畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-PAGEIV-編號(hào)：本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）全套圖紙加V信153893706或扣3346389411外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）Exoskeletonlowerlimbrehabilitationrobot(gravityweightreductionsystem)下屬學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師職稱(chēng)完成日期202年月日本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-PAGE28-誠(chéng)信承諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文《XXXXXXXX》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀(guān)點(diǎn)和材料，均作了注釋?zhuān)粲胁粚?shí)，后果由本人承擔(dān)。承諾人（簽名）：年月日本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEV摘要【摘要】隨老齡化過(guò)程中最明顯的就是老人四肢靈活性的不斷退化，還有各類(lèi)疾病如腦卒中嚴(yán)重影響他們的生活質(zhì)量。為了幫助偏癱患者恢復(fù)功能，我國(guó)目前仍以傳統(tǒng)人工康復(fù)訓(xùn)練為主。但這種方法由于是一對(duì)一的模式且對(duì)康復(fù)師專(zhuān)業(yè)技能要求較高使得治療師數(shù)量嚴(yán)重不足。而且從康復(fù)效果大都依賴(lài)于康復(fù)師的主觀(guān)判斷，這就缺乏客觀(guān)定量地判斷和調(diào)控，影響康復(fù)效果。因此大力研發(fā)康復(fù)機(jī)器人并用于實(shí)際使用是一件緊迫且意義重大的事。外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)涉及到多方面知識(shí)體系，本文主要研究重力減重系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)組成：固定支架，減重機(jī)構(gòu)（滾珠絲杠傳動(dòng)），直流伺服電機(jī)等的選型計(jì)算。本設(shè)計(jì)要求完成重力減重系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)，根據(jù)患者的自控力大小，可以通過(guò)腰部支撐以減輕部分體重，同時(shí)設(shè)計(jì)固定支架提供支撐和穩(wěn)定，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)介紹了減重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在通過(guò)該臥式下肢康復(fù)機(jī)器人幫助患者完成康復(fù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)?！娟P(guān)鍵詞】重力減重系統(tǒng)；康復(fù)訓(xùn)練；人機(jī)工程學(xué)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Abstract【ABSTRACT】Withtheagingprocess,themostobviousisthecontinuousdeteriorationofthelimbsoftheelderly,andvariousdiseasessuchasstrokeseriouslyaffecttheirqualityoflife.Inordertohelppatientswithhemiplegiarecover,traditionalmanualrehabilitationtrainingisstillthemainmethodinChina.However,thismethodisaone-to-onemodelandrequireshighprofessionalskillsoftherehabilitationpractitioners,sothatthenumberoftherapistsisseriouslyinsufficient.Andtherehabilitationeffectmostlydependsonthesubjectivejudgmentoftherehabilitationteacher.Thislacksobjectiveandquantitativejudgmentandregulation,whichaffectstherehabilitationeffect.Therefore,itisurgentandsignificanttovigorouslydeveloprehabilitationrobotsforpracticaluse.Thedesignofexoskeletonlowerlimbrehabilitationrobot(gravityweightreductionsystem)involvesmultipleaspectsoftheknowledgesystem.Thispapermainlystudiesthemechanicalstructureofthegravityweightreductionsystem:fixedbracket,weightreductionmechanism(ballscrewdrive),DCservomotor,etc.Selectioncalculation.Thisdesignrequiresthecompletionofthedesignofthegravityweightreductionsystem.Itisdrivenbyelectricityandaccordingtothepatient'sself-controlforce.Itcanbesupportedbythewaisttoreducepartoftheweight.Atthesametime,afixedbracketisprovidedtoprovidesupportandstability.Designedtohelppatientscompleterehabilitationtrainingandrealizewalkingexercisethroughthishorizontallowerlimbrehabilitationrobot.【KEYWORDS】gravityweightlosssystem;rehabilitationtraining;ergonomics;mechanicalstructuredesign

目錄1緒論 11.1課題研究背景及意義 11.2研究現(xiàn)狀 11.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 11.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 31.3本文主要研究?jī)?nèi)容 51.4研究的方法與技術(shù)路線(xiàn)： 62外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人參數(shù)設(shè)計(jì) 72.1下肢康復(fù)機(jī)器人的尺寸參數(shù) 72.1.1康復(fù)機(jī)器人大腿和小腿尺寸 72.2.2康復(fù)機(jī)器人臀寬與踏板尺寸 82.2.2康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù) 82.3康復(fù)機(jī)器人性能參數(shù) 113重力減重系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 133.1康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)的參數(shù)及設(shè)計(jì)原則 133.2康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容 133.3康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)的總體方案 134滾珠絲杠副的選型與計(jì)算 144.1滾珠絲杠的選型 144.2滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定 184.3滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 195直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型 205.1定位精度高 205.2降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力 205.3可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度 205.4可長(zhǎng)期維持機(jī)床的高精度 205.5直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 215.5.1滑塊承受工作載荷F的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取 215.5.2距離額定壽命L的計(jì)算 216步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)與選型 236.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 236.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi) 236.2.1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 236.2.2永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 236.2.3混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 246.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)及其選擇 246.4電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率 256.5各參素的確定 266.6初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào) 266.6.1脈沖當(dāng)量的選擇 266.6.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 276.6.3等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 276.6.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)選擇的計(jì)算 277軸、軸承及聯(lián)軸器的選用 337.1軸的材料 337.1.1軸的分類(lèi) 337.1.2軸的材料及選擇 337.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 337.2.1軸頭、軸頸和軸身 337.2.2軸上零件的軸向固定和定位 347.2.3軸的周向固定 347.2.4減少應(yīng)力集中的措施 357.3軸承的選用 357.4聯(lián)軸器的選用 36結(jié)論 38參考文獻(xiàn) 39致謝 40臥式下肢康復(fù)機(jī)器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（論文題目）-PAGE45-1緒論1.1課題研究背景及意義隨著我國(guó)社會(huì)老齡化進(jìn)程逐漸加快以及各種自然災(zāi)害和交通事故等因素，我國(guó)有很大一部分人群的生命是在殘疾中度過(guò)的。伴隨老齡化過(guò)程中最明顯的就是老人四肢靈活性的不斷退化，還有各類(lèi)疾病如腦卒中嚴(yán)重影響他們的生活質(zhì)量。為了幫助偏癱患者恢復(fù)功能，我國(guó)目前仍以傳統(tǒng)人工康復(fù)訓(xùn)練為主。但這種方法由于是一對(duì)一的模式且對(duì)康復(fù)師專(zhuān)業(yè)技能要求較高使得治療師數(shù)量嚴(yán)重不足。而且從康復(fù)效果大都依賴(lài)于康復(fù)師的主觀(guān)判斷，這就缺乏客觀(guān)定量地判斷和調(diào)控，影響康復(fù)效果。因此大力研發(fā)康復(fù)機(jī)器人并用于實(shí)際使用是一件緊迫且意義重大的事。康復(fù)機(jī)器人的出現(xiàn)為治療提供了新的方法。由于自身重復(fù)性高的特點(diǎn)，減輕了治療師的工作強(qiáng)度?；谛畔⑷诤?，虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，可以很好地判斷并且調(diào)控康復(fù)效果和康復(fù)療程。為患者精準(zhǔn)化治療方案的制定提供量化依據(jù)。1.2研究現(xiàn)狀大量的醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐已經(jīng)表明了由于意外事故、突發(fā)性的腦血管疾病以及人們由于年紀(jì)的增長(zhǎng)而導(dǎo)致的身體機(jī)體老化等因素造成的下肢的功能障礙或殘疾的患者如果進(jìn)行積極的康復(fù)訓(xùn)練能夠在很大程度上恢復(fù)或者是補(bǔ)償失去的功能，提高患者生活質(zhì)量。但是傳統(tǒng)的治療方式既不能保證患者的康復(fù)效果，也不能夠滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)高端醫(yī)師的需求和患者家庭對(duì)高昂治療費(fèi)用的負(fù)擔(dān)，因此將醫(yī)學(xué)上的康復(fù)醫(yī)療的方法同機(jī)器人結(jié)合起來(lái)的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)正在慢慢的成為當(dāng)下醫(yī)學(xué)對(duì)下肢功能障礙患者康復(fù)的研究熱點(diǎn)。1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀對(duì)于單自由度下肢康復(fù)機(jī)器人，其構(gòu)造較為單一，并且操作起來(lái)十分簡(jiǎn)單，能夠讓許多人使用而且成本便宜，但只有簡(jiǎn)單的動(dòng)作，不能滿(mǎn)足患者在康復(fù)方面的求[3][4]。如圖1-1所示為美國(guó)的Nustep康復(fù)訓(xùn)練器，此康復(fù)器可以用在患者的早期恢復(fù)，操控手桿幫助下肢達(dá)到康復(fù)的效果。類(lèi)似的產(chǎn)品還有Fisioek康復(fù)訓(xùn)練器，圖1-2所示。圖1-1美國(guó)Nustep康復(fù)訓(xùn)練器圖1-2意大利Fisioek康復(fù)訓(xùn)練器懸掛式下肢康復(fù)機(jī)器人用減重裝置能夠使行動(dòng)障礙患者在懸掛狀態(tài)下進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練，能夠有利于患者慢慢的尋找步行的感覺(jué)達(dá)到康復(fù)的效果【3】由于裝置佩戴的過(guò)程十分繁瑣且舒適性差而且不適用與下肢沒(méi)有行動(dòng)能力的患者。德國(guó)研制的

