腳踝康復機構(gòu)的設(shè)計【含CAD圖紙和說明書】

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There are two rehabilitation robot: robot-assisted rehabilitation and rehabilitation robots. Robot-assisted rehabilitation is to help patients with limb movement difficult to complete a variety of actions, such products are wheelchair robots, robot nurses, prosthetic robot, mechanical exoskeleton like. Rehabilitation robot is the perfect combination of medical rehabilitation and robotics, rehabilitation robotics in Europe and other countries have received widespread attention researchers and medical institutions, many research institutions have carried out relevant research work in recent years has made some valuable results. For patients with stroke, paralysis, lower limb motor function injury, the ankle rehabilitation agencies have a very good therapeutic effect. The two most important from ankle rehabilitation theory analysis, involving a total of ankle flexion, varus, internal and external rotation three degrees of freedom, the most important is flexion, varus two degrees of freedom, in determining whether the patient rehabilitation movement. The existing ankle rehabilitation institutions, most of them only ankle flexion exercise a degree of freedom that is not conducive to a comprehensive rehabilitation of patients. From the figure, the first option, with a pair of bevel gear transmission is completed, the second solution, using a pair of spur gear and a pair of small bevel gear instead of a pair of bevel gears. Comprehensive comparison of the pros and cons, choose the best, and ultimately decided to use the second transmission scheme to reduce the size of the space, reduce body weight. Keywords: rehabilitation robotics, bevel gear, ankle rehabilitation agencies 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2 本課題研究的內(nèi)容及方法 1 1.2.1主要的研究內(nèi)容 1 1.2.2設(shè)計要求 1 第2章 腳踝康復機構(gòu)方案的設(shè)計 3 第3章 踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 6 3.1電機驅(qū)動和減速器的選擇 6 3.1.1踝關(guān)節(jié)運動角度和擺動速度 6 3.1.2電機、減速器的選擇 6 3.2設(shè)計系統(tǒng)尺寸 9 3.2.1確定腳踏板和框架尺寸 9 3.2.2確定傳動方桿尺寸 10 3.2.3確定系統(tǒng)的尺寸圖 10 3.3 齒輪設(shè)計與計算 11 3.4 軸的設(shè)計與計算 20 3.4.1 輸入軸的設(shè)計與計算 20 3.4.2 中間軸的設(shè)計與計算 22 3.4.3 輸出軸的設(shè)計與計算 25 3.5 軸承的校核 27 3.5.1 輸入軸上軸承壽命計算 27 3.5.2 中間軸上軸承壽命計算 28 3.5.3 輸出軸上軸承壽命計算 29 3.6 鍵的選擇和校核 31 3.6.1 鍵的選擇 31 3.6.2 鍵的校核 31 第4章 機架的設(shè)計 32 4.1對機架結(jié)構(gòu)的基本要求 32 4.2機架的結(jié)構(gòu) 33 4.3橫梁設(shè)計 34 4.4機架的基本尺寸的確定 34 4.5主要梁的強度校核 34 結(jié)論 37 參考文獻 38 致 謝 39 第1章 緒論 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 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。