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I 編號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題 目 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2014 年 5 月 25 日 II 摘 要 本次設(shè)計(jì)是對(duì)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置的設(shè)計(jì) 在這里主要包括 滾珠絲杠傳 動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)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(wèn)題的能力 并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件 整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器將需要的動(dòng)力傳遞到絲桿上 絲桿帶 動(dòng)絲桿螺母 從而帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng) 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)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?jī)?nèi)容 1 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置工作性能分析 3 電動(dòng)機(jī)的選擇 4 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置的傳動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行部件及機(jī)架設(shè)計(jì) 5 對(duì)設(shè)計(jì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析和校核 6 繪制整機(jī)裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計(jì)零件的零件圖 關(guān)鍵詞 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置 聯(lián)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1 2 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)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?jī)?nèi)容 3 1 3 2 設(shè)計(jì)要求 3 2 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2 1 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 4 2 2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2 3 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖 框架圖 5 3 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 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(jì)工作臺(tái)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(dòng)載荷 10 3 1 6 精度的選擇 11 3 1 7 選擇滾珠絲桿型號(hào) 11 3 2 校核 12 3 2 1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 12 3 2 2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 13 3 2 3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 13 3 3 電機(jī)的選擇 14 3 3 1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 14 3 3 2 電機(jī)扭矩計(jì)算 15 V 4 其它零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 17 4 1 電機(jī)軸的設(shè)計(jì)校核 17 4 2 鍵的校核 18 4 3 軸承的校核 18 4 4 力矩電機(jī)的選取 19 5 機(jī)架的設(shè)計(jì) 23 5 1 對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求 23 5 2 機(jī)架的結(jié)構(gòu) 24 5 3 橫梁設(shè)計(jì) 25 5 4 機(jī)架的基本尺寸的確定 25 5 5 主要梁的強(qiáng)度校核 25 結(jié)論 28 參考文獻(xiàn) 29 致 謝 30 1 1 緒論 1 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的主要功能是幫助患者完成各種運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練 該類(lèi)產(chǎn)品 有行走訓(xùn)練 手臂運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練 脊椎運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等 康復(fù)機(jī)器人有兩種 輔助型康復(fù)機(jī)器 人和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 輔助型康復(fù)機(jī)器人主要是幫助肢體運(yùn)動(dòng)有困難的患者完成各種 動(dòng)作 該類(lèi)產(chǎn)品有機(jī)器人輪椅 機(jī)器人護(hù)士 機(jī)器人假肢 機(jī)械外骨骼等 康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合 康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等國(guó)家 得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視 許多研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了有關(guān)的研究工作 近年來(lái)取得了一些有價(jià)值的成果 對(duì)于中風(fēng) 偏癱 下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能損傷等患者來(lái)說(shuō) 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人有著很好的治療效果 國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都在這方面取得了不 錯(cuò)的研究結(jié)果 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個(gè)階段 由早期的簡(jiǎn)單步行訓(xùn) 練機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富 符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)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(jī) 懸吊系統(tǒng)等幫助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練 