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編號： 畢業(yè)設(shè)計(論文) 題 目： 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2014年5月25日 V 摘 要 本次設(shè)計是對剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置的設(shè)計。在這里主要包括:滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計、這次畢業(yè)設(shè)計對設(shè)計工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行一般機械的設(shè)計創(chuàng)造了一定條件。 整機結(jié)構(gòu)主要由電動機產(chǎn)生動力通過聯(lián)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(chǎn)率和生產(chǎn)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(nèi)容： (1) 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 (2) 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置工作性能分析。 (3)電動機的選擇。 (4)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置的傳動系統(tǒng)、執(zhí)行部件及機架設(shè)計。 (5)對設(shè)計零件進行設(shè)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(shè)計零件的零件圖。 關(guān)鍵詞：剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置，聯(lián)軸器，滾珠絲杠 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 目 錄 目 錄 IV 1 緒論 1 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人原理及結(jié)構(gòu) 1 1.3 本課題研究的內(nèi)容及方法 3 1.3.1主要的研究內(nèi)容 3 1.3.2設(shè)計要求 3 2 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 2.1設(shè)計的要求與數(shù)據(jù) 4 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 2.3 康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖（框架圖） 5 3 康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)計 8 3.1 滾珠絲桿副的選擇 9 3.1.1導(dǎo)程確定 9 3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 9 3.1.3估計工作臺質(zhì)量及負(fù)重 9 3.1.4確定絲桿的等效負(fù)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(fù)荷驗證 12 3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證 13 3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 13 3.3電機的選擇 14 3.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 14 3.3.2電機扭矩計算 15 4 其它零部件的設(shè)計計算 17 4.1電機軸的設(shè)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(shè)計 23 5.1對機架結(jié)構(gòu)的基本要求 23 5.2機架的結(jié)構(gòu) 24 5.3橫梁設(shè)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(jié)論 28 參考文獻 29 致 謝 30 1 緒論 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 康復(fù)訓(xùn)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(fù)訓(xùn)練，該類產(chǎn)品有行走訓(xùn)練、手臂運動訓(xùn)練、脊椎運動訓(xùn)練等?？祻?fù)機器人有兩種：輔助型康復(fù)機器人和康復(fù)訓(xùn)練機器人。輔助型康復(fù)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(chǎn)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(fù)機器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復(fù)機器人技術(shù)在歐美等國家得到了科研工作者和醫(yī)療機構(gòu)的普遍重視，許多研究機構(gòu)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果。對于中風(fēng)、偏癱、下肢運動機能損傷等患者來說，下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人有著很好的治療效果。國內(nèi)外許多研究機構(gòu)都在這方面取得了不錯的研究結(jié)果。下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個階段。由早期的簡單步行訓(xùn)練機發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符合人體運動機理的下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人。早期發(fā)展的下肢康復(fù)訓(xùn)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(xùn)練，此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但訓(xùn)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(fù)訓(xùn)練機器人，只能是一種半自動的康復(fù)訓(xùn)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(fù)訓(xùn)練，這種機械對下肢病情比較輕的病人較合適。 1.2剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人原理及結(jié)構(gòu) 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人是一種下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機器人，該機器人由支撐框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛?cè)峄炻?lián)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(qū)動絞盤轉(zhuǎn)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?cè)峄炻?lián)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(qū)動由滑軌機構(gòu)約束的絲杠螺母機構(gòu)，實現(xiàn)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(qū)動絞盤轉(zhuǎn)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?？捎糜谙轮珦p傷患者進行內(nèi)收外展康復(fù)訓(xùn)練，也可用于健康人的體育鍛煉。 本課題下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機器人由支撐系統(tǒng)框架、兩套繩索牽引支鏈、一套剛?cè)峄炻?lián)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(jù)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(qū)動絞盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)繩索牽引，兩根牽引繩索均連接到腳踏板側(cè)面中點處；一套剛?cè)峄炻?lián)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(qū)動受滑軌約束的絲杠螺母機構(gòu)，固定在支撐框架上的力矩電動機驅(qū)動絞盤轉(zhuǎn)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(cè)中點處。結(jié)構(gòu)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?cè)峄炻?lián)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?cè)峄炻?lián)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(jié)構(gòu)布置形式能夠?qū)崿F(xiàn)下肢內(nèi)收外展運動訓(xùn)練。 1.3 本課題研究的內(nèi)容及方法 1.3.1主要的研究內(nèi)容 在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人設(shè)計理論及相關(guān)知識的資料和文獻基礎(chǔ)上，綜合考慮剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)特點、具體作業(yè)任務(wù)特點以及剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人的推廣應(yīng)用，分析確定使用剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人實現(xiàn)自動化目的。 