毕业设计（论文）-刚柔混联下肢康复机器人结构设计

I编号： 毕业设计毕业设计(论文论文) 题 目： 刚柔混联下肢康复机器人结构设计 2014 年 5 月 25 日II摘 要本次设计是对刚柔混联下肢康复机器人装置的设计。在这里主要包括:滚珠丝杠传动系统的设计、这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上，丝杆带动丝杆螺母，从而带动整机运动，提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本论文研究内容：(1) 刚柔混联下肢康复机器人装置总体结构设计。(2) 刚柔混联下肢康复机器人装置工作性能分析。(3)电动机的选择。(4)刚柔混联下肢康复机器人装置的传动系统、执行部件及机架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。III关键词：刚柔混联下肢康复机器人装置，联轴器，滚珠丝杠AbstractThis 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 screwIV目 录目 录.IV1 绪论.11.1 国内外研究现状.11.2 刚柔混联下肢康复机器人原理及结构.11.3 本课题研究的内容及方法.31.3.1 主要的研究内容.31.3.2 设计要求.32 刚柔混联下肢康复机器人装置总体结构设计.42.1 设计的要求与数据.42.2 总体结构设计.42.3 康复机器人结构设计草图（框架图）.53 康复机器人结构及传动设计.83.1 滚珠丝杆副的选择.93.1.1 导程确定.93.1.2 确定丝杆的等效转速.93.1.3 估计工作台质量及负重.93.1.4 确定丝杆的等效负载.93.1.5 确定丝杆所受的最大动载荷.103.1.6 精度的选择.113.1.7 选择滚珠丝杆型号.113.2 校核.123.2.1 临界压缩负荷验证.123.2.2 临界转速验证.13V3.2.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率.133.3 电机的选择.143.3.1 电机轴的转动惯量.143.3.2 电机扭矩计算.154 其它零部件的设计计算.174.1 电机轴的设计校核.174.2 键的校核.184.3 轴承的校核.184.4 力矩电机的选取.195 机架的设计.235.1 对机架结构的基本要求.235.2 机架的结构.245.3 横梁设计.255.4 机架的基本尺寸的确定.255.5 主要梁的强度校核.25结论.28参考文献.29致 谢.3011 绪论1.1 国内外研究现状康复训练机器人的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，该类产品有行走训练、手臂运动训练、脊椎运动训练等。康复机器人有两种：辅助型康复机器人和康复训练机器人。辅助型康复机器人主要是帮助肢体运动有困难的患者完成各种动作，该类产品有机器人轮椅、机器人护士、机器人假肢、机械外骨骼等。康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，康复机器人技术在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。对于中风、偏瘫、下肢运动机能损伤等患者来说，下肢康复训练机器人有着很好的治疗效果。国内外许多研究机构都在这方面取得了不错的研究结果。下肢康复训练机器人发展主要经历了几个阶段。由早期的简单步行训练机发展到现在功能丰富、符合人体运动机理的下肢康复训练机器人。早期发展的下肢康复训练系统是借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，此种产品结构简单、价格便宜，但训练过程中必须有专业人员的帮助，而且并不符合人体运动机理，还不能称为康复训练机器人，只能是一种半自动的康复训练机械，它的功能单一、价格便宜，而且需要在专业护理人员的帮助下进行康复训练，这种机械对下肢病情比较轻的病人较合适。1.2 刚柔混联下肢康复机器人原理及结构刚柔混联下肢康复机器人是一种下肢内收外展训练机器人，该机器人由支撑框架、两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和脚踏板组成。支撑框架由型材搭建而成。两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成，固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，从而带动柔性绳索运动，两套绳索牵引支链的绳索另一端共同连接到脚踏板上的一点处。刚柔混联支链由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺母、滑轨、过轮和力矩传感器组成，固定在支撑框架上的直流电动机驱动由滑轨机构约束的丝杠螺母机构，实现固定在螺母上的过轮平移运动；固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动柔性绳索运动，绳索的另一端通过力矩传感器和过轮后连接到脚踏板上。可用于下肢损伤患者进行内收外展康复训练，也可用于健康人的体育锻炼。2本课题下肢内收外展训练机器人由支撑系统框架、两套绳索牵引支链、一套刚柔混联支链和一个脚踏板组成。