三自由度绳驱动RCM机构设计毕业论文.doc

I 三三自自由由度度绳绳驱驱动动 R RC CM M 机机构构 设设计计毕毕业业论论文文 目目录录 1 前言 1 1 1 课题目的及背景 1 1 2 国内外研究 2 1 3 论文构成 4 2 绳驱动 RCM 的基本原理 6 2 1 概述 6 2 2 自由度的定义 计算及三自由度的优点 6 2 3 RCM 机构的定义及优点 7 2 4 三自由度绳驱动 RCM 机构组成及基本原理 7 2 5 本章小结 9 3 三自由度绳驱动 RCM 机构分析 10 3 1 概述 10 3 2 两种典型的 RCM 机构分析 10 3 2 1 双平行四杆型 RCM 机构分析 10 3 2 2 等比同向 传动型 RCM 机构分析 13 3 3 特殊的等比同向传动型 RCM 机构 绳驱动 RCM 机构分析 15 3 4 本章小结 17 4 三自由度绳驱动 RCM 机构组成的设计和选择及零件装配 19 4 1 概述 19 4 2 轴承外套的设计 19 4 3 轴的设计 20 4 3 1 轴的材料 22 4 3 2 轴的结构设计 23 4 3 3 轴的计算 26 4 4 联轴器的设计 35 4 4 1 联轴器类型 的选择 36 4 4 2 联轴器扭矩 的计算 36 4 4 3 联轴器最大转速 的校核 37 4 4 4 联轴器轴孔直径 的协调 37 4 4 5 联轴器相应部件 安装精度 的规定 37 4 4 6 联轴器其他 必要的校核 38 4 5 机械臂的设计 39 II 4 6 舵机的选择 40 4 7 零件的装配 44 4 7 1 装配的过程 44 4 7 2 零件装配中存在的问题 及解决办法 49 4 8 本章小结 51 5 总结和展望 53 致谢 54 参考文献 56 附录 1 轴承外套零件图 57 附录 2 轴零件图 58 附录 3 机械臂零件图 59 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 1 1 1 前前言言 1 1 课题目的及背景 近年来 随着人类生活水平的提高和社会的发展 医疗水平也有了很大 的改善 先进的医学机器人技术已渗透到 了医学的各个领域 尤其在微创 外科手术领域 现在手术机器人在 微创外科手术领 域中的应用不仅为手术 定位 手术最小损伤 和手术质量等方面带来一系列的变革 而且 提高了微 创外科手术的安全性 与可靠性 使手术水平从器官级发展到细胞级 实现 微创手术和数字化手术 同时 还改变了传统的外科手术的许多概念 对 未 来新一代的 机器人化的 高科技手术设备 的开发与研制 医学的教学与研究 同时对临床或家庭护理及康复等方面都有十分重要的意义 然而 今天的手术是以精确度 重复一致性好 并且能在很大程度上减少 医院和病人的医疗费用为目的 因此在具体的手术操作过程中某些细节操作 以人的手工操作是达不到要求的 微创外科手术与机器人技术的结合可以 克服传统微创手术观察和活动范围有限 缺少视觉反馈以及医生易于疲劳 等缺点 提供一个精确稳定的适合人类的操作环境 提高手术的安全性与 可靠性 而在微创外科手术中 手术工具 通常是通过套管针 直接插入病人 皮肤上的小切口到达病患位置 但是由于切口的限制 套管针需要绕着插 入点进行转动或移动 这是 现代微创外科手术的一个 现有的特征 所以作 为辅助这类手术的机器人一般都可以为手术工具提供一个相对较为固定的 插入点 正如上述所说 RCM 机构在我们生活中的应用越来越广泛 这时 对 RCM 机构而言 最重要的就是结构简单 自由度少等特点 本课题所设计 的三自由度绳驱动 RCM 机构样机的本体 由舵机做驱动力 通过两组钢丝绳 耦合传动 使其末端执行器可绕虚拟中心二维转动 并沿着自身轴线进行插 入运动 从而为手术工具提供一个相对固定的插入点 提高外科手术的安全 性 同时该机构符合自由度少 结构简单 体积小 重量轻等优点 可应用 于机器人辅助微创外科手术等领域 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 2 1 2 国内外研究 RCM Remote Center of Motion 理念于 1995 年被 Russell H Taylor 等 人提出 1995 年 Taylor 在研究腹腔外科手术机器人的过程中首次提出了远程运 动中心 RCM 的概念 并以机构的形式实现了RCM 的功能 将其应用于外 科手术辅助机器人 一般认为这是RCM 机构概念的最早由来 RCM 机构具有的优点使其首先应用到各种类型的微创外科手术机器人及 相关领域中 如脑外科 腹腔外科 矫形外科 眼科 泌尿外科等 近十年来 国外对RCM机构在医疗领域的研究已经有很多的应用 学者如 JENSEN 对 RCM机构进行了研究 提出了一些种类各异的结构 王振华等设计的主从式微 创外科手术机器人的从操作手也采用了 RCM机构 其中特别要提到的是美国 Johns Hopkins大学包括 Taylor教授在内的研究小组在 RCM机构及其在微创外科 手术机器人方面的应用研究做出了开创性的贡献 设计了数种不同结构的2自 由度RCM机构 如 BW RCM机构 MINI RCM机构等 并针对不同应用背景开 发出多种 RCM机器人系统 如面向腹腔外科手术的 LARS机器人系统 面向 眼科手术的 稳手 机器人 Steady Hand Robot 系统和面向前列腺手术的 MINI RCM 负载能力大 工作空间大 组装系统经济 绳驱动是一种特殊的等比同向传动型RCM 机构 所以一个自由度的绳驱 动 RCM 机构的实现原理是与同步带相同的 如图 3 31 所示 由舵机 3 转动钢 丝绳驱动装置实现单自由度旋转范围为180 基座部分 1 与轴承座 2 连接 轴承座 2 通过轴承与轴 9 连接 连接板 4 固连在轴 9 和轴承座 1 