為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本文擬進行的研究內(nèi)容如下: 1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求本身的結(jié)構(gòu)特點，確定康復(fù)機器人整體設(shè)計方案。 2 確定康復(fù)機器人的性能參數(shù)，對初步模型進行靜力學(xué)分析，根據(jù)實際情況選擇電機。 3 從所要功能的實現(xiàn)出發(fā)，完成康復(fù)機器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計； 4 完成主要零部件強度與剛度校核。 1.3.2設(shè)計要求 1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，提出康復(fù)機器人的整體設(shè)計方案； 2 完成康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計； 3 通過相關(guān)設(shè)計計算，完成電機選型； 4 完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計總裝配圖、主要零件圖。 32 2 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1設(shè)計的要求與數(shù)據(jù) 隨著老齡化的到來以及自然災(zāi)害和交通事故等原因，接受康復(fù)訓(xùn)練的群體人數(shù)變得越來越大，研究康復(fù)訓(xùn)練機器人技術(shù)，研制康復(fù)訓(xùn)練機器人產(chǎn)品，對和諧社會建設(shè)具有重要意義。 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人主要是針對下肢內(nèi)收外展/內(nèi)旋外旋運動而設(shè)計的，目的是同時實現(xiàn)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(zhuǎn)動。柔性機構(gòu)用于直接對腳踏板的牽引，而剛性支鏈?zhǔn)菫榱藢崿F(xiàn)繩索驅(qū)動端位置的改變，實現(xiàn)不同的牽引形式。繩索和剛性支鏈構(gòu)成一種剛?cè)峄炻?lián)機器人的傳動構(gòu)件。 2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 一般來講，主要有兩部分，一是設(shè)計一套康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，固定在康復(fù)機器人的機架上。本設(shè)計只對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。取康復(fù)機器人步進電機的脈沖當(dāng)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)?？祻?fù)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(xiàn)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(yán)格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)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(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)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(nèi)，這種采用步進電機作為驅(qū)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(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實現(xiàn)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)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實現(xiàn)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(fù)機器人上進行設(shè)計，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)。 3、執(zhí)行機構(gòu)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(shè)計機構(gòu)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?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動副，絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動剛度。采用滾珠絲杠螺母傳動副和滾動導(dǎo)軌。 2.3 康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計草圖（框架圖） 人體的主要尺寸:國標(biāo)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(shù)據(jù)。 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(shù) 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(jù)參數(shù)擬定如下草圖，具體見下圖表示： 上方要加支撐裝置，以分擔(dān)人體重量。右側(cè)添加導(dǎo)引裝置防止繩對絞盤造成損害，正視圖框架左右1.2m，側(cè)視圖框架間距離1m。 右側(cè)添加的導(dǎo)引裝置簡圖 3 康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)及傳動設(shè)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(jié)構(gòu)簡單，絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速都較低設(shè)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(jié)構(gòu)較復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速較高的場合，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(jīng)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(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減少絲桿自重的下垂和熱膨脹的問題，結(jié)構(gòu)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。 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(gòu)。作用就是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)和直線運動進行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。 3.1.1導(dǎo)程確定 電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電動機的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為 取Ph=12mm 3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 最大進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 最小進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故 3.1.3估計工作臺質(zhì)量及負(fù)重 估算測量物重量 工作臺重量 移動部件重量 3.1.4確定絲桿的等效負(fù)載 工作負(fù)載是指工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.1~1.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為 其等效載荷按下式計算（式中取，） 3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷 fw-------負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，（查表：取fw=1.2） ft--------溫度系數(shù)（查表：取ft=1） fh-------硬度系數(shù)（查表：取fh =1） fa-------精度系數(shù)（查表：取fa =1） fk-------可靠性系數(shù)（（查表：取fk =1） Fm------等效負(fù)載 nz-------等效轉(zhuǎn)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(yù)期工作時間Lh 表3-1-2精度系數(shù)fa 表3-1-3可靠性系數(shù)fk 表3-1-4負(fù)載性質(zhì)系數(shù)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(shù)中，導(dǎo)程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300行程變動量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)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(shè)計的定位精度要求及其經(jīng)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(yù)選滾珠絲杠參數(shù)能滿足工作要求，公稱直徑mm，螺旋升角，螺紋旋向為右旋，負(fù)荷鋼球圈數(shù)為3圈，定位滾珠絲杠，返向器固定式內(nèi)循環(huán)，雙螺母墊片預(yù)緊，導(dǎo)珠管埋入式，精度等級為5級 。標(biāo)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(chǎn)作業(yè)中要套上防護套防止灰塵和噴霧的污染腐蝕。 