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I 寧 XX 大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 ) 柔性桿自動推進裝置設(shè)計 所 在 學(xué) 院 機電學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 老 師 年 月 日 II 摘 要 在機器人技術(shù)、計算機技術(shù)和自動化技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，改造傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡推 進裝置或設(shè)計新型內(nèi)窺鏡推進裝置是醫(yī)學(xué)中的熱點問題，國內(nèi)外研究機構(gòu)在智能化內(nèi) 窺鏡技術(shù)方面的研究，主要集中在內(nèi)窺鏡介入機構(gòu)學(xué)方面的探索等?；趩吸c光纖光 柵傳感頭的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是利用單點傳感頭沿著內(nèi)窺鏡工作鉗道前進時在內(nèi)窺 鏡上等距離的一系列點處采集波長來進行形狀感知的。這就要求設(shè)計一種介入傳感器 的機械裝置。傳感器介入到內(nèi)窺鏡內(nèi)的方式有兩種：主動引導(dǎo)和外力介入。由于內(nèi)窺 鏡的鉗道直徑大小不超過 3 毫米，長度大約為 1000 毫米，所以光纖光柵傳感頭的介入 方式不宜用主動引導(dǎo)方式。 本文通過對柔性桿的研究,以及如何對柔性桿改進推進裝置進行了研究，利用摩擦 輪作為傳動部件來推進細徑線狀傳感器的自動推進系統(tǒng)， 傳感器被夾持在兩摩擦輪凹 槽之間，依靠摩擦輪和傳感器表面之間的摩擦力，利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光 柵傳感器。通過手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙，還可以靈活改變介入力大小。 關(guān)鍵詞：柔性桿，推進裝置，摩擦輪，擠壓 III Abstract In robotics, computer technology and automation technology rapid development on the basis of the transformation of traditional endoscope propelling device, or design new endoscope propelling device is in the medicine hot issues, domestic and foreign research institutions in the intelligent endoscope technology research, mainly concentrated in the endoscope intervention mechanism of exploration. Based on the single point optical fiber grating sensing head of the endoscope shape sensing system is the use of a single point sensing head along the endoscope working channel in the endoscope forceps forward on a series of points equidistant from the collection wavelength to shape perception. This requires the design of a sensor in mechanical device. The sensor into the endoscope in two ways: active guidance and intervention of foreign powers. As the endoscope forceps channel diameter less than 3mm, length of about 1000 mm, so the optical fiber grating sensing head intervention should not use active guide way. Based on the study of flexible rod, as well as how to improve the flexible rod propulsion device was studied, using the friction wheel as a driving component to promote small diameter linear sensor automatic propulsion system, sensor is clamped between the two friction wheels between the recesses, rely on friction wheel and a sensor surface friction, friction and extrusion of intervention fiber Bragg grating sensor. Through the handle on the spring to adjust the gap between the two friction wheels, also can change intervention force. Key Words: Flexible rod, a propulsion device, a friction wheel, extrusion IV 目 錄 摘 要 .........................................................................................................................................I Abstract ......................................................................................................................................II 目 錄 .......................................................................................................................................III 第 1 章 緒論 ...............................................................................................................................1 第 2 章 設(shè)計方案的選擇與分析 ...............................................................................................3 2.1 利用摩擦輪連續(xù)介入機構(gòu)及工作原理 ..........................................................................3 2.1.1 連續(xù)介入結(jié)構(gòu)工作原理 ...........................................................................................3 2.1.2 推進裝置設(shè)計 ...........................................................................................................4 2.2 間歇送進機構(gòu)及其工作原理 ..........................................................................................5 2.2.1 機構(gòu)原理 ...................................................................................................................5 2.3 方案的選擇 ......................................................................................................................6 2.4 主要參數(shù)設(shè)計 ..................................................................................................................6 2.5 課題任務(wù) ..........................................................................................................................6 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 .......................................................................................................................7 3.1 連續(xù)介入機構(gòu)的原理分析 ..............................................................................................7 3.1.1 推進裝置的設(shè)計 .......................................................................................................7 3.2 機械手夾持力和位移分析 ..............................................................................................8 3.2.1 機械手夾持力分析 ...................................................................................................8 3.2.2 位移分析 ...................................................................................................................8 3.3 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動力矩計算及電機的選型 .......................................................................9 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 .................................................................................................11 4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................................................11 4.1.1 軸的設(shè)計 .................................................................................................................11 4.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .........................................................................................................12 4.1.3 軸的校核 .................................................................................................................12 V 4.2 齒輪設(shè)計 ........................................................................................................................16 4.3 軸承的選擇以及計算 ....................................................................................................18 