上 轴承座 1 通过轴承与轴 5 连接 钢丝绳绕在轴承座 2 和轴 5 上 滑轮组 25 26 用来 限制钢丝绳的位置 轴承座1 通过轴承与轴 5 连接 连接板 4 固连在轴 5 和 轴承座 7 上 轴承座 7 通过轴承与轴 6 连接 钢丝绳绕在轴承座 1 和轴 6 上 滑轮组 25 26 用来限制钢丝绳的位置 轴6 与末端工具夹持装置 14 固连 图3 31单自由度和绳驱动 RCM 机构 钢丝绳的末端固定于轴承座 2上 中间固定在轴 5上 轴承座 2和轴5上有 钢丝绳的导向槽 当连接板 4和轴9旋转一定的角度时 由于钢丝绳的作用 轴 5也相应的旋转一定的角度 使得轴 5相对与基座 24的角度恒定不变 从而连接 板4保持与基座 24平行 钢丝绳的缠绕方法与之相同 钢丝绳末端固定于轴承座 1上 中间固定在轴 6上 使得轴 6相对连接板 4的角度恒定不变 保证末端工具 的轴线2和连接板 4平行 如图 3 32所示 在基座 24上加垂直于轴线 3方向的舵 机1 可以由舵机 1驱动固定转轴 8绕轴线1进行120 度旋转 这样整体机构就 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 17 加了一个自由度 成为二自由度绳驱动 RCM机构 图3 32二自由度绳驱动 RCM 机构 本机构样机的总体结构如图 3 33所示 手术工具的中轴线 2与旋转轴线 1 3相交于一点 这个点即为远程运动中心 RCM 整个机构在不用时可 以折叠以节省空间 末端执行器由舵机 2驱动15 16 17 19组成的曲柄滑块 机构 滑轨 19固定在平板 14上 滑块 17沿滑轨直线运动 手术工具适配装置由 盖板19 和适配板 18组成 适配板 18使用V形槽定位手术工具 对于不同直径的 手术工具 应使用不同的手术工具适配装置 以确保手术工具的轴线 2 与轴 线 1 相交 这样就有了末端插入运动的第三个自由度 整体机构最终实现三自 由度绳驱动 RCM机构 图3 33样机总体结构图 3 4 本章小结 本章介绍了现有 RCM机构的其中两种形式的基本原理 一种是平行四杆型 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 18 通过两组平行四边形耦合 形成一个新的大平行四边形 另一种是等比同向传 动型 通过两组同步带传动 所有转角相同 使三个带轮圆心和以虚拟远程中 心组成新的平行四边形 两种机构虽然形式有所差别 但最后都可以实现机构 末端围绕虚拟远程运动中心转动 可谓 殊途同归 经过本章的理论推导 证明绳驱动 RCM机构的原理是可行的 绳驱动 RCM 机构原理类似于同步带传动的原理 但是通过与其他形式的等比同向传动 型 RCM机构相比较 绳驱动有结构简单 体积小重量轻等优点 比同步带传动 RCM 机构更具优势 并且符合预定的设计目标 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 19 4 三自由度绳驱动 RCM 机构组成的设计和选择及零件装配 4 1 概述 本章将主要阐述三自由度绳驱动 RCM机构设计的详细过程 根据本机构样 机的特点 将整个机构 分为不同的零件进行 设计和选择 包括轴 轴承外套 机械臂等的设计和舵机以及联轴器的选择 在设计中 运用 Pro Engineer创建每个零件的三维模型 并创建整体机构装 配体三维的模型 同时通过 CAD软件将轴 轴承外套 机械臂和零件的装配图 等二维图进行绘制 在建模过程中 各个零件的结构设计始终围绕着预定设计 目标 以达到最符合以上条件的状态 4 2 轴承外套的设计 a 基座轴承的外套 b 关节的轴承外套1 c 关节轴承外套2 d 关节的轴承外套3 图4 21轴承外套的设计 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 20 轴承外套的结构如图 4 21所示 本样机总共需要 4个型号相同的轴承 但 考虑到4个轴承外套所处的位置和功能上的差异性 它们的结构各不相同 有的 复杂 有的简单 下面将分别介绍设计的详细过程 如图 4 21 a 所示 无绕绳基座的轴承外套结构比较简单 它是整个机 构与外部卡具固定轴的轴承外套 由于承载了整个机构的重量 受弯矩较大 所以用四个螺钉将其固定在基座上 考虑到它不需其他的功能 所以设计时 尽可能将它设计得很简单 很薄 很轻 如图 4 21 b 所示 这个轴承外套既是与基座连接的 也是机械臂的第 一个关节 由于它承载的重量不大 弯矩也小一些 所以只用两个螺钉固定就 够了 它上面的定位销是在绕钢丝绳的时候 使机械臂a与基座垂直而设计的 穿线孔是防止绕钢丝绳时 钢丝绳彼此重叠 影响转动半径 最终影响虚拟转 动中心的转动精度 固定钢丝绳的两个螺纹孔是靠垫片将绕过螺钉的钢丝绳压 紧而固定的 如图 4 21 c 所示 与末端执行器连接的轴承外套外形也比较简单 功 能也比较少 定位销是绕钢丝绳时 起机械臂 b 与末端执行器相互垂直的作 用 固定板的槽是要与机械臂 b固定的 固定板处的圆弧 不是为了外形而倒 的圆角 而是加工时铣刀半径所产生的 如图 4 21 d 所示 关节轴承外套 2是连接两个机械臂的 它起着承上 启下的作用 图中可以看出 它的结构复杂 附带的功能很多 首先 定位销 是在绕钢丝绳时 保持两个机械臂垂直的 其次 固定板的槽是要与机械臂a 固定的 槽要比机械臂的板厚深 以不干扰轴与它的连接 再次 绕线槽的宽 度要足够可以使钢丝绳绕过两匝 槽的直径也要与对应轴上的槽直径相等 它 要求的加工精度很高 是关系整个机构成败的关键结构 最后 卡环槽是为轴 承定位的 使轴承不产生轴向的移动 上述设计模型全部由 Pro Engineer创建和修改 设计过程中 充分考虑了零 件功能 零件外形 零件重量 