此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 價(jià)格便宜 但訓(xùn)練過(guò)程中必須有專(zhuān)業(yè)人員的幫助 而且并不符合人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理 還不能稱(chēng)為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 只能是一種半自動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械 它的功能單一 價(jià) 格便宜 而且需要在專(zhuān)業(yè)護(hù)理人員的幫助下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練 這種機(jī)械對(duì)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(jī)器人原理及結(jié)構(gòu) 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人是一種下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人 該機(jī)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(dòng)機(jī) 絞盤(pán) 繩索組成 固定在支撐框架上 的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng) 從而帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng) 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(diǎn)處 剛?cè)峄炻?lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī) 絞盤(pán) 繩索 裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī) 絲杠螺母 滑軌 過(guò)輪和力矩傳感器組成 固定在 支撐框架上的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)由滑軌機(jī)構(gòu)約束的絲杠螺母機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)固定在螺母上的 過(guò)輪平移運(yùn)動(dòng) 固定在支撐框架上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng) 帶動(dòng)柔性繩索運(yùn)動(dòng) 繩索的另一端通過(guò)力矩傳感器和過(guò)輪后連接到腳踏板上 可用于下肢損傷患者進(jìn)行內(nèi) 收外展康復(fù)訓(xùn)練 也可用于健康人的體育鍛煉 2 本課題下肢內(nèi)收外展訓(xùn)練機(jī)器人由支撐系統(tǒng)框架 兩套繩索牽引支鏈 一套剛?cè)?混聯(lián)支鏈和一個(gè)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(dòng) 兩套繩索牽引支鏈均由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī) 絞盤(pán) 繩索組成 兩個(gè)力矩電動(dòng)機(jī) 分別固定在框架前后位置上的同一高度處 其驅(qū)動(dòng)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)繩索牽引 兩根牽 引繩索均連接到腳踏板側(cè)面中點(diǎn)處 一套剛?cè)峄炻?lián)支鏈由裝有編碼器的力矩電動(dòng)機(jī) 絞盤(pán) 繩索 裝有編碼器的直流電動(dòng)機(jī) 絲杠螺母 滑軌 過(guò)輪和力矩傳感器組成 固定在框架中間位置的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)受滑軌約束的絲杠螺母機(jī)構(gòu) 固定在支撐框架 上的力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絞盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng) 帶動(dòng)繩索運(yùn)動(dòng) 該繩索的另一端通過(guò)力矩傳感器和固 定在螺母上的過(guò)輪后連接到腳踏板另一側(cè)中點(diǎn)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(guò)輪平移方向不在三根牽引繩索所形成的平面上 這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)布置形式能夠?qū)崿F(xiàn)下肢內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練 3 1 3 本課題研究的內(nèi)容及方法 1 3 1 主要的研究?jī)?nèi)容 在查閱了國(guó)內(nèi)外大量的有關(guān)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料 和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上 綜合考慮剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)化目的 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo) 本文擬進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容如下 1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境要求本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 確定康復(fù)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案 2 確定康復(fù)機(jī)器人的性能參數(shù) 對(duì)初步模型進(jìn)行靜力學(xué)分析 根據(jù)實(shí)際情況選擇電機(jī) 3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā) 完成康復(fù)機(jī)器人各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核 1 3 2 設(shè)計(jì)要求 1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能 提出康復(fù)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案 2 完成康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 3 通過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算 完成電機(jī)選型 4 完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)總裝配圖 主要零件圖 4 2 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 隨著老齡化的到來(lái)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(lái)越大 研究康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù) 研制康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人產(chǎn)品 對(duì)和諧社會(huì)建設(shè) 具有重要意義 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人主要是針對(duì)下肢內(nèi)收外展 內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的 