3344 柔性杆自动推进装置设计
3344 柔性杆自动推进装置设计,柔性,自动,推进,推动,装置,设计
宁波大红鹰学院毕 业 设 计 (论文) 任 务 书所在学院 机电学院 专业 机械制造及其自动化 班级 08 机自 4学生姓名 乔璐璐 学号 08141010417 指导教师 牛凤莲题 目 柔性杆自动推进装置设计一、毕业设计(论文)工作内容与基本要求:(目标、任务、途径、方法,应掌握的原始资料(数据) 、参考资料(文献)以及设计技术要求、注意事项等) (纸张不够可加页)1设计(论文)拟解决的主要问题传统柔性杆的介人方式主要依靠操作人员的外部推力介人到人体被检腔道中。为提高柔性杆介入的智能化程度,研究一种柔性杆的自动介人技术。主要从自动介人机构的机械本体设计入手,设计一种利用摩擦轮机构实现内窥镜的连续介人的自动介人装置。2设计(论文)的主要内容和基本要求(1)连续介入机构的原理分析;(2)机械手夹持力和位移分析;(3)旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型。(4)零件装配图及主要零件图。3. 提交资料要求:查阅文献资料不少于 12 篇,其中外文资料不少于 2 篇;文献综述不少于 3000 字;文献翻译不少于 2000 字;毕业论文 1 篇不少于 8000 字4. 推荐参考文献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. Sturges Laowattana. Flexible Tendon-controlled device for endoscopy The International Journal of Robotics Research,1993,12(2):121 一 131.3 高立明,林良明,颜国正,等. 全方向蠕动机器人驭动内窥镜系统的研究.中国生物医学工程学报.1998,17(1):3641.4 朱宏擎,林良明,高立明等.新型能动内窥镜数字图像处理方法的探讨.上海工程技术大学学报.1999,13(4): 267272.5MarkN.Appleyard,MRCP,ChadesA.Mosse,el at. .The measurement of force exerted during colonoscopy Gastrointestinal Endoscopy.2000,52(2):237-240.二、毕业论文进度计划1. 开题报告;2. 结构原理设计及计算;3. 画机械装配图及主要零件图;4. 写毕业设计论文;5. 准备答辩。毕业设计(论文)时间:2011 年 6 月 20 日至 2011 年 11 月 30 日计 划 答 辩 时 间: 2011 年 12 月 日三、专业(教研室)审批意见:审批人(签字):工作任务与工作量要求:原则上查阅文献资料不少于 12 篇,其中外文资料不少于 2 篇;文献综述不少于 3000 字;文献翻译不少于 2000 字;毕业论文 1 篇不少于 8000 字,理工科类论文或设计说明书不少于 6000 字(同时提交有关图纸和附件) ,外语类专业论文不少于相当 6000 汉字。 提交相关图纸、实验报告、调研报告、译文等其它形式的成果。毕业设计(论文)撰写规范及有关要求,请查阅宁波大红鹰学院毕业设计(论文)指导手册 。备注:学生一人一题,指导教师对每一名学生下达一份毕业设计(论文)任务书 。柔性杆自动推进装置,设计标题:柔性杆自动推进装置班 级:学 号:设 计 人:校内指导老师:校外指导老师:,第1章 绪论,随着新型传感技术、机械电子技术、生物医学工程、智能材料和计算机图形学等相关学科的发展、融合,临床上新型智能医疗器械不断出现,有效地拓展了传统医疗器械的功能和诊疗领域。结肠内窥镜是结肠疾病诊疗的重要医疗器械,由于工作环境的复杂性和自身形状不可视等不足,传统内窥镜在介入过程中会发生镜体缠绕、非预期结襻等情况,给病人带来痛苦和危险。,而如今,随着机械行业的迅猛发展,自动化技术和传感器技术的不断改进,而且它们的价格也日益降低,可靠性也逐步提高,用自动化的方式把内窥镜推入肠胃当中不仅可以达到而且容易实现的,难度和危险性大大降低。,第2章 设计方案的选择与分析,2.1 利用摩擦轮连续介入机构及工作原理间隙送进机构利用电磁铁的吸合,完成机械手的开合动作。利用步进电机、丝杠螺母和滑动导轨实现机械手的前进后退。利用步进电机和齿轮传动,实现机械手的旋转。共有两个机械手,其中一个固定在外壁上,另外一个固定在导轨滑块上,两个机械手配合完成内窥镜的间隙式旋转介人。图2.3为整体结构图,右旋转体、左旋转体和大齿轮,通过6根支杆、连接块、紧定螺钉、弹簧垫圈和螺母等固接成一体。