腳踝康復機構(gòu)發(fā)展主要經(jīng)歷了幾個階段。由早期的簡單步行訓練機發(fā)展到現(xiàn)在功能豐富、符合人體運動機理的腳踝康復機構(gòu)。早期發(fā)展的下肢康復訓練系統(tǒng)是借助于跑步機、懸吊系統(tǒng)等幫助患者進行運動訓練，此種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但訓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，還不能稱為康復訓練機器人，只能是一種半自動的康復訓練機械，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訓練，這種機械對下肢病情比較輕的病人較合適。 康復訓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訓練，該類產(chǎn)品有行走訓練、手臂運動訓練、脊椎運動訓練等?？祻蜋C器人有兩種：輔助型康復機器人和康復訓練機器人。輔助型康復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。 康復機器人是康復醫(yī)學和機器人技術(shù)的完美結(jié)合，康復機器人技術(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、偏癱、下肢運動機能損傷等患者來說，腳踝康復機構(gòu)有著很好的治療效果。 1.2 本課題研究的內(nèi)容及方法 1.2.1主要的研究內(nèi)容 在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)腳踝康復機構(gòu)設(shè)計理論及相關(guān)知識的資料和文獻基礎(chǔ)上，綜合考慮腳踝康復機構(gòu)結(jié)構(gòu)特點、具體作業(yè)任務特點以及腳踝康復機構(gòu)的推廣應用，分析確定使用腳踝康復機構(gòu)實現(xiàn)自動化目的。 為了實現(xiàn)上述目標，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，確定康復機器人整體設(shè)計方案。 2 確定康復機器人的性能參數(shù)，對初步模型進行靜力學分析，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。 1.2.2設(shè)計要求 1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，提出康復機器人的整體設(shè)計方案； 2 完成康復機器人結(jié)構(gòu)的詳細設(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。 第2章 腳踝康復機構(gòu)方案的設(shè)計 踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的結(jié)構(gòu)既要滿足踝關(guān)節(jié)康復訓練模式的要求，又要滿足機構(gòu)本體設(shè)計的理論依據(jù)，上述分析為機構(gòu)本體的設(shè)計打下基礎(chǔ)。其技術(shù)路線如圖2-1所示。 圖2-1 踝關(guān)節(jié)康復機器人的技術(shù)路線 從踝關(guān)節(jié)康復理論分析可知，踝關(guān)節(jié)共涉及伸屈、內(nèi)外翻、內(nèi)外旋三個自由度，最主要的是伸屈、內(nèi)外翻兩個自由度，也是決定患者是否康復的最主要的兩種運動。而現(xiàn)存的踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)，大多只能鍛煉踝關(guān)節(jié)伸屈這一個自由度，不利于患者的全面康復。針對上述問題，論文設(shè)計了兩種踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的方案，如圖2-2和圖2-3所示。 從圖中可知，第一種方案，用一對大錐齒輪完成傳動，第二種方案，用一對直齒輪和一對小錐齒輪代替一對大的錐齒輪。綜合比較利弊，擇優(yōu)選擇，最終決定選用第二種傳動方案，以減小空間尺寸，減輕機構(gòu)重量。 圖2-2 第一方案簡圖 圖2-3 第二方案簡圖 圖2-4是該方案的傳動示意圖，該機構(gòu)能模擬踝關(guān)節(jié)真實運動，有利于患者治療踝關(guān)節(jié)扭傷和正確矯形。其中第一路傳動路線控制踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外翻運動，第二路傳動路線控制踝關(guān)節(jié)的伸屈運動，通過接合不同的電磁離合器，控制腳踝不同的康復運動：接合第一電磁離合器，則腳踝做內(nèi)外翻運動；接合第二電磁離合器，則腳踝做伸屈運動。使用本機構(gòu)的患者，可以針對自身實際情況，只進行某一種康復運動；也可以隨時改換離合器的接合按鈕，進行兩種不同的康復運動。 