目的 是同時(shí)實(shí)現(xiàn)下肢的上述運(yùn)動(dòng)模式 該機(jī)器人具有 3 個(gè)自由度 分別是平面 2 個(gè)移動(dòng)和 腳踏板面的 1 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng) 柔性機(jī)構(gòu)用于直接對(duì)腳踏板的牽引 而剛性支鏈?zhǔn)菫榱藢?shí)現(xiàn)繩 索驅(qū)動(dòng)端位置的改變 實(shí)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(jī)器 人的傳動(dòng)構(gòu)件 2 2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一般來(lái)講 主要有兩部分 一是設(shè)計(jì)一套康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 固定在康復(fù)機(jī)器人 的機(jī)架上 本設(shè)計(jì)只對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì) 取康復(fù)機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為 0 01mm 脈沖 步進(jìn)電機(jī)的步距角 0 9 方案 1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng) 點(diǎn)位直線系統(tǒng) 連續(xù)控制系統(tǒng) 康復(fù)機(jī)器人 在工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中頭并不進(jìn)行孔加工 因此裝置可采用點(diǎn)位控制方式 對(duì)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開(kāi)環(huán) 閉環(huán) 半閉環(huán) 3 種控制方式 開(kāi)環(huán)控制的伺服 系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問(wèn)題 但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入 脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系 使步距誤差不會(huì)積累 轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對(duì)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(dòng)而變化的特點(diǎn) 并且步進(jìn)電機(jī)控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問(wèn)題 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試 并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 在改善步 進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī) 作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿(mǎn)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(shí)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(cè) 反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié) 除了在安裝 5 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(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng) 態(tài)性能 其難度也將大為提高 為此 考慮到在康復(fù)機(jī)器人上進(jìn)行設(shè)計(jì) 精度要求不 是很高 為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 降低成本 本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng) 3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 為確保系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性 在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝配時(shí) 通常提出低摩擦 低慣量 高剛度 無(wú)間隙 高諧振以及有適宜阻尼比的要求 縮短傳動(dòng)鏈 縮短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度 減小傳動(dòng)鏈誤差 可采用預(yù)緊 以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度 如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)副 絲杠支承設(shè) 計(jì)成兩端軸向固定 并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動(dòng)剛度 采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副和 滾動(dòng)導(dǎo)軌 2 3 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖 框架圖 人體的主要尺寸 國(guó)標(biāo) GB10000 1988 給出身高 體重 上臂長(zhǎng) 前臂長(zhǎng) 大腿長(zhǎng) 小腿長(zhǎng)共六項(xiàng)主要尺寸數(shù)據(jù) 下表是我國(guó)成年人人體主要尺寸和坐姿人人體尺寸 摘自 GB10000 1988 中國(guó)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(zhǎng) 289 313 338 262 284 308 前臂長(zhǎng) 216 237 258 193 213 234 大腿長(zhǎng) 428 465 505 402 438 476 小腿長(zhǎng) 338 369 403 313 344 376 根據(jù)參數(shù)擬定如下草圖 具體見(jiàn)下圖表示 6 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(duì)絞盤(pán)造成損害 正視圖框架 左右 1 2m 側(cè)視圖框架間距離 1m 7 右側(cè)添加的導(dǎo)引裝置簡(jiǎn)圖 8 3 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)設(shè)計(jì) 表 3 1 滾珠絲桿副支承 支承 方式 簡(jiǎn)圖 特點(diǎn) 一端 固定 一端 自由 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速 都較低設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng) 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(zhǎng)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(zhǎng) 轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合 在受力較大時(shí)還得 增加角接觸球軸承的數(shù)量 轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用 更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承 