,图 2.3 间歇送进机构整体结构图,2.3 方案的选择,经过比较分析,我选择利用摩擦轮连续介入机构的方案,该方案结构精密且机构原理简单易懂,成本低,工作效率高。摩擦轮是借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦轮推进是直接接触的,所占空间小,推进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音很小。,2.4 主要参数设计,医学上作内窥镜使用的柔性杆.柔性光纤内窥镜利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能,可以对设备中肉眼不易直接观察任何隐蔽部位(管道、腔体、复杂构件等)方便地进行直接快速的检查,无需拆卸、破坏被测物就能进行检查内部微痕迹、毛刺、裂纹、焊缝等缺陷。,2.5 课题任务,(1)连续介入机构的原理分析;(2)机械手夹持力和位移分析;(3)旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型。(4)零件装配图及主要零件图。,第3章 系统设计,3.1 连续介入机构的原理分析系统主要由3个部分组成:传感器、推进装置、控制系统及其数据采集部分如图1所示。介入装置5、推进传感柔性杆,以适当的速度和力从内窥镜工作钳道进入内窥镜,控制系统和信号采集和处理模块控制传感柔性杆在工作钳道中等距离采样数据,同时反馈给PC。图3.1中,下位机控制系统采用AT89C51单片机系统。,1.控制系统 2.光纤关栅解调仪 3.光纤光栅传感器 4.PC 5.推进装置,图3.1 推进系统系统图,图3.2 推进原理图,3.2 机械手夹持力和位移分析,该机构介入力的调整,是依靠丝杠螺母传动,调整两个摩擦轮之间的距离来实现的。摩擦轮之数和介入力大小之间的确切关系,通过实验测定了一组数据。实验数据证明,螺栓旋紧圈数愈多,介入力愈大。,增量式光电码盘作为反馈检测元件,根据其输出脉冲源和脉冲计数可以用来确定传感器的介入方向和推进距离。,3.3旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型,图3.3传动原理图,第4章 装置零件设计及校核,装配草图设计包括计算、结构设计、制图等内容,而且计算与制图常需交叉进行。其基本任务为:1 确定各零件的结构尺寸,以及它们在机器的相互位置关系2 得出校核零件强度(刚度)所需的尺寸及数据。,4.1 轴的结构设计,轴的设计程序是:(1)根据机械传动方案的整体布局,拟定轴上零件的布置和装配方案;(2)选择轴的合适材料;(3)初步估计轴的直径;(4)进行轴系零、部件的结构设计;(5)进行强度、刚度计算;(6)根据计算结果修改设计。,图4.1 轴的结构图,图4.2 轴上零件的装配方案,图4.3 轴力学模型图,4.3 轴承的选择以及计算,轴承校核的方法均一致,在前面的轴校核中我们已经得知,中间轴2的受力轴向力最大,故轴承也最危险,故选择轴承组2为例来校核。高速轴和低速轴经过校核,均符合要求。,I宁XX 大学毕 业 设 计 (论 文 )柔性杆自动推进装置设计所 在 学 院 机电学院专 业 机械设计制造及其自动化班 级姓 名学 号指 导 老 师年 月 日II摘 要在机器人技术、计算机技术和自动化技术飞速发展的基础上,改造传统内窥镜推进装置或设计新型内窥镜推进装置是医学中的热点问题,国内外研究机构在智能化内窥镜技术方面的研究,主要集中在内窥镜介入机构学方面的探索等。基于单点光纤光栅传感头的内窥镜形状感知系统是利用单点传感头沿着内窥镜工作钳道前进时在内窥镜上等距离的一系列点处采集波长来进行形状感知的。这就要求设计一种介入传感器的机械装置。传感器介入到内窥镜内的方式有两种:主动引导和外力介入。由于内窥镜的钳道直径大小不超过 3 毫米,长度大约为 1000 毫米,所以光纤光栅传感头的介入方式不宜用主动引导方式。本文通过对柔性杆的研究,以及如何对柔性杆改进推进装置进行了研究,利用摩擦轮作为传动部件来推进细径线状传感器的自动推进系统, 传感器被夹持在两摩擦轮凹槽之间,依靠摩擦轮和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅传感器。通过手柄上的弹簧调整两摩擦轮之间的间隙,还可以灵活改变介入力大小。