圖2-4 機構(gòu)的兩路系統(tǒng)傳動圖 第3章 踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1電機驅(qū)動和減速器的選擇 3.1.1踝關(guān)節(jié)運動角度和擺動速度 該機構(gòu)的運動范圍應當由人類直線行走時的運動范圍所決定。設(shè)計角度既要保證康復機構(gòu)能夠帶動患者按正常步態(tài)運動，又不能誤傷到患者，這就需要參考人類正常行走范圍的同時對運動的角度范圍加以限制，如表2所示。即踝關(guān)節(jié)設(shè)計角度要大于正常走動的角度而又小于人體極限的擺動角度，如此才能保證實現(xiàn)人體正確步行軌跡，又能保證安全。 （1) 從表3-1可見，該康復機構(gòu)的關(guān)節(jié)設(shè)計角度為：背伸20o，跖屈25o，內(nèi)翻20o，外翻15o。該角度在病人踝關(guān)節(jié)可以承受范圍之內(nèi)，并可模擬正常走路角度。 表3-1 康復機構(gòu)踝關(guān)節(jié)運動范圍 運動名稱 人體極限擺動角度 人體正常走動角度 機構(gòu)設(shè)計角度 背伸 30o 14o 20o 跎屈 45o 20o 25o 內(nèi)翻 45o 14o 20o 外翻 30o 10o 15o 按照理療師的要求，在大于6s的時間內(nèi)完成背伸、跖屈運動，背伸0~20o，跎屈0~25o，那么按照要求，減速器輸出端的角速度為 （3-1） （2) 同樣，在大于6s時間內(nèi)完成外翻、內(nèi)翻運動，外翻0~20o，內(nèi)翻0~15o，那么按照要求，減速器輸出端的角速度速為 （3-2） 根據(jù)上述分析，我們按照較大角速度0.26rad/s選擇電機，即腳踏板轉(zhuǎn)速為2.5r/min 3.1.2電機、減速器的選擇 （1） 理論分析 踝關(guān)節(jié)康復運動機構(gòu)的目的是對踝關(guān)節(jié)進行背伸、跖屈，外翻、內(nèi)翻的康復訓練，除了滿足各個自由度運動角度之外，還需要提供一定的關(guān)節(jié)力矩。下面是針對一批正常人和一批腦卒中偏癱患者分別進行背伸、跖屈，外翻、內(nèi)翻兩個自由度關(guān)節(jié)所需的力矩實驗結(jié)果，而這批力矩數(shù)據(jù)為電機的選型提供了依據(jù)。 表3-2 正常人背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻所需力矩實驗結(jié)果 樣本 年齡 身高 體重 性別 背伸(Nm) 跖屈(Nm) 內(nèi)翻(Nm) 外翻(Nm) 1 27 174 73 男 14.406 6.174 4.41 4.41 2 27 165 64 男 14.406 6.174 2.94 4.41 3 26 178 65 男 7.203 6.174 2.744 2.744 4 25 163 55 女 10.29 6.174 3.43 3.92 5 23 170 60 男 11.319 5.762 1.96 3.43 6 23 162 52 女 10.29 4.939 2.45 3.136 7 25 158 48 女 8.232 6.174 3.92 3.43 8 29 176 70 男 14.818 4.116 3.528 5.88 9 25 178 68 男 10.702 7.409 3.92 4.116 平均值 26 170 62 11.690 6.579 3.782 4.456 表3-3 偏癱患者背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻所需力矩實驗結(jié)果 樣本 年齡 性別 背伸(Nm) 跖屈(Nm) 內(nèi)翻(Nm) 外翻(Nm) 1 46 男 10.29 6.174 2.45 2.94 2 53 男 10.29 6.174 1.96 3.43 3 50 男 8.232 6.174 1.96 2.94 平均值 50 9.604 6.174 2.123 3.102 參考這兩組實驗結(jié)果，背伸/跖屈關(guān)節(jié)力矩選擇最大值Me1=16Nm，內(nèi)外翻關(guān)節(jié)力矩選擇最大值Me2=6Nm，作為電機選型的參考力矩。由于兩個自由度運動使用的是一個電機，故按照較大值Me1=16Nm作為依據(jù)來選擇電機。又考慮到設(shè)計結(jié)構(gòu)中腳踏板下安裝了兩個彈簧用于恢復腳踏板與地面平行狀態(tài)，彈簧會損耗部分力矩Ms=9Nm，因此驅(qū)動腳踏板所需力矩為M=Me+Ms= 25Nm 驅(qū)動腳踏板所需功率為 （3-4） 考慮到運動過程中有功率損耗，故留1.5倍余量，背伸/跖屈時，電機所需為 （2) 電機、減速器的選型計算 電機是低扭矩、高轉(zhuǎn)速的驅(qū)動部件，單獨的電機轉(zhuǎn)速太高、扭轉(zhuǎn)矩太小，故電機的輸出軸要經(jīng)過減速器進行減速，才能滿足所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的要求，所以伺服電機后加一個減速器。綜合考慮各種減速器的特點，最終決定選用減速比高、體積小的電機直聯(lián)型諧波減速器。故驅(qū)動元件選擇交流伺服電機+諧波減速器的方式，來提供輸出力矩。 諧波減速器的特點：傳動比大，承載能力強，傳動精度高，傳動平穩(wěn)，效率高，體積小，質(zhì)量輕。 根據(jù)日本的Harmonic Drive LLC產(chǎn)品樣本手冊，選擇CSF Series Ratings系列的型號為20的諧波減速器。