兩端 固定 只有軸承無(wú)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(huì)受壓 不 存在壓桿穩(wěn)定問(wèn)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(wèn)題 結(jié)構(gòu)和工藝都比較 困難 這種裝置適用于對(duì)剛度和位移精度要 求較高的場(chǎng)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(gè)機(jī)構(gòu) 作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)和 直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換 絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠滾動(dòng) 3 1 1 導(dǎo)程確定 電機(jī)與絲桿通過(guò)聯(lián)軸器連接 故其傳動(dòng)比 i 1 選擇電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 則絲杠的導(dǎo)程為cmkgfMrn 2min 150maxmax 最 大 轉(zhuǎn) 矩 取 Ph 12mmnVPH1250 18 ee 3 1 2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 in rPnh 最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 min 1502 8 max rVh 最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 i 3 iniPh 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 in 212min1axrtttnm 式中取 故21t in 03 1 212min1ax rtttnm 3 1 3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 估算測(cè)量物重量 NXgG19608 201 工作臺(tái)重量 m742 移動(dòng)部件重量 33 3 1 4 確定絲桿的等效負(fù)載 工作負(fù)載是指工作時(shí) 實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力 數(shù)值用進(jìn)給牽引力的 10 實(shí)驗(yàn)公式計(jì)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 NGFGFGfKFZx 215 2 03 3 12 2 3y12yma 0in 其等效載荷按下式計(jì)算 式中取 21t 1nNtnFFm49 321mi3ax 3 1 5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 316mhkahtwm10 nT ffFCar 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(jì)算得 Car 17300N 表 3 1 1 各類(lèi)機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間 Lh 11 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(duì)電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響 在滾珠絲杠精度參數(shù)中 導(dǎo) 程誤差對(duì)機(jī)床定位精度是最明顯的 一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意 300 行程變m 動(dòng)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(yàn)算中確定 選用滾珠30V 絲杠的精度等級(jí) X 軸為 1 3 級(jí) 1 級(jí)精度最高 Z 軸為 2 5 級(jí) 考慮到本設(shè)計(jì)的定 位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性 選擇 X 軸 Y 軸精度等級(jí)為 3 級(jí) Z 軸為 4 級(jí) 3 1 7 選擇滾珠絲桿型號(hào) 預(yù)選滾珠絲杠參數(shù)能滿(mǎn)足工作要求 公稱(chēng)直徑 mm 螺旋升角 螺250 d 31 紋旋向?yàn)橛倚?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(jí)為 5 級(jí) 標(biāo)注為 D CZM2520 1 5 P5 在絲杠安裝 前和日常維護(hù)中要涂油脂潤(rùn)滑 在生產(chǎn)作業(yè)中要套上防護(hù)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(dòng)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(jì)算而定 3 2 1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 絲桿的支撐方式對(duì)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(jì)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(zhǎng)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) 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(chēng)直徑 mm dw 滾珠直徑 mm 絲桿螺紋不封閉長(zhǎng)度 Lu 工作臺(tái)最大行程 螺母長(zhǎng)度 兩端余量 13 Lu 300 148 20X2 488mm 支撐距離 LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長(zhǎng)度 Lu 選取 LO 620mm 代入上式計(jì)算得出 Fca 5 8X108N 可見(jiàn) Fca F max 臨界壓縮負(fù)荷滿(mǎn)足要求 3 2 2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最crn 高轉(zhuǎn)速 2230KPAEILfnCZcr 式中 A 絲桿最小截面 A 24 6 22 m10 9 3 414 d 絲杠內(nèi)徑 單位 2dm P 材料密度 p 7 85 103 Kg m 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度 單位為cL 安全系數(shù) 可取 0 82K2K fZ 絲杠支承系數(shù) 雙推 簡(jiǎn)支方式時(shí)取 18 9 經(jīng)過(guò)計(jì)算 得出 6 3 104 該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速 所以滿(mǎn)足要求 crnmin r 3 2 3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 Ke的計(jì)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(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí) 有最大和最小拉壓剛度 其中 L 植分別為 750mm 和 100mm 經(jīng)計(jì)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(nèi)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(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r min 能滿(mǎn)足要求 3 3 電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件 