12mmnVPH1250 18 ee 3 1 2 確定絲桿的等效轉速 基本公式 in rPnh 最大進給速度是絲桿的轉速 min 1502 8 max rVh 最小進給速度是絲桿的轉速 i 3 iniPh 絲桿的等效轉速 in 212min1axrtttnm 式中取 故21t in 03 1 212min1ax rtttnm 3 1 3 估計工作臺質量及負重 估算測量物重量 NXgG19608 201 工作臺重量 m742 移動部件重量 33 3 1 4 確定絲桿的等效負載 工作負載是指工作時 實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力 數值用進給牽引力的 10 實驗公式計算 取摩擦系數為 0 03 K 為顛覆力矩影響系數 一般取 1 1 1 5 本課題 中取 1 3 則絲桿所受的力為 NGFGFGfKFZx 215 2 03 3 12 2 3y12yma 0in 其等效載荷按下式計算 式中取 21t 1nNtnFFm49 321mi3ax 3 1 5 確定絲桿所受的最大動載荷 316mhkahtwm10 nT ffFCar fw 負載性質系數 查表 取 fw 1 2 ft 溫度系數 查表 取 ft 1 fh 硬度系數 查表 取 fh 1 fa 精度系數 查表 取 fa 1 fk 可靠性系數 查表 取 fk 1 Fm 等效負載 nz 等效轉速 Th 工作壽命 取絲桿的工作壽命為 15000h 由上式計算得 Car 17300N 表 3 1 1 各類機械預期工作時間 Lh 11 表 3 1 2 精度系數 fa 表 3 1 3 可靠性系數 fk 表 3 1 4 負載性質系數 fw 3 1 6 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響 在滾珠絲杠精度參數中 導 程誤差對機床定位精度是最明顯的 一般在初步設計時設定絲杠的任意 300 行程變m 動量 應小于目標設定定位精度值的 1 3 1 2 在最后精度驗算中確定 選用滾珠30V 絲杠的精度等級 X 軸為 1 3 級 1 級精度最高 Z 軸為 2 5 級 考慮到本設計的定 位精度要求及其經濟性 選擇 X 軸 Y 軸精度等級為 3 級 Z 軸為 4 級 3 1 7 選擇滾珠絲桿型號 預選滾珠絲杠參數能滿足工作要求 公稱直徑 mm 螺旋升角 螺250 d 31 紋旋向為右旋 負荷鋼球圈數為 3 圈 定位滾珠絲杠 返向器固定式內循環(huán) 雙螺母 墊片預緊 導珠管埋入式 精度等級為 5 級 標注為 D CZM2520 1 5 P5 在絲杠安裝 前和日常維護中要涂油脂潤滑 在生產作業(yè)中要套上防護套防止灰塵和噴霧的污染腐 蝕 12 3 2 校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率 其扭 轉剛度影響扭轉固有頻率 承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度 KO有絲桿本身 的拉壓剛度 KS 絲桿副內滾道的接觸剛度 KC 軸承的接觸剛度 Ka 螺母座的剛度 Kn 按不同支撐組合方式計算而定 3 2 1 臨界壓縮負荷驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大 采用一端固定一端支撐的方式 臨界壓 縮負荷按下列計算 NFKLEIfFcr max201e 式中 E 材料的彈性模量 E 鋼 2 1X1011 N m 2 LO 最大受壓長度 m K1 安全系數 取 K1 1 3 Fmax 最大軸向工作負荷 N f1 絲桿支撐方式系數 f 1 15 1 I 絲桿最小截面慣性距 m 4 442 2 1 6woddI 式中 do 是絲桿公稱直徑 mm dw 滾珠直徑 mm 絲桿螺紋不封閉長度 Lu 工作臺最大行程 螺母長度 兩端余量 13 Lu 300 148 20X2 