該減速器的兩端為孔式輸出（輸入），因此省去了聯(lián)軸器，簡化了結(jié)構(gòu)，縮小了機構(gòu)尺寸，降低了成本。具體參數(shù)如表5。 表3-4 諧波減速器參數(shù) 諧波減速器名稱 Harmonic Drive LLC 型號 CSF Series Ratings 20 傳動比 160 額定扭矩(Nm) 40 電機所需輸出扭矩為 （3-5） 式中，T為電機輸出扭矩，M為腳踏板所需扭矩，i為諧波減速器的減速比。 電機輸出轉(zhuǎn)速 （3-6） 電機所需功率為9.8w。 考慮到該踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)需左、右轉(zhuǎn)兩個方向運動，來控制踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈、外翻/內(nèi)翻康復運動，所以電機須選用伺服電機。綜合考慮康復機器人的工作條件和載荷特點（驅(qū)動病人踝關(guān)節(jié)做康復運動，啟動不頻繁，換向頻繁），最終決定選用選擇松下A5交流伺服電機，規(guī)格及參數(shù)如表3-5。 表3-5 伺服電機參數(shù) 電機型號 MSME 5AZG1 額定輸出功率(w) 50 額定轉(zhuǎn)矩(Nm) 0.16 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 3000 電壓(V) AC200v 圖3-6 電機扭矩特性圖 每個伺服電機都要有一個與之相匹配的伺服驅(qū)動器，沒有伺服單元的驅(qū)動，電機將不能轉(zhuǎn)動。和MSME 5AZG1伺服電機相匹配的伺服驅(qū)動器為A5系列的MADHT 1505，屬于電機內(nèi)置保持器。它可以實現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的控制，具有電流、過負載、過電壓、過速度、電機異常、編碼器異常等保護功能，利用電機自帶的編碼器反饋信號能夠構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 根據(jù)電機轉(zhuǎn)矩特性曲線圖3-6可知，在低于額定轉(zhuǎn)速時，電機恒轉(zhuǎn)矩輸出，高于額定轉(zhuǎn)速時，電機恒功率輸出。因此400r/min時，電機輸出扭矩為0.16Nm，經(jīng)過諧波減速器，關(guān)節(jié)輸出力矩為 在諧波減速器可承受的扭矩范圍之內(nèi)（40Nm），滿足設(shè)計要求。電機輸出軸直徑為。經(jīng)過兩對齒輪傳動效率降低，最終驅(qū)動腳踏板的力矩為M=25Nm。 3.2設(shè)計系統(tǒng)尺寸 3.2.1確定腳踏板和框架尺寸 腳踏板尺寸是根據(jù)人足的實際尺寸來確定的。為適合所有人群，確定腳踏板的長度為280mm。根據(jù)人腳的長寬比例，腳踏板的寬初步定為150mm，考慮到腳踏板兩側(cè)需有繃帶來固定足部，因此腳踏板左右兩邊分別留出長5mm的缺口，用于纏繞繃帶，所以腳踏板最終寬度為160mm。 根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，腳踏板需固定在一個凹形的支撐板上，該支撐板懸空，當腳踏板上下擺動時候，可以隨著腳踏板一起擺動，當腳踏板左右擺動時，支撐凹板可以作為支撐不動，使腳踏板在支撐板內(nèi)左右擺動。該支撐板的厚度定為5mm，與腳踏板聯(lián)接的部分局部加厚到20mm并打孔，如圖25所示。 圖3-7 腳踏板結(jié)構(gòu)尺寸 3.2.2確定傳動方桿尺寸 考慮加工的可實施性，傳動桿均做成截面為方形、兩端帶凹槽或者帶凸片的形狀，且凸片或凹槽均在中間加工一通孔，各個傳動桿通過凹槽或凸片用螺栓聯(lián)接。傳動方桿17的尺寸是25×25×80；傳動方桿18的尺寸是20×20×178；傳動方桿19的尺寸是20×20×193。 3.2.3確定系統(tǒng)的尺寸圖 減速器的輸出轉(zhuǎn)速即為腳踏板的轉(zhuǎn)速，故傳動系統(tǒng)的傳動比。各圓柱齒輪、錐齒輪傳動比均為1。參照醫(yī)院實地考察的類似的下肢康復機構(gòu)，桿件尺寸均較小，一般位于15-25mm之間，分析其原因是因為，踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)多在病床上使用，患者處于平躺狀態(tài)或者半躺狀態(tài)，訓練用時，腳踏板不必承受整個人體的重量，只需提供使踝關(guān)節(jié)扭動的力矩，因此該力矩很小，故桿或軸的直徑不超過25mm。 據(jù)上，設(shè)計框架如圖26所示。從圖中可知，傳動系統(tǒng)由一對直齒圓柱齒輪、一對錐齒輪組成，這兩對齒輪傳動比均為1. 圖3-8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.3 齒輪設(shè)計與計算 高速級齒輪設(shè)計與計算 （1） 選定齒輪類型、精度等級、材料與齒數(shù) 按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。 由資料[14]（下同）表10-1小齒輪材料選用45Cr(調(diào)質(zhì))，表面硬度為280HBS,大齒輪材料選用45鋼（調(diào)質(zhì)），表面硬度為240HBS。 