每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量 電機(jī)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(jìn)電機(jī)具有慣量低 定位精度高 無(wú)累計(jì)誤差 控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) 所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中 選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步 進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率 再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán) 境等因素 3 3 1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 a 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 328md42LJR 15 上式中 d 直徑 絲桿外徑 d 19 5mm L 長(zhǎng)度 1m P 鋼的密度 7800 2kg m 經(jīng)計(jì)算得 20 RJ b 直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量 2 PMJL 上式中 M 質(zhì)量 P 絲桿螺距 m P 0 001m 經(jīng)計(jì)算得 2 810 4 9kgJL c 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 查表得 204kg mJW 因此 28 m0 8kg4 10 9 LR 3 3 2 電機(jī)扭矩計(jì)算 a 折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩 atJnT602mxax 上式中 in 15axr 16 J 0 0028kg m2 ta 加速時(shí)間 KS 系統(tǒng)增量 取 15s 1 則 ta 0 2s3ta 經(jīng)計(jì)算得 mNT 2 max b 折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩 IPFT 20f 上式中 F 0 導(dǎo)軌摩擦力 F 0 Mf 而 f 摩擦系數(shù)為 0 02 F 0 Mgf 32N P 絲桿螺距 m P 0 001m 傳動(dòng)效率 0 90 I 傳動(dòng)比 I 1 經(jīng)計(jì)算得 mNTf 75 0 c 折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 i2 1 2000 PT 上式中 P0 滾珠絲桿預(yù)加載荷 1500N 0 滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為 0 9 經(jīng)計(jì)算的 T0 0 05N M 則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩 mNf 82 0max 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 選擇電機(jī)型號(hào)為 SIEMENS 的 IFT5066 其額定轉(zhuǎn)矩 17 為 6 7 NmA 18 4 其它零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 4 1 電機(jī)軸的設(shè)計(jì)校核 可選軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 電機(jī)軸的直徑為 14 由于軸的直徑小于 100mm 且由 1 個(gè)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(yàn)算傳動(dòng)軸薄弱環(huán)節(jié)處的傾角荷撓度 驗(yàn)算傾角時(shí) 若支撐類(lèi)型相同則只需 驗(yàn)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(shí) 則齒輪處傾 角不必驗(yàn)算 驗(yàn)算撓度時(shí) 要求驗(yàn)算受力最大的齒輪處 但通?？沈?yàn)算傳動(dòng)軸中點(diǎn)處 撓度 誤差 3 當(dāng)軸的各段直徑相差不大 計(jì)算精度要求不高時(shí) 可看做等直徑 采用平均直徑 進(jìn)行計(jì)算 彎曲剛度驗(yàn)算 的剛度時(shí)可采用平均直徑 或當(dāng)量直徑 一般將軸化1d 1d2d 為集中載荷下的簡(jiǎn)支梁 其撓度和傾角計(jì)算公式見(jiàn) 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(hào) 在同一平面上進(jìn)行代數(shù)疊加 不 在同一平面上進(jìn)行向量疊加 通過(guò)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(yīng)力 取MPap120 其中間值 鍵的工作長(zhǎng)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(yīng) 力鍵 軸 輪 轂 三 者 中 最 鍵 的 直 徑 為 鍵 的 寬 度 為 鍵 的 公 稱(chēng) 長(zhǎng) 度 圓 頭 平 鍵鍵 的 工 作 長(zhǎng) 度 為 鍵 的 高 度此 處度鍵 與 輪 轂 鍵 槽 的 接 觸 高傳 遞 的 轉(zhuǎn) 矩 264 5 0 p MPamd mbmLbll hkkNT 可見(jiàn)連接的擠壓強(qiáng)度足夠了 鍵的標(biāo)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(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(duì)軸承的要求越高 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 應(yīng)該min80r 對(duì) 軸未端的滾子軸承進(jìn)行校核 軸傳遞的轉(zhuǎn)矩 nPT950 mN 869 7 受力 dFr 7 15302 根據(jù)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(yùn)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) pf 取 則有 2 1 pf NFfPAp 24 781 23 1 軸承的壽命計(jì)算 所以按軸承的受力大小計(jì)算壽命 hCnLh 5840 3 24 781950 6 0316 故該軸承 6206 能滿(mǎn)足要求 其他軸的軸承校核同上 均符合要求 4 4 力矩電機(jī)的選取 1 粗略計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)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 21 表 3 1 摩擦系數(shù)表 1 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算 則工件受到的摩擦力為 10 35fmgN 則移行電機(jī)所需牽引力為 Ff 假設(shè)直徑 R 125mm 假設(shè)轉(zhuǎn)速 na 61rpm 速度 v Rn a 0 125 61 24m min 設(shè)功率安全系數(shù)為 1 2 驅(qū)動(dòng)裝置的效率為 0 8 則需要的驅(qū)動(dòng)功率為 kWFVP 05 8106 2 45 87 016 2 2 電動(dòng)機(jī)至的總效率 c 聯(lián)軸器效率 c 0 99 b 對(duì)滾動(dòng)軸承效率 b 0 99 v 帶效率 v 0 94 cy 效率 cy 0 96 估算傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的功率 Pd kw