488mm 支撐距離 LO應該大于絲桿螺紋部分長度 Lu 選取 LO 620mm 代入上式計算得出 Fca 5 8X108N 可見 Fca F max 臨界壓縮負荷滿足要求 3 2 2 臨界轉速驗證 滾珠絲杠副高速運轉時 需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉速 要求絲杠的最crn 高轉速 2230KPAEILfnCZcr 式中 A 絲桿最小截面 A 24 6 22 m10 9 3 414 d 絲杠內徑 單位 2dm P 材料密度 p 7 85 103 Kg m 臨界轉速計算長度 單位為cL 安全系數 可取 0 82K2K fZ 絲杠支承系數 雙推 簡支方式時取 18 9 經過計算 得出 6 3 104 該值大于絲杠臨界轉速 所以滿足要求 crnmin r 3 2 3 絲桿拉壓振動與扭轉振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 Ke的計算公式LAEs maxin 式中 A 絲杠最小橫截面 2 4dm 14 螺母座剛度 KH 1000N m 當導軌運動到兩極位置時 有最大和最小拉壓剛度 其中 L 植分別為 750mm 和 100mm 經計算得 min 1 2 1 sCHe KK sradmWeB k 式中 K e 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 N m KH 螺母座的剛度 N m K H 1000 N m Kc 絲杠副內滾道的接觸剛度 N m KS 絲杠本身的拉壓剛度 N m KB 軸承的接觸剛度 N m 經計算得絲杠的扭轉振動的固有頻率遠大于 1500r min 能滿足要求 3 3 電機的選擇 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件 每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個距角增量 電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例 相應的轉速取決于輸入脈沖的頻率 步進電機具有慣量低 定位精度高 無累計誤差 控制簡單等優(yōu)點 所以廣泛用于機電一體化產品中 選擇步進電動機時首先要保證步 進電機的輸出功率大于負載所需的功率 再者還要考慮轉動慣量 負載轉矩和工作環(huán) 境等因素 3 3 1 電機軸的轉動慣量 a 回轉運動件的轉動慣量 328md42LJR 15 上式中 d 直徑 絲桿外徑 d 19 5mm L 長度 1m P 鋼的密度 7800 2kg m 經計算得 20 RJ b 直線運動件向絲桿折算的慣量 2 PMJL 上式中 M 質量 P 絲桿螺距 m P 0 001m 經計算得 2 810 4 9kgJL c 聯軸器的轉動慣量 查表得 204kg mJW 因此 28 m0 8kg4 10 9 LR 3 3 2 電機扭矩計算 a 折算至電機軸上的最大加速力矩 atJnT602mxax 上式中 in 15axr 16 J 0 0028kg m2 ta 加速時間 KS 系統(tǒng)增量 取 15s 1 則 ta 0 2s3ta 經計算得 mNT 2 max b 折算至電機軸上的摩擦力矩 IPFT 20f 上式中 F 0 導軌摩擦力 F 0 Mf 而 f 摩擦系數為 0 02 F 0 Mgf 32N P 絲桿螺距 m P 0 001m 傳動效率 0 90 I 傳動比 I 1 經計算得 mNTf 75 0 c 折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩 i2 1 2000 PT 上式中 P0 滾珠絲桿預加載荷 1500N 0 滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為 0 9 