4.4 鍵連接的選擇以及校核計算 ........................................................................................20 總結(jié)與展望 ...............................................................................................................................21 參考文獻 ...................................................................................................................................23 致 謝 .........................................................................................................................................24 附錄：零件圖與裝配圖 ...........................................................................................................25 1. 齒輪軸零件圖 1...................................................................................................25 2. 齒輪軸零件圖 2...................................................................................................25 3 齒輪軸零件圖 3..................................................................................................25 4 傳動圖 .................................................................................................................25 5 殼體 1..................................................................................................................25 6 殼體 2..................................................................................................................25 7 殼體 3..................................................................................................................25 8 裝配圖 .................................................................................................................25 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 隨著新型傳感技術(shù)、機械電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、智能材料和計算機圖形學(xué)等 相關(guān)學(xué)科的發(fā)展、融合，臨床上新型智能醫(yī)療器械不斷出現(xiàn)，有效地拓展了傳統(tǒng)醫(yī)療 器械的功能和診療領(lǐng)域。結(jié)腸內(nèi)窺鏡是結(jié)腸疾病診療的重要醫(yī)療器械，由于工作環(huán)境 的復(fù)雜性和自身形狀不可視等不足，傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在介入過程中會發(fā)生鏡體纏繞、非預(yù) 期結(jié)襻等情況，給病人帶來痛苦和危險?；谄惹械腎臨床需求和良好的市場前景，用 智能傳感器技術(shù)、自動化技術(shù)及可視化技術(shù)對傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進行改進和創(chuàng)新研究已 經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開。其中，新型的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個研究熱點。 現(xiàn)有內(nèi)窺纖維鏡是利用操作人員的外部推力介入到人體被檢腔道中的, 是一種被動 方式, 帶有一定柔性的裝置在腔道組織上滑行時, 對腔道壁面產(chǎn)生壓力, 有可能對人體 內(nèi)部軟組織造成擦傷和拉傷, 一旦這個壓力超過一定的閾值, 還可造成組織破損(穿孔)。 同時人體腔道結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 以結(jié)腸為例, 存在多處彎道, 僅憑手感要把內(nèi)窺纖維鏡順 利插入到深處并非易事, 據(jù)統(tǒng)計, 經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練、 有經(jīng)驗的醫(yī)務(wù)人員把纖維鏡插到結(jié) 腸遠端( 盲腸部 )的概率僅為 85～ 90%。鑒于這種情況 , 內(nèi)窺鏡檢查和手術(shù)基本上在技 術(shù)水平較高的大醫(yī)院中進行, 而且對操作醫(yī)師要求很高。 經(jīng)常需要多個醫(yī)師配合, 一 般一例檢查為 40～ 60 分鐘。大大增加了難度和危險性。 在這種情況下，人們對如何改進推進裝置進行了研究，利用摩擦輪作為傳動部件 來推進細徑線狀傳感器的自動推進系統(tǒng)， 傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間，依靠摩 擦輪和傳感器表面之間的摩擦力，利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。通過 手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙，還可以靈活改變介入力大小。在介紹了相應(yīng) 的安裝了光電碼盤的推進機構(gòu)和工作原理之后給出了系統(tǒng)的電路設(shè)計和軟件設(shè)計。