Haptic

Walker下肢康復(fù)機(jī)器人，如圖1-4所示，核心部分是一套可以進(jìn)行編程控制的自動(dòng)腳踏板，可以實(shí)現(xiàn)多種的足部運(yùn)動(dòng)軌跡。用于提高患者的訓(xùn)練興趣，讓患者能夠輕松達(dá)到訓(xùn)練的效果，其用場(chǎng)景切換功能能夠?yàn)榛颊咛峁┒喾N場(chǎng)景。因?yàn)槠鋸?fù)雜的控制系統(tǒng)和高昂的費(fèi)用讓次機(jī)器人也沒(méi)有得到很大的發(fā)展。圖1-3德國(guó)HapticWalker康復(fù)機(jī)器人圖1-4瑞士MotionMaker下肢康復(fù)機(jī)器人如圖1-5所示，得到有效使用的臥式下肢康復(fù)機(jī)器人的有Motion

Maker坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，是由瑞士SWORTEC公司研發(fā)的。此設(shè)備主要由兩條三個(gè)自由度機(jī)械腿組成，此設(shè)備可以提供6種不同的訓(xùn)練方法，患者可以自由定義自己所需要的運(yùn)動(dòng)模式。該機(jī)器人的傳感系統(tǒng)也能夠在設(shè)備動(dòng)作的時(shí)候在固定范圍內(nèi)動(dòng)作來(lái)保證患者安全[4][5]。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)于下肢康復(fù)機(jī)器人的研究起步比較晚，許多的產(chǎn)品還只是在開(kāi)發(fā)階段，不過(guò)在政府政策的支持下發(fā)展勢(shì)頭迅猛，一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也在此方面取得了不小的成果。褚夢(mèng)秋（2018）在《下肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究進(jìn)展》中結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了分類(lèi)，根據(jù)性能的不同又把控制系統(tǒng)分成嵌入式控制系統(tǒng)，工業(yè)控制單元和實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)三類(lèi)并總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)外研究人員的研究歷史和現(xiàn)狀。最后對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)和展望。張嬌嬌（2012）在《下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究進(jìn)展》中總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)外在驅(qū)動(dòng)方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等不同系統(tǒng)的康復(fù)機(jī)器人并且闡述了他們各自在控制精度，使用，成本角和安全等多方面的優(yōu)缺點(diǎn)。程方，王人成，賈曉紅，張濟(jì)川（2008）在《減重步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究進(jìn)展》中按照不同的分類(lèi)方法如按驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)力輸入方式等介紹了國(guó)內(nèi)外多種典型的康復(fù)機(jī)器人以及他們的結(jié)構(gòu)和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。迄今為止，現(xiàn)有機(jī)器人所能提供的訓(xùn)練動(dòng)作只是簡(jiǎn)單的曲線(xiàn)或者直線(xiàn)軌跡，首先它與臨床訓(xùn)練的要求不符,?不能在康復(fù)早期給患者以更多的正確運(yùn)動(dòng)感覺(jué)的刺激；其次這些動(dòng)作與日常功能性動(dòng)作相差甚遠(yuǎn)，對(duì)于患者恢復(fù)日常生活能力幫助不大。不僅如此，由于機(jī)器人不能根據(jù)患者的康復(fù)情況做出實(shí)時(shí)的調(diào)整(輔助或阻尼支撐或不支撐),?容易讓患者完全依賴(lài)于機(jī)器人完成動(dòng)作,從而有可能導(dǎo)致癱肢產(chǎn)生異常運(yùn)動(dòng)模式.?此外,相同的訓(xùn)練內(nèi)容用于所有患者,缺乏針對(duì)性的治療方案,可能導(dǎo)致癱肢產(chǎn)生異常運(yùn)動(dòng)模式。張啟國(guó)（2013）在《下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人減重系統(tǒng)研究》中.依據(jù)減重步行訓(xùn)練的原理、作用設(shè)計(jì)了一款自主控制的減重系統(tǒng)。減重系統(tǒng)可分為豎直減重、水平隨動(dòng)兩個(gè)部分，豎直減重部分主要是卸載患者腿部無(wú)法承受的身體重量，水平隨動(dòng)部分是完成患者的下肢按照預(yù)先設(shè)置的步態(tài)做跟隨運(yùn)動(dòng)，完成正常的減重步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練.陸嘉杰（2019）在《基于力/位控制的下肢康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)研究》中首先介紹了機(jī)器人減重支撐機(jī)構(gòu)的工作原理,采用牛頓-歐拉法建立了減重系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型對(duì)機(jī)器人進(jìn)行力/位控制策略的研究,實(shí)現(xiàn)精確地位置跟隨及恒質(zhì)量減重。最后利用MATLAB對(duì)減重支撐機(jī)構(gòu)的力/位控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明,減重誤差小于4N,跟隨誤差小于4mm,力/位混合控制策略可以滿(mǎn)足減重康復(fù)訓(xùn)練的需求。孫立群（2014）在《下肢康復(fù)機(jī)器人減重平臺(tái)跟隨減重控制的研究》中對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及目前的應(yīng)用水平進(jìn)行了介紹。介紹了康復(fù)機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)，包括減重系統(tǒng)、下肢外骨骼系統(tǒng)和多環(huán)境訓(xùn)練平臺(tái)系統(tǒng)。根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，制定合適的控制方案。并且分析了各個(gè)系統(tǒng)的工作原理。建立了減重平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)各個(gè)電路模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。搭建了下肢康復(fù)機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)，并且對(duì)嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。楊輝（2009）在《下肢康復(fù)機(jī)器人減重支撐系統(tǒng)的研究》中設(shè)計(jì)了一種繩牽引式的減重支撐系統(tǒng),完成了動(dòng)力學(xué)建模,并采用力控制方式實(shí)現(xiàn)了減重力的恒定。通過(guò)Simulink對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明,該減重支撐系統(tǒng)輸出減重力動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小,體現(xiàn)了主動(dòng)控制的優(yōu)越性,并為進(jìn)一步進(jìn)行交流伺服控制平臺(tái)的搭建奠定了基礎(chǔ)。任廣安（2011）在《康復(fù)減重支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析》中做了以下幾個(gè)方面的研究工作:(1)簡(jiǎn)述減重支撐系統(tǒng)現(xiàn)狀、介紹其工作原理并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。(2)提出設(shè)計(jì)方案并簡(jiǎn)述工作原理。(3)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)主要零件進(jìn)行校核。(4)利用傳遞函數(shù)對(duì)氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)和氣動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行建模并用PID矯正，分析系統(tǒng)性能。（5)對(duì)氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)和氣動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行非線(xiàn)性建模并用PID矯正，分析系統(tǒng)性能。研究結(jié)果表明，氣動(dòng)位置控制系統(tǒng)仿真效果較好，而氣動(dòng)力控制系統(tǒng)由于氣缸摩擦力作用，很難實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。宋承盈（2014）在《步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)重心控制》中結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果對(duì)重心控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式以及結(jié)構(gòu)方式比較分析，確定了步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)重心控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案和控制方案。為了保證減重系統(tǒng)能夠安全可靠運(yùn)行，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，防止系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)強(qiáng)度不夠或者產(chǎn)生共振。其次通過(guò)對(duì)所選直流電機(jī)參數(shù)的查閱和測(cè)量建立了直流電機(jī)模型，并且應(yīng)用Matlab中的SignalConstraint工具預(yù)定了速度控制器參數(shù)，并建立了重心控制系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行了速度閉環(huán)和位置閉環(huán)的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。最后根據(jù)控制系統(tǒng)，對(duì)關(guān)鍵硬件進(jìn)行了選擇和使用學(xué)習(xí)，搭建了基于QPID的實(shí)驗(yàn)半物理仿真系統(tǒng)。Wahab