經計算的 T0 0 05N M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 mNf 82 0max 根據以上計算的扭矩及轉動慣量 選擇電機型號為 SIEMENS 的 IFT5066 其額定轉矩 17 為 6 7 NmA 18 4 其它零部件的設計計算 4 1 電機軸的設計校核 可選軸的材料為 45 鋼 調質處理 電機軸的直徑為 14 由于軸的直徑小于 100mm 且由 1 個鍵槽 故將軸徑增加 5 即 將軸徑圓整為標準直徑 取 d 14mm 需要驗算傳動軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度 驗算傾角時 若支撐類型相同則只需 驗算支反力最大支撐處傾角 當此傾角小于安裝齒輪處規(guī)定的許用值時 則齒輪處傾 角不必驗算 驗算撓度時 要求驗算受力最大的齒輪處 但通常可驗算傳動軸中點處 撓度 誤差 3 當軸的各段直徑相差不大 計算精度要求不高時 可看做等直徑 采用平均直徑 進行計算 彎曲剛度驗算 的剛度時可采用平均直徑 或當量直徑 一般將軸化1d 1d2d 為集中載荷下的簡支梁 其撓度和傾角計算公式見 5 表 7 15 分別求出各載荷作用 下所產生的撓度和傾角 然后疊加 注意方向符號 在同一平面上進行代數疊加 不 在同一平面上進行向量疊加 通過受力分析 NdTF mnPr 7 153 012 86 2 860 9 905 96 最大撓度 mEIbl3 4349222max1068 10647 583 6 39740614 24mdII MPaEE 軸 的 材 料 彈 性 模 量 式 中 查 1 表 3 12 許用撓度 y12 19 所 以 合 格 yYB 4 2 鍵的校核 鍵和軸的材料都是鋼 由 4 表 6 2 查的許用擠壓應力 取MPap120 其中間值 鍵的工作長度 鍵與輪榖MPap10 mbLl 682 鍵槽的接觸高度 由 4 式 6 1 可得mhk5 37 5 PaMPaldT pp 10 1016 382 式 中 表鍵 弱 材 料 的 許 用 擠 壓 應 力鍵 軸 輪 轂 三 者 中 最 鍵 的 直 徑 為 鍵 的 寬 度 為 鍵 的 公 稱 長 度 圓 頭 平 鍵鍵 的 工 作 長 度 為 鍵 的 高 度此 處度鍵 與 輪 轂 鍵 槽 的 接 觸 高傳 遞 的 轉 矩 264 5 0 p MPamd mbmLbll hkkNT 可見連接的擠壓強度足夠了 鍵的標記為 20319680 TGB鍵 4 3 軸承的校核 軸軸承的校核 軸選用的是深溝球軸承 6206 其基本額定負荷為 19 5KN 由于該軸的轉速是定值 所以齒輪越小越靠近軸承 對軸承的要求越高 根據設計要求 應該min80r 對 軸未端的滾子軸承進行校核 軸傳遞的轉矩 nPT950 mN 869 7 受力 dFr 7 15302 根據受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為 20 在水平面 NlFrAH14026387 152 在水平面 lFAV 5 183942638 5 3210 NFAVH 7 102 因軸承在運轉中有中等沖擊載荷 又由于不受軸向力 4 表 13 6 查得載荷系數 pf 取 則有 2 1 pf NFfPAp 24 781 23 1 軸承的壽命計算 所以按軸承的受力大小計算壽命 hCnLh 5840 3 24 781950 6 0316 故該軸承 6206 能滿足要求 其他軸的軸承校核同上 均符合要求 4 4 力矩電機的選取 1 粗略計算驅動電機的功率 已知重量為 m 100kg g 10N kg 總重力 G1 mg 1000N 查表 3 1 得摩擦系數為 0 035 21 表 3 1 摩擦系數表 1 驅動功率計算 則工件受到的摩擦力為 10 35fmgN 則移行電機所需牽引力為 Ff 假設直徑 R 125mm 假設轉速 na 61rpm 速度 