【《某医用振动钻机械臂主要部件详细设计计算过程案例》3700字】

某医用振动钻机械臂主要部件详细设计计算过程案例1.1进给丝杠选型设该振动钻机械臂能够承受的最大负载为10kg，丝杠带动的其余部件重5kgF－稳态力（N）m－总的工作质量（kg）－最大加速度（m/）－丝杠导程（mm）－考虑丝杠本身转动惯量影响转矩T应增加的百分数对于惯性负载通常取较大值（20%-30%），对于常定负载通常取较小值（10%-15%）[10]T=按扭转强度估算直径为许用扭转剪应力，对于滚珠丝杆常用材料为中碳钢，取值25～45这里取35dmin在选择进给丝杠时必须考虑进给应尽可能稳定，并且频率精度应与假定的±0.5mm定位精度相匹配。根据十倍原则，进给螺杆的往复精度应大于或等于0.05mm。同时，确保它可以处理移动平台的负载。最终选用GGP正反牙滚珠丝杠滑台（如图8）。该滑台的具体参数如表1所示：表1GGP正反牙滚珠丝杠滑台行程最高速递一圈位移最大负载往返精度100mm50mm/s2mm水平15KG垂直10KG≥0.05mm图8双光轴滚珠丝杠滑台图9滑台与机械臂连接1.2升降机的选择从SWL2.5系列中选择一种新型的螺旋丝杠升降机，涡轮升降机是主要的升降组件之一，与其他起重机构相比，具有许多优势。它可以单独使用，也可以组合使用[11]。蜗轮可以按照一定的比例精确地控制起升速度和推力高度。电源可以是手动或电动的，并且可以在恶劣的环境中使用。（见表2）表2：升降结构的主要性能参数型号结构形式装配形式丝杆头部形式传动比提升承载能力SWL2.5I型B型法兰型24：12.5KN中间转向装置选用了T系列螺旋齿轮转向箱，主要结构是两个锥齿轮啮合，起到转向作用。提升承载能力校核如下：总质量为：[130kg（平台质量）+18kg（ur10质量）+10kg（骨钻质量）]x10/40%（安全系数）=1.95kN设有4个螺旋升降机，但是在实际使用中最少有3个支撑脚同时支撑在地面上，所以：2.5KNx3=7.5kN满足承载能力要求，并且留有一定富余量。提升速度计算：丝杆螺纹尺寸为Tr30x6，速比选择24:1，电机转速为1400r/min，所以丝杆升降的速度为v=1400r/min÷24×6mm=350mm/min满足工作要求。1.3电动机的选择鉴于连接到UR10e机器人手臂控制箱的电气控制接口的所有电压和电流均为直流电（直流电）以及医院环境条件（通常为单相电源），因此研究选择了单相异步直流流电动机[12]。选择的电机输出转速为n=1400r/min，提升重量W=1.95KN，提升速度V=350mm/min，传动效率ŋ=0.11，输出功率计算公式：电机功率（瓦特）=提升重量（牛顿）×提升速度÷60÷传动效率代入上公式得：P=3950×0.350÷60÷0.11=210w从而经过对比选择370w功率的单相交流电机。（如图10减速电机）图10减速电机选择HUAJI/华机单相齿轮减速机+无极调速电机YTC-370-4/125370W220V1:181台刚度是设计和计算机械臂的大前提[13]，在保证刚度的前提下应当尽量减少所占用的体积，使手术室的空间得到最大化利用（如图11）由分析可得，外部负载和手的自重是机械手臂的负载转矩主要原因。该医疗机械臂的设计初步要求为能承受8kg的载荷，设定最末机械关节的自重是1kg，固有作用在最末端机器人关节的负载为9kg。最末端机械关节长度约为60mm，则力臂l1=60mm。是故可得最末端机械臂的最大负载转矩是：T腕关节具有一个屈伸自由度和一个收展自由度，屈伸自由度负载转矩与收展自由度负载转矩相等，均为5.292N∙m。图11机械臂结构图1.4锥齿轮选型计算电机驱动的输入功率P=0.5KW，小齿轮转速为n1=37r/min，齿数比u=1.5，由电机驱动，工作寿命1000h[15]选定齿轮类型，精度控制等级，零件材料类型及所用齿轮选取直齿锥齿轮传动，压力角取为20。该平台为一般机器，取用7级精度。材料抉择，初步选定小齿轮为40Cr（调质），齿面硬度280HBS，大齿轮材料45钢（调质），齿面硬度为240HBS。