并 給出了推進實驗結(jié)果。該自動推進系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易等特點，可以滿足智 能化漸進式內(nèi)窺鏡形狀感知和重建的要求。 傳統(tǒng)的介入方式將會造成的危害是難以想象的，將來的發(fā)展趨勢是利用自動來代 替手動，利用摩擦輪，借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦輪推進是直接接觸的，所 占空間小，推進零件的結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，運動平穩(wěn)，工作時噪音很小。基于以上 考慮，本系統(tǒng)使用兩個大小相等的帶有凹槽的摩擦輪，傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽 之間，依靠摩擦輪和傳感器表面之間的摩擦力，利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵 第 1 章 緒論 2 傳感器。 而如今，隨著機械行業(yè)的迅猛發(fā)展，自動化技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷改進，而且 它們的價格也日益降低，可靠性也逐步提高，用自動化的方式把內(nèi)窺鏡推入腸胃當(dāng)中 不僅可以達到而且容易實現(xiàn)的，難度和危險性大大降低。 它的發(fā)展趨勢可以放在以下幾個方面： 1> 提高內(nèi)窺檢查效率； 2> 減少醫(yī)療事故發(fā)生； 3> 減少對腔道組織損害程度、使用可靠、安全； 4> 操作簡便、減輕醫(yī)務(wù)人員工作強度； 用高新技術(shù)來解決相關(guān)問題，將智能儀器代替勞動力為已成為我們機械行業(yè)的任 務(wù)，以此來加強機械智能化,工業(yè)化建設(shè)，提高人民的生活水平。 第 2 章 設(shè)計方案的選擇與分析 3 第 2 章 設(shè)計方案的選擇與分析 2.1 利用摩擦輪連續(xù)介入機構(gòu)及工作原理 2.1.1 連續(xù)介入結(jié)構(gòu)工作原理 利用兩個或兩個以上互相壓緊的輪子間的摩擦力傳遞動力和運動的機械傳動。摩 擦輪傳動可分為定傳動比傳動和變傳動比傳動兩類。傳動比基本固定的定傳動比摩擦 輪傳動 圓柱平摩擦輪傳動 圓柱槽摩擦輪傳動 圓錐摩擦輪傳動 圖 2.1 摩擦輪傳動， 又分為圓柱平摩擦輪傳動、圓柱槽摩擦輪傳動和圓錐摩擦輪傳動 3 種型式如圖 2.1 所示。前兩種型式用于兩平行軸之間的傳動，后一種型式用于兩交叉軸 之間的傳動。工作時，摩擦輪之間必須有足夠的壓緊力，以免產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，損 壞摩 擦輪，影響正常傳動。在相同徑向壓力的條件下，槽摩擦輪傳動可以產(chǎn)生較大的摩擦 力,比平摩擦輪具有較高的傳動能力,但槽輪易于磨損。變傳動比摩擦輪傳動易實現(xiàn)無級 變速， 并具有較大的調(diào)速幅度。機械無級變速器如圖 2.2 所示多采用這種傳動。在圖 2 中,主動輪按箭頭方向移動時，從動輪的轉(zhuǎn)速便連續(xù)地變化，當(dāng)主動輪移過從動輪軸 線時 從動輪就反向回轉(zhuǎn)。摩擦輪傳動結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、傳動比調(diào)節(jié)方便、過載時 尚能產(chǎn)生打滑而避免損壞裝置，但傳動比不準確、效率低、磨損大，而且通常軸上受 力大，所以主要用于傳遞動力不大或需要無級調(diào)速的情況。對摩擦材料的主要要求是： 耐磨性好、摩擦系數(shù)大和接觸疲勞強度高。在高速、高效率和要求尺寸緊湊的傳動中， 常采用淬火鋼對淬火鋼，并在油中工作。干式摩擦傳動常采用鑄鐵對鑄鐵、鋼鐵對木 材或布質(zhì)酚醛層壓板，或在從動輪面覆蓋一層皮革、石棉基材料或橡膠等。摩擦輪傳 第 2 章 設(shè)計方案的選擇與分析 4 動的設(shè)計主要是根據(jù)所需傳遞的圓周力計算壓緊力。用金摩擦輪傳動作為摩擦材料時 應(yīng)限制工作面的接觸應(yīng)力；用非金屬時則限制單位接觸線上的壓力。 圖 2.2 無極變速器 優(yōu)點： （1）制造簡單、運行平穩(wěn)、噪聲很小。 （2）過載時發(fā)生打滑，故能防止機器中重要的零件損壞。 （3）能無極的改變傳動比。 缺點： （1）效率低。 （2）當(dāng)傳遞同樣大的功率時， ；輪廓尺寸和作用在軸與軸承上的荷載都 比齒輪傳動大。 （3）不宜傳遞很大功率。 （4）不能保持準確的傳動比。 （5）干摩擦?xí)r磨損快、壽命低。 （6）必須采用壓緊裝置。 2.1.2 推進裝置設(shè)計 推進裝置根據(jù)應(yīng)用的設(shè)備不同，按其傳動方式分為不同的幾個類型。具體為： 空氣送料裝置：利用氣動裝置進行送料； 自動送料裝置：通過機械手臂進行送料； 滾輪送料裝置：通過滾輪進行送料； 電磁送料裝置：通過電磁原理進行送料； 摩擦輪是借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦輪推進是直接接觸的,所占空間小,推 進零件的結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,運動平穩(wěn),工作時噪音很小?；谝陨峡紤],本系統(tǒng)使用兩 第 2 章 設(shè)計方案的選擇與分析 5 個大小相等的帶有凹槽的摩擦輪,傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間,依靠摩擦輪和傳感 器表面之間的摩擦力,利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。在電機座上,與主動 摩擦輪同軸安裝步進電機。在碼盤座上,從動摩擦輪與光電碼盤通過聯(lián)軸節(jié)同軸安裝。 旋動手柄,使碼盤座沿著導(dǎo)軌 8 靠近主動摩擦輪方向滑動,通過手柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦 輪之間的間隙,從而可以靈活改變介入力大小。增量式光電碼盤作為反饋檢測元件,根據(jù) 其輸出脈沖源和脈沖計數(shù)可以用來確定傳感器的介入方向和推進距離。 2.2 間歇送進機構(gòu)及其工作原理 2.2.1 機構(gòu)原理 間隙送進機構(gòu)利用電磁鐵的吸合，完成機械手的開合動作。利用步進電機、絲杠 螺母和滑動導(dǎo)軌實現(xiàn)機械手的前進后退。利用步進電機和齒輪傳動，實現(xiàn)機械手的旋 轉(zhuǎn)。共有兩個機械手，其中一個固定在外壁上，另外一個固定在導(dǎo)軌滑塊上，兩個機 械手配合完成內(nèi)窺鏡的間隙式旋轉(zhuǎn)介人。圖 2.3 為整體結(jié)構(gòu)圖，右旋轉(zhuǎn)體、左旋轉(zhuǎn)體和 大齒輪，通過 6 根支桿、連接塊、緊定螺釘、彈簧墊圈和螺母等固接成一體?