Pd Pw 0 05 0 88 0 06kw 1 基于電動(dòng)機(jī)的以上特點(diǎn) 本文選用作為北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)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(jìn)電機(jī)輸送機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置 圖 3 4 是北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司部分 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù) 圖 3 4 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù) 所以根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)選擇 110BYG350DH SAKRMA 型號(hào)的電機(jī) 圖 3 5 是 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)說(shuō)明 圖 3 5 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)說(shuō)明 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸 如圖 3 6 所示 圖 3 6 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的外形尺寸 110BYG 系列混合式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性曲線 如圖 3 7 所示 23 圖 3 7 110BYG350DH 型電機(jī)矩頻特性曲線 24 5 機(jī)架的設(shè)計(jì) 5 1 對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求 機(jī)架是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支持件 一般用來(lái)放置重要部件 為了滿(mǎn)足機(jī)床高速度 高精度 高生產(chǎn)率 高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求 與普通機(jī)床相比 機(jī)床應(yīng)有高 的靜 動(dòng)剛度 更好的抗振性 一 對(duì)機(jī)床的機(jī)架主要在以下三個(gè)方面提出了更高的要求 1 很高的精度和精度保持性 在機(jī)架上有很多安裝零部件的加工面和運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間保持 另外 機(jī)床在切削加工時(shí) 所有的靜 動(dòng)載荷最后往往都傳到機(jī)架上 所以 機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)精度 除了滿(mǎn)足幾何尺寸位置等精度要求外 還需要滿(mǎn)足靜 動(dòng) 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(dòng)剛度 靜剛度包括 機(jī)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(dá)到有較高的剛度 質(zhì)量比 動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能 為了保證機(jī)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(dòng)及自激振動(dòng)的能力 可 以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑黾幼枘?提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動(dòng)而產(chǎn)生噪音 3 較好的熱穩(wěn)定性 對(duì)機(jī)床來(lái)說(shuō) 熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個(gè)突出問(wèn)題 必須在設(shè)計(jì)上要做到使整機(jī)的熱 變形小 或使熱變形對(duì)加工精度的影響小 熱變形將直接影響機(jī)架的原有的精度 從 而是產(chǎn)品精度下降 如立軸矩臺(tái)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(jī)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(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使熱 變形盡量小 二 機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求 1 在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的前提下 機(jī)架的重量應(yīng)要求輕 成本低 2 抗振性好 把受迫振動(dòng)振幅限制在允許范圍內(nèi) 3 躁聲小 25 4 溫度場(chǎng)分布合理 熱變形對(duì)精度的影響小 5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理 工藝性良好 便于鑄造 焊接和機(jī)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(jī)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(jì) 有美觀大方 5 2 機(jī)架的結(jié)構(gòu) 1 機(jī)架結(jié)構(gòu) 根據(jù)機(jī)床的類(lèi)型不同 機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式 例如車(chē)床機(jī)架的結(jié)構(gòu) 形式有平機(jī)架 斜機(jī)架 平機(jī)架斜導(dǎo)軌和直立機(jī)架等四種類(lèi)型 另外 斜機(jī)架結(jié)構(gòu)還能設(shè)計(jì)成封閉式斷面 這樣大大提高了機(jī)架的剛度 鉆高精 度立式萬(wàn)能磨床 加工中心等這一類(lèi)機(jī)床的機(jī)架結(jié)構(gòu)與車(chē)床有所不同 例如加工中心 的機(jī)架有固定立柱式和移動(dòng)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(jī)架和前后機(jī)架分開(kāi)組裝的 T 形機(jī)架 所謂 T 形機(jī)架是指機(jī)架 是由橫置的前機(jī)架和與它垂直的后機(jī)架組成 整體式機(jī)架 剛性和精度保持性都比較 好 但是卻給鑄造和加工帶來(lái)很大不便 尤其是大中型機(jī)床的整體機(jī)架 制造時(shí)需要 大型設(shè)備 而分離式 T 形機(jī)架 鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善 前后機(jī)架聯(lián)接 處要刮研 聯(lián)接時(shí)用定位鍵和專(zhuān)用定位銷(xiāo)定位 然后再沿截面四周 用大螺栓固緊 這樣聯(lián)接成的機(jī)架 再剛度和精度保持性方面 基本能滿(mǎn)足使用要求 這種分離式 T 形機(jī)架適用于大中型臥式加工中心 由于機(jī)架導(dǎo)軌的跨距比較窄 致使工作臺(tái)在橫溜 板上移動(dòng)到達(dá)行程的兩端時(shí)容易出現(xiàn)翹曲 將會(huì)影響加工精度 為了避免工作臺(tái)翹曲 有的立式加工中心增設(shè)了輔助導(dǎo)軌 2 機(jī)架的截面形狀 機(jī)床的機(jī)架通常為箱體結(jié)構(gòu) 合理設(shè)計(jì)機(jī)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(jī)架肋板一般根據(jù) 機(jī)架結(jié)構(gòu)和載荷分布情況 