支撑系统框架由型材搭建而成，可根据需要任意移动；两套绳索牵引支链均由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索组成，两个力矩电动机分别固定在框架前后位置上的同一高度处，其驱动绞盘转动，实现绳索牵引，两根牵引绳索均连接到脚踏板侧面中点处；一套刚柔混联支链由装有编码器的力矩电动机、绞盘、绳索、装有编码器的直流电动机、丝杠螺母、滑轨、过轮和力矩传感器组成，固定在框架中间位置的直流电动机驱动受滑轨约束的丝杠螺母机构，固定在支撑框架上的力矩电动机驱动绞盘转动，带动绳索运动，该绳索的另一端通过力矩传感器和固定在螺母上的过轮后连接到脚踏板另一侧中点处。结构布置保证了连接到脚踏板上的三根绳索是处于同一平面的，且刚柔混联支链的牵引绳索平分两套绳索牵引支链的牵引绳索所夹角度，刚柔混联支链的过轮平移方向不在三根牵引绳索所形成的平面上。这种机器人结构布置形式能够实现下肢内收外展运动训练。31.3 本课题研究的内容及方法1.3.1 主要的研究内容在查阅了国内外大量的有关刚柔混联下肢康复机器人设计理论及相关知识的资料和文献基础上，综合考虑刚柔混联下肢康复机器人结构特点、具体作业任务特点以及刚柔混联下肢康复机器人的推广应用，分析确定使用刚柔混联下肢康复机器人实现自动化目的。为了实现上述目标，本文拟进行的研究内容如下:1 根据现场作业的环境要求本身的结构特点，确定康复机器人整体设计方案。2 确定康复机器人的性能参数，对初步模型进行静力学分析，根据实际情况选择电机。3 从所要功能的实现出发，完成康复机器人各零部件的结构设计；4 完成主要零部件强度与刚度校核。1.3.2 设计要求1 根据所要实现的功能，提出康复机器人的整体设计方案；2 完成康复机器人结构的详细设计；3 通过相关设计计算，完成电机选型；4 完成结构的设计总装配图、主要零件图。42 刚柔混联下肢康复机器人装置总体结构设计2.1 设计的要求与数据随着老龄化的到来以及自然灾害和交通事故等原因，接受康复训练的群体人数变得越来越大，研究康复训练机器人技术，研制康复训练机器人产品，对和谐社会建设具有重要意义。刚柔混联下肢康复机器人主要是针对下肢内收外展/内旋外旋运动而设计的，目的是同时实现下肢的上述运动模式。该机器人具有 3 个自由度，分别是平面 2 个移动和脚踏板面的 1 个转动。柔性机构用于直接对脚踏板的牵引，而刚性支链是为了实现绳索驱动端位置的改变，实现不同的牵引形式。绳索和刚性支链构成一种刚柔混联机器人的传动构件。2.2 总体结构设计一般来讲，主要有两部分，一是设计一套康复机器人结构设计，固定在康复机器人的机架上。本设计只对结构进行设计。取康复机器人步进电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角 0.9。方案1、系统运动方式的确定系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。康复机器人在工作台移动过程中头并不进行孔加工，因此装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。2、伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环 3 种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装5调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在康复机器人上进行设计，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。3、执行机构传动方式的确定为确保系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。2.3 康复机器人结构设计草图（框架图）人体的主要尺寸:国标 GB10000-1988 给出身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长共六项主要尺寸数据。下表是我国成年人人体主要尺寸和坐姿人人体尺寸(摘自 GB10000-1988中国成年人人体尺寸):主要尺寸男(1860 岁)女(1555 岁)百分位数 5 50 95 5 50 95身高158316781775148415701659体重kg485975425266上臂长289313338262284308前臂长216237258193213234大腿长428465505402438476小腿长338369403313344376根据参数拟定如下草图，具体见下图表示：6 上方要加支撑装置，以分担人体重量。右侧添加导引装置防止绳对绞盘造成损害，正视图框架左右 1.2m，侧视图框架间距离 1m。7右侧添加的导引装置简图83 康复机器人结构及传动设计表表 3-13-1 滚珠丝杆副支承滚珠丝杆副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。93.1 滚珠丝杆副的选择滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。3.1.1 导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择电动机的最高转速，则丝杠的导程为cmkgfMrn.2 . 2min,/1500maxmax最大转矩 取 Ph=12mmmmnVPH121500/18000/maxmaxeee3.1.2 确定丝杆的等效转速基本公式 min)/(/rPVnh=最大进给速度是丝杆的转速 min)/(150012/18000/maxmaxrPVnh=最小进给速度是丝杆的转速 min)/(083. 