；瑒訉?dǎo) 軌通過導(dǎo)軌支板安放在兩根支撐連接桿上。一只機械手固定在軸承支板上，另外一只 機械手固定在導(dǎo)軌滑塊上，通過步進電機帶動一對傳動齒輪、利用絲杠螺母，實現(xiàn)抓 手在導(dǎo)軌上的前進后退。步進電機帶動齒輪傳動，使大齒輪、左右旋轉(zhuǎn)體、連接桿、 導(dǎo)軌和機械手整體繞機械手中心旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械手的旋轉(zhuǎn)介人。 第 2 章 設(shè)計方案的選擇與分析 6 圖 2.3 間歇送進機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)圖 2.3 方案的選擇 經(jīng)過比較分析，我選擇利用摩擦輪連續(xù)介入機構(gòu)的方案，該方案結(jié)構(gòu)精密且機構(gòu) 原理簡單易懂，成本低，工作效率高。摩擦輪是借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦 輪推進是直接接觸的,所占空間小,推進零件的結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,運動平穩(wěn),工作時噪音 很小。最為關(guān)鍵的是該機構(gòu)通過光電碼盤可以與電腦相連，這樣可以通過電腦軟件來 控制推進裝置，實現(xiàn)內(nèi)窺鏡的前進、后退，并可以控制內(nèi)窺鏡的推進速度。簡單方便， 可靠高效。因此，我選擇用這個設(shè)計方案。 2.4 主要參數(shù)設(shè)計 醫(yī)學(xué)上作內(nèi)窺鏡使用的柔性桿.柔性光纖內(nèi)窺鏡利用光導(dǎo)纖維的傳光、傳像原理及 其柔軟彎曲性能，可以對設(shè)備中肉眼不易直接觀察任何隱蔽部位(管道、腔體、復(fù)雜構(gòu) 件等)方便地進行直接快速的檢查，無需拆卸、破壞被測物就能進行檢查內(nèi)部微痕跡、 毛刺、裂紋、焊縫等缺陷。 設(shè)定參數(shù)如下: （1）內(nèi)窺鏡直徑:10mm （2）內(nèi)窺鏡推進速度 0-30mm/s （3）自由度數(shù):1 個自由度，水平移動 （4）定位精度 :±0. 5mm （5）傳動方式:齒輪傳動 （6）控制方式:步進電機控制. 2.5 課題任務(wù) （1）連續(xù)介入機構(gòu)的原理分析； （2）機械手夾持力和位移分析； （3）旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動力矩計算及電機的選型。 （4）零件裝配圖及主要零件圖。 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 7 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 3.1 連續(xù)介入機構(gòu)的原理分析 系統(tǒng)主要由 3 個部分組成:傳感器、推進裝置、控制系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)采集部分如圖 1 所示。介入裝置 5、推進傳感柔性桿,以適當(dāng)?shù)乃俣群土膬?nèi)窺鏡工作鉗道進入內(nèi)窺鏡, 控制系統(tǒng)和信號采集和處理模塊控制傳感柔性桿在工作鉗道中等距離采樣數(shù)據(jù),同時反 饋給 PC。圖 3.1 中,下位機控制系統(tǒng)采用 AT89C51 單片機系統(tǒng)。它占傳感器的數(shù)據(jù)采樣 檢查儀器 2 共同完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理部分的功能。PC 機可以作為系統(tǒng)上位機控制 系統(tǒng),設(shè)計友好的人機界面,用串行通信方式和下位機通信,用于控制介入裝置的工作和 控制信號采集和處理器的工作。 1.控制系統(tǒng) 2.光纖關(guān)柵解調(diào)儀 3.光纖光柵傳感器 4.PC 5.推進裝置 圖 3.1 推進系統(tǒng)系統(tǒng)圖 3.1.1 推進裝置的設(shè)計 摩擦輪是借助于摩擦力來推進傳感器的。摩擦輪推進是直接接觸的,所占空間小, 推進零件的結(jié)構(gòu)簡單,易于制造,運動平穩(wěn),工作時噪音很小?；谝陨峡紤],本系統(tǒng)使 用兩個大小相等的帶有凹槽的摩擦輪,傳感器被夾持在兩摩擦輪凹槽之間,依靠摩擦輪 和傳感器表面之間的摩擦力,利用摩擦和擠壓的方式介入光纖光柵傳感器。在電機座 2 上,與主動摩擦輪 4 同軸安裝步進電機 6。在碼盤座 9 上,從動摩擦輪 7 與光電碼盤 1 通 過聯(lián)軸節(jié)同軸安裝。旋動手柄 3,使碼盤座沿著導(dǎo)軌 8 靠近主動摩擦輪方向滑動,通過手 柄上的彈簧調(diào)整兩摩擦輪之間的間隙,從而可以靈活改變介入力大小,推進原理圖如圖 3.2 所示。增量式光電碼盤[5]作為反饋檢測元件,根據(jù)其輸出脈沖源和脈沖計數(shù)可以用來 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 8 確定傳感器的介入方向和推進距離。 1.光電碼盤 2.電機座 3.手柄 4.主動摩擦輪 5.電機罩 6.步進電機 7.從動摩擦輪 8.導(dǎo)軌 9.碼盤座 圖 3.2 推進原理圖 3.2 機械手夾持力和位移分析 3.2.1 機械手夾持力分析 該機構(gòu)介入力的調(diào)整，是依靠絲杠螺母傳動，調(diào)整兩個摩擦輪之間的距離來實現(xiàn) 的。摩擦輪之?dāng)?shù)和介入力大小之間的確切關(guān)系，通過實驗測定了一組數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù) 證明，螺栓旋緊圈數(shù)愈多，介入力愈大。 3.2.2 位移分析 增量式光電碼盤作為反饋檢測元件,根據(jù)其輸出脈沖源和脈沖計數(shù)可以用來確定傳 感器的介入方向和推進距離。系統(tǒng)的光電碼盤為增量式光電編碼器,型號為 E6A2-CWZ3C,精 度為 500P/R;步進電機型號為 35HS27DF05-02,細分驅(qū)動器工作在 40 細分狀態(tài)。即控制 系統(tǒng)每發(fā)出一個步進脈沖,電機只轉(zhuǎn)動 0.045°,摩擦輪有效周長 51mm,可以推算出每一 個步距角推進傳感頭的位移為:0.045°×51/360°=0.0064mm。在系統(tǒng)復(fù)位以及加載完 設(shè)定參數(shù)后,推進裝置將帶有光纖光柵傳感頭的傳感器沿內(nèi)窺鏡的工作鉗道漸進式推進。 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 9 3.3 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的驅(qū)動力矩計算及電機的選型 該機構(gòu)介入力的調(diào)整，是依靠絲杠螺母傳動，調(diào)整兩個摩擦輪之間的距離來實現(xiàn) 的。