驚醒設(shè)計(jì) 滿(mǎn)足機(jī)架剛度和抗振性要求 V 形肋板有利于加 強(qiáng)導(dǎo)軌支承部分的剛度 斜方肋和對(duì)角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)機(jī)架的扭轉(zhuǎn)剛度 并且便于 設(shè)計(jì)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(duì)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(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)化表面形狀 根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體情況 及要求 機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)如下 4 機(jī)架的設(shè)計(jì)步驟 根據(jù)機(jī)架上的零件 部件情況和設(shè)計(jì)要求初步確定機(jī)架及機(jī)架的結(jié)構(gòu)形狀和尺 寸 以保證機(jī)架內(nèi)外的零件能正常運(yùn)動(dòng) 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(jī)架可以采用焊接結(jié)合的機(jī)架 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(jì)參數(shù) 畫(huà)出結(jié)構(gòu)草圖 進(jìn)行必要的強(qiáng)度和剛度計(jì)算和尺寸修改 對(duì)重要設(shè)備的機(jī)架 還應(yīng)該進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn) 并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì) 設(shè)計(jì)進(jìn)行修改 5 3 橫梁設(shè)計(jì) 梁設(shè)計(jì)的要求與軸心受壓相仿 鋼梁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮強(qiáng)度 剛度 整體穩(wěn)定和局部穩(wěn) 定各個(gè)方面滿(mǎn)足要求 1 梁的強(qiáng)度計(jì)算主要包括抗彎 抗剪和折算應(yīng)力等強(qiáng)度應(yīng)足夠 2 剛度主要是控制最大撓度不超過(guò)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(huì)在剛度較差的側(cè)向發(fā)生彎扭失穩(wěn) 主要通過(guò)對(duì)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(huì)發(fā)生局部凸曲失穩(wěn) 在梁中主要通過(guò)限制受 壓翼緣和腹板的寬厚比不超過(guò)規(guī)定 對(duì)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(jī)架的基本尺寸的確定 機(jī)架是支撐及其所有附件的可移動(dòng)機(jī)構(gòu) 要保證拆裝方便 安全 重量要輕 便 于移動(dòng) 架子要有足夠的空間安裝 而且每個(gè)總成之間要考慮它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系 考慮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(zhǎng)高 這 樣架子的地面的結(jié)構(gòu)就確定了 27 5 5 主要梁的強(qiáng)度校核 考慮到一些外在壓力 按照重量為 1000N 進(jìn)行校核 查機(jī)械工程材料 P105 頁(yè)表 5 2 得 Q235 鋼材的屈服強(qiáng)度 b 375 460MPa 取 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(diǎn)為圓點(diǎn)建立如圖 6 1 所示的平 面直角坐標(biāo)系 因?yàn)?FRD 1000N 把 RDE 從 D 點(diǎn)移到 E 后的受力情況如圖 6 1 所示 圖 6 1 得到一個(gè) F 和一個(gè)力矩 M Fab Lbe 600 0 300N M 180 N m 計(jì)算軸的集慣性矩 Ip和抗彎截面系數(shù) Wz 因?yàn)椴牧虾洼S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(shè)安全系數(shù) 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(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(gè) F 和一個(gè)力矩 M F Lbe 600 0 3N M 180 N m 因?yàn)?F ba Fde 2F 1200N 由于軸的受力完全對(duì)稱(chēng) 故 Fba Fde F 600N 28 B 點(diǎn)和 F 點(diǎn)的彎矩為 M B WF Fba Lde M 600 0 01 180 N m 601 8N m 計(jì)算軸的極慣性矩 Ip 和抗彎截面系數(shù) Wz 因?yàn)椴牧虾洼S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(shè)安全系數(shù) 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(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(jìn)行制作 29 結(jié)論 本課題結(jié)合目前國(guó)剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)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(jī)器人裝置開(kāi)發(fā)過(guò)程 本文主要完成的工作如下 1 剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)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(jī)器 人裝置的特點(diǎn) 確定了剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)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(jī)器人裝置技術(shù)指標(biāo)及參數(shù) 對(duì)該剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù) 機(jī)器人裝置進(jìn)行了計(jì)算 3 零件的剛度和壽命計(jì)算與校核 對(duì)各個(gè)已設(shè)計(jì)零件進(jìn)行剛度和壽命計(jì)算 確保 滿(mǎn)足使用要求 使該剛?cè)峄炻?lián)下肢康復(fù)機(jī)器人裝置有足夠的可靠性 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì) 不僅把大學(xué)所學(xué)到的理論知識(shí)很好的運(yùn)用到畢業(yè)設(shè)計(jì)中 而 且培養(yǎng)了自己認(rèn)真思考的能力 在處理問(wèn)題時(shí)有了新的認(rèn)識(shí)和方法 并加強(qiáng)了和同學(xué) 之間進(jìn)行探討和解決問(wèn)題的能力 通過(guò)對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的接觸和深入學(xué)習(xí) 以及對(duì)相關(guān)信息的獲取 我深切地認(rèn)識(shí)到 就目前的發(fā)展而言 我國(guó)的工業(yè)還比較落后 與發(fā)達(dá)國(guó)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(shí)間內(nèi)改變這種現(xiàn)狀是很難的 尤其是對(duì)于我們 