012/1/minminrPVnh=丝杆的等效转速 min)/)(/()(212min1maxrtttntnnm+=式中取故212tt =min)/(03.1000)/()(212min1maxrtttntnnm=+=3.1.3 估计工作台质量及负重 估算测量物重量 NXgmG19608 . 920011=工作台重量 NXgmG7848 . 98022=移动部件重量 NXgmG2948 . 93033=103.1.4 确定丝杆的等效负载工作负载是指工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，数值用进给牵引力的实验公式计算。取摩擦系数为 0.03，K 为颠覆力矩影响系数，一般取 1.11.5，本课题中取 1.3，则丝杆所受的力为NGFGGGGGFFGfKFFZx215522-)22(03. 03 . 122-)22(3y13323ymax=+=+=）（）（）（0min=F其等效载荷按下式计算（式中取，）21tt =122nn=NtntntnFtnFFm1494)(312211223min113max=+=3.1.5 确定丝杆所受的最大动载荷316mhkahtwm1060)nT(fffffFCar=fw-负载性质系数， （查表：取 fw=1.2）ft-温度系数（查表：取 ft=1）fh-硬度系数（查表：取 fh =1）fa-精度系数（查表：取 fa =1）fk-可靠性系数（查表：取 fk =1）Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命，取丝杆的工作寿命为 15000h由上式计算得 Car=17300N表表 3-1-13-1-1 各类机械预期工作时间各类机械预期工作时间 LhLh11表表 3-1-23-1-2 精度系数精度系数 fafa表表 3-1-33-1-3 可靠性系数可靠性系数 fkfk表表 3-1-43-1-4 负载性质系数负载性质系数 fwfw3.1.6 精度的选择滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300行程变mm动量应小于目标设定定位精度值的 1/31/2,在最后精度验算中确定。 ，选用滚珠300V丝杠的精度等级 X 轴为 13 级（1 级精度最高） ，Z 轴为 25 级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择 X 轴 Y 轴精度等级为 3 级，Z 轴为 4 级。3.1.7 选择滚珠丝杆型号预选滚珠丝杠参数能满足工作要求，公称直径mm，螺旋升角，螺250d3111纹旋向为右旋，负荷钢球圈数为 3 圈，定位滚珠丝杠，返向器固定式内循环，双螺母垫片预紧，导珠管埋入式，精度等级为 5 级 。标注为 D-CZM2520-1.5-P5。在丝杠安装前和日常维护中要涂油脂润滑，在生产作业中要套上防护套防止灰尘和喷雾的污染腐蚀。123.2 校核滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 KO有丝杆本身的拉压刚度 KS，丝杆副内滚道的接触刚度 KC，轴承的接触刚度 Ka，螺母座的刚度 Kn，按不同支撑组合方式计算而定。3.2.1 临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算：NFKLEIfFcrmax20211e=式中 E-材料的弹性模量 E钢=2.1X1011（N/m2）LO-最大受压长度（m）K1-安全系数，取 K1=1.3Fmax-最大轴向工作负荷（N）f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）442)2 . 1_(6464wodddI=式中 do-是丝杆公称直径（mm）dw-滚珠直径（mm） ，丝杆螺纹不封闭长度 Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量13Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离 LO应该大于丝杆螺纹部分长度 Lu，选取 LO=620mm代入上式计算得出 Fca=5.8X108N可见 FcaFmax，临界压缩负荷满足要求。3.2.2 临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最crn高转速： 22230KPAEILfnCZcr=式中：A-丝杆最小截面：A=24-6-222m10*9.210*3 .34414. 34=d-丝杠内径，单位；2dmmP-材料密度 p=7.85*103(Kg/m)-临界转速计算长度，单位为cLmm-安全系数，可取=0.82K2KfZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取 18.9经过计算，得出= 6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。crnmin/r3.2.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度 Ke的计算公式LAEKLAEKss/maxmin=式中 A丝杠最小横截面，；222()4Admm14螺母座刚度 KH=1000N/m。当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L 植分别为 750mm 和100mm。