選擇7級精度，， （2） 按齒面接觸疲勞強度計算 根據(jù)設(shè)計計算公式（10-9a）試算小齒輪分度圓直徑，即： （3.11） ——載荷系數(shù) ——輸入軸承受扭矩 ——齒寬系數(shù) ——重合度系數(shù) ——彈性影響系數(shù) ——接觸疲勞許用應力 確定上式中各參數(shù)： 試選載荷系數(shù)=1.3， 小齒輪傳遞的扭矩為 =6.27Nm 查表10-7，選齒寬系數(shù)=1； 查表10-6，得彈性影響系數(shù)=189.8， 查圖10-21d，查得小齒輪接觸疲勞強度極限為MPa；大齒輪接觸疲勞強度極限為MPa。 計算應力循環(huán): （3.12） ——輸入軸轉(zhuǎn)速 ——工作時間 137.7r/min =10000h 雙向轉(zhuǎn)動，取=2 代入式（3.12）得： =1.65×108次 查圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù) 1.15，1.26； 計算接觸疲勞許用應力：取安全系數(shù)S=1，則 =690MPa， =693MPa 計算 設(shè)計公式中代入中較小值，得21.74mm 計算小齒輪分度圓圓周速度 0.17m/s 計算齒寬b =21.74mm 計算齒寬與齒高之比： b/h （3.13） 模數(shù) 0.91mm 齒高 =2.04mm 代入式（3.13）得： =10.67 計算載荷系數(shù) （3.14） 查圖10-8，由v=0.17m/s，7級精度，得： =1.0 查表10-4，得： 1.2 查表10-2，得： =1.25 查表10-3，得： =1.30 查圖10-13，得： =1.28 以上代入式（3.14）得： 1.95 按實際載荷系數(shù)修正 24.87mm （3.15） 計算模數(shù)m： 1.04mm 按彎曲強度設(shè)計 由公式（10-5 ） （3.16） ——彎曲疲勞壽命系數(shù) ——彎曲疲勞需用應力 ——齒形系數(shù) ——應力校正系數(shù) 由圖10-20c查得小齒輪彎曲疲勞強度極限=500MPa；大齒輪彎曲強度極限=380MPa； 由圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.93，=0.97 計算載荷系數(shù) ==1.92 計算彎曲疲勞需用應力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，得： =332.1MPa =263.3MPa 查取齒形系數(shù)，由表10-5得： =2.65；=2.226 查取應力校正系數(shù)，由表10-5查得： =1.58；=1.764 =0.013 =0.015 大齒輪對應數(shù)值大，將以上數(shù)值代入得： 0.86 對比計算結(jié)果，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以取由彎曲疲勞強度算得的m=0.86，并取圓整為標準值m=3， 幾何尺寸計算： 分度圓直徑 （3.17) 將模數(shù)、齒數(shù)代入式（3.17）得： 156mm；156mm 中心距 （3.18） 將，代入式（3.18）得： 156mm 齒輪寬度 （3.19） 由式（3.19）得： =25mm；=30mm （3）設(shè)計錐齒輪傳動 根據(jù)的工作要求，將腕部最末端的傳動設(shè)計成標準直齒圓錐齒輪傳動，考慮到可能圓錐小齒輪齒根圓到鍵槽底部的距離，所以將圓錐小齒輪與軸設(shè)計成一體，圓錐大齒輪單獨設(shè)計，材料選用45鋼。由于選用的是閉式硬齒面齒輪，齒輪齒面磨損和彎曲疲勞折斷是主要的失效形式，因此設(shè)計這類齒輪傳動時按彎曲疲勞強度進行設(shè)計計算，宜選取較小的齒數(shù)，可取17～20[15]。 （a）估算齒輪主要參數(shù)及尺寸 齒數(shù),： 齒數(shù)比，所以選擇,則。 齒寬系數(shù)： ，取。齒寬系數(shù)不宜取過大，避免引起小端齒頂過薄，齒根圓角半徑過小，應力集中過大。 根據(jù)手冊[16]，按齒面接觸疲勞強度計算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)： （3.27） 式中： —齒輪傳遞的扭矩； —工況系數(shù)； —動載系數(shù)； —齒寬系數(shù)； —試驗齒輪的接觸疲勞極限應力； 查手冊[16]得到，,,MPa。 由于 N·m，,。 將數(shù)據(jù)代入得到小齒輪大端分度圓直徑mm。 大端模數(shù)，根據(jù)標準分度圓模數(shù)，取。 圓錐齒輪主要尺寸計算[16]： （3.28） （3.29） （3.30） （3.31） （3.32） （3.33） （3.34） 式中： —大端分度圓直徑； 、—節(jié)錐角； —錐距； —中點分度圓直徑； —當量齒數(shù)； —平均模數(shù)。 齒寬，取mm。 將數(shù)據(jù)代入計算得：mm mm mm mm mm 錐齒輪傳動中主動輪轉(zhuǎn)速r/min。 中點分度圓上的圓周力N。 （b）按齒面接觸疲勞強度進行校核 計算接觸用單位齒寬上的載荷 MPa （3.35） 查[16]手冊，，—齒向載荷分布系數(shù)，==1.2。 計算接觸疲勞應力 MPa （3.36） 計算齒輪的接觸疲勞極限應力 （3.37） 式中： —壽命系數(shù)； —潤滑劑系數(shù)； —齒面光潔度系數(shù)； —速度系數(shù)； —工作硬化系數(shù)； —尺寸系數(shù)。 查手冊[16]得到，，。 所以，MPa。 計算接觸安全系數(shù) ，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強度滿足，參數(shù)合理。 （c）按齒根彎曲疲勞強度的校核 計算彎曲用單位齒寬上的載荷 MPa 變位系數(shù) 取，則。 應力集中校正系數(shù) 由及可查表得，由及可查表得。 齒形系數(shù) 由，據(jù)及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。 彎曲計算應力 根據(jù)公式： （3.38） （3.39） 將數(shù)據(jù)代入計算得：MPa MPa 取安全系數(shù) 查[16]手冊，得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。 查[16]手冊，得彎曲疲勞極限為MPa，MPa。 許用應力： （3.40） （3.41） 將數(shù)據(jù)代入計算得：MPa MPa 因此、，彎曲疲勞強度滿足，參數(shù)合理[17]。 3.4 軸的設(shè)計與計算 3.4.1 輸入軸的設(shè)計與計算 （1） 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩 0.456kW 6.27Nm （2） 初估軸直徑 （3.20） 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，并將數(shù)據(jù)代入式（3.20）得： =17mm （3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 輸入軸的最小直徑與先前計算齒輪直徑相差很少，所以做成齒輪軸。 （4） 求軸上支反力與彎矩 水平方向： ； （3.21） 垂直方向： ； （3.22） 對錐齒輪： , （3.23） 對直齒輪： ， （3.24） 將輸入軸參數(shù)代入式（3.24）得： 538.2N,138.5N 501.6N,182.6N 代入得： 408.6N,867.2N 514.8N ,558.9N 作出輸入軸水平方向及垂直方向的彎矩圖3.6： 圖3.6 輸入軸的受力分析圖 從輸入軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面II是輸入軸的危險截面，計算結(jié)果如 表3.4。 表3.4 截面Ⅱ處的彎矩 載荷 水平面H 垂直面V 支反力 408.6N 867.2N 514.8N 558.9N 彎矩 44.8Nm 0.7Nm 總彎矩 44.8Nm 扭矩 6.27Nm 5) 按彎扭合成應力校核軸的強度 （3.25） 式中：——軸的計算應力 ——軸受得彎矩 ——軸所受的扭矩 ——軸的抗彎截面系數(shù) （3.26） 校核軸上承受最大計算彎矩的截面Ⅱ處的強度，取1，將各數(shù)值代入式（3.25）、（3.26）得： 7.66MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。 3.4.2 中間軸的設(shè)計與計算 （1） 求輸入軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩 0.429kW 45.9r/min 17.7Nm （2） 初估軸直徑 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得： 25mm （3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 中間軸的直徑與小齒輪分度圓直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.7。 圖3.7 中間軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖 （4） 求軸上支反力與彎矩 水平方向： ； （3.27） 垂直方向： ； （3.28） 對直齒輪： ， 將輸入軸參數(shù)代入得： 472N,171.8N 944N,343.6N 代入得： 35.8N,436.2N 13N,158.7N 作出中間軸水平方向及垂直方向的彎矩圖： 圖3.8 中間軸的受力分析圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到截面II是軸的危險截面，計算結(jié)果如表3.5。 表3.5 截面Ⅱ處的彎矩 載荷 水平面H 垂直面V 支反力 35.8N 436.2N 13N 158.7N 彎矩 31.7Nm 11.51Nm 總彎矩 33.7Nm 扭矩 17.7Nm （5） 按彎扭合成應力校核軸的強度 校核軸上承受最大計算彎矩的截面Ⅱ處的強度 2.01MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。 3.4.3 輸出軸的設(shè)計與計算 （1） 求輸出軸上的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩 0.404kW 15.3r/min 49.85Nm （2） 初估軸直徑 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表11-3，取，得： 33mm （3） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3.9，輸出軸的直徑與齒輪直徑相差很少，所以做成錐齒輪軸。 