v Rn a 0 125 61 24m min 設功率安全系數為 1 2 驅動裝置的效率為 0 8 則需要的驅動功率為 kWFVP 05 8106 2 45 87 016 2 2 電動機至的總效率 c 聯軸器效率 c 0 99 b 對滾動軸承效率 b 0 99 v 帶效率 v 0 94 cy 效率 cy 0 96 估算傳動系統(tǒng)總效率 v b c cy 0 94 0 99 0 99 0 96 0 88 3 所需電動機的功率 Pd kw Pd Pw 0 05 0 88 0 06kw 1 基于電動機的以上特點 本文選用作為北京和利時電機技術有限公司部分 物品與接觸的底面材料作用在的載荷 包括自 重 N 金屬 木材 硬底板 0 110 0 04 0 045 0 05 110 450 0 035 0 035 0 05 450 900 0 025 0 03 0 045 900 0 02 0 025 0 05 22 110BYG 系列混合式步進電機輸送機床的驅動裝置 圖 3 4 是北京和利時電機技術有限公司部分 110BYG 系列混合式步進電機的技術數據 圖 3 4 110BYG 系列混合式步進電機的技術數據 所以根據計算所得數據選擇 110BYG350DH SAKRMA 型號的電機 圖 3 5 是 110BYG 系列混合式步進電機的型號說明 圖 3 5 110BYG 系列混合式步進電機的型號說明 110BYG 系列混合式步進電機的外形尺寸 如圖 3 6 所示 圖 3 6 110BYG 系列混合式步進電機的外形尺寸 110BYG 系列混合式步進電機的矩頻特性曲線 如圖 3 7 所示 23 圖 3 7 110BYG350DH 型電機矩頻特性曲線 24 5 機架的設計 5 1 對機架結構的基本要求 機架是整個機床的基礎支持件 一般用來放置重要部件 為了滿足機床高速度 高精度 高生產率 高可靠性和高自動化程度的要求 與普通機床相比 機床應有高 的靜 動剛度 更好的抗振性 一 對機床的機架主要在以下三個方面提出了更高的要求 1 很高的精度和精度保持性 在機架上有很多安裝零部件的加工面和運動部件的導軌面 這些面本身的精度和 相互位置精度要求都很高 而且要長時間保持 另外 機床在切削加工時 所有的靜 動載荷最后往往都傳到機架上 所以 機架受力很復雜 為此 為保證零部件之間的 相互位置或相對運動精度 除了滿足幾何尺寸位置等精度要求外 還需要滿足靜 動 剛度和抗振性 熱穩(wěn)定性 工藝性等方面的技術要求 2 應具有足夠的靜 動剛度 靜剛度包括 機架的自身結構剛度 局部剛度和接觸剛度 都應該采取相應的措 施 最后達到有較高的剛度 質量比 動剛度直接反映機床的動態(tài)性能 為了保證機床 在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動及自激振動的能力 可 以通過適當的增加阻尼 提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動而產生噪音 3 較好的熱穩(wěn)定性 對機床來說 熱穩(wěn)定性已經成了一個突出問題 必須在設計上要做到使整機的熱 變形小 或使熱變形對加工精度的影響小 熱變形將直接影響機架的原有的精度 從 而是產品精度下降 如立軸矩臺平面磨床 立柱前臂的溫度高于后臂 是立柱后傾 其結果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行 有導軌的機架 由于導軌面與底面存 在溫差 在垂直平面內導軌將產生中凸或中凹熱變形 因此 機架結構設計時應使熱 變形盡量小 二 機架設計的一般要求 1 在滿足強度和剛度的前提下 機架的重量應要求輕 成本低 2 抗振性好 把受迫振動振幅限制在允許范圍內 3 躁聲小 25 4 溫度場分布合理 熱變形對精度的影響小 5 結構設計合理 工藝性良好 便于鑄造 焊接和機械加工 6 結構力求便于安裝與調整 方便修理和更換零部件 7 