关键词:柔性杆,推进装置,摩擦轮,挤压IIIAbstractIn 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 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III第 1 章 绪论 .1第 2 章 设计方案的选择与分析 .32.1 利用摩擦轮连续介入机构及工作原理 .32.1.1 连续介入结构工作原理 .32.1.2 推进装置设计 .42.2 间歇送进机构及其工作原理 .52.2.1 机构原理 .52.3 方案的选择 .62.4 主要参数设计 .62.5 课题任务 .6第 3 章 系统设计 .73.1 连续介入机构的原理分析 .73.1.1 推进装置的设计 .73.2 机械手夹持力和位移分析 .83.2.1 机械手夹持力分析 .83.2.2 位移分析 .83.3 旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型 .9第 4 章 装置零件设计及校核 .114.1 轴的结构设计 .114.1.1 轴的设计 .114.1.2 轴的结构设计 .124.1.3 轴的校核 .12V4.2 齿轮设计 .164.3 轴承的选择以及计算 .184.4 键连接的选择以及校核计算 .20总结与展望 .21参考文献 .23致 谢 .24附录:零件图与装配图 .251. 齿轮轴零件图 1.252. 齿轮轴零件图 2.253 齿轮轴零件图 3.254 传动图 .255 壳体 1.256 壳体 2.257 壳体 3.258 装配图 .25第 1 章 绪论1第 1 章 绪论随着新型传感技术、机械电子技术、生物医学工程、智能材料和计算机图形学等相关学科的发展、融合,临床上新型智能医疗器械不断出现,有效地拓展了传统医疗器械的功能和诊疗领域。结肠内窥镜是结肠疾病诊疗的重要医疗器械,由于工作环境的复杂性和自身形状不可视等不足,传统内窥镜在介入过程中会发生镜体缠绕、非预期结襻等情况,给病人带来痛苦和危险。基于迫切的I临床需求和良好的市场前景,用智能传感器技术、自动化技术及可视化技术对传统内窥镜系统进行改进和创新研究已经在世界范围内展开。其中,新型的内窥镜形状感知系统是该领域的一个研究热点。现有内窥纤维镜是利用操作人员的外部推力介入到人体被检腔道中的, 是一种被动方式, 带有一定柔性的装置在腔道组织上滑行时, 对腔道壁面产生压力, 有可能对人体内部软组织造成擦伤和拉伤, 一旦这个压力超过一定的阈值, 还可造成组织破损(穿孔)。同时人体腔道结构比较复杂, 以结肠为例, 存在多处弯道, 仅凭手感要把内窥纤维镜顺利插入到深处并非易事, 据统计, 经过专业训练、 有经验的医务人员把纤维镜插到结肠远端( 盲肠部 )的概率仅为 85 90%。鉴于这种情况 , 内窥镜检查和手术基本上在技术水平较高的大医院中进行, 而且对操作医师要求很高。 经常需要多个医师配合, 一般一例检查为 40 60 分钟。大大增加了难度和危险性。在这种情况下,人们对如何改进推进装置进行了研究,利用摩擦轮作为传动部件来推进细径线状传感器的自动推进系统, 传感器被夹持在两摩擦轮凹槽之间,依靠摩擦轮和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅传感器。通过手柄上的弹簧调整两摩擦轮之间的间隙,还可以灵活改变介入力大小。在介绍了相应的安装了光电码盘的推进机构和工作原理之后给出了系统的电路设计和软件设计。并给出了推进实验结果。该自动推进系统具有结构简单、实现容易等特点,可以满足智能化渐进式内窥镜形状感知和重建的要求。传统的介入方式将会造成的危害是难以想象的,将来的发展趋势是利用自动来代替手动,利用摩擦轮,借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦轮推进是直接接触的,所占空间小,推进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音很小。基于以上考虑,本系统使用两个大小相等的带有凹槽的摩擦轮,传感器被夹持在两摩擦轮凹槽之间,依靠摩擦轮和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅第 1 章 绪论2传感器。而如今,随着机械行业的迅猛发展,自动化技术和传感器技术的不断改进,而且它们的价格也日益降低,可靠性也逐步提高,用自动化的方式把内窥镜推入肠胃当中不仅可以达到而且容易实现的,难度和危险性大大降低。它的发展趋势可以放在以下几个方面:1 提高内窥检查效率;2 减少医疗事故发生;3 减少对腔道组织损害程度、使用可靠、安全;4 操作简便、减轻医务人员工作强度;用高新技术来解决相关问题,将智能仪器代替劳动力为已成为我们机械行业的任务,以此来加强机械智能化,工业化建设,提高人民的生活水平。