摩擦輪之?dāng)?shù)和介入力大小之間的確切關(guān)系。下圖 3.3 是機構(gòu)的傳動原理圖。 圖 3.3 傳動原理圖 該機構(gòu)通過連接在步進電機軸上的小齒輪吧動力傳給與之嚙合的一個雙聯(lián)齒輪。 這個雙聯(lián)齒輪固定在軸 1 上，而這個雙聯(lián)齒輪的小齒輪與軸 2 上的一個同齒數(shù)齒輪嚙 合，把動力傳給軸,軸 2 和軸 1 下端同時安裝有皮帶輪，皮帶輪夾緊之間的內(nèi)窺鏡，帶 動內(nèi)窺鏡推進，實現(xiàn)前進或后退。 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。 每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比 例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應(yīng)用于機電一體 化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。 步進電機的選擇有一下幾個步驟： 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 10 圖 3.4 電機傳動圖 （1）速度曲線的確定： svltl 01.65.1270 ????加 速 時 間 (3.1) （2）電機轉(zhuǎn)速 (3.2) （3）負載力矩 (3.3) （4）負載慣量 (3.4) （5）加速力矩 MSLm JTfgJT 40178.318031.2?????????? (3.5) S 是安全系數(shù)，一般為 2 （6）電機選擇 根據(jù)上面的計算，步進電機選擇 42BYG250A-0151)(10.24mkgJM????轉(zhuǎn) 子 慣 量 .(38.)(MNTLa??必 須 轉(zhuǎn) 矩 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 11 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 機器（部件）的裝配圖是表達設(shè)計者設(shè)計機器總體結(jié)構(gòu)意圖的圖樣，也是制造、 裝配機器及繪制零件工作圖的技術(shù)依據(jù)。因此，繪制裝配圖是機器設(shè)計過程中的重 要環(huán)節(jié)，必須綜合考慮強度、剛度、加工、裝拆、調(diào)整和密封等多方面的要求。 機器（部件）的裝配圖的設(shè)計及繪制過程比較復(fù)雜，因此必須先作裝配草圖設(shè) 計，然后再經(jīng)過討論修改，最后加深或重新繪成正式的裝配圖。 裝配草圖設(shè)計包括計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制圖等內(nèi)容，而且計算與制圖常需交叉進 行。其基本任務(wù)為： 1> 確定各零件的結(jié)構(gòu)尺寸，以及它們在機器的相互位置關(guān)系 2> 得出校核零件強度（剛度）所需的尺寸及數(shù)據(jù)。 4.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸設(shè)計的特點是：在軸系零、部件的具體結(jié)構(gòu)未確定之前，軸上力的作用點和 支點之間的跨距無法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能得出，因此，在軸的設(shè) 計中，必須把軸的強度計算和軸系零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計交錯進行，邊畫圖、邊計算、 邊修改。 軸的設(shè)計程序是： （1）根據(jù)機械傳動方案的整體布局，擬定軸上零件的布置和裝配方案； （2）選擇軸的合適材料； （3）初步估計軸的直徑； （4）進行軸系零、部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計； （5）進行強度、剛度計算； （6）根據(jù)計算結(jié)果修改設(shè)計。 4.1.1 軸的設(shè)計 1）軸的材料選擇和最小直徑的估算 根據(jù)工作條件，初選軸的材料為 40 rC，調(diào)質(zhì)處理。按扭轉(zhuǎn)強度法進行最小直徑估 算，即： 3nAd0minP? 。除去算軸徑時，若最小直徑軸段開有鍵槽，還要考慮鍵槽對軸 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 12 的強弱的影響。當(dāng)該軸段截面上有一個鍵槽時，d 要增大 5%——7%， 兩個鍵槽 增大 10%——15%。 0A由查機械設(shè)計手冊得知，對于 40 rC， 0A的范圍為 112-97。 確定 ：高軸 1 1? 從動軸 1 02? mmNPAd 83 1 1 011 ??高速軸： 同理可得 中間軸為 8mm 4.1.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖 4.1 軸的結(jié)構(gòu)圖 4.1.3 軸的校核 本文對各軸進行了校核計算，均滿足強度要求，受篇幅所限，下面僅以高速軸為 例進行校核計算過程。 1）軸的力學(xué)模型的建立 1．軸上力的作用點位置和支點跨距的確定 齒輪對軸的作用點按簡化原則應(yīng)在齒輪寬度的中點，因此可決定中間軸上兩齒輪 力的作用點的位置。軸上安裝的軸承是 6002，可知它的負荷作用中心到軸承外斷面的 距離 a=3.5mm。故可以算出支點跨距和軸上各力作用點相互位置尺寸。高速級齒輪作 用點到靠近它的斷面的距離 L1=25mm，兩齒輪作用點之間的距離 L2=68mm 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 13 圖 4.2 軸上零件的裝配方案 由于整個結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主軸要從一側(cè)裝入，所以軸要從右到左直徑遞減，而且在 兩個軸承之間軸的直徑要相同。兩端軸承用同一個尺寸，以便于購買、加工、安裝和 維修。 軸肩：定位簡單可靠，不需附加零件，能承受較大軸向力，廣泛應(yīng)用于軸上零件 的固定。 圓螺母：定位可靠，能實現(xiàn)軸上零件的間隙調(diào)整。常用于軸上零件之間，也可以 用于軸端。 平鍵：結(jié)構(gòu)簡單，在軸上加工鍵槽，則齒輪輪可以靠平鍵在軸上定位 2）軸上零件的周向定位 帶輪與軸的周向定位采用過盈配合。根據(jù)設(shè)計手冊，并考慮便于加工，取鍵槽適 用的鍵的規(guī)格為剖面尺寸 b?h=6 6 12。配合選用 H7/k6。 滾動軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制，主軸與軸承的配合為 H7/k6。 