Aminiazar（2013）在\o"aminiazar@iau-mahabad.ac.ir"《Optimizedintelligentcontrolofa2-degreeoffreedomrobotforrehabilitationoflowerlimbsusingneuralnetworkandgeneticalgorithm》中提出了一種基于規(guī)則的智能控制方法，用以模擬2自由度平面機(jī)器人的健康肢體行為。隨著康復(fù)過(guò)程的進(jìn)行，平面機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)將通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解，控制參數(shù)將通過(guò)遺傳算法優(yōu)化。Yixiong

Chen（2014）在《TheFES-assistedcontrolforalowerlimbrehabilitationrobot:simulationandexperiment》中為了研究功能性電刺激（FES）與機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合的可行性，設(shè)計(jì)了一種用于下肢康復(fù)的外骨骼機(jī)器人iLeg的控制策略，提出了FES輔助訓(xùn)練與阻抗控制相結(jié)合的策略。通過(guò)阻抗控制，建立了機(jī)器人的主動(dòng)柔順性，激發(fā)了患者主動(dòng)完成訓(xùn)練任務(wù)的努力。FES控制采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋控制器和PD反饋控制器相結(jié)合的方法。利用Matlab進(jìn)行仿真，并對(duì)脊髓損傷者和健康者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果令人滿(mǎn)意，驗(yàn)證了該控制策略的可行性。下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）主要分為三大系統(tǒng):機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其中控制系統(tǒng)是影響減重系統(tǒng)進(jìn)而影響康復(fù)機(jī)器人使用效果的關(guān)鍵因素?？刂葡到y(tǒng)決定了響應(yīng)精度，系統(tǒng)穩(wěn)定，反饋快慢等多種因素。應(yīng)綜合各實(shí)際使用情況結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果選擇并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容1.研究下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成：固定支架，減重機(jī)構(gòu)（滾珠絲杠傳動(dòng)），直流伺服電機(jī)，附屬器件。2.動(dòng)力來(lái)源選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)。考慮到不同體重人群所需的減重力和滾珠絲杠副的傳動(dòng)規(guī)律，初步選定為AR系列步進(jìn)電機(jī)。3.確定主要技術(shù)規(guī)格和工作圖。據(jù)相關(guān)資料介紹，目前我國(guó)內(nèi)的男子平均身高在165cm-175cm之間，體重在80kg以下；女性平均身高在155-165之間，體重在60kg以下?？紤]到實(shí)際情況，本次課題設(shè)計(jì)的減重系統(tǒng)容納的范圍是身高在155-185之間，體重在120kg以下的人群。工作圖見(jiàn)下圖。圖1-5減重系統(tǒng)示意圖4.根據(jù)康復(fù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)，患者自身的生理情況和需要完成的康復(fù)動(dòng)作，確定在不同情境下減重力的大小，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算，將信號(hào)傳輸給電機(jī)，進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。5.初步擬定方案。滾珠絲杠裝置有兩根光滑導(dǎo)軌，四個(gè)滾輪通過(guò)固定螺絲螺母實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌與滑塊的連接。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠相連，帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，連接套則會(huì)被帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。腰托部分由背部支撐架，寬度調(diào)節(jié)板，腰部?jī)?nèi)襯等組成，腰托的收緊放松靠調(diào)節(jié)兩塊寬度調(diào)節(jié)板實(shí)現(xiàn)。腰部綁帶，腰部?jī)?nèi)襯通過(guò)綁帶固定板與腰板連接，用來(lái)保證腰托與人體腰部的連接。連接套與懸臂，懸臂與特制馬甲之間之間通過(guò)螺紋相連。此套裝置改變馬甲內(nèi)襯材料或在馬甲與腰部接觸部分增加緩沖微調(diào)機(jī)構(gòu)，懸臂處設(shè)置跟隨裝置。其目的是使裝置與人隨動(dòng)，更加符合人體實(shí)際運(yùn)動(dòng)，防止造成二次損傷。1.4研究的方法與技術(shù)路線(xiàn)：1.研究的方法1)文獻(xiàn)翻閱法：通過(guò)大量收集、閱讀及整理借鑒國(guó)內(nèi)相關(guān)期刊專(zhuān)著以及網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)，對(duì)資料進(jìn)行歸納、整理、分類(lèi)、分析，得出相關(guān)的研究成果，分析國(guó)內(nèi)外下肢康復(fù)機(jī)器人的現(xiàn)有技術(shù)。為本論文的研究奠定理論基礎(chǔ)。2)對(duì)比分析法：在整個(gè)項(xiàng)目研究過(guò)程中，考慮課題所要求的工作需要，擬訂幾個(gè)可行的結(jié)構(gòu)和控制方案，并對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行可行性分析，經(jīng)過(guò)方案比較和各方面的綜合考慮，確定出最佳方案。3)實(shí)證分析法：去工廠(chǎng)參觀(guān)實(shí)際的下肢康復(fù)機(jī)器人，了解其結(jié)構(gòu)組成，工作原理。4)建模法：完成下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）設(shè)計(jì)后，通過(guò)UG和AutoCAD工程軟件繪出三維模型和二維工程圖并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。2.技術(shù)路線(xiàn)1)調(diào)研及查閱資料，了解國(guó)內(nèi)外下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的工作原理，分析下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)組成；2）實(shí)地觀(guān)察研究下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的機(jī)械結(jié)構(gòu)；3）對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)；4）完成下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)計(jì)算；5）利用三維和二維CAD軟件完成下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)繪圖；6）制作下肢康復(fù)機(jī)器人（重力減重系統(tǒng)）的運(yùn)動(dòng)說(shuō)明書(shū)，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。2外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人參數(shù)設(shè)計(jì)由于人體體型差異，外骨骼式下肢康復(fù)機(jī)器人必須在一定程度上適用于大部分人。在對(duì)大小腿、足底尺寸，臀寬的尺寸的設(shè)計(jì)能夠讓大多數(shù)患者使用。在人機(jī)工程學(xué)的要求在，模擬人體步態(tài)動(dòng)作要在適合的范圍內(nèi)才能保證康復(fù)機(jī)器人的適用性和舒適性，當(dāng)機(jī)器人動(dòng)作超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，不僅不能達(dá)到康復(fù)的最佳效果，甚至還有可能對(duì)患者的下肢造成二次傷害，所以各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和腿部的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)范圍的選擇尤為重要。2.1下肢康復(fù)機(jī)器人的尺寸參數(shù)在設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人時(shí)，由于患者的身體大小不一致，所以在大小腿、臀寬、足底的大小長(zhǎng)度設(shè)計(jì)需要適用于各種身型的患者。根據(jù)中國(guó)普遍成年人群的身體尺寸得到人群中大多數(shù)患者的平均值，圖2-1為人體各部位尺寸測(cè)量基準(zhǔn)。2.1.1康復(fù)機(jī)器人大腿和小腿尺寸對(duì)于人體大小的差異，可以將康復(fù)機(jī)器人的大腿和小腿設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度可調(diào)的結(jié)構(gòu)，能夠便于不同身長(zhǎng)的患者。根據(jù)圖2-2、圖2-3的比例可以得到大腿與小腿的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)范圍。大腿長(zhǎng)度調(diào)整范圍：390mm-460mm；

小腿長(zhǎng)度調(diào)整范圍：360mm-430mm。圖2-2男性大小腿比例分布圖圖2-3女性大小腿分布圖所設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人大腿構(gòu)件大約重4

kg，小腿構(gòu)件大約重達(dá)4

kg，踝關(guān)節(jié)構(gòu)件大約重2

kg，病患根據(jù)成年人體重分布，取75

kg。根據(jù)以上所取得數(shù)值，大腿與小腿都選用了自制的手動(dòng)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖2-4所示，長(zhǎng)度調(diào)節(jié)范圍為70mm。長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置如圖2-4所示，絲桿頂部鑲嵌在1內(nèi)并用螺釘固定，絲桿下端與絲桿螺母連接3連接，并被緊縮螺母緊縮與調(diào)節(jié)套筒內(nèi)，止推件4被固定釘固定于下固定塊5中，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)套筒帶動(dòng)絲桿螺母旋轉(zhuǎn)，達(dá)到長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的效果。2.2.2康復(fù)機(jī)器人臀寬與踏板尺寸圖2-4所示的是人群中臀寬的比例，康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)能夠適用于人群使用，根據(jù)市場(chǎng)上適用座椅的寬度，將座椅的寬度定為450mm。根據(jù)圖2-6所示，成年人足長(zhǎng)足寬取到平均值，所以機(jī)械腿足底板的長(zhǎng)寬取290mm、130mm。圖2-4圖2-4男性女性坐姿臀部尺寸比例圖2-5男性女性足長(zhǎng)足寬比例2.2.2康復(fù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)根據(jù)人體學(xué)在人的下肢骨骼方面的研究，解析人體的行走時(shí)的步態(tài)動(dòng)作。人在行走時(shí)，腿部的運(yùn)動(dòng)是由髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)助攻髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和膝關(guān)節(jié)為主。模擬人體腿部的運(yùn)動(dòng)是設(shè)計(jì)下肢康復(fù)機(jī)器人的基礎(chǔ)，分析各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)參數(shù)。圖2-6步態(tài)周期步行時(shí)腿部的運(yùn)動(dòng)氛圍了支持期和擺動(dòng)期，并由此構(gòu)成了一個(gè)步行周期。支撐周期是時(shí)間時(shí)腳與地面，其占行走周期的62％的接觸。擺動(dòng)周期占行走周期的38％的時(shí)間，是指腳沒(méi)有與地面接觸，其腳后跟與地面接觸時(shí)進(jìn)入支持期間，離開(kāi)地面進(jìn)入擺動(dòng)周期。擺動(dòng)期占步行周期的38%，支撐期占62%，預(yù)承重期和擺動(dòng)前期構(gòu)成雙側(cè)肢體支撐期中，占步行周期12%。