第 2 章 设计方案的选择与分析3第 2 章 设计方案的选择与分析2.1 利用摩擦轮连续介入机构及工作原理2.1.1 连续介入结构工作原理利用两个或两个以上互相压紧的轮子间的摩擦力传递动力和运动的机械传动。摩擦轮传动可分为定传动比传动和变传动比传动两类。传动比基本固定的定传动比摩擦轮传动圆柱平摩擦轮传动 圆柱槽摩擦轮传动 圆锥摩擦轮传动图 2.1摩擦轮传动, 又分为圆柱平摩擦轮传动、圆柱槽摩擦轮传动和圆锥摩擦轮传动 3种型式如图 2.1 所示。前两种型式用于两平行轴之间的传动,后一种型式用于两交叉轴之间的传动。工作时,摩擦轮之间必须有足够的压紧力,以免产生打滑现象,损 坏摩擦轮,影响正常传动。在相同径向压力的条件下,槽摩擦轮传动可以产生较大的摩擦力,比平摩擦轮具有较高的传动能力,但槽轮易于磨损。变传动比摩擦轮传动易实现无级变速, 并具有较大的调速幅度。机械无级变速器如图 2.2 所示多采用这种传动。在图2 中,主动轮按箭头方向移动时,从动轮的转速便连续地变化,当主动轮移过从动轮轴线时 从动轮就反向回转。摩擦轮传动结构简单、传动平稳、传动比调节方便、过载时尚能产生打滑而避免损坏装置,但传动比不准确、效率低、磨损大,而且通常轴上受 力大,所以主要用于传递动力不大或需要无级调速的情况。对摩擦材料的主要要求是:耐磨性好、摩擦系数大和接触疲劳强度高。在高速、高效率和要求尺寸紧凑的传动中,常采用淬火钢对淬火钢,并在油中工作。干式摩擦传动常采用铸铁对铸铁、钢铁对木材或布质酚醛层压板,或在从动轮面覆盖一层皮革、石棉基材料或橡胶等。摩擦轮传第 2 章 设计方案的选择与分析4动的设计主要是根据所需传递的圆周力计算压紧力。用金摩擦轮传动作为摩擦材料时应限制工作面的接触应力;用非金属时则限制单位接触线上的压力。图 2.2 无极变速器优点:(1)制造简单、运行平稳、噪声很小。(2)过载时发生打滑,故能防止机器中重要的零件损坏。 (3)能无极的改变传动比。 缺点:(1)效率低。(2)当传递同样大的功率时, ;轮廓尺寸和作用在轴与轴承上的荷载都比齿轮传动大。 (3)不宜传递很大功率。(4)不能保持准确的传动比。(5)干摩擦时磨损快、寿命低。(6)必须采用压紧装置。2.1.2 推进装置设计推进装置根据应用的设备不同,按其传动方式分为不同的几个类型。具体为:空气送料装置:利用气动装置进行送料;自动送料装置:通过机械手臂进行送料;滚轮送料装置:通过滚轮进行送料;电磁送料装置:通过电磁原理进行送料;摩擦轮是借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦轮推进是直接接触的,所占空间小,推进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音很小。基于以上考虑,本系统使用两第 2 章 设计方案的选择与分析5个大小相等的带有凹槽的摩擦轮,传感器被夹持在两摩擦轮凹槽之间,依靠摩擦轮和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅传感器。在电机座上,与主动摩擦轮同轴安装步进电机。在码盘座上,从动摩擦轮与光电码盘通过联轴节同轴安装。旋动手柄,使码盘座沿着导轨 8 靠近主动摩擦轮方向滑动,通过手柄上的弹簧调整两摩擦轮之间的间隙,从而可以灵活改变介入力大小。增量式光电码盘作为反馈检测元件,根据其输出脉冲源和脉冲计数可以用来确定传感器的介入方向和推进距离。2.2 间歇送进机构及其工作原理 2.2.1 机构原理间隙送进机构利用电磁铁的吸合,完成机械手的开合动作。利用步进电机、丝杠螺母和滑动导轨实现机械手的前进后退。利用步进电机和齿轮传动,实现机械手的旋转。共有两个机械手,其中一个固定在外壁上,另外一个固定在导轨滑块上,两个机械手配合完成内窥镜的间隙式旋转介人。图 2.3 为整体结构图,右旋转体、左旋转体和大齿轮,通过 6 根支杆、连接块、紧定螺钉、弹簧垫圈和螺母等固接成一体。滑动导轨通过导轨支板安放在两根支撑连接杆上。一只机械手固定在轴承支板上,另外一只机械手固定在导轨滑块上,通过步进电机带动一对传动齿轮、利用丝杠螺母,实现抓手在导轨上的前进后退。步进电机带动齿轮传动,使大齿轮、左右旋转体、连接杆、导轨和机械手整体绕机械手中心旋转,实现机械手的旋转介人。 第 2 章 设计方案的选择与分析6图 2.3 间歇送进机构整体结构图2.3 方案的选择经过比较分析,我选择利用摩擦轮连续介入机构的方案,该方案结构精密且机构原理简单易懂,成本低,工作效率高。