圖3.9 輸出軸結(jié)構(gòu)尺寸簡圖 （4） 求軸上支反力與彎矩 水平方向： ； （3.29） 垂直方向： ； （3.30） 對直齒輪： ， 將輸入軸參數(shù)代入得： 886.2N,322.6N 代入得： 1364.4N,478.1N 496.6N,174N 作出輸出軸水平方向及垂直方向的彎矩圖3.10： 圖3.10 輸出軸的受力分析圖 從軸的結(jié)構(gòu)圖和受力情況分析得到軸的危險截面，計算結(jié)果如表3.7。 表3.7 截面處的彎矩 載荷 水平面H 垂直面V 支反力 1364.4N 478.1N 496.68N 174N 彎矩 33.5Nm 12.2Nm 總彎矩 35.7Nm 扭矩 49.85Nm （5） 按彎扭合成應力校核軸的強度 校核軸上承受最大計算彎矩的截面Ⅱ處的強度 35MPa 軸的材料為45鋼，查表11-1，60MPa。因此，故安全。 3.5 軸承的校核 3.5.1 輸入軸上軸承壽命計算 查閱資料[14]表13-3得到軸承的預期壽命為 由圖3.5可知軸上安裝軸承處直徑為17mm，考慮其承受齒輪軸和聯(lián)軸器的重量，所以選擇圓錐滾子軸承30203，e=0.35，=1.7， 1， Cr=20.8kN、Cor=21.8kN。求出各力即可算出強度。 軸上所受的支反力： 657.2N 1031.5N （3.31） 193.3N， 303.2N （3.32） 式中： ——徑向支反力 ——軸向支反力 193.3N，303.2N 193.3N，303.2N ，查表13-5得： 0.4， ，查表13-5得： 1，0 查表13-6載荷系數(shù)=1.2，將以上代入式（3.33）、（3.34），軸承當量動載荷為 750.5N （3.33） 1237.8N （3.34） 由公式（13-15） （3.35） 式中： ——軸承所在軸的轉(zhuǎn)速 ——溫度系數(shù) ——額定動載荷 ——軸承所在軸的傳動功率 計算軸承壽命。 137.7r/min =25000N 10/3 查表13-7，溫度系數(shù)=1 代入式（3.35）得：h，滿足使用要求。 3.5.2 中間軸上軸承壽命計算 （1） 由圖3.7可知軸上安裝軸承處直徑為25mm，考慮其承受齒輪軸和聯(lián)軸器的重量，所以選擇圓錐滾子軸承3007105，e=0.37，=1.6， 0.9， Cr=32kN，Cor=37kN。求出各力即可算出強度。 軸上所受的支反力： 38.1N，464.2N 11.9N，145.1N， 考慮其軸上零件重量得到，50 N； 61.9N，145.1N； 61.9N，=145.1N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0 查表13-6載荷系數(shù)=1.2，軸承當量動載荷為 137.1N 557N 計算軸承壽命。 45.9r/min C=28000N 10/3 查表13-7，溫度系數(shù)=1 代入得h，滿足使用要求。 3.5.3 輸出軸上軸承壽命計算 軸承受力如圖3.11所示，軸安裝出直徑為35mm，由于軸向要承受大小臂的重力，所以選擇圓錐滾子軸承2007907E，Cr=54.2kN，Cor=63.5kN，e=0.37，1.6，0.9，求出各力大小，即可算出強度。 圖3.11 軸Ⅲ軸承受力結(jié)構(gòu)簡圖 圖中R有兩部分組成，第一部分為軸上所受的支反力： 1452N， 508.8N 工作時產(chǎn)生的偏心力，如圖3.12所示。 圖3.12 工作時產(chǎn)生偏心力簡圖 大小臂重力分別為： 300N,200N 經(jīng)計算得： 2400N 3852N，2908.8N 1203.8N，909N， 1753.9N，909N 1753.9N，=909N ，查表13-5得0.4，1.6 ，查表13-5得1，0 查表13-6載荷系數(shù)=1.2，軸承當量動載荷為 5108.2N 2949.6N 由公式13-10a，因為，所以帶入進行校核 計算軸承壽命。 15.3r/min =73200N 10/3 查表13-7，溫度系數(shù)=1 代入得h，滿足使用要求。 3.6 鍵的選擇和校核 3.6.1 鍵的選擇 根據(jù)齒輪和軸的參數(shù)，參考《機械設(shè)計》選擇設(shè)計鍵。 電機輸出軸鍵：； 中間軸的鍵Ⅰ：； 輸出軸的鍵Ⅱ：。 3.6.2 鍵的校核 鍵的材料為45鋼，由資料表6-2查得許用擠壓應力MPa 根據(jù)公式 （3.25） 得到： 鍵Ⅰ：工作長度mm，接觸高度3.3mm，17.7Nm 25.5MPa，安全。 鍵Ⅱ：工作長度mm，接觸高度3.8mm，49.85Nm 23.9MPa，安全。 第4章 踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的三維建模 4.1 零件的造型 4.1.1簡單零件的造型 一，電機 1、首先，運行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標注工具，對圖形進行尺寸標注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實體的拉伸操作，如下圖4.1所示: 圖4.1 電機 2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實體的表面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實體的拉伸去除操作. 二，齒輪 1、首先，運行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標注工具，對圖形進行尺寸標注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實體的拉伸操作，如下圖4.2所示： 圖4.2 齒輪 2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實體的表面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實體的拉伸去除操作. 