有導軌的機架要求導軌面受力合理 耐磨性良好 8 造型好 使之既適用經濟 有美觀大方 5 2 機架的結構 1 機架結構 根據機床的類型不同 機架的結構形式有各種各樣的形式 例如車床機架的結構 形式有平機架 斜機架 平機架斜導軌和直立機架等四種類型 另外 斜機架結構還能設計成封閉式斷面 這樣大大提高了機架的剛度 鉆高精 度立式萬能磨床 加工中心等這一類機床的機架結構與車床有所不同 例如加工中心 的機架有固定立柱式和移動立柱式兩種 前者一般使用于中小型立式和臥式加工中心 而后者又分為整體 T 形機架和前后機架分開組裝的 T 形機架 所謂 T 形機架是指機架 是由橫置的前機架和與它垂直的后機架組成 整體式機架 剛性和精度保持性都比較 好 但是卻給鑄造和加工帶來很大不便 尤其是大中型機床的整體機架 制造時需要 大型設備 而分離式 T 形機架 鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善 前后機架聯接 處要刮研 聯接時用定位鍵和專用定位銷定位 然后再沿截面四周 用大螺栓固緊 這樣聯接成的機架 再剛度和精度保持性方面 基本能滿足使用要求 這種分離式 T 形機架適用于大中型臥式加工中心 由于機架導軌的跨距比較窄 致使工作臺在橫溜 板上移動到達行程的兩端時容易出現翹曲 將會影響加工精度 為了避免工作臺翹曲 有的立式加工中心增設了輔助導軌 2 機架的截面形狀 機床的機架通常為箱體結構 合理設計機架的截面形狀及尺寸 采用合理布置的 肋板結構可以在較小質量下獲得較高的靜剛度和適當的固有頻率 機架肋板一般根據 機架結構和載荷分布情況 驚醒設計 滿足機架剛度和抗振性要求 V 形肋板有利于加 強導軌支承部分的剛度 斜方肋和對角肋結構可明顯增強機架的扭轉剛度 并且便于 設計成全封閉的箱形結構 此外 還有縱向肋板和橫向肋板 分別對抗彎剛度和抗扭剛度有明顯效果 米字 形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高 尤其是米字形肋板更高 26 3 機架的結構設計 機架結構設計時 應盡量避免薄壁結構并簡化表面形狀 根據本設計的具體情況 及要求 機架的結構設如下 4 機架的設計步驟 根據機架上的零件 部件情況和設計要求初步確定機架及機架的結構形狀和尺 寸 以保證機架內外的零件能正常運動 根據產品批量和結構形式初步確定制造方法 合理選擇材料 單件小批量的非 標準設備機架可以采用焊接結合的機架 分析承載情況 根據承載情況合理的選擇截面形式 確定主要設計參數 畫出結構草圖 進行必要的強度和剛度計算和尺寸修改 對重要設備的機架 還應該進行模擬實驗設計和模擬實驗 并根據實驗結果對 設計進行修改 5 3 橫梁設計 梁設計的要求與軸心受壓相仿 鋼梁設計應考慮強度 剛度 整體穩(wěn)定和局部穩(wěn) 定各個方面滿足要求 1 梁的強度計算主要包括抗彎 抗剪和折算應力等強度應足夠 2 剛度主要是控制最大撓度不超過按受力和使用要求規(guī)定的容許值 3 整體穩(wěn)定指梁不會在剛度較差的側向發(fā)生彎扭失穩(wěn) 主要通過對梁的受壓翼緣設足 夠的側向支承 或適當加大梁截面以降低彎曲壓應力至臨界應力以下 4 局部穩(wěn)定指梁的翼緣和腹板等板件不會發(fā)生局部凸曲失穩(wěn) 在梁中主要通過限制受 壓翼緣和腹板的寬厚比不超過規(guī)定 對組合梁的腹板則常設置加勁肋以提高其局部穩(wěn) 定性 5 4 機架的基本尺寸的確定 機架是支撐及其所有附件的可移動機構 要保證拆裝方便 安全 重量要輕 便 于移動 架子要有足夠的空間安裝 而且每個總成之間要考慮它們之間的協(xié)調關系 考慮到這些方面的因素后要確定的一些尺寸根據這些數據 大概確定架子的長高 這 樣架子的地面的結構就確定了 27 5 5 主要梁的強度校核 考慮到一些外在壓力 按照重量為 1000N 進行校核 查機械工程材料 P105 頁表 5 2 得 Q235 鋼材的屈服強度 