经计算得：min/1/12/1/1sCHeKKKK+=sradmWeB/k=式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)； KH螺母座的刚度(N/m)；KH=1000 N/mKc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于 1500r/min，能满足要求。3.3 电机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。3.3.1 电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量15328md42LdJR=上式中：d直径,丝杆外径 d=19.5mmL长度=1mP钢的密度=78002kg/m经计算得2m0.002kg=RJb、直线运动件向丝杆折算的惯量22=PMJL上式中：M质量 P丝杆螺距（m）P=0.001m经计算得2-810*4.09mkgJL=c、联轴器的转动惯量查表得 20004kg/. 0mJW=因此28 -m0.0028kg0004. 010*09. 4002. 0=+=+=WLRJJJJ3.3.2 电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩16atJnT602maxmax=上式中：min/1500maxrn=J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量，取 15s-1,则 ta=0.2sSK3ta=经计算得mNT=2 . 2maxb、折算至电机轴上的摩擦力矩IPFT20f=上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而 f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP丝杆螺距（m）P=0.001m传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得mNTf=75 . 0c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩i2)-1(2000PPT =上式中 P0滚珠丝杆预加载荷1500N0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为 0.9经计算的 T0=0.05NM17则快速空载启动时所需的最大扭矩mNTTTTf=+=82. 20max 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为 SIEMENS 的 IFT5066，其额定转矩为 6.7。N m184 其它零部件的设计计算4.1 电机轴的设计校核可选轴的材料为 45 钢，调质处理。电机轴的直径为 14,由于轴的直径小于 100mm，且由 1 个键槽，故将轴径增加 5%，即将轴径圆整为标准直径，取 d=14mm需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时，若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角；当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时，则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时，要求验算受力最大的齿轮处，但通常可验算传动轴中点处挠度（误差%3）.当轴的各段直径相差不大，计算精度要求不高时，可看做等直径，采用平均直径进行计算，弯曲刚度验算；的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化1d1d2d为集中载荷下的简支梁，其挠度和倾角计算公式见【5】表 7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角，然后叠加，注意方向符号，在同一平面上进行代数叠加，不在同一平面上进行向量叠加。通过受力分析，NdTFmNnPTr7 .1535)10112/(862/286800/96. 05 . 71055. 9/1055. 9366最大挠度： mmEIblbF34349432222max1068.110106430102104810426446434267 .15354843;6 .39740643014. 364;101 . 24449mmdIIMPaEE轴的；材料弹性模量；式中；查【1】表 3-12 许用挠度； mmy12. 0403. 019。 所以合格,yYB4.2 键的校核键和轴的材料都是钢，由【4】表 6-2 查的许用挤压应力,取MPap120100其中间值，。键的工作长度，键与轮榖MPap110mmmmmmbLl16822键槽的接触高度。由【4】式（6-1）可得mmmmhk5 . 375 . 05 . 0MPaMPaMPakldTpp1103 .10230165 . 31086210233式中：；】表键【，弱材料的许用挤压应力键、轴、轮毂三者中最；键的直径，；为键的宽度，为键的公称长度，圆头平键键的工作长度，为键的高度此处度键与轮毂键槽的接触高传递的转矩264,5 . 0,;,pMPammdmmbmmLbLlmmlmmhhkkmNT可见连接的挤压强度足够了，键的标记为：20031096810TGB键4.3 轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承 6206，其基本额定负荷为 19.5KN, 由于该轴的转速是定值，所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该min800rn 对轴未端的滚子轴承进行校核。