零件加工工艺简单等方面 4 3 轴的设计 轴是组成机器的主要零件之一 一切作回转运动的传动零件 都必须安装在 轴上才能进行运动及动力的传递 因轴的主要功能是支承回转零件及传递运动 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 21 和动力 轴的设计和其他零件的设计相似 包括结构设计和工作能力计算两方 面的内容 轴的结构设计根据轴上 所需零件的安装 定位 和轴的制造工艺等 各个方 面的要求 合理 的确定所需轴的尺寸和结构形式 如果轴的结构设计不合理 的话 将会严重的影响轴上零件的工作可靠性和 轴的工作能力 同时还会增 加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等 因此 轴的结构设计是轴设计中的 重要内容 轴的工作能力计算 主要指的是轴的强度 刚度和振动稳定等方面的计算 在大多数情况下 轴的工作能力主要取决于轴的强度 这时需要及时 对轴的 进行强度计算 以防止塑性变形 和断裂 而对刚度要求 比较高的轴和受力 比 较大的细长轴 是 不仅需要以上计算 同时 还应进行刚度的计算 这样是为 了防止轴在工作的过程中 产生过大的弹性变形 对 与高速运转的轴 还 要进 行振动稳定性的计算 以防止 因为轴的 共振而产生破坏 根据轴上零件的安装 定位以及轴的制造工艺等方面的要求 合理地确定轴 的结构形式和尺寸 轴的设计过程 选择材料选择材料 结构设计结构设计 轴的承载能力验算轴的承载能力验算 验算合格验算合格 结束结束 Y N 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 22 4 3 1 轴的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢 常见图4 31 碳钢轴的毛坯多数轧制圆钢 和锻件 有的则直接用圆钢 由于碳钢比合金钢价廉 对应力集中的敏感性较 低 同时也可以用热处理活化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度 故 采用碳钢制造轴尤为广泛 其中最常用的 45钢 合金钢比碳钢具有更高的力学 性能和更好的淬火性能 因此 在穿多大动力 并要求减少尺寸与质量 提高 轴劲的耐磨性 以及处于高温或低温条件下工作的轴 常采用合金钢 必须指出 在一般工作温度下 低于 200 各种碳钢和合金钢的弹性模 量均相差不多 因此在选择钢的种类决定刚的热处理方法时 所依据的是强度 与耐磨性 而不是州的弯曲或扭转强度 但也应当注意 在既定条件下 有时 也可以选择强度较低的钢材 而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚 度 各种热处理 如高频淬火 渗碳 氮化 氰化等 以及表面强化处理 如 喷丸 滚压等 对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果 高强度铸铁和球墨铸铁容易做成复杂的形状 且具有廉价 良好的吸振性 和耐磨性 以及对应力集中的敏感性较低等优点 可用于制造外形复杂的轴 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 23 图4 31轴的常用材料及其主要力学性 抗拉强度 极限 K 屈服 极限 强度 S 弯曲 疲劳 极限 1 剪切 疲劳 极限 1 许用弯 曲应力 1 材料牌 号 热处 理 毛坯直径 mm 硬度 HBS MPa 备注 100 400420 225Q235 A热轧 或锻 后空 冷 100250 375390 215 17010540 用于不太重要及 受载荷不大的轴 100 170217 590295255140正火 100300 162217 570285245135 5545 调质200 217255 64035527515560 应用最广泛 100 73554035520040Cr调质 100300 241286 685490355185 70 用于载荷较大 而无很大冲击的 重要轴 100 270300 90073543026040CrNi调质 100300 240270 785570370210 75 用于很重要的轴 100 229286 73559036521038SiMnM o 调质 100300 217269 685540345195 70 用于很重要的轴 性能接近于 40CrNi 60 293321 930785440280 60100 277302 835685410270 38CrMoA lA 调质 100160 241277 785590375220 75 用于要求耐磨性 和强度高且热处 理变形很小的轴 20Cr 渗磷 淬火 回火 60 渗磷 5262HR C 64039030516060 用于要求强度和 韧性较高的轴 3Cr13 调质100 241 83563539523075 用于腐蚀条件下 的轴 100 5301901151Cr18Ni 9Ti 淬火 100160 192 490 195 180110 45 用于高低温以及 腐蚀条件下的轴 QT600 3190270 600370215185 QT800 2245335 800480290250 用于制造复杂外 形的轴 4 3 2 轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸 轴的结构主要取决于以下因素 轴在机器中的安装位置及形式 轴上安装的 零件的类型 尺寸 数量以及和轴 的连接的方法 载荷的性质 大小 方向及 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 24 分布的情况 轴的加工工艺等 