选小齿轮为z1=28，大齿轮齿数z2=u按齿面接触疲劳强度设计由式算小齿轮分度圆直径d1t≥式中：d1tKHtT为小齿轮传递的扭矩，单位为N•mmΦRu为大小齿轮间的传动比σHZHZE为齿轮材料的弹性影响系数，单位为确定公式中的各参数值试选KHt②计算小齿轮传递的转矩T1=1.61×选取齿宽ΦR查得区域系数ZH由表查得材料的弹性影响系数ZE=189.5⑥计算接触疲劳许永应力[σ1t]，小大齿轮接触疲劳极限分别为σHlim1=600MPa，σHlim2=550MPa，计算循环次数，N1=60n1jLh=60×37×1×2×8×300×15=1.60x10查手册有接触疲劳寿命系数KHN1[σH]1=KHN1σHlim1S=0.91X6001取较小者为齿轮副的接触疲劳许用应力即[σH]2）试算小齿轮分度圆直径d1t≥=3=105.242mm(2)调整小齿轮分度圆直径1）数据准备①圆周速度Vdm1=d1t（1-0.5ΦVm=πd1m②当量齿轮的齿宽系数Φb=ΦRd1tΦd=b/d计算实际载荷系数①由表查得使用系数KA②根据Vm=0.173m/s，8级精度，查手册有动载荷系数K③直齿锥齿轮加工传动精度较低，取齿间载荷分配系数KHα④由表用线性插值法查得7级精度，小齿轮为悬臂梁时，得齿向载荷分布系数KHβKH=K3）由式可得按实际载荷系数算得分度圆直径为d1=d1t3KH相应模数m=d1/z1=113按齿根弯曲疲劳强度设计试算模数mt≥式中mtKFtT1Φz1u为大小齿轮间的传动比YFaYSaσF确定各参数值并带入公式①试取KFt②计算Y由分锥角δ1=arctan（1/u）=arctan(1/3)=18.434°和δ2=90°-18.434°=71.566°，可得当量齿数Zv1=Z1cos齿形系数YFa1=2.57，Y由图查得应力修正系数YSa1=1.59，Y小齿轮大齿轮齿根弯曲疲劳极限分别为σFlim1=520MPa，σ取弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，K取弯曲疲劳安全系数S=1.7得[σF]1=KFN1σFlim1S=取YFa1YSa1[σ取YFa2）计算模数mt≥=3=4.51mm（2）调整齿轮齿数[16]1）数据准备①圆周速度d1=mdm1=d1（1-0.5ΦRVm=πd1m②齿宽bb=ΦRd1t2）计算实际载荷系数K①根据Vm=0.178m/s，8级精度，由手册有动载荷系数K②直齿锥齿轮加工传动精度较低，齿间载荷分配系数KFα③用线性插值法取得KHβ=1.186，于是K由式可得实际载荷KF=K3）算齿轮模数为m=mt3K按齿根弯曲疲劳强度计算的模数，就近选择标准模数m=4mm。按接触疲劳强度计算算得分度圆直径d1=111.算得小齿轮齿数Z1=d1/m=11取Z1=29，则大齿轮齿数Z2=uZ14几何尺寸计算（1）计算分度圆直径d1=Zd2=Z（2）计算分锥圆δ1=arctan（1/u）=arctan(1/3)=18.434°和δ2=90°（3）计算齿轮宽度b=ΦRd1t取b1=b5主要设计结论齿数Z1=28，Z2=42，模数m=4mm,压力角α=20°，变位系数x1=0，x2=0，分锥角δ1=18.434°，δ2=图12：锥齿轮传动1.5倾覆稳定性校核该小节的关键是讨论在较大的机械臂伸展度工作条件下，科学研究测试服务平台的稳定性问题。在对测试服务平台进行倾覆稳定性判别之前，设计团队对测试系统软件进行了以下假设：（1）地面是完美平面，即假设手术室地面是完全平整；（2）机械臂与移动平台刚性连接，移动平台与以及接骨钻机械臂均是刚性的；（3）抽象的四个支撑脚都可以视为与地面的点接触；（4）支撑脚是刚性的，也就是说支撑脚在承受载荷时不会发生形变[18]。末端执行机构骨钻的重力、骨钻实际工作情况下的反作用力、机械臂关节在移动时加速度引起的惯性力等，都是影响系统倾覆稳定性的原因，比如因为由于本人设计研究的振动钻机械臂是在缓慢条件中展开设计的，因而所产生的惯性力很小，所以我们就只讨论下面所展开描述的两种情况，即静态情况和静态并受工作反力的情况。因为本节主要考虑骨钻机械臂最大工作范围的前提下，所以首先把在机械臂完全伸展开的简化状态下如图所示，在仅考虑重力情况下讨论该系统的质心、机械臂骨钻的质心、连杆长等因素，应用杠杆原理校核该系统的倾覆稳定性。这些数值主要来源于Solidworks仿真软件的计算，为了计算说明方便，下面以简化图说明这些数值的关系。如图13：骨钻机械臂极限位置图13中的各参数值如下：m0=210kg，m1=30kg，L0=0.252m，L1=0.022m，L2=0.704m，L3=0.373m，L4=0.312m只有末端执行器骨钻的重力的情况下时：M1=m0gL0-m1g（L1+L2）=302.741N·m＞0M>0说明在末端执行器骨钻与平台的重力同时作用情况时支撑脚2是受力的，从而可