為了保證零件與定位面靠緊，軸上過渡圓角不應(yīng)過大，軸肩處的過渡圓角應(yīng)小于軸承 的圓角，最后決定取 R1。 3）考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性 1．考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端與右端均制成 1?45 倒角。 2．為了保證軸向定位零件壓緊于軸上的零件，裝零件的軸段長度應(yīng)較軸承套圈寬 度短 2--3mm。 4）繪制軸力學(xué)模型圖 如下圖 4.3 所示 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 14 圖 4.3 軸力學(xué)模型圖 1. 計算軸上的作用力 大齒輪： (4.1) .355d12T1FF t2t1 ??? (4.2) N6.131costanFF nt1r2 ??? ?? (4.3) N7.353d2TF 2 2 t3 ?? 小齒輪： (4.4) NF 5.183tanFt12 ??? ?? (4.5) NF 4.192tanFt13 ??? ?? (4.6) N8.324costanFF nt1r3 ??? ?? 皮帶輪： (4.7) N5.234d12T1FF t2t1 ??? (4.8) N6.201costanFF nt1r2 ??? ?? (4.9) N7.353d2TF 2 2 t3 ?? N 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 15 圖 4.4 垂直面內(nèi)支反力 5）計算支反力 1．垂直面內(nèi)支反力 如上圖 4.4 由于繞支點 B 的力矩和 0??BVM,得： NFRAV108?, FRCV127? 方 向如圖 . 2．水平面內(nèi)支反力 圖 4.5 水平面內(nèi)支反力示意圖 由于繞支點 B 的力矩和 0??BHM 得： NFRAH357?方向如圖 4.5 NFRCH374? 方向與圖中相反 6）計算總支反力 A 點總支反力帶入已算得數(shù)值得: NFRA372 C 點總支反力帶入已算得數(shù)值得: C94? 7）計算彎矩 1．垂直面內(nèi)彎矩 B 處彎矩： LFMRAVB231??左 (4.10) NV4右 (4.11) 2．水平面內(nèi)彎矩 B 處： RAVC51?? (4.12) 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 16 合成彎矩 M=6152N 8）校核 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和轉(zhuǎn)矩的截面（即危險截面 D）的強 度。 MPadWca67.231.0??? (4.13) 根據(jù)選定的軸的材料 40 rC，調(diào)制處理，查閱機械設(shè)計手冊得： ??a70 1-MP?? 因為： ??1-ca? 故強度足夠。 4.2 齒輪設(shè)計 選定高速級齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) (1) 選定高速級齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) (2) 材料選擇及熱處理。查閱機械零件設(shè)計手冊，選擇大、小齒輪的材料均為 40Cr， 并經(jīng)調(diào)制處理及表面淬火，齒面硬度為 48~55HRC。 (3) 柔性桿推進裝置為一般機械，故選用 8 級精度。(GB 10095-88) (4) 選小齒輪齒數(shù) ?1z24 則根據(jù)傳動要求，大齒輪齒數(shù)則為：6.9512??Zi (4.14) (5) 選取螺旋角。初選螺旋角 ?14?。 按齒面接觸疲勞強度計算 ??32d1tt1u2??????????HEZT???? (4.15) 1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1．查閱機械設(shè)計手冊，查的材料的彈性影響系數(shù) a8.19EMP?? 2．計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 已經(jīng)算出 m3.71??NT；u=3.2 3．試選載荷系數(shù) 1.3t??。 4．查設(shè)計手冊選取區(qū)域系數(shù) 4.2Zh。 5．因大、小齒輪均為硬齒面，故宜選取稍小的齒寬系數(shù)，先取 1d??。 6．查設(shè)計手冊得 0.9HN1， 0.95HN2?, a601PLIM?, a502PLIM?. 7．計算接觸疲勞許用應(yīng)力（失效概率 1%，安全系數(shù) S=1） ?? a46.1HN1 PSLIM???? (4.16)5.2509.22LI ? (4.17) 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 17 2）計算 1．試算小齒輪分度圓直徑 mm.315.5222.31 8.1892.410203.73.132.2d 3 2 24 t1 ??? ?????? 2．計算齒寬 b 及模數(shù) ntm。 dt14??? (4.18) m=2.45 5..h (4.19) 3．計算載荷系數(shù) K。 根據(jù) 8 級精度，查閱機械設(shè)計手冊得動載荷系數(shù) 1.2kv?；繼續(xù)查閱資料得1.4k fah? ；繼續(xù)查閱，由于小齒輪相對支撐對稱布置，8 級精度，故取 1.23kh??， 故載荷系數(shù)為： 07.23.14.khavA???? (4.20) 另得： 2.?F 4．按實際的載荷系數(shù)校正所算的的分度圓直徑。 7.36.1031???tttkd (4.21) 5．計算模數(shù)。 2m1z dt (4.22) (6) 按齒根彎曲強度設(shè)計 ??3a2da31nzFSYCOT?????? (4.23) 1) 確定計算參數(shù) 1．計算載荷系數(shù)。 07.23.142.khavA???? 2．根據(jù)縱向重合度 52.1??，查閱機械設(shè)計手冊查得螺旋角影響系數(shù) 0.8a?FY。 3．計算當(dāng)量齒數(shù)。 8.64cosz331v1?? (4.24).9.53322?v (4.25) 4．查閱機械設(shè)計手冊得齒輪的彎曲疲勞強度彎曲疲勞壽命系數(shù) a6201MPFE??，8.0K,.FN2FN1? 。 5．計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，則得： 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 18 ?? a7.389.162022 MPSKLIMHNF???? (4.26) 4..511I (4.27) 6．查取齒形系數(shù)。 查閱資料得： 26.6.2aa1?FFY， 7．查取應(yīng)力校正系數(shù)。 