b 375 460MPa 取 b 375 MP a 解 和軸一樣建立如圖所示的坐標系 以軸心為 x 軸 垂直上平面的直線為 y 軸 一端點為圓點建立如圖 6 1 所示的平 面直角坐標系 因為 FRD 1000N 把 RDE 從 D 點移到 E 后的受力情況如圖 6 1 所示 圖 6 1 得到一個 F 和一個力矩 M Fab Lbe 600 0 300N M 180 N m 計算軸的集慣性矩 Ip和抗彎截面系數 Wz 因為材料和軸的是一樣的 所以 b 375 MP a Ip y 2dA 10 16cm4 W Ip y max 6773 6884 10 6m3 所以 max M max W 180 6773 69 10 6 P a 0 26MP a 也設安全系數 K 5 故 K max 5 0 26MP a 1 5 MP a b 375 MP a 因此 也可以做出結論轉架在安全系數為 5 的情況下也是安全的 得到一個 F 和一個力矩 M F Lbe 600 0 3N M 180 N m 因為 F ba Fde 2F 1200N 由于軸的受力完全對稱 故 Fba Fde F 600N 28 B 點和 F 點的彎矩為 M B WF Fba Lde M 600 0 01 180 N m 601 8N m 計算軸的極慣性矩 Ip 和抗彎截面系數 Wz 因為材料和軸的是一樣的 所以 b 375 MP a Ip y 2dA 10 16cm4 W Ip y max 6773 6884 10 6m3 所以 max M max W 305 6773 69 10 6 P a 0 45MP a 也設安全系數 K 5 故 K max 5 0 45 MP a 2 25 MP a b 375 MP a 因此 也可以做出結論轉架在安全系數為 5 的情況下也是安全的 所以可以進行制作 29 結論 本課題結合目前國剛柔混聯下肢康復機器人裝置的研究現狀和發(fā)展方向 具體闡 述了一種剛柔混聯下肢康復機器人裝置開發(fā)過程 本文主要完成的工作如下 1 剛柔混聯下肢康復機器人裝置結構方案的確定 分析了剛柔混聯下肢康復機器 人裝置的特點 確定了剛柔混聯下肢康復機器人裝置基本結構 并確定其基本尺寸 2 確定了剛柔混聯下肢康復機器人裝置技術指標及參數 對該剛柔混聯下肢康復 機器人裝置進行了計算 3 零件的剛度和壽命計算與校核 對各個已設計零件進行剛度和壽命計算 確保 滿足使用要求 使該剛柔混聯下肢康復機器人裝置有足夠的可靠性 通過本次畢業(yè)設計 不僅把大學所學到的理論知識很好的運用到畢業(yè)設計中 而 且培養(yǎng)了自己認真思考的能力 在處理問題時有了新的認識和方法 并加強了和同學 之間進行探討和解決問題的能力 通過對專業(yè)知識的接觸和深入學習 以及對相關信息的獲取 我深切地認識到 就目前的發(fā)展而言 我國的工業(yè)還比較落后 與發(fā)達國家相比還存在很大的差距 盡 管我們不斷地在努力 但想在很短的時間內改變這種現狀是很難的 尤其是對于我們 這樣一個國情的大國 所以 我們應該擁有的是一種民族意識 不斷的追求創(chuàng)新 希望能將這套設計應用到具體實踐當中 通過實踐來驗證理論的正確性 通過理論 知識與具體實踐結合起來 才能真正把一門知識應用起來 30 參考文獻 1 張建民 機電一體化系統(tǒng)設計 M 高等教育出版社 2001 2 45 49 2 馮開平 左宗義 畫法幾何與機械制圖 M 華南理工大學出版社 2005 3 51 60 3 顧崇銜 機械制造工藝學 M 陜西科學技術出版社 1999 6 11 4 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室 理論力學 M 高等教育出版社 2002 4 79 83 5 華東紡織工學院 哈爾濱工業(yè)大學 天津大學 機床設計圖冊 S 上?？