這樣一個(gè)國(guó)情的大國(guó) 所以 我們應(yīng)該擁有的是一種民族意識(shí) 不斷的追求創(chuàng)新 希望能將這套設(shè)計(jì)應(yīng)用到具體實(shí)踐當(dāng)中 通過(guò)實(shí)踐來(lái)驗(yàn)證理論的正確性 通過(guò)理論 知識(shí)與具體實(shí)踐結(jié)合起來(lái) 才能真正把一門(mén)知識(shí)應(yīng)用起來(lái) 30 參考文獻(xiàn) 1 張建民 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) M 高等教育出版社 2001 2 45 49 2 馮開(kāi)平 左宗義 畫(huà)法幾何與機(jī)械制圖 M 華南理工大學(xué)出版社 2005 3 51 60 3 顧崇銜 機(jī)械制造工藝學(xué) M 陜西科學(xué)技術(shù)出版社 1999 6 11 4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室 理論力學(xué) M 高等教育出版社 2002 4 79 83 5 華東紡織工學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 天津大學(xué) 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè) S 上?？茖W(xué)技術(shù)出版 社 1979 5 15 21 6 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) S 機(jī)械工業(yè)出版社 1986 6 12 18 7 邱宣懷 機(jī)械設(shè)計(jì) M 高等教育出版社 2004 2 49 51 8 李華 李煥峰 機(jī)械制造技術(shù) M 機(jī)械工業(yè)出版社出版 2003 5 33 37 9 葉偉昌 林崗副 機(jī)械工程及自動(dòng)化簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè) S 機(jī)械工業(yè)出版社出版 2008 2 56 62 10 姚立健 胡學(xué)同 周杏鵬 張軍 水果機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)分選機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 期刊論文 農(nóng)業(yè)機(jī) 械學(xué)報(bào) 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(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)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(jī)及其應(yīng)用 J 農(nóng)機(jī)與食品機(jī)械 1997 5 24 27 15 劉禾 汪憋華 用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)判別蘋(píng)果果形的對(duì)稱(chēng)性明 北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)學(xué)報(bào) 1995 15 3 31 致 謝 首先 我要感謝指導(dǎo)教師 XX 老師 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)他教會(huì)了我如何去設(shè)計(jì) 怎 么去設(shè)計(jì) 以及在最初構(gòu)思時(shí) 應(yīng)該注意的各種問(wèn)題 他嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度 不辭辛勞 指導(dǎo)我做畢業(yè)設(shè)計(jì) 嚴(yán)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(duì)我以后的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助 我還 要感謝進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查的各位領(lǐng)導(dǎo)和機(jī)械工程系的其他老師 他們及時(shí)的給我 指出了畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中的不足 并且給予我很多完成設(shè)計(jì)的便利條件 本論文是在導(dǎo)師 XX 的悉心指導(dǎo)下完成的 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中 XX 老師給了我很大 的幫助 不僅讓我在規(guī)定時(shí)間能完成了畢業(yè)設(shè)計(jì) 還使我學(xué)到了很多有用的經(jīng)驗(yàn) 在 這里我衷心的感謝她 我還要感謝這四年能教授我知識(shí)的老師們 還有曾經(jīng)幫過(guò)我的 同學(xué)們 經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力 畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲 由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的匱乏 本次設(shè)計(jì)難免 有考慮不周的地方 如果沒(méi)有 XX 老師的悉心指導(dǎo)以及本組人員的支持 恐怕設(shè)計(jì)不會(huì) 這么順利完成 自開(kāi)題一來(lái) XX 老師一直認(rèn)真指導(dǎo)設(shè)計(jì)的每個(gè)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(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和淵博的專(zhuān)業(yè)知識(shí)更是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣 再次對(duì)老師及本組的同 學(xué)表示衷心的感謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)很快已經(jīng)結(jié)束了 在這段時(shí)間里 不僅僅感覺(jué)到的是忙碌 還有忙碌后 作完一件令自己心動(dòng)的東西時(shí)的那種無(wú)聲的喜悅 在寫(xiě)致謝信的這個(gè)時(shí)候心里想有一些說(shuō)出的東西 想想自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的種 種困難 在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了 說(shuō)句實(shí)話 憑自己的能力要作完畢 業(yè)設(shè)計(jì)是有些太困難了 但是在你的身邊總有一些人會(huì)給你帶來(lái)驚喜 自己的能力畢 竟有限 在面對(duì)別人無(wú)私幫助的時(shí)候我的內(nèi)心十分感激 帶自己畢業(yè)設(shè)計(jì)的王老師會(huì) 有問(wèn)必答 有難必解 雖然接觸不是很多 但有些東西使用心感覺(jué)的 還有好多老師 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給于我一些幫助 我非常的感激 當(dāng)然還有我身邊的那些同學(xué) 在 我有疑惑的時(shí)候總是不厭其煩的給我解釋清楚 在我設(shè)計(jì)的時(shí)候 因?yàn)槲乙郧皬臎](méi)接 觸過(guò)的東西 一開(kāi)始很是迷茫 我的好幾位同學(xué)都在這時(shí)候一邊忙自己的事 一邊還 要在我有疑惑的時(shí)候?yàn)槲規(guī)兔Ψ治?共同解決 最終自己終于完成了主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32 這一部分的畢設(shè)要求 現(xiàn)在想起來(lái) 有時(shí)候最能讓自己感動(dòng)的事就發(fā)生在自己的身邊