轴传递的转矩 nPT9550 mNT8680096. 05 . 79550受力 NdTFr7 .15351011286223根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:20在水平面：NlllFFrAH1410426384267 .1535323在水平面：NlllllFFAV5 .18394263854626.1563)(323210 NFFFAVAHA7 .23175 .183914102222因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力， 【4】表 13-6 查得载荷系数，pf取，则有：2 . 1pf NFfPAp24.27817 .23172 . 1轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 hhPCnLh584008 .71803)24.278119500(8006010)(60103616故该轴承 6206 能满足要求。、其他轴的轴承校核同上，均符合要求。4.4 力矩电机的选取（1）粗略计算驱动电机的功率已知重量为 m=100kgg=10N/kg总重力 G1=mg=1000N查表 3-1 得摩擦系数为 0.03521表 3.1 摩擦系数表1）驱动功率计算则工件受到的摩擦力为：1000 0.03535fmgN则移行电机所需牵引力为：35FfN假设直径R=125mm假设转速na=61rpm 速度v=Rna=0.12561=24m/min 设功率安全系数为 1.2，驱动装置的效率为 0.8，则需要的驱动功率为：kWFVP05. 0)8 . 0100060/(2 . 1245 .87)8 . 0100060/(2 . 12）电动机至的总效率c联轴器效率，c=0.99b对滚动轴承效率，b=0.99v带效率，v=0.94cy效率，cy=0。96估算传动系统总效率=vbccy=0.940.990.990.96=0.883）所需电动机的功率Pd（kw）Pd=Pw/=0.05/0.88=0.06kw（1） 基于电动机的以上特点，本文选用作为北京和利时电机技术有限公司部分物品与接触的底面材料作用在的载荷（包括自重） N金属木材硬底板01100.040.0450.051104500.0350.0350.054509000.0250.030.0459000.020.0250.0522110BYG 系列混合式步进电机输送机床的驱动装置。图 3.4 是北京和利时电机技术有限公司部分 110BYG 系列混合式步进电机的技术数据。图 3.4 110BYG 系列混合式步进电机的技术数据所以根据计算所得数据选择 110BYG350DH-SAKRMA 型号的电机，图 3.5 是 110BYG系列混合式步进电机的型号说明。图 3.5 110BYG 系列混合式步进电机的型号说明110BYG 系列混合式步进电机的外形尺寸，如图 3.6 所示。图 3.6 110BYG 系列混合式步进电机的外形尺寸110BYG 系列混合式步进电机的矩频特性曲线，如图 3.7 所示。23图 3.7 110BYG350DH 型电机矩频特性曲线245 机架的设计5.1 对机架结构的基本要求机架是整个机床的基础支持件，一般用来放置重要部件。为了满足机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化程度的要求，与普通机床相比，机床应有高的静、动刚度，更好的抗振性。 一、对机床的机架主要在以下三个方面提出了更高的要求： 1很高的精度和精度保持性 在机架上有很多安装零部件的加工面和运动部件的导轨面，这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高，而且要长时间保持。另外，机床在切削加工时，所有的静、动载荷最后往往都传到机架上，所以，机架受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，除了满足几何尺寸位置等精度要求外，还需要满足静、动刚度和抗振性、热稳定性、工艺性等方面的技术要求。 2应具有足够的静、动刚度 静刚度包括：机架的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度-质量比。动刚度直接反映机床的动态性能，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当的增加阻尼、提高固有频率等措施避免共振及因薄壁振动而产生噪音。 3较好的热稳定性 对机床来说，热稳定性已经成了一个突出问题，必须在设计上要做到使整机的热变形小，或使热变形对加工精度的影响小。热变形将直接影响机架的原有的精度，从而是产品精度下降，如立轴矩台平面磨床，立柱前臂的温度高于后臂，是立柱后倾，其结果磨出的零件工作表面与安装基面不平行；有导轨的机架，由于导轨面与底面存在温差，在垂直平面内导轨将产生中凸或中凹热变形。因此，机架结构设计时应使热变形尽量小。 二、机架设计的一般要求 ：1） 在满足强度和刚度的前提下，机架的重量应要求轻、成本低； 2） 抗振性好。把受迫振动振幅限制在允许范围内； 253） 躁声小； 4） 温度场分布合理，热变形对精度的影响小； 5） 结构设计合理，工艺性良好，便于铸造、焊接和机械加工； 6） 结构力求便于安装与调整，方便修理和更换零部件； 7） 有导轨的机架要求导轨面受力合理、耐磨性良好； 8） 造型好。使之既适用经济，有美观大方。5.2 机架的结构1机架结构 根据机床的类型不同，机架的结构形式有各种各样的形式。