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(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率。承受軸向負(fù)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(nèi)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(fù)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(fù)荷按下列計算： 式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受壓長度（m） K1-------安全系數(shù)，取K1=1.3 Fmax-------最大軸向工作負(fù)荷（N） f1-------絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1 I=絲桿最小截面慣性距（m4） 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 Lu=300+148+20X2=488mm 支撐距離LO應(yīng)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＞Fmax，臨界壓縮負(fù)荷滿足要求。 3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證 滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： 式中：A------絲桿最小截面：A= -------絲杠內(nèi)徑，單位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為 ----------安全系數(shù)，可取=0.8 fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9 經(jīng)過計算，得出= 6.3*104，該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)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 式中 A——絲杠最小橫截面，； 螺母座剛度KH=1000N/μm。 當(dāng)導(dǎo)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(jīng)計算得： 式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)； KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)； KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)； KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。 經(jīng)計算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(yuǎn)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(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)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(chǎn)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(fù)載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。 3.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 a、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量 上式中：d—直徑,絲桿外徑d=19.5mm L—長度=1m P—鋼的密度=7800 經(jīng)計算得 b、直線運動件向絲桿折算的慣量 上式中：M—質(zhì)量 P—絲桿螺距（m）P=0.001m 經(jīng)計算得 c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 查表得 因此 3.3.2電機扭矩計算 a、折算至電機軸上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s 經(jīng)計算得 b、折算至電機軸上的摩擦力矩 上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N P—絲桿螺距（m）P=0.001m η—傳動效率，η=0.90 I—傳動比，I=1 經(jīng)計算得 c、折算至電機軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率為0.9 經(jīng)計算的T0=0.05N·M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。 4 其它零部件的設(shè)計計算 4.1電機軸的設(shè)計校核 可選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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?？沈炈銈鲃虞S中點處撓度（誤差<%3）. 當(dāng)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(dāng)量直徑。一般將軸化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(chǎn)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(shù)疊加，不在同一平面上進行向量疊加。 通過受力分析， 最大撓度： 查【1】表3-12許用撓度； 。 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(yīng)力,取其中間值，。鍵的工作長度，鍵與輪榖鍵槽的接觸高度。由【4】式（6-1）可得 可見連接的擠壓強度足夠了，鍵的標(biāo)記為： 4.3軸承的校核 ⑴、軸軸承的校核 Ⅰ軸選用的是深溝球軸承6206，其基本額定負(fù)荷為19.5KN, 由于該軸的轉(zhuǎn)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(jù)設(shè)計要求，應(yīng)該對Ⅰ軸未端的滾子軸承進行校核。 ②軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 ∴ 受力 根據(jù)受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為: 在水平面： 在水平面： ∴ ④因軸承在運轉(zhuǎn)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(shù)，取，則有： ⑤軸承的壽命計算:所以按軸承的受力大小計算壽命 故該軸承6206能滿足要求。 ⑵、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(qū)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(shù)為0.035 表3.1 摩擦系數(shù)表 作用在的載荷（包括自重） N 物品與接觸的底面材料 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 1）驅(qū)動功率計算 則工件受到的摩擦力為： 則移行電機所需牽引力為： 假設(shè)直徑R=125mm 假設(shè)轉(zhuǎn)速na=61rpm 速度vω=πRna=π×0.125×61=24m/min 設(shè)功率安全系數(shù)為1.2，驅(qū)動裝置的效率為0.8，則需要的驅(qū)動功率為： 2）電動機至的總效率η ηc—聯(lián)軸器效率，ηc=0.99 ηb—對滾動軸承效率，ηb=0.99 ηv—帶效率，ηv=0.94 ηcy—效率，ηcy=0。96 估算傳動系統(tǒng)總效率 η=ηvηbηcηcy=0.94×0.99×0.99×0.96=0.88 3） 所需電動機的功率Pd（kw） Pd=Pw/η=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(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進電機輸送機床的驅(qū)動裝置。 圖3.4是北京和利時電機技術(shù)有限公司部分110BYG系列混合式步進電機的技術(shù)數(shù)據(jù)。 圖3.4 110BYG系列混合式步進電機的技術(shù)數(shù)據(jù) 所以根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)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。 圖3.7 110BYG350DH型電機矩頻特性曲線 5 機架的設(shè)計 5.1對機架結(jié)構(gòu)的基本要求 機架是整個機床的基礎(chǔ)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(chǎn)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(yīng)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(dǎo)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(fù)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(shù)要求。 2．應(yīng)具有足夠的靜、動剛度 靜剛度包括：機架的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應(yīng)該采取相應(yīng)的措施，最后達到有較高的剛度-質(zhì)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(dāng)?shù)脑黾幼枘帷⑻岣吖逃蓄l率等措施避免共振及因薄壁振動而產(chǎn)生噪音。 3．