摩擦轮是借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦轮推进是直接接触的,所占空间小,推进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音很小。最为关键的是该机构通过光电码盘可以与电脑相连,这样可以通过电脑软件来控制推进装置,实现内窥镜的前进、后退,并可以控制内窥镜的推进速度。简单方便,可靠高效。因此,我选择用这个设计方案。2.4 主要参数设计医学上作内窥镜使用的柔性杆.柔性光纤内窥镜利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能,可以对设备中肉眼不易直接观察任何隐蔽部位(管道、腔体、复杂构件等)方便地进行直接快速的检查,无需拆卸、破坏被测物就能进行检查内部微痕迹、毛刺、裂纹、焊缝等缺陷。设定参数如下:(1)内窥镜直径:10mm(2)内窥镜推进速度 0-30mm/s(3)自由度数:1 个自由度,水平移动(4)定位精度 :0. 5mm(5)传动方式:齿轮传动(6)控制方式:步进电机控制.2.5 课题任务(1)连续介入机构的原理分析;(2)机械手夹持力和位移分析;(3)旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型。(4)零件装配图及主要零件图。第 3 章 系统设计7第 3 章 系统设计3.1 连续介入机构的原理分析系统主要由 3 个部分组成:传感器、推进装置、控制系统及其数据采集部分如图 1所示。介入装置 5、推进传感柔性杆,以适当的速度和力从内窥镜工作钳道进入内窥镜,控制系统和信号采集和处理模块控制传感柔性杆在工作钳道中等距离采样数据,同时反馈给 PC。图 3.1 中,下位机控制系统采用 AT89C51 单片机系统。它占传感器的数据采样检查仪器 2 共同完成数据采集和数据处理部分的功能。PC 机可以作为系统上位机控制系统,设计友好的人机界面,用串行通信方式和下位机通信,用于控制介入装置的工作和控制信号采集和处理器的工作。1.控制系统 2.光纤关栅解调仪 3.光纤光栅传感器 4.PC 5.推进装置 图 3.1 推进系统系统图3.1.1 推进装置的设计 摩擦轮是借助于摩擦力来推进传感器的。摩擦轮推进是直接接触的,所占空间小,推进零件的结构简单,易于制造,运动平稳,工作时噪音很小。基于以上考虑,本系统使用两个大小相等的带有凹槽的摩擦轮,传感器被夹持在两摩擦轮凹槽之间,依靠摩擦轮和传感器表面之间的摩擦力,利用摩擦和挤压的方式介入光纤光栅传感器。在电机座 2上,与主动摩擦轮 4 同轴安装步进电机 6。在码盘座 9 上,从动摩擦轮 7 与光电码盘 1 通过联轴节同轴安装。旋动手柄 3,使码盘座沿着导轨 8 靠近主动摩擦轮方向滑动,通过手柄上的弹簧调整两摩擦轮之间的间隙,从而可以灵活改变介入力大小,推进原理图如图 3.2所示。增量式光电码盘5作为反馈检测元件,根据其输出脉冲源和脉冲计数可以用来第 3 章 系统设计8确定传感器的介入方向和推进距离。1.光电码盘 2.电机座 3.手柄 4.主动摩擦轮5.电机罩 6.步进电机 7.从动摩擦轮 8.导轨9.码盘座 图 3.2 推进原理图3.2 机械手夹持力和位移分析3.2.1 机械手夹持力分析 该机构介入力的调整,是依靠丝杠螺母传动,调整两个摩擦轮之间的距离来实现的。摩擦轮之数和介入力大小之间的确切关系,通过实验测定了一组数据。实验数据证明,螺栓旋紧圈数愈多,介入力愈大。3.2.2 位移分析 增量式光电码盘作为反馈检测元件,根据其输出脉冲源和脉冲计数可以用来确定传感器的介入方向和推进距离。系统的光电码盘为增量式光电编码器,型号为 E6A2-CWZ3C,精度为 500P/R;步进电机型号为 35HS27DF05-02,细分驱动器工作在 40 细分状态。即控制系统每发出一个步进脉冲,电机只转动 0.045,摩擦轮有效周长 51mm,可以推算出每一个步距角推进传感头的位移为:0.04551/360=0.0064mm。在系统复位以及加载完设定参数后,推进装置将带有光纤光栅传感头的传感器沿内窥镜的工作钳道渐进式推进。第 3 章 系统设计93.3 旋转机构的驱动力矩计算及电机的选型 该机构介入力的调整,是依靠丝杠螺母传动,调整两个摩擦轮之间的距离来实现的。摩擦轮之数和介入力大小之间的确切关系。下图 3.3 是机构的传动原理图。图 3.3 传动原理图该机构通过连接在步进电机轴上的小齿轮吧动力传给与之啮合的一个双联齿轮。这个双联齿轮固定在轴 1 上,而这个双联齿轮的小齿轮与轴 2 上的一个同齿数齿轮啮合,把动力传给轴,轴 2 和轴 1 下端同时安装有皮带轮,皮带轮夹紧之间的内窥镜,带动内窥镜推进,实现前进或后退。