例如车床机架的结构形式有平机架、斜机架、平机架斜导轨和直立机架等四种类型。 另外，斜机架结构还能设计成封闭式断面，这样大大提高了机架的刚度。钻高精度立式万能磨床、加工中心等这一类机床的机架结构与车床有所不同。例如加工中心的机架有固定立柱式和移动立柱式两种。前者一般使用于中小型立式和卧式加工中心，而后者又分为整体 T 形机架和前后机架分开组装的 T 形机架。所谓 T 形机架是指机架是由横置的前机架和与它垂直的后机架组成。整体式机架，刚性和精度保持性都比较好，但是却给铸造和加工带来很大不便，尤其是大中型机床的整体机架，制造时需要大型设备。而分离式 T 形机架，铸造工艺性和加工工艺性都大大改善。前后机架联接处要刮研，联接时用定位键和专用定位销定位，然后再沿截面四周， 用大螺栓固紧。这样联接成的机架，再刚度和精度保持性方面，基本能满足使用要求。这种分离式 T形机架适用于大中型卧式加工中心。 由于机架导轨的跨距比较窄，致使工作台在横溜板上移动到达行程的两端时容易出现翘曲，将会影响加工精度，为了避免工作台翘曲，有的立式加工中心增设了辅助导轨。 2机架的截面形状 机床的机架通常为箱体结构，合理设计机架的截面形状及尺寸，采用合理布置的肋板结构可以在较小质量下获得较高的静刚度和适当的固有频率。机架肋板一般根据机架结构和载荷分布情况，惊醒设计，满足机架刚度和抗振性要求，V 形肋板有利于加强导轨支承部分的刚度；斜方肋和对角肋结构可明显增强机架的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。 此外，还有纵向肋板和横向肋板，分别对抗弯刚度和抗扭刚度有明显效果；米字26形肋板和井字形肋板的抗弯刚度也较高，尤其是米字形肋板更高。 3机架的结构设计 机架结构设计时，应尽量避免薄壁结构并简化表面形状。根据本设计的具体情况及要求，机架的结构设如下：4.机架的设计步骤 根据机架上的零件、部件情况和设计要求初步确定机架及机架的结构形状和尺寸，以保证机架内外的零件能正常运动 根据产品批量和结构形式初步确定制造方法，合理选择材料，单件小批量的非标准设备机架可以采用焊接结合的机架 分析承载情况，根据承载情况合理的选择截面形式，确定主要设计参数 画出结构草图，进行必要的强度和刚度计算和尺寸修改 对重要设备的机架，还应该进行模拟实验设计和模拟实验，并根据实验结果对设计进行修改。5.3 横梁设计 梁设计的要求与轴心受压相仿，钢梁设计应考虑强度、刚度、整体稳定和局部稳定各个方面满足要求。(1)梁的强度计算主要包括抗弯、抗剪和折算应力等强度应足够。(2)刚度主要是控制最大挠度不超过按受力和使用要求规定的容许值。(3)整体稳定指梁不会在刚度较差的侧向发生弯扭失稳，主要通过对梁的受压翼缘设足够的侧向支承，或适当加大梁截面以降低弯曲压应力至临界应力以下。(4)局部稳定指梁的翼缘和腹板等板件不会发生局部凸曲失稳，在梁中主要通过限制受压翼缘和腹板的宽厚比不超过规定，对组合梁的腹板则常设置加劲肋以提高其局部稳定性。5.4 机架的基本尺寸的确定机架是支撑及其所有附件的可移动机构。要保证拆装方便、安全；重量要轻，便于移动；架子要有足够的空间安装。而且每个总成之间要考虑它们之间的协调关系。考虑到这些方面的因素后要确定的一些尺寸根据这些数据，大概确定架子的长高。这样架子的地面的结构就确定了。275.5 主要梁的强度校核考虑到一些外在压力，按照重量为 1000N 进行校核。查机械工程材料 P105 页表5-2 得，Q235 钢材的屈服强度 b =375460MPa，取 b=375 MP a解：和轴一样建立如图所示的坐标系。以轴心为 x 轴，垂直上平面的直线为 y 轴，一端点为圆点建立如图 6.1 所示的平面直角坐标系。因为：FRD =1000N ，把 RDE 从 D 点移到 E 后的受力情况如图 6.1 所示。图 6.1得到一个 F 和一个力矩 M=FabLbe=6000.300NM=180 Nm计算轴的集惯性矩 Ip和抗弯截面系数 Wz，因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=180/（6773.6910-6）P a=0.26MP a也设安全系数：K=5故：K max=50.26MP a=1.5 MP a b=375 MP a因此：也可以做出结论转架在安全系数为 5 的情况下也是安全的。得到一个 F 和一个力矩 M=FLbe=6000.3NM=180 Nm因为：Fba+Fde=2F=1200N由于轴的受力完全对称，故 Fba=Fde=F=600N28B 点和 F 点的弯矩为：MB=WF=FbaLde+M=6000.01+180 Nm=601.8Nm 计算轴的极惯性矩 Ip 和抗弯截面系数 Wz 因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=305/（6773.6910-6）P a=0.45MP a也设安全系数：K=5故：K max=50.45 MP a=2.25 MP a b=375 MP a因此：也可以做出结论转架在安全系数为 5 的情况下也是安全的。所以可以进行制作。29结论本课题结合目前国刚柔混联下肢康复机器人装置的研究现状和发展方向，具体阐述了一种刚柔混联下肢康复机器人装置开发过程。本文主要完成的工作如下：1、刚柔混联下肢康复机器人装置结构方案的确定。分析了刚柔混联下肢康复机器人装置的特点，确定了刚柔混联下肢康复机器人装置基本结构，并确定其基本尺寸。2、确定了刚柔混联下肢康复机器人装置技术指标及参数。对该刚柔混联下肢康复机器人装置进行了计算。