(l)雙側(cè)肢體支撐期表示為兩腳著地、全身施壓于腳上的階段。(2)單側(cè)肢體支撐期。是指由被測(cè)足承受所有體重的階段。

(3)擺動(dòng)期。是指被測(cè)足在空中的階段。步態(tài)各重要階段動(dòng)作:

(1)腳后跟受力:從最開(kāi)始的動(dòng)作為右腳接觸到地面的時(shí)刻；

(2)前腳完全承載:在接觸地面后，慢慢得直到整個(gè)足底完全與地面接觸，這時(shí)候前腳完全負(fù)載；

(3)支撐段中期:在右腳完全承受身體重量時(shí)，左腳則動(dòng)作，這個(gè)動(dòng)作即為支撐段中期；

(4)腳后跟離地:左腳的動(dòng)作在經(jīng)過(guò)右腳是，右腳開(kāi)始離開(kāi)地面；

(5)腳指離地:右腳從腳后跟到腳尖，與地面不接觸后稱(chēng)為腳趾離地

；(6)擺動(dòng)中期:右腿的動(dòng)作擺動(dòng)經(jīng)過(guò)右腳。每個(gè)環(huán)節(jié)在不同的動(dòng)作階段所受的力和關(guān)節(jié)角度也不一樣。下面從圖2-8～圖2-12表示了以1.3

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s的速度在平地上走時(shí)腿部各個(gè)關(guān)節(jié)的角度和力矩在步態(tài)的不同時(shí)間段的變化。圖2-7步行周期內(nèi)踝關(guān)節(jié)的角度變化圖2-8踝關(guān)節(jié)力矩變化由圖2-8、2-9可知步行時(shí)踝關(guān)節(jié)處力矩的最大值為-120N，角度范圍為-20～15。由圖2-10、2-11可知步行時(shí)踝關(guān)節(jié)處力矩的最大值為60N，角度范圍為-70～0。由圖2-12、2-13可知步行時(shí)踝關(guān)節(jié)處力矩的最大值為-80N，角度范圍為-20～30。為了更科學(xué)合理有效的進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練，通過(guò)模擬人體行走的正常步態(tài)，可以得到設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和人步行的時(shí)候關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。圖2-9膝關(guān)節(jié)的角度變化圖2-10膝關(guān)節(jié)的力矩變化圖2-11髖關(guān)節(jié)角度變化圖2-12髖關(guān)節(jié)力矩變化在設(shè)計(jì)時(shí)，腿部的三個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍需要以步態(tài)分析為基礎(chǔ)，旋轉(zhuǎn)角度在范圍之內(nèi)。因?yàn)樯婕暗陌踩?，康?fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的選擇尤為重要。因?yàn)橄轮祻?fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍和人體步行是一致的，所以人體的步態(tài)運(yùn)動(dòng)也規(guī)定了下肢康復(fù)機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍[9][10]。

綜上所述，根據(jù)步態(tài)分析規(guī)定了下肢康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，具體數(shù)值見(jiàn)表2-1。