步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例,相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一,通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中,如:数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 步进电机的选择有一下几个步骤:第 3 章 系统设计10图 3.4 电机传动图(1)速度曲线的确定: svltl 01.65.1270 加 速 时 间(3.1)(2)电机转速(3.2)(3)负载力矩(3.3)(4)负载惯量(3.4)(5)加速力矩 MSLm JTfgJT 40178.318031.2(3.5)S 是安全系数,一般为 2(6)电机选择根据上面的计算,步进电机选择 42BYG250A-0151)(10.24mkgJM转 子 惯 量.(38.)(MNTLa必 须 转 矩第 4 章 装置零件设计及校核11第 4 章 装置零件设计及校核机器(部件)的装配图是表达设计者设计机器总体结构意图的图样,也是制造、装配机器及绘制零件工作图的技术依据。因此,绘制装配图是机器设计过程中的重要环节,必须综合考虑强度、刚度、加工、装拆、调整和密封等多方面的要求。机器(部件)的装配图的设计及绘制过程比较复杂,因此必须先作装配草图设计,然后再经过讨论修改,最后加深或重新绘成正式的装配图。装配草图设计包括计算、结构设计、制图等内容,而且计算与制图常需交叉进行。其基本任务为:1 确定各零件的结构尺寸,以及它们在机器的相互位置关系2 得出校核零件强度(刚度)所需的尺寸及数据。4.1 轴的结构设计轴设计的特点是:在轴系零、部件的具体结构未确定之前,轴上力的作用点和支点之间的跨距无法精确确定,故弯矩大小和分布情况不能得出,因此,在轴的设计中,必须把轴的强度计算和轴系零、部件的结构设计交错进行,边画图、边计算、边修改。轴的设计程序是:(1)根据机械传动方案的整体布局,拟定轴上零件的布置和装配方案;(2)选择轴的合适材料;(3)初步估计轴的直径;(4)进行轴系零、部件的结构设计;(5)进行强度、刚度计算;(6)根据计算结果修改设计。4.1.1 轴的设计1)轴的材料选择和最小直径的估算 根据工作条件,初选轴的材料为 40 rC,调质处理。按扭转强度法进行最小直径估算,即:3nAd0minP。除去算轴径时,若最小直径轴段开有键槽,还要考虑键槽对轴第 4 章 装置零件设计及校核12的强弱的影响。当该轴段截面上有一个键槽时,d 要增大 5%7%, 两个键槽 增大10%15%。 0A由查机械设计手册得知,对于 40 rC, 0A的范围为 112-97。 确定 :高轴 1 1 从动轴 1 02 mmNPAd 8311011 高速轴:同理可得 中间轴为 8mm4.1.2 轴的结构设计图 4.1 轴的结构图4.1.3 轴的校核本文对各轴进行了校核计算,均满足强度要求,受篇幅所限,下面仅以高速轴为例进行校核计算过程。 1)轴的力学模型的建立 1轴上力的作用点位置和支点跨距的确定 齿轮对轴的作用点按简化原则应在齿轮宽度的中点,因此可决定中间轴上两齿轮力的作用点的位置。轴上安装的轴承是 6002,可知它的负荷作用中心到轴承外断面的距离 a=3.5mm。故可以算出支点跨距和轴上各力作用点相互位置尺寸。高速级齿轮作用点到靠近它的断面的距离 L1=25mm,两齿轮作用点之间的距离 L2=68mm第 4 章 装置零件设计及校核13图 4.2 轴上零件的装配方案由于整个结构的设计,主轴要从一侧装入,所以轴要从右到左直径递减,而且在两个轴承之间轴的直径要相同。两端轴承用同一个尺寸,以便于购买、加工、安装和维修。轴肩:定位简单可靠,不需附加零件,能承受较大轴向力,广泛应用于轴上零件的固定。圆螺母:定位可靠,能实现轴上零件的间隙调整。常用于轴上零件之间,也可以用于轴端。平键:结构简单,在轴上加工键槽,则齿轮轮可以靠平键在轴上定位2)轴上零件的周向定位带轮与轴的周向定位采用过盈配合。根据设计手册,并考虑便于加工,取键槽适用的键的规格为剖面尺寸 bh=6 6 12。配合选用 H7/k6。滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制,主轴与轴承的配合为 H7/k6。为了保证零件与定位面靠紧,轴上过渡圆角不应过大,轴肩处的过渡圆角应小于轴承的圆角,最后决定取 R1。3)考虑轴的结构工艺性1考虑轴的结构工艺性,在轴的左端与右端均制成 145 倒角。