3、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算，确保满足使用要求，使该刚柔混联下肢康复机器人装置有足够的可靠性。通过本次毕业设计，不仅把大学所学到的理论知识很好的运用到毕业设计中，而且培养了自己认真思考的能力，在处理问题时有了新的认识和方法，并加强了和同学之间进行探讨和解决问题的能力。通过对专业知识的接触和深入学习，以及对相关信息的获取，我深切地认识到，就目前的发展而言，我国的工业还比较落后，与发达国家相比还存在很大的差距。尽管我们不断地在努力，但想在很短的时间内改变这种现状是很难的，尤其是对于我们这样一个国情的大国。所以，我们应该拥有的是一种民族意识，不断的追求创新。希望能将这套设计应用到具体实践当中,通过实践来验证理论的正确性。通过理论知识与具体实践结合起来，才能真正把一门知识应用起来。30参考文献1 张建民.机电一体化系统设计M.高等教育出版社，2001（2）：4549.2 冯开平，左宗义.画法几何与机械制图M.华南理工大学出版社，2005（3）：5160.3 顾崇衔.机械制造工艺学M.陕西科学技术出版社，1999（6）：11.4 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.高等教育出版社，2002（4）：7983.5 华东纺织工学院 哈尔滨工业大学 天津大学机床设计图册S上海科学技术出版社1979（5）：1521.6 机械设计手册编写组机械设计手册S机械工业出版社1986（6）：1218.7 邱宣怀机械设计M高等教育出版社2004（2）：4951.8 李华，李焕峰机械制造技术M机械工业出版社出版2003（5）：33379 叶伟昌 ，林岗副机械工程及自动化简明设计手册S机械工业出版社出版2008（2）：5662.10 姚立健.胡学同.周杏鹏.张军 水果机器视觉自动分选机同步控制系统设计期刊论文-农业机械学报 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 贺安之，阎大鹏编著现代传感器原理及应用北京：宇航出版社，199513SoedelW.Design and mechanics of compressor valvesM.Purdue University，West Lafayette，IN 47907，198414 张麟，光电色选机及其应用【J】。农机与食品机械，1997，(5):242715 刘禾，汪憋华。用计算机图像处理技术判别苹果果形的对称性明。北京农业工程大学学报，1995，15(3) 31致 谢首先，我要感谢指导教师 XX 老师，通过这次毕业设计他教会了我如何去设计，怎么去设计，以及在最初构思时，应该注意的各种问题。他严谨治学的态度、不辞辛劳指导我做毕业设计，严于律己，宽以待人的为人都给我留下了深深的印象。他的热情，他的执着，更是让我终身难忘。这一切将对我以后的学习和工作有很大的帮助。我还要感谢进行毕业设计中期检查的各位领导和机械工程系的其他老师，他们及时的给我指出了毕业设计当中的不足，并且给予我很多完成设计的便利条件。本论文是在导师 XX 的悉心指导下完成的，在这次毕业设计中，XX 老师给了我很大的帮助，不仅让我在规定时间能完成了毕业设计，还使我学到了很多有用的经验。在这里我衷心的感谢她。我还要感谢这四年能教授我知识的老师们，还有曾经帮过我的同学们。经过几个月的努力，毕业设计已经接近尾声。由于实践经验的匮乏，本次设计难免有考虑不周的地方。如果没有 XX 老师的悉心指导以及本组人员的支持，恐怕设计不会这么顺利完成。自开题一来，XX 老师一直认真指导设计的每个环节，从资料的查阅到具体方案的修改，任老师都提出了宝贵的建议，让我受益匪浅。除此之外，何老师科学严谨的治学态度和渊博的专业知识更是我永远学习的榜样。再次对老师及本组的同学表示衷心的感谢！毕业设计很快已经结束了，在这段时间里，不仅仅感觉到的是忙碌，还有忙碌后作完一件令自己心动的东西时的那种无声的喜悦。在写致谢信的这个时候心里想有一些说出的东西，想想自己在做毕业设计时的种种困难，在老师同学的用心帮助下也一一解决了，说句实话，凭自己的能力要作完毕业设计是有些太困难了，但是在你的身边总有一些人会给你带来惊喜，自己的能力毕竟有限，在面对别人无私帮助的时候我的内心十分感激，带自己毕业设计的王老师会有问必答，有难必解，虽然接触不是很多，但有些东西使用心感觉的。还有好多老师在这次毕业设计中给于我一些帮助，我非常的感激。当然还有我身边的那些同学，在我有疑惑的时候总是不厌其烦的给我解释清楚。在我设计的时候，因为我以前从没接触过的东西，一开始很是迷茫，我的好几位同学都在这时候一边忙自己的事，一边还要在我有疑惑的时候为我帮忙分析，共同解决。最终自己终于完成了主传动系统设计32这一部分的毕设要求。现在想起来，有时候最能让自己感动的事就发生在自己的身边。33附录INTEGRATION OF MACHINERY（From ELECTRICAL AND MACHINERY INDUSTRY）ABSTRACTMachinery was the modern science and technology development inevitable result, this article has summarized the integration of machinery technology basic outline and the development background .Summarized the domestic and foreign integration of machinery technology present situation, has analyzed the integration