表2-1各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍（°）關(guān)節(jié)活動(dòng)形式人體行走最大值機(jī)器人關(guān)節(jié)取值人體關(guān)節(jié)活動(dòng)最大值髖關(guān)節(jié)向前伸展32.20119髖關(guān)節(jié)向后伸展-22.5-30-70膝關(guān)節(jié)向前伸展0-750膝關(guān)節(jié)向后伸展-73.5-90-136踝關(guān)節(jié)背曲14.11046踝關(guān)節(jié)跖曲-20.6-20-43注：各關(guān)節(jié)的零度位置是：水平位置2.3康復(fù)機(jī)器人性能參數(shù)限位伺服電機(jī)限位下關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍：髖關(guān)節(jié)-10°~110°，大腿與地面平行位置為0°，上抬為正方向；膝關(guān)節(jié)-10°~130°，大小腿共線(xiàn)位置為0°，彎曲方向?yàn)檎货钻P(guān)節(jié)-45°~25°，踏板與小腿垂直；關(guān)節(jié)的最大角速度：髖關(guān)節(jié)15.18rpm，膝關(guān)節(jié)18.98rpm，踝關(guān)節(jié)29rpm；關(guān)節(jié)額定力矩：髖關(guān)節(jié)220.5Nm，膝關(guān)節(jié)176.4Nm，踝關(guān)節(jié)70.6Nm；座椅俯仰角度調(diào)節(jié)范圍：90°~136°；位置為0°，上抬為正方向；3重力減重系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3.1康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)的參數(shù)及設(shè)計(jì)原則總體機(jī)械要設(shè)計(jì)考慮其工藝，選擇較好的設(shè)計(jì)方案，材料選擇符合要求;設(shè)計(jì)時(shí)要考慮維修方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單優(yōu)化成本。對(duì)于本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)，要遵循的設(shè)計(jì)原則。首先滿(mǎn)足功能要求,安裝后可以靈活操作。充分利用國(guó)內(nèi)外新技術(shù)，采用新原理、新結(jié)構(gòu)、新工藝，設(shè)計(jì)合理、使用可靠、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、通用推廣。盡量采用通用化的零件和零件標(biāo)準(zhǔn)化；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作簡(jiǎn)單、容易維護(hù)、輕質(zhì)量,良好的流動(dòng)性。設(shè)計(jì)步驟如下：（1）選擇與設(shè)計(jì)機(jī)具結(jié)構(gòu)類(lèi)型（2）確定本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案（3）選擇并確定主軸速度（4）確定重要部件的選用和計(jì)算3.2康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容1、達(dá)到支撐減重的目的。使用剛性懸臂達(dá)到使人體減重的目的。2、要有微調(diào)機(jī)構(gòu)，為了符合人體正常步態(tài)運(yùn)動(dòng)。拉簧使人步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)前后方向不受限制。3減重力的調(diào)節(jié)過(guò)程。此設(shè)備和一個(gè)平板跑臺(tái)配合，以跑步機(jī)的類(lèi)型作為平板跑臺(tái)的替代模型。4、明確腰托與懸臂之間的連接，懸臂的設(shè)計(jì)，滾珠絲杠，滑軌，電機(jī)的選型，校核等。5、本次課題設(shè)計(jì)的減重系統(tǒng)容納的范圍是身高在155-185之間，體重在120kg以下的人群。另外，汽車(chē)備胎支架的設(shè)計(jì)需要完成兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)，一是動(dòng)力部分及傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)，用來(lái)給輸送汽車(chē)備胎支架傳遞動(dòng)力，二是功能部分的設(shè)計(jì)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的主要功能。最后將兩者通過(guò)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，從而完成汽車(chē)備胎支架的設(shè)計(jì)。3.3康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)的總體方案本文所設(shè)計(jì)的減重系統(tǒng)提供一種腰部支撐減重裝置，包括主支架、電機(jī)、絲杠、螺母、豎直滑軌、水平滑軌、滑塊、拉簧、腰部支撐桿、腰部靠板、護(hù)腰帶、支撐套塊，豎直滑軌固定在主支架上，第一滑塊安裝在豎直滑軌上，第一滑塊與中空的支撐套塊相連，電機(jī)固定在主支架上，電機(jī)的輸出端連接絲杠，絲杠穿過(guò)支撐套塊、通過(guò)軸承支座安裝在主支架上，螺母套在絲杠上、置于支撐套塊下方，水平滑軌連接支撐套塊，第二滑塊安裝在水平滑軌上，腰部支撐桿通過(guò)第二滑塊連接支撐套塊，水平滑軌端部安裝前擋板，前擋板與腰部支撐桿之間、腰部支撐桿與支撐套塊之間均安裝拉簧，腰部靠板連接腰部支撐桿，護(hù)腰帶安裝在腰部靠板上。圖3-1康復(fù)機(jī)器人減重系統(tǒng)示意圖該機(jī)構(gòu)的示意圖所示，利用絲杠和絲杠螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)，原理類(lèi)似大小腿的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，將髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在支座上，再把支座固定在滑臺(tái)上，滑臺(tái)與絲杠螺母和滑動(dòng)軸承相連接，通過(guò)絲杠螺母產(chǎn)生上下方向的位移進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)滑動(dòng)軸承安裝在兩根導(dǎo)向桿上面，以此用來(lái)保證驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置在滑動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)整時(shí)候的穩(wěn)定性。4滾珠絲杠副的選型與計(jì)算4.1滾珠絲杠的選型滾珠絲杠副是在絲杠和螺母的滾道之間放入適當(dāng)?shù)臐L珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。其作用是將螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)動(dòng)。絲杠或螺母轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)，螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置，滾珠通過(guò)此裝置自動(dòng)返回其入口，形成循環(huán)回路。滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)的特性，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備，精密儀器和數(shù)控機(jī)床等。滾珠絲杠副由專(zhuān)門(mén)工廠(chǎng)制造，當(dāng)型號(hào)計(jì)算選定后，可以外購(gòu)或定制。滾珠絲杠副按照滾珠的循環(huán)方式可分為內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠和外循環(huán)滾珠絲杠，下面通過(guò)比較其各自的特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中需要使用的滾珠絲杠進(jìn)行選擇。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副如圖4-1所示，滾珠在循環(huán)回路中始終和螺桿接觸，螺母上開(kāi)有側(cè)孔，孔內(nèi)有反向器將相鄰兩螺紋滾道聯(lián)通，滾珠越過(guò)螺紋頂部進(jìn)入相鄰滾道，行成一個(gè)循環(huán)回路。內(nèi)循環(huán)的每一封閉循環(huán)滾道只有一圈滾珠，滾珠的數(shù)量較少，因此流動(dòng)性好、摩擦損失小、徑向尺寸小。但反向器及螺母上的定位孔的加工要求較高。圖4-1內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)滾珠絲杠的特點(diǎn)，如下圖所示為螺旋槽式外循環(huán)滾珠絲杠。它是在螺母的外表面上銑出一個(gè)供滾珠返回的螺旋槽，其兩端鉆有圓孔，與螺母上的內(nèi)滾道相聯(lián)通。在螺母的滾道上裝有擋珠器，引導(dǎo)滾珠從螺母外表面上的螺旋槽返回滾道，循環(huán)到工作滾道的另一端。這種結(jié)構(gòu)的加工工藝比內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠好，故應(yīng)用較方便，但缺點(diǎn)是擋珠器的形狀復(fù)雜且容易磨損。圖4-2螺旋槽式外循環(huán)滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)根據(jù)兩種螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)我選用螺旋槽式外循環(huán)螺旋傳動(dòng)作為作為系統(tǒng)XY工作臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。滾珠絲桿副的支撐形式采用雙推減支的支撐形式其特點(diǎn)是：1.臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性較高2.絲杠有熱膨脹的余地3.以用于較長(zhǎng)的臥式安裝的絲杠在五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中，其第一層和第二層的工作臺(tái)都是在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制下，運(yùn)用滾珠絲杠副將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在滾珠絲杠帶動(dòng)下是工作臺(tái)沿XY方向做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)要求：工作臺(tái)沿X向的有效行程800mm工作臺(tái)沿Y向的有效行程400mm滾珠絲杠副的傳動(dòng)關(guān)系如下圖4-3所示：圖4-3滾珠絲杠副的傳動(dòng)關(guān)系圖根據(jù)機(jī)床的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸，其安裝尺寸啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL、LL系列滾珠絲杠副，其中FL為浮動(dòng)反向器內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副。兩種絲杠副均為雙螺母結(jié)構(gòu)，采用螺紋調(diào)整預(yù)緊，安裝連接尺寸完全相同，具體型號(hào)如下：X向：FL3206／900×800Y向：FL2506／450×400其尺寸參數(shù)如下：X向：規(guī)格／L×e3206／900×800Dw3.9688d138.8L135d325D60D380B10L2122L382平鍵尺寸GB/T1096－－20036×6×55小圓螺母GB/T812－－1988M45×2額定載荷動(dòng)載荷Ca13.2靜載荷Coa37.4Y向：規(guī)格／L×e2506／450×400Dw3.5d124L125d317D45D362B8L295L366平鍵尺寸GB/T1096－－20036×6×50小圓螺母GB/T812－－1988M45×1.5額定載荷動(dòng)載荷Ca10.4靜載荷Coa22.2圖4-4滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)示意圖因Y向的滾珠絲桿比X向的滾珠絲桿所受的負(fù)載大，現(xiàn)只計(jì)算Y向絲桿的相關(guān)數(shù)據(jù)，X向根據(jù)Y向的結(jié)果相同選用即可滿(mǎn)足要求。具體計(jì)算如下：4.2滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定軸向負(fù)荷計(jì)算公式：（4-1）式中F——切削力，F(xiàn)=0W——工件重量加工作臺(tái)重量W=455NU——滾動(dòng)導(dǎo)軌上的滾動(dòng)動(dòng)摩擦系數(shù)約為U=0.005則根據(jù)式（3.1）：=0.005×463=2.315NXY工作臺(tái)滾珠絲杠是在低速條件下工作的。故本處的Go=（0.2-0.3），=2.315N。對(duì)照樣本參數(shù),這里的Go非常小，選定導(dǎo)程為6的滾珠絲杠副。4.3滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為:（3-2）式中ψ—滾珠絲杠的螺紋升角ρ＇—當(dāng)量摩擦角根據(jù)當(dāng)量摩擦系數(shù)和當(dāng)量摩擦角關(guān)系（見(jiàn)表3-1），前面已經(jīng)定v=1m/s，材料選擇灰鑄鐵HRC≥45。所以：ρ＇=4°00′，tgρ＇=0.0025；因?yàn)棣?arctg（Ph/πd）（3-3）則根據(jù)式（3-2）得：η＝0.953。表4-1當(dāng)量摩擦系數(shù)f＇和當(dāng)量摩擦角ρ＇齒圈材料錫青銅無(wú)錫青銅灰鑄鐵齒面硬度HRC≥45其它HRC≥45HRC≥45其它相對(duì)速度υsm/sf＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇f＇ρ＇0.01