由于影响轴的结构的因素较多 且其结构形式 又要随着具体情况的不同而异 所以轴没有标准的结构形式 设计时 必须针 对不同情况进行具体的分析 但是 不论何种具体条件 轴的结构都因该满足 轴和装在轴上零件要有准确的工作位置 轴上的零件赢便于装拆和调整 轴应 具有良好的制造工艺性等 下面讨论轴的结构设计中要解决的几个主要问题 1 拟定轴上零件的装配方案 拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提 它决定着轴的基本 形式 所谓装配方案 就是预定出轴上主要零件的装配方向 顺序和相互关 系 轴上零件的装配方案不同 则轴的结构形状也不相同 设计时可拟定几种 装配方案 进行分析与选择 2 轴上零件的定位 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动 轴上零件除了有 游动或空转的要求外 都必须进行轴向和周向定位 以保证其准确的工作位置 零件的轴向定位 轴上零件的轴向定位是以轴肩 套筒 轴端挡圈 轴承端盖和圆螺母等来 保证的 本文主要是用到的轴肩定位的 所以重点介绍轴肩定位 轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类 利用轴肩定位是最方便可靠的方法 但采用轴肩就必然会使轴的直径加大 而且轴肩处将因截面突变而引起应力集 中 另外 轴肩过多时也不利于加工 因此 轴肩定位多用于轴向力较大的场 合 定位轴肩的高度h一般取为 为零件相配处的轴的直径 0 070 1 hd d 滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度 以便于拆装轴承 周 建的高度可查手册中轴承的安装尺寸 为了使零件能靠紧轴肩而得到准确可靠 的定位 轴肩处的过渡圆角半径r 必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半 径R 或倒角尺寸 非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的 其高度没有 严格的规定 一般取为 12mm 3 各轴段直径和长度的确定 零件在轴上的定位个拆装方案确定后 轴的形状变大体确定 各轴段所需 的直径与轴上的在和大小有关 初步确定轴的直径时 通常还不知道支反力的 作用点 不能决定弯矩的大小与分布情况 因而还不能按轴所受的具体载荷及 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 25 其引起的应力来确定轴的直径 但在进行轴的结构设计前 通常已能求得轴所 受的扭矩 因此 可按轴所受的扭矩初步估算周所需的直径 将初步求出的 直径作为承受扭矩的轴段的最小直径 然后再按照轴上零件的装配方案和定 min d 位要求 从处起逐一确定各段轴的直径 在实际设计中 轴的直径亦可凭 min d 设计者的经验取定 或参考同类机器用类比的方法确定 最小轴径的确定 min d 3 9550000 0 2d n TT T TP W Mpa 6 33 3 0 9 55 10 d 0 2 PP A nn mm 扭矩 抗扭截面系数 功率 转速 许用应力 T T WPn T 计算直径 材料系数 d 0 A 4 提高轴的强度的常用措施 轴和轴上零件的结构 工艺以及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的 影响 所以应在这些方面进行充分考虑 以利提高轴的承载能力 减少轴的尺 寸和机器的质量 降低制造成本 a 合理布置轴上零件以减少轴的载荷 为了减少轴所承受的弯矩 传动件应尽量靠近轴承 并尽可能不采用悬臂的 支承形式 力求缩短支承跨距及悬臂长度等 b 改进轴上零件的结构以减少轴的载荷 通过改进轴上零件的结构也可减少轴上的载荷 c 改进轴的结构以减少应力集中的影响 轴通常是在变应力条件下工作的 轴的截面尺寸发生在突变处要产生应力集 中 轴的疲劳破坏往往在此出发生 为了提高轴的疲劳强度 应尽量减少应力 集中源和降低应力集中的程度 为此 轴肩处应采用较大的过渡圆角半径r 来降低应力集中 但对定位轴肩 还必须的保证零件得到可靠的定位 当靠轴 肩定位的零件的圆角半径很小时 为了增大轴肩处圆角半径 可采用内凹圆角 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 26 或加装隔离环 当轴与轮毂为过盈配合时 配合边缘处会产生较大的应力集中 为了减少应 力集中 可在轮毂上或轴上开减载槽 或者加大配合部分的直径 由于配合的 过盈量愈大 引起的应力集中也越严重 因而在设计中应合理选择零件与轴的 配合 d 改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 轴的表面粗糙度和表面强化处理方法也会对轴的疲劳强度产生影响 轴的表 面越粗糙 疲劳强度也越低 因此 应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙 度值 当采用对应力集中甚为敏感的高强度材料制作轴时 表面质量尤应与以 注意 表面强化处理的方法有 表面高频淬火等热处理 表面渗碳 氰化 氮化等 化学热处理 碾压 喷丸等强化处理 通过碾压 喷丸进行表面强化处理时 可使轴的表层产生预压应力 从而提高轴的抗疲劳能力 5 轴的结构工艺性 轴的结构工艺性是指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件 并且生产 率高 成本低 一般地说 轴的结构越简单 工艺性越好 因此 在满足使用 的前提下 轴的结构形式应尽量简化 为了便于装配零件并去掉毛刺轴端应制出 45 的倒角 