2为了保证轴向定位零件压紧于轴上的零件,装零件的轴段长度应较轴承套圈宽度短 2-3mm。4)绘制轴力学模型图 如下图 4.3 所示第 4 章 装置零件设计及校核14图 4.3 轴力学模型图1. 计算轴上的作用力 大齿轮: (4.1).355d12T1FF t2t1 (4.2)N6.131costanFF nt1r2 (4.3)N7.353d2TF22t3 小齿轮: (4.4)NF 5.183tanFt12 (4.5)NF 4.192tanFt13 (4.6)N8.324costanFF nt1r3 皮带轮: (4.7)N5.234d12T1FF t2t1 (4.8)N6.201costanFF nt1r2 (4.9)N7.353d2TF22t3 N第 4 章 装置零件设计及校核15图 4.4 垂直面内支反力5)计算支反力 1垂直面内支反力 如上图 4.4由于绕支点 B 的力矩和 0BVM,得: NFRAV108, FRCV127 方向如图 .2水平面内支反力图 4.5 水平面内支反力示意图由于绕支点 B 的力矩和 0BHM 得: NFRAH357方向如图 4.5 NFRCH374方向与图中相反6)计算总支反力 A 点总支反力带入已算得数值得: NFRA372C 点总支反力带入已算得数值得: C947)计算弯矩 1垂直面内弯矩 B 处弯矩: LFMRAVB231左 (4.10)NV4右 (4.11)2水平面内弯矩 B 处: RAVC51 (4.12)第 4 章 装置零件设计及校核16合成弯矩 M=6152N8)校核 进行校核时,通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面(即危险截面 D)的强度。 MPadWca67.231.0(4.13)根据选定的轴的材料 40 rC,调制处理,查阅机械设计手册得: a70 1-MP因为: 1-ca 故强度足够。 4.2 齿轮设计选定高速级齿轮类型、精度等级、材料及齿数 (1) 选定高速级齿轮类型、精度等级、材料及齿数 (2) 材料选择及热处理。查阅机械零件设计手册,选择大、小齿轮的材料均为 40Cr,并经调制处理及表面淬火,齿面硬度为 4855HRC。 (3) 柔性杆推进装置为一般机械,故选用 8 级精度。(GB 10095-88) (4) 选小齿轮齿数 1z24 则根据传动要求,大齿轮齿数则为:6.9512Zi(4.14)(5) 选取螺旋角。初选螺旋角 14。 按齿面接触疲劳强度计算 32d1tt1u2HEZT(4.15)1) 确定公式内的各计算数值 1查阅机械设计手册,查的材料的弹性影响系数 a8.19EMP2计算小齿轮传递的转矩。 已经算出 m3.71NT;u=3.2 3试选载荷系数 1.3t。 4查设计手册选取区域系数 4.2Zh。 5因大、小齿轮均为硬齿面,故宜选取稍小的齿宽系数,先取 1d。 6查设计手册得 0.9HN1, 0.95HN2, a601PLIM, a502PLIM.7计算接触疲劳许用应力(失效概率 1%,安全系数 S=1) a46.1HN1 PSLIM(4.16)5.2509.22LI (4.17)第 4 章 装置零件设计及校核172)计算 1试算小齿轮分度圆直径 mm.315.5222.318.1892.410203.73.132.2d 3224t1 2计算齿宽 b 及模数 ntm。 dt14(4.18)m=2.45 5.h(4.19)3计算载荷系数 K。 根据 8 级精度,查阅机械设计手册得动载荷系数 1.2kv;继续查阅资料得1.4k fah;继续查阅,由于小齿轮相对支撑对称布置,8 级精度,故取 1.23kh,故载荷系数为: 07.23.14.khavA (4.20)另得: 2.F4按实际的载荷系数校正所算的的分度圆直径。 7.36.1031tttkd(4.21)5计算模数。 2m1zdt(4.22)(6) 按齿根弯曲强度设计 3a2da31nzFSYCOT(4.23)1) 确定计算参数 1计算载荷系数。 07.23.142.khavA2根据纵向重合度 52.1,查阅机械设计手册查得螺旋角影响系数 0.8aFY。 3计算当量齿数。8.64cosz331v1(4.24).9.53322v(4.25)4查阅机械设计手册得齿轮的弯曲疲劳强度弯曲疲劳寿命系数 a6201MPFE,8.0K,.FN2FN1。 5计算弯曲疲劳许用应力。 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,则得:第 4 章 装置零件设计及校核18 a7.389.162022 MPSKLIMHNF(4.26)4.511I(4.27)6查取齿形系数。 