較好的熱穩(wěn)定性 對機床來說，熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個突出問題，必須在設(shè)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(chǎn)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(jié)果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行；有導(dǎo)軌的機架，由于導(dǎo)軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導(dǎo)軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，機架結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使熱變形盡量小。 二、機架設(shè)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(yīng)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(nèi)； 3） 躁聲小； 4） 溫度場分布合理，熱變形對精度的影響?。? 5） 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工； 6） 結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整，方便修理和更換零部件； 7） 有導(dǎo)軌的機架要求導(dǎo)軌面受力合理、耐磨性良好； 8） 造型好。使之既適用經(jīng)濟，有美觀大方。 5.2機架的結(jié)構(gòu) 1．機架結(jié)構(gòu) 根據(jù)機床的類型不同，機架的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如車床機架的結(jié)構(gòu)形式有平機架、斜機架、平機架斜導(dǎo)軌和直立機架等四種類型。 另外，斜機架結(jié)構(gòu)還能設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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(lián)接處要刮研，聯(lián)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(lián)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(dǎo)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(xiàn)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(shè)了輔助導(dǎo)軌。 2．機架的截面形狀 機床的機架通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計機架的截面形狀及尺寸，采用合理布置的肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率。機架肋板一般根據(jù)機架結(jié)構(gòu)和載荷分布情況，驚醒設(shè)計，滿足機架剛度和抗振性要求，V形肋板有利于加強導(dǎo)軌支承部分的剛度；斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強機架的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設(shè)計成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。 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。 3．機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡化表面形狀。根據(jù)本設(shè)計的具體情況及要求，機架的結(jié)構(gòu)設(shè)如下： 4.機架的設(shè)計步驟 ⑴根據(jù)機架上的零件、部件情況和設(shè)計要求初步確定機架及機架的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，以保證機架內(nèi)外的零件能正常運動 ⑵根據(jù)產(chǎn)品批量和結(jié)構(gòu)形式初步確定制造方法，合理選擇材料，單件小批量的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備機架可以采用焊接結(jié)合的機架 ⑶分析承載情況，根據(jù)承載情況合理的選擇截面形式，確定主要設(shè)計參數(shù) ⑷畫出結(jié)構(gòu)草圖，進行必要的強度和剛度計算和尺寸修改 ⑸對重要設(shè)備的機架，還應(yīng)該進行模擬實驗設(shè)計和模擬實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果對設(shè)計進行修改。 5.3橫梁設(shè)計 梁設(shè)計的要求與軸心受壓相仿，鋼梁設(shè)計應(yīng)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(yīng)力等強度應(yīng)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(cè)向發(fā)生彎扭失穩(wěn)，主要通過對梁的受壓翼緣設(shè)足夠的側(cè)向支承，或適當(dāng)加大梁截面以降低彎曲壓應(yīng)力至臨界應(yīng)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(shè)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(gòu)。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(diào)關(guān)系?？紤]到這些方面的因素后要確定的一些尺寸根據(jù)這些數(shù)據(jù)，大概確定架子的長高。這樣架子的地面的結(jié)構(gòu)就確定了。 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σ b =375～460MPa，取σ b=375 MP a 解：和軸一樣建立如圖所示的坐標(biāo)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(biāo)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(shù)Wz，因為材料和軸的是一樣的， 所以σ b=375 MP a , Ip=∫y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.6884×10--6m3 所以 σ max= M max / W=180/（6773.69×10--6）P a=0.26MP a 也設(shè)安全系數(shù)：K=5 故：K×σ max=5×0.26MP a=1.5 MP a﹤σ b=375 MP a 因此：也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)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：Fba+Fde=2F=1200N 由于軸的受力完全對稱，故Fba=Fde=F=600N B點和F點的彎矩為：MB=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(shù)Wz因為材料和軸的是一樣的，所以σ b=375 MP a , Ip=∫y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.6884×10--6m3 所以 σ max= M max / W=305/（6773.69×10--6）P a=0.45MP a 也設(shè)安全系數(shù)：K=5 故：K×σ max=5×0.45 MP a=2.25 MP a﹤σ b=375 MP a 因此：也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為5的情況下也是安全的。 所以可以進行制作。 結(jié)論 本課題結(jié)合目前國剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下： 1、剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置結(jié)構(gòu)方案的確定。分析了剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置的特點，確定了剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置基本結(jié)構(gòu)，并確定其基本尺寸。 2、確定了剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)。對該剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)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(shè)計零件進行剛度和壽命計算，確保滿足使用要求，使該剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機器人裝置有足夠的可靠性。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，不僅把大學(xué)所學(xué)到的理論知識很好的運用到畢業(yè)設(shè)計中，而且培養(yǎng)了自己認(rèn)真思考的能力，在處理問題時有了新的認(rèn)識和方法，并加強了和同學(xué)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(xué)習(xí)，以及對相關(guān)信息的獲取，我深切地認(rèn)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(nèi)改變這種現(xiàn)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(yīng)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(shè)計應(yīng)用到具體實踐當(dāng)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(jié)合起來，才能真正把一門知識應(yīng)用起來。 參考文獻 [1] 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