需要磨削加工的轴 段 应留有砂轮越程槽 需要切制螺纹的轴段 应留有退刀槽 它们的尺寸可 参看标准或手册 为了减少装卡工作的时间 同一轴上不同轴段的键槽布置在轴的同一母线上 为了减少加工刀具种类和提高劳动生产率 轴上直径相近处的圆角 倒角 键 槽宽度 砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采用相同的尺寸 4 3 3 轴的计算 轴的计算通常都是初步完成结构设计后进行校核计算 计算准则是满足轴的 强度或刚度要求 必要时还应该校验轴的振动稳定性 1 轴的强度校验计算 进行轴的强度校验计算时 应根据轴的具体受载及应力情况 采取相应的计 算方法 并恰当地选取其许用应力 对于仅仅承受扭矩的轴 应按扭转强度条 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 27 件计算 对于只承受弯矩的轴 应按弯曲强度条件计算 对于既承受弯矩又承 受扭矩的轴 应按弯矩合成强度条件进行计算 需要时还应按疲劳强度条件进 行精确校核 此外 对于瞬时过载很大或盈利循环不对称性较为严重的轴 还 应按峰尖载荷校核其静强度 以免产生过量的塑性变形 a 按扭转强度条件计算 这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度 如果还受又不大的弯矩时 则用降低许用扭转切应力的办法予以考虑 在做轴的结构设计时 通常用这种 方法初步估算轴径 对于不大重要的轴 也可作为最后的计算结果 轴的扭转 强度条件为 3 9550000 n 0 2d TT T P T W 式中 扭转切应力 T Mpa 轴所受的扭矩 TmmN 轴的抗扭截面系数 T W 3 mm 轴的转速 n minr 轴传递的功率 PKw 计算截面处轴的直径 dmm 图4 32常用材料的值和值 T 0 A 轴的材料Q235 A3 20 Q275 35 1Cr18Ni9Ti 45 40Cr 35SiMn 38SiMnMo 3Cr1 3 T N mm 1525 2035 2545 3555 0 A 149126 135112 126103 11297 由上式可得轴的直径 66 33 33 0 9 55 109 55 10 0 20 2 PPP dA nnn 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 28 式中 对于空心轴 则 6 3 0 9 55 10 0 2 A 3 0 4 1 P dA n 式中 即空心轴的内径与外径之比 通常取 1 d d 1 dd0 50 6 应当指出 当轴截面上开有键槽时 应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削 弱 对于直径的的轴 有一个键槽时 轴径增大 有两个键槽时 d100mm 3 应增大 对于直径的轴 有一个键槽时 轴径增大 有7 d100mm 5 7 两个键槽时 应增大 然后将轴径圆整为标准直径 应当注意 这10 15 样求出的直径 只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径 min d b 按弯矩合成强度条件计算 通过轴的结构设计 轴的主要结构尺寸 轴上零件的位置 以及外载荷和支 反力的作用位置均已确定 轴上的载荷已可以求得 因而可按万牛合成强度条 件对轴进行强度校核计算 一般的轴用这种方法计算即可 起计算步骤如下 a 做出轴的计算简图 b 做出弯矩图 c 做出扭矩图 d 校核轴的强度 已知轴的弯矩和扭矩后 可针对某些危险截面做出弯扭合成强度校核计算 按第三强度理论 计算应力 22 4 ca 弯曲应力为对称循环变应力 扭转切应力则常常不是对称循环变应力 为了考虑两者循环特性不同的影响 引入折合系数 则计算应力为 22 4 ca 当扭转切应力为静应力时 取0 3 当扭转切应力为脉动循环变应力 时 取0 6 若扭转切应力以为对称循环变应力时 则 1 对于直径为 d的圆轴 弯曲应力为 扭转切应力 其中 M W 2 T TT WW 的和带入 则轴的弯扭合成强度条件为 22 4 ca 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 29 2 222 1 4 2 ca MT MT WWW 式中 轴的计算应力 ca Mpa 轴所受的弯矩 MmmN 轴所受的扭矩 TmmN 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力 1 轴的抗弯截面系数 其值如下 图4 33 W 3 mm 图 4 33 轴的抗弯截面系数 截面 W T W 3 3 0 1 32 d d 3 3 0 2 16 d d 3 434 1 10 11 32 d d d d 3 434 1 10 21 16 d d d d 2 3 322 bt dtd d 2 3 162 bt dtd d 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 30 截面W T W 2 3 32 bt dtd d 2 3 16 bt dtd d 3 1 1 1 54 32 dd d 3 1 1 16 dd d 2 4 32 dDdDdzb D z 花键齿数 2 4 16 dDdDdzb D z 花键齿数 c 按疲劳强度条件进行精确校核 这种校核计算的实质在于确定变应力情况下轴的安全程度 在已知轴的外 形 尺寸及载荷的基础上 即可通过分析确定出一个或几个危险截面 同时因 为 22 ca S S S SS 所以 安全系数应该大于或等于设计安全系数 即满足 ca SS ca S S 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 