三，腳踏板 1、首先，運行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標注工具，對圖形進行尺寸標注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實體的拉伸操作，如下圖4.3所示： 圖4.3 腳踏板 2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實體的表面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實體的拉伸去除操作。 三，腳踏板支架 1、首先，運行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標注工具，對圖形進行尺寸標注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實體的拉伸操作，如下圖4.4所示: 圖4.4 腳踏板支架 2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實體的表面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實體的拉伸去除操作， 4.1.2復雜零件的造型 1、首先，運行proe軟件，選擇拉伸工具，選擇top平面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓命令繪制圓，選擇圓弧命令繪制圓弧，選擇直線命令通過圓弧端點繪制直線，打開約束編輯器，選擇相等命令，約束直線相等、圓弧相等，打開標注工具，對圖形進行尺寸標注，選擇草繪的三條直線和圓，單擊鼠標右鍵，選擇構(gòu)建，將草繪的直線和圓轉(zhuǎn)換成構(gòu)建線，完成草繪返回拉伸界面，指定拉伸深度為26mm，完成實體的拉伸操作，如下圖4.5所示和圖4.6所示: 1. 錐齒輪 圖4.5 錐齒輪 2.箱體 圖4.6 箱體 2、再次選擇拉伸工具，選擇拉伸實體的表面為草繪平面，進入草繪界面，選擇圓工具繪制圖形，標注圓的直徑為70mm，完成圖形的繪制，返回拉伸界面，設(shè)置拉伸為拉伸深度完成實體的拉伸去除操作. 4.2踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的虛擬樣機的裝配 4.2.1裝配的順序 裝配思路：在進行裝配的時候，注意幾個問題：1.一定要根據(jù)你裝配的三維圖形，適當把握其先后順序，正確的裝配順序會減少許多操作2.根據(jù)零件之間的關(guān)系，選擇合適的連接方式。 4.2.2裝配的過程 首先要知道用pro/e進行裝配時，裝配的第一個件通常是不動的。先將齒輪與齒輪軸裝配，然后再建立一個裝配，裝配順序是：下箱體——軸承座處的軸承裝配——齒輪裝配——軸承裝配——齒輪副組建的裝配——箱體裝配 4.2.3踝關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的虛擬樣機 經(jīng)過逐級裝配，得到如下圖所表示的三維圖4.7a,4.7b: 圖4.7a 虛擬裝配圖 圖4.7b 虛擬裝配圖 4.3生成工程圖 1. 軸 圖4.8 軸 2.錐齒輪軸 圖4.9 錐齒輪軸 3.軸承透蓋 圖4.10 軸承透蓋 4.聯(lián)軸器裝配圖 圖4.11聯(lián)軸器裝配圖 5.總裝配圖 圖4.12 總裝配圖 結(jié)論 本課題結(jié)合目前國腳踝康復機構(gòu)裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種腳踝康復機構(gòu)裝置開發(fā)過程。本文主要完成的工作如下： 1、腳踝康復機構(gòu)裝置結(jié)構(gòu)方案的確定。分析了腳踝康復機構(gòu)裝置的特點，確定了腳踝康復機構(gòu)裝置基本結(jié)構(gòu)，并確定其基本尺寸。 2、確定了腳踝康復機構(gòu)裝置技術(shù)指標及參數(shù)。對該腳踝康復機構(gòu)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，使該腳踝康復機構(gòu)裝置有足夠的可靠性。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，不僅把大學所學到的理論知識很好的運用到畢業(yè)設(shè)計中，而且培養(yǎng)了自己認真思考的能力，在處理問題時有了新的認識和方法，并加強了和同學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習，以及對相關(guān)信息的獲取，我深切地認識到，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)計應用到具體實踐當中,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用起來。 參考文獻 [1] 張建民.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].高等教育出版社，2001（2）：45～49. 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