0.05

0.10

0.25

0.50

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

4

5

8

10

15

240.110

0.090

0.080

0.065

0.055

0.045

0.040

0.035

0.030

0.028

0.024

0.022

0.018

0.016

0.014

0.0136°17′

5°09′

4°34′

3°43′

3°09′

2°35′

2°17′

2°00′

1°43′

1°36′

1°22′

1°16′

1°02′

0°55′

0°48′

0°45′0.120

0.100

0.90

0.075

0.065

0.055

0.05

0.045

0.040

0.035

0.031

0.029

0.026

0.024

0.0206°51′

5°43′

5°09′

4°17′

3°43′

3°09′

2°52′

2°35′

2°17′

2°00′

1°47′

1°40′

1°29′

1°22′

1°09′0.180

0.140

0.130

0.100

0.090

0.070

0.065

0.055

0.05

0.045

0.040

0.035

0.03

10°12′

7°58′

7°24′

5°43′

5°09′

4°00′

3°43′

3°09′

2°52′

2°35′

2°17′

2°00′

1°43′

0.180

0.140

0.130

0.100

0.090

0.070

0.065

0.055

10°2′

7°58′

7°24′

5°43′

5°09′

4°00′

3°43′

3°09′

0.190

0.160

0.140

0.120

0.100

0.090

0.080

0.070

10°45

9°05

7°58′

6°51′

5°49′

5°09′

4°34′

4°00′

5直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的選型導(dǎo)軌主要分為滾動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)導(dǎo)軌兩種，直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床中有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)普通機(jī)床所用的滑動(dòng)導(dǎo)軌而言，它有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：5.1定位精度高直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌可使摩擦系數(shù)減小到滑動(dòng)導(dǎo)軌的1/50。由于動(dòng)摩擦與靜摩擦系數(shù)相差很小，運(yùn)動(dòng)靈活，可使驅(qū)動(dòng)扭矩減少90%，因此，可將機(jī)床定位精度設(shè)定到超微米級(jí)。5.2降低機(jī)床造價(jià)并大幅度節(jié)約電力采用直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的機(jī)床由于摩擦阻力小，特別適用于反復(fù)進(jìn)行起動(dòng)、停止的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可使所需的動(dòng)力源及動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)小型化，減輕了重量，使機(jī)床所需電力降低90%，具有大幅度節(jié)能的效果。5.3可提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌由于摩擦阻力小，因此發(fā)熱少，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高速運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)床的工作效率20～30%。5.4可長(zhǎng)期維持機(jī)床的高精度對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌面的流體潤(rùn)滑，由于油膜的浮動(dòng)，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)精度的誤差是無(wú)法避免的。在絕大多數(shù)情況下，流體潤(rùn)滑只限于邊界區(qū)域，由金屬接觸而產(chǎn)生的直接摩擦是無(wú)法避免的，在這種摩擦中，大量的能量以摩擦損耗被浪費(fèi)掉了。與之相反，滾動(dòng)接觸由于摩擦耗能小．滾動(dòng)面的摩擦損耗也相應(yīng)減少，故能使直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)長(zhǎng)期處于高精度狀態(tài)。同時(shí)，由于使用潤(rùn)滑油也很少，大多數(shù)情況下只需脂潤(rùn)滑就足夠了，這使得在機(jī)床的潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用維護(hù)方面都變的非常容易了。所以在結(jié)構(gòu)上選用：開(kāi)式直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌。5.5直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型5.5.1滑塊承受工作載荷F的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取工作載荷是影響直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。在我的設(shè)計(jì)中處于工作臺(tái)底層的X-Y工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支撐形式。由于考慮到最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：F=（5-1）其中，移動(dòng)部件重量估算為600N，由于可能會(huì)有外加載荷設(shè)為F=240N，得到最大工作載荷F=390N=0.39kN查表可得，根據(jù)工作載荷F=0.39Kn，初選直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)為KL系列的JSA—LG15型，其額定載荷C=7.94kN,額定靜載荷C=9.5kN任務(wù)書(shū)規(guī)定工作臺(tái)臺(tái)面尺寸為160×160，X向的導(dǎo)程為800mm,Y向的導(dǎo)程為400mm,查表可得，考慮到工作行程應(yīng)留有一定的余量，查表可得，按標(biāo)準(zhǔn)系列，導(dǎo)軌的長(zhǎng)度820×400mm。5.5.2距離額定壽命L的計(jì)算上述選取的KL系列JSA—LG15型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過(guò)100℃，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級(jí)，工作速度較低，載荷不大。查表分別取硬度系數(shù)f=1.0、溫度系數(shù)f=100、接觸系數(shù)f=0.81、精度系數(shù)f=0.9、載荷系數(shù)f=1.5,帶入式（5-2）中。得距離壽命：L=()×50≈6649km遠(yuǎn)大于期望值50km，故距離滿(mǎn)足額定壽命滿(mǎn)足要求6步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)與選型6.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)也叫脈沖電動(dòng)機(jī)，它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械角位移的執(zhí)行原件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的角位移與輸入的脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)間上與脈沖同步。因此，只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率和電動(dòng)機(jī)的繞組的通電順序，便可以獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。當(dāng)無(wú)脈沖輸入時(shí)，在繞組電流的激勵(lì)下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以鎖相。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉。它的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易于起停﹑正反轉(zhuǎn)和無(wú)級(jí)變速也容易實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在：低頻時(shí)有震蕩、速度不夠均勻、在高速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩減小。6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)很多，按其運(yùn)動(dòng)的方式可分為旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線(xiàn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按其輸出轉(zhuǎn)矩的大小可以分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按其勵(lì)磁繞組的相數(shù)可以分為兩相、三相、四相、五相和六相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；按其工作原理可分反應(yīng)式、永磁式和混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。6.2.1反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子不含永久磁鐵，定子上繞有一定數(shù)量的繞組線(xiàn)圈，線(xiàn)圈輪流通電時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，吸引轉(zhuǎn)子一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)。繞組線(xiàn)圈一旦斷電，磁場(chǎng)即消失，所以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)掉電后不自鎖。此類(lèi)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料成本低、驅(qū)動(dòng)容易，定子和轉(zhuǎn)子加工方便，步距角可以做的較小，但動(dòng)態(tài)性能差一些，容易出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)溫升較高。6.2.2永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，定子上的繞組線(xiàn)圈在換相通電時(shí)，不需要太大的電流，繞組斷電時(shí)具有自鎖能力。這種電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動(dòng)電流小、電動(dòng)機(jī)不易發(fā)熱，但制造成本高。由于轉(zhuǎn)子受磁鋼加工的限制，因而步距角較大，與之配套的驅(qū)動(dòng)電源一般要求具有細(xì)分功能。6.2.3混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鋼，可以說(shuō)是永磁型，但從釘子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來(lái)看，又和反應(yīng)式相似，所以是永磁式和反應(yīng)式相結(jié)合的一種形式，故稱(chēng)為混合式。該類(lèi)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動(dòng)電源電流小、功耗低，但結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，成本相對(duì)較高。因?yàn)榛旌鲜讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的性?xún)r(jià)比較高，所以目前得到了廣泛的應(yīng)用。6.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)及其選擇如何正確選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一項(xiàng)重要的工作，它需要與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)。首先要合理選擇電動(dòng)機(jī)的功率。通常根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載的需要來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的功率，同時(shí)，還要考慮負(fù)載的工作制問(wèn)題，也就是說(shuō)，所選的電動(dòng)機(jī)應(yīng)適應(yīng)機(jī)械負(fù)載的連續(xù)、短時(shí)或間斷周期工作性質(zhì)。功率選用時(shí)不能太大，也不能太小。選小了，保證不了電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的正常工作；選大了，雖然能保證正常運(yùn)行，但是不經(jīng)濟(jì)，電動(dòng)機(jī)容量不能被充分利用，而且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常不能滿(mǎn)載運(yùn)行，使得效率和功率因數(shù)不高。