31 且 其中对碳钢 对 1 am S K 1 am S K 0 10 2 合金 0 20 3 式中 弯曲疲劳极限的综合影响系数 K 剪切疲劳极限的综合影响系数 K 材料对称循环弯曲疲劳极限 1 疲劳极限的应力幅值 a 疲劳极限的平均应力 m 疲劳极限的应力幅值 a 疲劳极限的平均应力 m 试件受循环切应力时的材料常数 0 5 当仅有法向应力时 应满足 1 ca am S K 当仅有扭转切应力时 应满足 1 am S K 上式中 用于材料均匀 载荷与应力计算精确时 S 1 31 5 用于材料不够均匀 计算精确度较低时 S 1 51 8 用于材料均匀性及计算精确度很低 或轴的直径S 1 82 5 时 d200mm d 按静强度条件进行校核 静强度校核的目的在于评定轴对塑性变形的抵抗能力 轴的静强度是根据轴 上作用的最大瞬间时载荷来校核的 静强度校核的强度条件是 22 ca SS SS SS S S SS SS maxmax s S a S MF WA 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 32 max S S T S T W 式中 危险截面静强度的计算安全系数 ca S S 按屈服强度的设计安全系数 S S 1 21 4 用于高塑性材料制成的钢轴 S S 1 41 8 用于中等塑性材料制成的钢轴 S S 1 82 用于低塑性材料的钢轴 S S 23 用于铸造轴 S S 只考虑弯矩和轴向力时的安全系数 S S 只考虑扭矩时的安全系数 S S 材料的抗弯和抗扭屈服极限 其中 S S paM 0 550 62 SS 轴的危险截面上所受的最大弯矩和最大扭矩 maxmax MT N mm 轴的危险截面上所受的最大轴向力 maxa FN 轴的危险截面的面积 A 2 mm 分别为危险截面的抗弯和抗扭截面系数 T WW 3 mm 2 轴的刚度校核计 算 轴在载荷的作用下 将产生弯曲和扭转变形 若变形量超过允许的限度 就 会影响轴上零件的正常工作甚至会丧失机器应有的工作性能 而轴的弯曲刚度 以挠度或偏转角来度量 扭转刚度以扭转角来度量 轴的刚度校核计算通常是 计算出轴的受载是的变形量 并控制其不大于允许值 a 轴的弯曲刚度校核计算 常见的轴大多为可视为简支梁 若是光轴 可直接用材料力学中的公式计算 器挠度或偏转角 若是阶梯轴 如果对计算精度要求不高的话 则可用当量直 径法做近似计算 即把阶梯轴看成是当量直径的光轴 然后再按材料力学 V d 中的公式计算 当量直径为 V d 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 33 4 4 1 Vz i i i L d l d 式中 阶梯轴的第段的长度 i limm 阶梯轴的第段的直径 i dimm 阶梯轴的计算长度 Lmm 阶梯轴计算长度内的轴段数 z 当载荷作用于两支承之间时 为支承跨距 当载荷作用于悬臂Ll l 端时 K为轴的悬臂长度 LlK mm 轴的弯曲刚度条件为 挠度 yy 偏转角 式中 轴的语序挠度 一般用途的为 ymm0 00030 0005 l 轴的允许偏转角 rad b 轴的扭转刚度校核计算 轴的扭转变形用每米长的扭转角来表示 圆周扭转角 单位为 的计 m 算公式为 光轴 4 5 73 10 P T GI 阶梯轴 4 1 1 5 73 10 z i i i pi Tl LGI 式中 T 轴所受的扭矩 N mm G 轴的材料的剪切弹性模量 对于刚才 MPa 4 8 1 10GMPa 轴截面的极惯性矩 对于圆轴 P I 4 mm 4 32 P d I 阶梯轴受扭矩作用的长度 Lmm 分别代表阶梯轴第段上所受的扭矩 长度和极惯性矩 iipi TlI i 单位同前 阶梯轴所受扭矩作用的轴段数 z 轴的扭转刚度条件为 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 34 式中 为轴没米长的允许扭转角 与轴的使用场合有关 对于一般传动轴 可取 对于精密传动轴 可取 对于精 0 51 m 0 250 5 m 度要求不高的轴 可大于 1 m a 基座轴 b 关节轴 1 c 关节轴 2 d 关节轴 3 图4 34轴的设计 本文的轴 如图4 34所示 与四个轴承外套相对应的四根轴从外形上大致可 以分成两类 一类是不需要绕线的 结构很简单 一类是需要绕线的 带有绕 线圆盘 结构比较复杂 如图 4 34a 所示 基座轴扁的一端要与联轴器相配合 四方一段是要与外 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 35 部卡具相配合 台阶是为了给轴定位 如图 4 34b 所示 关节轴 1 扁的一 端要与联轴器相配合 另一端的螺纹孔要与机械臂a 靠螺钉固定在一起 台 阶也是为了给轴定位 如图 4 34c 所示 关节轴 2 明显比前面两个轴复杂很多 这个轴在功 能上承上启下 将舵机转动的角度传递给机械臂 b 绕线槽的宽度要大于两匝 钢丝绳的直径 槽的直径也要与对应轴承外套上的槽直径相等 台阶轴的设计 是给轴承定位的 台阶轴末端的两个螺纹孔与机械臂 b 固定在一起 如图 4 34d 所示 关节轴 3 也比较复杂 这个轴将 RCM 模块与末端 执行模块连接在一起 将转动角度传递给末端执行器 从而完成末端执行器围 绕虚拟远程转动中心转动的工作 定位销孔是为了在绕钢丝绳时 可以保持机 械臂 b 与末端执行器相互垂直而设计 穿线槽是将绕线从中穿过 绕过固定线 的螺钉 再穿入绕线槽中 这个设计可以使 在固定线螺钉拧紧前 自动平衡 钢丝绳两端的绷紧力 当钢丝绳两端固定后 再将此处螺钉拧紧 起到固定钢 丝绳的作用 为了减轻零件的 重量 可以将轴的圆盘铣掉一圆形凹槽 整个轴 的设计除了考虑了与轴承配合外 