茖W技術出版 社 1979 5 15 21 6 機械設計手冊編寫組 機械設計手冊 S 機械工業(yè)出版社 1986 6 12 18 7 邱宣懷 機械設計 M 高等教育出版社 2004 2 49 51 8 李華 李煥峰 機械制造技術 M 機械工業(yè)出版社出版 2003 5 33 37 9 葉偉昌 林崗副 機械工程及自動化簡明設計手冊 S 機械工業(yè)出版社出版 2008 2 56 62 10 姚立健 胡學同 周杏鵬 張軍 水果機器視覺自動分選機同步控制系統(tǒng)設計 期刊論文 農業(yè)機 械學報 2008 11 11 Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc TCS230 PRO G R A M M A B L E C O L O R L I G H T T O F R E Q U E N C YCONVERTER 2003 12 賀安之 閻大鵬編著 現代傳感器原理及應用 北京 宇航出版社 1995 13 SoedelW Design and mechanics of compressor valves M Purdue University West Lafayette IN 47907 1984 14 張麟 光電色選機及其應用 J 農機與食品機械 1997 5 24 27 15 劉禾 汪憋華 用計算機圖像處理技術判別蘋果果形的對稱性明 北京農業(yè)工程大學學報 1995 15 3 31 致 謝 首先 我要感謝指導教師 XX 老師 通過這次畢業(yè)設計他教會了我如何去設計 怎 么去設計 以及在最初構思時 應該注意的各種問題 他嚴謹治學的態(tài)度 不辭辛勞 指導我做畢業(yè)設計 嚴于律己 寬以待人的為人都給我留下了深深的印象 他的熱情 他的執(zhí)著 更是讓我終身難忘 這一切將對我以后的學習和工作有很大的幫助 我還 要感謝進行畢業(yè)設計中期檢查的各位領導和機械工程系的其他老師 他們及時的給我 指出了畢業(yè)設計當中的不足 并且給予我很多完成設計的便利條件 本論文是在導師 XX 的悉心指導下完成的 在這次畢業(yè)設計中 XX 老師給了我很大 的幫助 不僅讓我在規(guī)定時間能完成了畢業(yè)設計 還使我學到了很多有用的經驗 在 這里我衷心的感謝她 我還要感謝這四年能教授我知識的老師們 還有曾經幫過我的 同學們 經過幾個月的努力 畢業(yè)設計已經接近尾聲 由于實踐經驗的匱乏 本次設計難免 有考慮不周的地方 如果沒有 XX 老師的悉心指導以及本組人員的支持 恐怕設計不會 這么順利完成 自開題一來 XX 老師一直認真指導設計的每個環(huán)節(jié) 從資料的查閱到 具體方案的修改 任老師都提出了寶貴的建議 讓我受益匪淺 除此之外 何老師科 學嚴謹的治學態(tài)度和淵博的專業(yè)知識更是我永遠學習的榜樣 再次對老師及本組的同 學表示衷心的感謝 畢業(yè)設計很快已經結束了 在這段時間里 不僅僅感覺到的是忙碌 還有忙碌后 作完一件令自己心動的東西時的那種無聲的喜悅 在寫致謝信的這個時候心里想有一些說出的東西 想想自己在做畢業(yè)設計時的種 種困難 在老師同學的用心幫助下也一一解決了 說句實話 憑自己的能力要作完畢 業(yè)設計是有些太困難了 但是在你的身邊總有一些人會給你帶來驚喜 自己的能力畢 竟有限 在面對別人無私幫助的時候我的內心十分感激 帶自己畢業(yè)設計的王老師會 有問必答 有難必解 雖然接觸不是很多 但有些東西使用心感覺的 還有好多老師 在這次畢業(yè)設計中給于我一些幫助 我非常的感激 當然還有我身邊的那些同學 在 我有疑惑的時候總是不厭其煩的給我解釋清楚 在我設計的時候 因為我以前從沒接 觸過的東西 一開始很是迷茫 我的好幾位同學都在這時候一邊忙自己的事 一邊還 要在我有疑惑的時候為我?guī)兔Ψ治?共同解決 最終自己終于完成了主傳動系統(tǒng)設計 32 這一部分的畢設要求 現在想起來 有時候最能讓自己感動的事就發(fā)生在自己的身邊