其次，根據(jù)電源電壓條件，要求所選用的電動(dòng)機(jī)的額定電壓與頻率同供電電源電壓與頻率相符合。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一定要按生產(chǎn)機(jī)械銘牌上的要求選擇，否則可能改變生產(chǎn)機(jī)械的性能。此外，電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、防護(hù)、冷卻和安裝形式，應(yīng)適應(yīng)使用環(huán)境條件的要求，并且要力求安裝、調(diào)試、檢修方便，以保證電機(jī)能安全可靠的運(yùn)行。步距角的選擇：步距角是在一個(gè)電脈沖信號(hào)的作用下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的機(jī)械角位移。它與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子齒數(shù)z以及繞組的通電方式有關(guān)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角計(jì)算公式為：α=360°/(z×m×K)（6-1）（1）最大靜轉(zhuǎn)矩（保持轉(zhuǎn)矩）Tjmax最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在通電狀態(tài)下，使轉(zhuǎn)子離開(kāi)平衡位置是的極限轉(zhuǎn)矩值，它反映了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)承受外加轉(zhuǎn)矩的特性。最大靜轉(zhuǎn)矩也叫保持轉(zhuǎn)矩，它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最重要的參數(shù)之一。當(dāng)我們說(shuō)一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是12N?m時(shí)，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下，通常就是指該電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品樣本中，均可查到最大靜轉(zhuǎn)矩或保持轉(zhuǎn)矩（在額定電流和規(guī)定的通電方式下）。（2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)距是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相繞組勵(lì)磁時(shí)所能帶動(dòng)的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩。它可以通過(guò)最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax進(jìn)行折算，如下表所示表6-1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系（Tq/Tjmax）電動(dòng)機(jī)相數(shù)345運(yùn)行拍數(shù)3648510起動(dòng)轉(zhuǎn)矩/最大靜轉(zhuǎn)矩0.50.8660.7070.7070.8090.951(3)距頻特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，隨著運(yùn)行頻率的升高，輸出轉(zhuǎn)矩逐漸下降。輸出轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系稱(chēng)作矩頻特性。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性有兩種，一種是起動(dòng)距頻特性，另一種是運(yùn)行矩頻特性。對(duì)于給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl，電動(dòng)機(jī)在小于fs的頻率范圍內(nèi)可以不失步地直接起動(dòng)；在fs~fe之間可以連續(xù)運(yùn)行，但不能直接起動(dòng)；當(dāng)頻率超過(guò)fe時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就會(huì)失步或堵轉(zhuǎn)。（4）定位轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)如果斷電，允許被控對(duì)象處于自由位置，則可選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；如果不允許被控對(duì)象處于自由狀態(tài)，則應(yīng)選永磁式或混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這兩種電動(dòng)機(jī)在斷電的狀態(tài)下均有一定的定位轉(zhuǎn)矩。6.4電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率同一功率的異步電機(jī)有幾種轉(zhuǎn)速。一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速愈高，磁數(shù)極對(duì)數(shù)愈少，外廓尺寸愈小，價(jià)格愈低；反之，轉(zhuǎn)速愈小，外廓尺寸愈大，價(jià)格愈高。在一般機(jī)械中，用得最多的是同步轉(zhuǎn)速為1500或30000轉(zhuǎn)每分鐘的電機(jī)。電機(jī)的功率選擇是否合適，對(duì)電動(dòng)機(jī)的正常工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。功率選的過(guò)大，則電動(dòng)機(jī)價(jià)格高，且經(jīng)常不在滿(mǎn)載下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)功率和功率因數(shù)都較低，造成很大的浪費(fèi)；功率選小，不能保證正常的工作或使電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載而過(guò)早損壞。故電動(dòng)機(jī)的功率略大于生產(chǎn)機(jī)械要求就可以了。PN>=PN/ηcηF（6-2）PN--生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載功率；ηc--電動(dòng)機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械間傳動(dòng)裝置的效率。帶傳動(dòng)時(shí)，ηc=0.98~0.99ηF--生產(chǎn)本身的效率6.5各參素的確定1.各拖板重量W≈455N2.拖板與導(dǎo)軌貼塑板間摩擦系數(shù)U=0.123.最大走刀抗力FZ（與運(yùn)動(dòng)方向相反）=200N4.最大主切削力FY（與導(dǎo)軌垂直）=250N5.拖板進(jìn)給速V1=10~500毫米/分6.車(chē)刀空行程速度V2=200毫米/分7.滾珠絲桿導(dǎo)程L=6毫米8.滾珠絲桿節(jié)圓直徑d0=32毫米9.絲桿總長(zhǎng)L=1000毫米10.定位精度0.01毫米6.6初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)6.6.1脈沖當(dāng)量的選擇脈沖當(dāng)量：一個(gè)指令脈沖使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)的移動(dòng)距離δ=0.01mm/p（輸入一個(gè)指令脈沖工作臺(tái)移動(dòng)0.01毫米）初選之相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角0.75°/1.5°，當(dāng)三相六拍運(yùn)行時(shí)，步距角ε=0.75其每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)S=360ε/0.75=480p/r步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿間的傳動(dòng)比ii=L/δs=6/0.01×480=1.25（6-3）6.6.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩TT=uwl/2πηI（6-4）=0.06×455×0.2/2×3.14×0.8×1.25=0.81N.m6.6.3等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算1)滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=πdlp/32(6-5）=3.14××1×7.85×103=8.1×10㎏／2）拖板的運(yùn)動(dòng)慣量Jw=2(6-6)==0.188㎏／6.6.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)選擇的計(jì)算1）根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型，求得加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2)計(jì)算不同工況下加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)T；3）取其中最大的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，作為確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)；4）根據(jù)運(yùn)行距頻特性、起動(dòng)慣頻特性等，對(duì)粗選的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行校核。1.加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J是進(jìn)給系統(tǒng)伺服系統(tǒng)的主要參數(shù)之一，它對(duì)選擇電動(dòng)機(jī)具有重要意義。J主要包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減速裝置與滾珠絲杠以及移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。J的具體算法如下:絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：設(shè)絲杠的質(zhì)量m≈20NJ=(6-7)==2.5×10N/m步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩T步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的。通?？紤]兩種情況:一種情況是快速空載啟動(dòng)（工作負(fù)載為0），另一種情況是承受最大工作負(fù)載。下面分別進(jìn)行討論：快速空載起動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)軸所受的負(fù)載轉(zhuǎn)軸TT=T+T+T(6-8)=0.654+6.52=7.17N.mT－－快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，單位N.mT－－移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，單位N.mT－－滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，單位N.mT=J=(6-9)==0.654N.mn==1250r/minv－－縱向空載最快移動(dòng)速度，在系統(tǒng)中為6000mm/min；－－步進(jìn)電機(jī)的步距角，為0.75°；－－脈沖當(dāng)量，為0.01mm/minJ－－步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為Kg.m－－電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角加速度，單位為rad/sn－－電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min;t－－電動(dòng)機(jī)加速所用時(shí)間，單位為s,一般在0.3~1之間選取。取t=0.5s2)移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)間折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩:T=（6-10）==6.52N.m式中F——導(dǎo)軌的摩擦力，單位為N；P——滾珠絲杠導(dǎo)程，單位為m；——傳動(dòng)鏈的總效率，一般取=0.7~0.85；i——總的傳動(dòng)比，i=n/n,其中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，n為絲杠的轉(zhuǎn)速。其中上式中導(dǎo)軌的摩擦力為：F=（6-11）=0.18×455=81.9N式中——導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)（滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.15~0.18）取=0.18F——垂直方向的工作負(fù)載，單位為N，空載時(shí)為0；G——運(yùn)動(dòng)部件的總動(dòng)力，單位為N.3)滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩；T=（6-12）式中F——滾珠絲杠的預(yù)緊力，一般取滾珠絲杠工作載荷F的1/3,單位為N；——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取由于滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率很高，所以由式（6-12）算出的T值很小在式(6-8)中與T和T比起來(lái)，通?？梢院雎圆挥?jì)。