还充分考虑了钢丝绳缠绕和固定的问题 设 计满足预定目标 符合功能 需要 4 4 联轴器的设 计 联轴器主要是连接轴与轴 以传递运动和扭矩 而联轴器所连接的两轴 由于制造及安装误差等影响 往往不能保证严格的对中 而存在这某种程度的 相对外移 如图 4 41这就要设计联轴器时 要从结构上采取各种不同的措施 使之具有适应一定范围的相对外移的性能 图4 41联轴器所连两轴的相对位移 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 36 绝大多数联轴器均以标准化或规格化 一般机械设计者的任务组要是选用 而不是设计 下面介绍选用联轴器的基本步骤 4 4 1 联轴器类型的选择 选择一种合用的联轴器类型可考虑以下几点 1 考虑传递转矩的大小 性质以及对缓冲减振要求 例如 对大功率重 载传动 宜选用齿轮联轴器 严重冲击载荷或消除轴系扭转振动的传动 宜选 用轮胎联轴器 2 考虑工作转速的高低和引起离心力的大小 对高速传动轴 宜选用平 衡精度较高的膜片联轴器 不能选用存在偏心的滑块联轴器 3 两轴相对位移的大小和方向 安装调整两轴难以精确对中 或者工作 中产生较大位移时 应选用挠性联轴器 例如 径向位移较大时 选用滑块联 轴器 角位移较大 或两轴相交时 选用万向联轴器 4 考虑可靠性和工作环境 通常由金属制成的不需要润滑的联轴器工作 比较可靠 需要润滑的联轴器 其性能易受润滑完善程度的影响 且可能污染 环境 含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度 腐蚀介质 强光等比较敏感 而且容易老化 5 联轴器的制造 安装 维护和经济性 在满足使用要求的前提下 压 选择装拆方便 维护简单 成本低廉的联轴器 例如 刚性联轴器不仅结构简 单 而且装拆方便 可用于低速 刚性大的传动 弹性联轴器具有较好的综 合性能 广泛应用于一般的中 小传动 6 联轴器的制造 安装 维护和成本 在满足使用性能的前提下 应当 选用装拆方便 维护简单 成本低的联轴器 例如 刚性联轴器不但结构简单 而且装拆方便 可用于低速 刚性大的传动轴 一般的非金属弹性元件联轴器 由于具有良好的综合性能 广泛适用于一般的中小功率传动 4 4 2 联轴器扭矩的计算 由于机器起动时的动载荷和运转中可能出现过载的现象 所以应当按轴上的 最大转矩作为计算转矩 计算转矩按下式计算 ca T caA TK T 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 37 式中T为公称扭矩 为工作情况系数 A K 图4 42工作情况系数 A K 原动机 A K 工作机 电动机 汽轮机 多缸内 燃机 双缸内 燃机 单缸内 燃机 发电机 小型通风机 小型离心机 1 31 51 82 2 透平压缩机 木工机械 输送机 1 51 72 02 4 搅拌机 增压机 有飞轮的压缩机 1 71 92 22 6 织布机 水泥搅拌机 拖拉机 1 92 12 42 8 挖掘机 起重机 碎石机 造纸机械 2 32 52 83 2 压延机 重型初轧机 无飞轮活塞泵 3 13 33 64 0 确定联轴器的型号 根据计算转矩及所选的联轴器类型 按照 ca T ca TT 的条件由联轴器标准中选定该联轴器型号 上式中的 T 为该型号联轴器 的许用转矩 4 4 3 联轴器最大转速的校核 被联接轴的转速 不应超过联轴器许用的最高转速 即 nmax n nmax n 4 4 4 联轴器轴孔直径的协调 多数情况下 每一型号联轴器适用的轴的直径均有一个范围 标准中或者 给出轴的直径的最大和最小值 或者给出适用直径的尺寸系列 被连接两轴的 直径应当在此范围之内 一般情况下被连接两轴的直径是不同的 两个轴端的 形状也可能是不同的 如主动轴轴端为圆柱形 所连接的从动轴轴端为圆锥形 4 4 5 联轴器相应部件安装精度的规定 根据所选联轴器允许轴的相对位移偏差 规定部件相应的安装精度 通常 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 38 标准中只给出单项位移偏差的允许值 如果有多项位移偏差存在 则必须根据 联轴器的尺寸大小计算出相互影响的关系 以此作为规定部件安装精度的依据 4 4 6 联轴器其他必要的校核 联轴器除了要满足转矩和转速的要求外 必要时还应对联轴器中的零件进 行承载能力校核 如对非金属元件的许用温度校核等 图4 43联轴器的设计 本文考虑到舵机输出轴与基座轴或关节轴 由于制造和安装误差 承载 后的变形以及温度变化的影响等 会引起两轴相对位置的变化 往往不能保证 严格的对中 所以要采用联轴器连接两轴 如图4 43所示 联轴器为圆柱体 其上下端面的两个槽是互相垂直的 凸 块是与舵机输出转盘固定的 凸块插入到联轴器方向的槽中 可以避免X 方向的两轴心不对中 基座轴插入到联轴器方向的槽中 可以避免方XYY 向的两轴心不对中 对于任意方向的两轴心不对中 可以通过方向联合调XY 整 本机构的联轴器要求能传递运动和转矩 具有不同程度的轴向 径向 角向 补偿性能 还具有不同程度的减振 缓冲作用 改善传动系统的工作性能 所 以选择了塑料的联轴器 即可以达到性能上的要求 也减轻了机构的重量 符 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 39 合设计要求 4 5 机械臂的设计 机械臂在 RCM机构中是起连接作用的零件 它连接两个关节 它的长度决 定着远程运动中心与整体机构距离的远近 本机构一共有两个机械臂 为加工 方便和可以使机构在不用时折叠 以节省空间 将它们设计为完全相同的两个 机械臂 事实上 可以根据不同的实际应用情况 将两个机械臂设计为长度不 相等 由绳驱动 RCM原理可知 