查閱資料得： 74.1,58.2a1aSS 8．計算大、小齒輪的 ??1F?并加以比較。 ??07..389621a??FSY?14..2a 小齒輪的數(shù)值較大。 2) 設(shè)計計算 m4.165.12407.cos8073.m3 2nt ????）（ ? 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù) n與由齒根彎曲疲勞強度計 算的法面模數(shù)相差不大，故取 nm=2.5mm ，取分度圓的直徑 dt321?。 2.3cos1?ndz? (4.28) z1 取 24，z2=24x3.78=94.6 z2 取 96 同理可得這個雙聯(lián)齒輪的另一個齒輪齒數(shù)為 72 4.3 軸承的選擇以及計算 軸承校核的方法均一致，在前面的軸校核中我們已經(jīng)得知，中間軸 2 的受力軸向 力最大，故軸承也最危險，故選擇軸承組 2 為例來校核。高速軸和低速軸經(jīng)過校核， 均符合要求。 (1) 軸承選擇。 軸承類型 ：深溝球軸承，軸承代號：6002 軸承參數(shù) ：軸承內(nèi)徑：15 軸承外徑：32 軸承寬度：9 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 19 (2) 設(shè)計校驗 1) 徑向載荷 Fr A 點支反力: NRA3721? C 點支反力: Cr942 外部軸向力 .-a23ae，從最不利受力情況考慮， aeF指向 A 處 1 軸承（方 向向左） ； 2) 軸承派生軸向力： （方向向右） NYFF 7.2562 1t1d ?? （方向向左） NYFF 9.2762 2t2d ?? 因為： 1d2ae?? , 故 A 處 1 軸承壓緊，C 處 2 軸承放松。故：Fda491? ， da5242 當(dāng)量動載荷：（載荷系數(shù) .fp?）e?.025.r1a：軸 承 NYFfPaRp36)4.(1???故 (4.29)era??29.0.22： 因軸 承 (4.30) N376YFF0.4fp a2r2p2 ???? ?????? (3) 驗算軸承壽命 因 12?，故只需驗算 1 軸承。軸承預(yù)期壽命與整機壽命相同，為： 8(年） X300（天）X8（小時）=19200h 。 h920783fn6021th ?????????PCL （其中溫度系數(shù) 1ft?） (4.31) 故軸承具有足夠壽命。 4.4 鍵連接的選擇以及校核計算 以中間軸外伸裝配齒輪軸段鍵為例： 因為 d=12mm，l=30mm 所以選擇普通平鍵 A 型 ml30?44hb ??? 校核： 鍵的工作長度 l=L-b=15mm；鍵的接觸高度 K=0.5h=2mm； 第 4 章 裝置零件設(shè)計及校核 20 mNT.5432?轉(zhuǎn) 矩 ： 材料為 45 鋼調(diào)質(zhì)，所以 ??a120pMP??， ??ppa98.67ld10 ?????MP 故強度合格。 其他各軸鍵的選擇和校核均以此例，不再贅述。 總結(jié)與展望 21 總結(jié)與展望 一、總結(jié) 內(nèi)窺檢查機器人在運動時, 通過充入氣體的膨脹橡膠囊與腔道壁接觸, 具有較好 的柔軟性。 壓覺傳感器檢測機器人與腔道壁之間作用力的大小和方位, 為機器人提供 避障、 彎曲等信息, 以調(diào)整內(nèi)窺檢查機器人的運動速度和方向, 使其適應(yīng)腔道的變化, 避免穿孔等醫(yī)療事故的發(fā)生。傳感與主動介入技術(shù)對腔道組織損害程度極小, 具有較 高的安全性, 還可減輕醫(yī)務(wù)人員的工作強度, 提高內(nèi)窺檢查的效率。 醫(yī)用內(nèi)窺鏡在不同的時期都促進了醫(yī)學(xué)事業(yè)的不斷發(fā)展。今后隨著電子技術(shù)及其他 科學(xué)技術(shù)的不斷進步，相信其技術(shù)會有更廣更深的發(fā)展。 它非但能完成當(dāng)今所完成的 任何一項工作，還會加用特殊光譜的 CCD 提供新的診療圖像信息，還可用圖像處理技 術(shù)獲得病變組織的特殊圖像，并能用圖像分析技術(shù)實現(xiàn)對病變的定量分析和定量診斷， 還可通過電訊手段進行遠程會診。 多功能的電子內(nèi)窺鏡已經(jīng)問世，它不但能獲得組織 器官形態(tài)學(xué)的診斷信息，而且也能對組織器官各種生理機能進行測定。 醫(yī)用內(nèi)窺鏡技 術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)顯示出它的強大生命力，相信明天會做出更輝煌的貢獻。 通過這次設(shè)計，我對柔性桿自動推進裝置有了一個全面地了解，了解了柔性桿技術(shù) 在現(xiàn)在以及以后機械工業(yè)中所起的作用，明白了柔性桿的在以后工業(yè)的發(fā)展中所扮演 的角色,為自己今后更好的學(xué)習(xí)柔性桿指明了方向。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我對大學(xué)期間所學(xué)的知識，進行了融會貫通，有了一個全新 的認識，對以前許多不太清楚的地方，通過問老師和查資料的方法，已經(jīng)明白了很多， 知道了自己以前學(xué)習(xí)的不足，所以以后應(yīng)該更加努力。 此次設(shè)計，我認為最重要的就是使我明白了，無論做什么事情，要想做好，必須態(tài) 度端正；要善于學(xué)習(xí)，時刻學(xué)習(xí)；做事要嚴謹、認真，細致、不怕吃苦，還要有創(chuàng)新 精神。 二、今后研究方向 傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡在介入過程中會發(fā)生鏡體纏繞、非預(yù)期結(jié)襻等情況，給病人帶來痛苦和 危險。基于迫切的臨床需求和良好的市場前景，用智能傳感器技術(shù)、自動化技術(shù)及可 視化技術(shù)對傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進行改進和創(chuàng)新研究已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開。其中，新型 的內(nèi)窺鏡形狀感知系統(tǒng)是該領(lǐng)域的一個研究熱點。 利用主摩擦輪和從摩擦輪來推進傳 總結(jié)與展望 22 感柔性桿，這將是推進裝置的發(fā)展趨勢。 參考文獻 23 參考文獻 [1] IKuta，et al.shape memory alloy servo actuator system with electric resistance feedback and application for active endoscope，Proc of IEEE Conference on Robotics and System，1988 [2] Robert H. 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