（2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T：T=T+T+T（6-13）而T=(6-14)==0.978N.m式中F為進(jìn)給方向最大工作載荷，單位NT=(6-15)==0.128N.m對(duì)于T是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，T相對(duì)于T和T很小，可以忽略不計(jì)。則有：T=T+T=0.978+0.128=1.106N.m（6-16）經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩:T=max7.17N.m（6-17）(3)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受到電網(wǎng)電壓的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成失步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)T來(lái)選擇步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩是需考慮安全系數(shù)K。對(duì)于開(kāi)環(huán)控制，一般應(yīng)在2.5~4之間選取。選擇K=3。則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足：T=3=9.51N.m（6-18）根據(jù)上述計(jì)算選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為110BC380F，查表可得該型號(hào)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩T=11.76N.m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為9Kg/cm.可見(jiàn)，滿(mǎn)足式（6-18）的要求。由于每層受到的工作臺(tái)的重力越來(lái)越小，所以第二層的工作臺(tái)使用的電機(jī)同樣選擇110BC380F，經(jīng)計(jì)算第三四層選擇異步電機(jī)的型號(hào)為90BF003。下面將所選用的兩重步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型參數(shù)列為表6-1。型號(hào)相數(shù)步距角電壓電流最大靜轉(zhuǎn)矩空載啟動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量90BF00331.5/36051.961500150000.6110BC380F30.75/1.580611.7612001200097軸、軸承及聯(lián)軸器的選用7.1軸的材料軸是組成機(jī)器的重要零件，各種各樣機(jī)器上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件，必須安裝在軸和軸承上，才能傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。7.1.1軸的分類(lèi)根據(jù)幾何軸線(xiàn)形狀的不同，軸可分為直軸、曲軸和撓性軸。曲軸在內(nèi)燃機(jī)、空壓機(jī)中應(yīng)用比較廣泛；撓性軸可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活地傳到所需要的任何位置；直軸是最基本的一種軸，我們主要討論直軸。直軸按形狀可分為光軸和階梯軸兩種。按載荷性質(zhì)又可分為轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸三種。工作中既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩的軸稱(chēng)為轉(zhuǎn)軸；工作中只承受彎矩不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸稱(chēng)為心軸，又可分為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸和固定心軸；傳動(dòng)軸主要承受轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩或能承受較小的彎矩。7.1.2軸的材料及選擇軸的材料主要是碳素鋼和合金鋼，其中碳素鋼價(jià)格低廉，對(duì)應(yīng)力集中敏感性小，機(jī)械性能也較好，故應(yīng)用最為廣泛。常用的碳素鋼為35、45、50鋼，其中最常用的是45鋼。為提高軸的機(jī)械性能，采用調(diào)質(zhì)或正火處理。對(duì)于載荷不大或不太重要的軸，可采用Q235、Q275等普通碳素鋼。對(duì)于傳遞功率大而又受到空間限制，要求截面尺寸較小或要求耐磨性較高的軸，可采用合金鋼并進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。但進(jìn)行熱處理只能提高鋼材的強(qiáng)度和硬度，而不能提高其剛度，所以從提高剛度來(lái)考慮，就不能采用合金鋼。軸的毛坯一般用軋制的圓鋼或鍛件，重要的軸采用鍛制毛坯。7.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.2.1軸頭、軸頸和軸身軸頸：軸和軸承配合部分；軸頭：軸上裝輪轂的部分；軸身：聯(lián)接軸頭和軸頸的部分。軸頸直徑與軸承內(nèi)徑、軸頭直徑與相配合零件的輪轂內(nèi)徑應(yīng)一致，而且為標(biāo)準(zhǔn)值。為便于裝配，軸頸和軸頭的端部均應(yīng)有倒角。用作零件軸向固定的臺(tái)階部分稱(chēng)為軸肩，環(huán)形部分稱(chēng)為軸環(huán)。軸上螺紋或花鍵部分的直徑應(yīng)符合螺紋或花鍵的標(biāo)準(zhǔn)。7.2.2軸上零件的軸向固定和定位為防止軸上零件沿軸向移動(dòng)，應(yīng)對(duì)它們進(jìn)行軸向固定和定位。常用的有：軸肩和軸環(huán)、套筒、圓螺母和止動(dòng)墊圈、彈性擋圈和緊定螺釘、軸端擋圈。１、軸肩和軸環(huán)：簡(jiǎn)單可靠，不需附加零件，能承受較大的軸向力，但會(huì)使軸徑增大，階梯處形成應(yīng)力集中，階梯過(guò)多不利于加工。２、套筒：當(dāng)軸上一零件的位置已固定時(shí)而零件間的距離又較小時(shí)，可采用套筒。簡(jiǎn)單可靠，簡(jiǎn)化了軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)且不削弱軸的強(qiáng)度，但機(jī)器重量增加，且由于套筒與軸的配合較松，故不宜于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸。３、圓螺母：當(dāng)套筒過(guò)長(zhǎng)或無(wú)法采用套筒，而軸上又允許車(chē)制螺紋時(shí)，可采用圓螺母固定。圓螺母可承受較大的軸向力，但切制螺紋處有較大的應(yīng)力集中，會(huì)降低軸的疲勞強(qiáng)度。４、軸端擋圈：主要用于有振動(dòng)和沖擊的軸端零件的軸向固定。軸的端部可以是錐面或柱面。５、當(dāng)軸向力很小時(shí)，可采用彈簧擋圈和緊定螺釘。根據(jù)軸上零件的軸向固定原則，本設(shè)計(jì)采用了軸肩和軸承端蓋共同定位的軸向定位方法，其其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位可靠、沒(méi)有多余的結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)電機(jī)造成多余的載荷負(fù)擔(dān)。在五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中采用兩端軸肩和兩端軸承端蓋共同定位，由于模型中軸承主要受軸的切線(xiàn)方向力，所以在兩端的軸承端蓋用緊定螺釘定位能夠滿(mǎn)足其要求。7.2.3軸的周向固定主要是為了傳遞轉(zhuǎn)矩和防止零件與軸產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。一般采用鍵、花鍵及過(guò)盈配合等聯(lián)接方式。考慮到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在不會(huì)引起軸的周向跳動(dòng)的情況下采用軸的過(guò)配合的連接方式。四、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題１、為便于零件的裝拆，軸端應(yīng)有45°的倒角，零件裝拆時(shí)所經(jīng)過(guò)的各段軸頸都要小于零件的孔徑；２、軸肩或軸環(huán)定位時(shí)，其高度必須小于軸承內(nèi)圈端部的厚度；３、用套筒、圓螺母、軸端擋圈作軸向定位時(shí)，一般裝配零件的軸頭長(zhǎng)度應(yīng)比零件的輪轂長(zhǎng)度短2~3mm，以確保套筒、螺母或軸端擋圈能靠緊零件端面。４、軸上磨削的軸段和車(chē)制螺紋的軸段，應(yīng)分別留有砂輪越程槽和螺紋退刀槽，且后軸段的直徑小于軸頸處的直徑，以減少應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。在我的設(shè)計(jì)中，軸的周向定位主要是通過(guò)兩端的支撐板定位，軸的兩端與軸承通過(guò)過(guò)盈配合固定。7.2.4減少應(yīng)力集中的措施１、倒角和倒圓：零件截面突然發(fā)生變化的地方，都會(huì)不生應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低軸的強(qiáng)度，所以在兩截面的變化處應(yīng)采用圓角過(guò)渡。２、過(guò)渡結(jié)構(gòu)：當(dāng)軸肩尺寸不夠，圓角半徑達(dá)不到規(guī)定值而又要減小軸肩處的應(yīng)力集中，可采用間隔環(huán)、凹圓角或制成卸載槽的形式。３、過(guò)盈配合；４、改善受力情況；５、提高軸表面的機(jī)械性能，降低表面粗糙度，對(duì)提高軸的疲勞強(qiáng)度有重要意義。7.3軸承的選用軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，通過(guò)軸徑確定軸承型號(hào)及尺寸；再通過(guò)軸承壽命來(lái)計(jì)算軸承的額定動(dòng)載荷；最后校核軸承型號(hào)選用是否正確在我的設(shè)計(jì)中每層的滾珠絲杠副均采用“單推-單推”的方式，絲杠的兩端均采用一對(duì)內(nèi)徑為25的深溝球軸承，其型號(hào)為6305軸承的安裝：軸承安裝前應(yīng)先用汽油或煤油清洗干凈，干燥后使用，并保證良好潤(rùn)滑，軸承一般采用脂潤(rùn)滑，也可采用油潤(rùn)滑。采用脂潤(rùn)滑時(shí)，應(yīng)選用無(wú)雜質(zhì)、抗氧化、防銹、極壓等性能優(yōu)越的潤(rùn)滑脂。潤(rùn)滑脂填充量為軸承及軸承箱容積的30%-60%，不宜過(guò)多。帶密封結(jié)構(gòu)的雙列圓錐滾子軸承和水泵軸連軸承已填充好潤(rùn)滑脂，用戶(hù)可直接使用，不可再進(jìn)行清洗。軸承安裝時(shí)，必須在套圈端面的圓周上施加均等的壓力，將套圈壓入，不得用鎯頭等工具直接敲擊軸承端面，以免損傷軸承。在過(guò)盈量較小的情況下，可在常溫下用套筒壓住軸承套圈端面，用鎯頭敲打套筒，通過(guò)套筒將套圈均衡地壓入。如果大批量安裝時(shí)，可采用液壓機(jī)。壓入時(shí)，應(yīng)保證外圈端面與外殼臺(tái)肩端面，內(nèi)圈端面與軸臺(tái)肩端面壓緊，不允許有間隙。當(dāng)過(guò)盈量較大時(shí)，可采用油浴加熱或感應(yīng)器加熱軸承方法來(lái)安裝，加熱溫度范圍為80℃-100℃，最高不能超過(guò)120℃。同時(shí)，應(yīng)用螺母或其它適當(dāng)?shù)姆椒ňo固軸承，以防止軸承冷卻后寬度方向收縮而使套圈與軸肩之間產(chǎn)生間隙。單列圓錐滾子軸承安裝最后應(yīng)進(jìn)行游隙的調(diào)整。游隙值應(yīng)根據(jù)不同的使用工況和配合的過(guò)盈量大小而具體確定。必要時(shí)，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)確定。雙列圓錐滾子軸承和水泵軸連軸承在出廠(chǎng)時(shí)已調(diào)整好游隙，安裝時(shí)不必再調(diào)整。軸承安裝后應(yīng)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，首先用于旋轉(zhuǎn)軸或軸承箱，若無(wú)異常，便以動(dòng)力進(jìn)行無(wú)負(fù)荷、低速運(yùn)轉(zhuǎn)，然后視運(yùn)轉(zhuǎn)情況逐步提高旋轉(zhuǎn)速度及負(fù)荷，并檢測(cè)噪音、振動(dòng)及溫升，發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)并檢查。運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)正常后方可交付使用。7.4聯(lián)軸器的選用聯(lián)軸器是標(biāo)準(zhǔn)件，一般可以根據(jù)機(jī)器的工作條件、使用要求，如承載能力、轉(zhuǎn)速、兩軸相對(duì)位移、緩沖吸震以及裝拆、維修更換易損元件等，綜合分析來(lái)選擇標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器。具體選擇時(shí)可以考慮以下幾點(diǎn)。1.原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)的機(jī)械特性。原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型不同，其輸出功率和轉(zhuǎn)速，有的是平穩(wěn)恒定的，有的是波動(dòng)不均勻的。而各種工作機(jī)的載荷性質(zhì)差異更大，有的平穩(wěn)，有的甚至強(qiáng)烈沖擊或震動(dòng)。這將直接影響聯(lián)軸器的類(lèi)型的選擇，是選型的首要依據(jù)之一。對(duì)于載荷為平穩(wěn)的，則可選用剛性聯(lián)軸器，否則宜選用剛性聯(lián)軸器2.聯(lián)軸器連接的軸系及其運(yùn)轉(zhuǎn)情況。對(duì)于聯(lián)軸器系的質(zhì)量大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，而又經(jīng)常啟動(dòng)、變速或