of machinery technology trend of development. Key word： integration of machinery ，technology， present situation ，product t，echnique of manufacture ，trend of development 0. Introduction modern science and technology unceasing development, impelled different discipline intersecting enormously with the seepage, has caused the project domain technological revolution and the transformation .In mechanical engineering domain, because the microelectronic technology and the computer technology rapid development and forms to the mechanical industry seepage the integration of machinery, caused the mechanical industry the technical structure, the product organization, the function and the constitution, the production method and the management system has had the huge change, caused the industrial production to enter into “the integration of machinery” by “the machinery electrification” for the characteristic development phase.1. Integration of machinery outline integration of machinery is refers in the organization new owner function, the power function, in the information processing function and the control function introduces the electronic technology, unifies the system the mechanism and the computerization design and the software which constitutes always to call. The integration of machinery development also has become one to have until now own system new discipline, not only develops along with the science and technology, but also entrusts with the new content .But its basic characteristic may summarize is: The integration of machinery is embarks from the system viewpoint, synthesis community technologies and so on utilization mechanical technology, microelectronic technology, automatic control technology, computer technology, information technology, sensing observation and control technology, electric 34power electronic technology, connection technology, information conversion technology as well as software programming technology, according to the system function goal and the optimized organization goal, reasonable disposition and the layout various functions unit, in multi-purpose, high grade, redundant reliable, in the low energy consumption significance realize the specific function value, and causes the overall system optimization the systems engineering technology .From this produces functional system, then becomes an integration of machinery systematic or the integration of machinery product