这样并不会影响 RCM机构功能的实现 经过论证 机械臂采用了工字梁的结构设计 工字梁的特点是 强度高 重量轻 由于在钢丝绳预紧后 钢丝绳的绷紧力很大 经查询 可以使 2mm厚 的铝合金 板材产生弹性形变 同时配合单项齿槽的卡具有标准件 也容易加工 实 现起来比较 容易 这对机构功能的影响很大 考虑到强度和重量的要求 设计 中选择工字梁作为机械臂的基本结构 图4 51机械臂的设计 如图4 51所示 机械臂结构复杂 外形美观 功能齐全 机械臂一端与轴 相连 另一端与轴承外套固定 可以随轴的转动而转动 并且转动角度相同 圆型板的设计与轴承外套直径相同 充分保护轴承 它圆心处的两个孔用于来 与轴连接 边缘的孔是定位销孔 在绕钢丝绳时让机械臂a与基座 机械臂 a 与机械臂 b保持垂直 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 40 图4 51中左下角为减重孔的放大图 为了最大限度的减轻机械臂的重量 在保证强度足够的条件下 可以在工字梁的连接筋板上打减重孔 图4 51中 右上角为固定卡线滑轮的钩状结构 滑轮可在工字梁上下板之间 滑轮杆卡入 钩内 依靠钢丝绳的反作用力将滑轮固定在其中 机械臂的造型独特 创意新颖 是整个机构中最别致的零件 设计充分考虑 了减轻重量 功能全面 外形美观 加工方便等问题 4 64 6 舵机的选择 本机构共需三个舵机 其中 RCM模块需要两个舵机分别控制其两个方向的 转动 末端执行模块需要一个舵机驱动曲柄滑块机构运动 根据设计要求 先对舵机进行转矩估算 此处转矩估算为粗略计算 如图3 7 所示 将 RCM模块简化后投影 可以等效于两根连杆 末端和连接处的重量均 为多个零件的重量累加 粗略等效集中于一点 固定点所受的转矩与转动角度 有关 经分析 将估算过程分为时的转矩估算和时 090 90180 的转矩估算两部分 当时 如图 4 61a所示 列转矩方程如下 090 11112213 14 2 cos cos coscos TPllPllPlPl 已知数据如下 1 124312 71 20 43 140 70 2 l Pg PPg Pg lmm lmm 代入数据得 1 1 1342 016cos TKg cm 由上式可以看出当时 转矩最大为 0 1max 3 15TKg cm 当时 如图 4 61b所示 列转矩方程如下 90180 21112213 14 2 cos cos coscos TPllPllPlPl 已知数据如下 1 124312 71 20 43 140 70 2 l Pg PPg Pg lmm lmm 代入数据得 1 1 1342 016cos TKg cm 由上式可以看出 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 41 当时 转矩最大为 180 2max 0 882 TKg cm a b 090 90180 图4 61RCM模块受力简图一 综上所述 当时 转矩最大为 由于估算时忽略0 1max 3 15TKg cm 了摩擦力 螺钉和螺母等配件的重量 所以 为安全起见 将所得最大转矩增 大倍当作实际转矩 再选择舵机 经过调研 我们选择了几款舵机进行参2 3 数和性能的对比 由于这个方向的转动需要转角和较大的转矩 最终选择180 了汉库公司的一款机器人专用舵机 如图 4 62所示 图4 62汉库HG14 M型数字自锁伺服电机舵机 RCM模块中另一个方向的舵机的转矩估算比较麻烦 也可以将整体机构简 化后投影 等效于杆件的组合来估算固定点的转矩 如图4 63所示 此处 固定点的转矩与此方向转动角度和另一个方向转动角度都有关系 经分析 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 42 将估算过程分和两种情况分别估算 180 90 a b 180 90 图4 63RCM模块受力简图二 当时 如图 4 63a所示 列转矩方程如下 180 363cos TP l 已知数据如下 63 368 60 Pg lmm 代入数据得 3 2 208cos TKg cm 由上式可以看出当时 转矩最大为 0 3max 2 208TKg cm 当时 如图 4 63b所示 列转矩方程如下90 45134237 3 sincos sincos cos TP llP llPl 已知数据如下 457123 20 134 99 140 70 60 Pg Pg Pg lmm lmm lmm 代入数据得 4 2 016sin1 518cos TKg cm 有三角函数得 转矩最大为 1 518 90 arctan154 5 2 016 当时 22 4max 2 0161 5182 524TKg cm 综上所述 当时 转矩最大为 由于估算时154 5 max 2 254TKg cm 忽略了摩擦力 螺钉和螺母等配件的重量 所以 为安全起见 将所得最大转 北京邮电大学世纪学院毕业设计 论文 43 矩增大倍当作实际转矩 再选择舵机 经过调研 我们选择了几款舵机进23 行参数和性能的对比 由于这个方向的转角范围为 所以选用 4 64JR的120 一款大力矩舵机 如图 4 64所示 图4 64JR舵机 末端执行模块的舵机是用来驱动曲柄滑块机构的 由于此曲柄滑块机构负载 很小 所以舵机的转矩可以在范围 整体机构的尺寸也决定了这个13Kg cm至 舵机的尺寸要很小 以不影响整体机构的美观 所以 我们选择了至今为止全 世界最轻最小的一款舵机 Futaba 的微型数字舵机 S3154 该舵机的参数如 图 4 65 所示 图 4 65Futaba 的微型数字舵机 S3154 舵机 Futaba S3154 是专为小型电动模型而设计的轻量化微型数码舵机 其最 高操作电压是 超过此工作电压会引起舵机损坏或缩短使用寿命 速