查阅资料得: 26.6.2aa1FFY,7查取应力校正系数。 查阅资料得: 74.1,58.2a1aSS8计算大、小齿轮的 1F并加以比较。 07.389621aFSY14.2a小齿轮的数值较大。 2) 设计计算 m4.165.12407.cos8073.m3 2nt )( 对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 n与由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数相差不大,故取 nm=2.5mm ,取分度圆的直径 dt321。 2.3cos1ndz(4.28)z1 取 24,z2=24x3.78=94.6 z2 取 96同理可得这个双联齿轮的另一个齿轮齿数为 724.3 轴承的选择以及计算轴承校核的方法均一致,在前面的轴校核中我们已经得知,中间轴 2 的受力轴向力最大,故轴承也最危险,故选择轴承组 2 为例来校核。高速轴和低速轴经过校核,均符合要求。 (1) 轴承选择。 轴承类型 :深沟球轴承,轴承代号:6002轴承参数 :轴承内径:15轴承外径:32 轴承宽度:9 第 4 章 装置零件设计及校核19(2) 设计校验 1) 径向载荷 Fr A 点支反力: NRA3721 C 点支反力: Cr942 外部轴向力 .-a23ae,从最不利受力情况考虑, aeF指向 A 处 1 轴承(方向向左) ; 2) 轴承派生轴向力: (方向向右) NYFF 7.2562 1t1d (方向向左) NYFF 9.2762 2t2d 因为: 1d2ae , 故 A 处 1 轴承压紧,C 处 2 轴承放松。故:Fda491, da5242当量动载荷:(载荷系数 .fp)e.025.r1a:轴 承 NYFfPaRp36)4.(1故(4.29)era29.0.22: 因轴 承(4.30)N376YFF0.4fp a2r2p2 (3) 验算轴承寿命 因 12,故只需验算 1 轴承。轴承预期寿命与整机寿命相同,为:8(年) X300(天)X8(小时)=19200h 。 h920783fn6021th PCL(其中温度系数 1ft) (4.31)故轴承具有足够寿命。 4.4 键连接的选择以及校核计算以中间轴外伸装配齿轮轴段键为例: 因为 d=12mm,l=30mm所以选择普通平键 A 型 ml3044hb 校核:键的工作长度 l=L-b=15mm;键的接触高度 K=0.5h=2mm;第 4 章 装置零件设计及校核20mNT.5432转 矩 : 材料为 45 钢调质,所以 a120pMP, ppa98.67ld10 MP故强度合格。 其他各轴键的选择和校核均以此例,不再赘述。 总结与展望21总结与展望一、总结内窥检查机器人在运动时, 通过充入气体的膨胀橡胶囊与腔道壁接触, 具有较好的柔软性。 压觉传感器检测机器人与腔道壁之间作用力的大小和方位, 为机器人提供避障、 弯曲等信息, 以调整内窥检查机器人的运动速度和方向, 使其适应腔道的变化, 避免穿孔等医疗事故的发生。传感与主动介入技术对腔道组织损害程度极小, 具有较高的安全性, 还可减轻医务人员的工作强度, 提高内窥检查的效率。医用内窥镜在不同的时期都促进了医学事业的不断发展。今后随着电子技术及其他科学技术的不断进步,相信其技术会有更广更深的发展。 它非但能完成当今所完成的任何一项工作,还会加用特殊光谱的 CCD 提供新的诊疗图像信息,还可用图像处理技术获得病变组织的特殊图像,并能用图像分析技术实现对病变的定量分析和定量诊断,还可通过电讯手段进行远程会诊。 多功能的电子内窥镜已经问世,它不但能获得组织器官形态学的诊断信息,而且也能对组织器官各种生理机能进行测定。 医用内窥镜技术发展到今天,已经显示出它的强大生命力,相信明天会做出更辉煌的贡献。通过这次设计,我对柔性杆自动推进装置有了一个全面地了解,了解了柔性杆技术在现在以及以后机械工业中所起的作用,明白了柔性杆的在以后工业的发展中所扮演的角色,为自己今后更好的学习柔性杆指明了方向。通过这次毕业设计,使我对大学期间所学的知识,进行了融会贯通,有了一个全新的认识,对以前许多不太清楚的地方,通过问老师和查资料的方法,已经明白了很多,知道了自己以前学习的不足,所以以后应该更加努力。此次设计,我认为最重要的就是使我明白了,无论做什么事情,要想做好,必须态度端正;要善于学习,时刻学习;做事要严谨、认真,细致、不怕吃苦,还要有创新精神。二、今后研究方向传统内窥镜在介入过程中会发生镜体缠绕、非预期结襻等情况,给病人带来痛苦和危险。基于迫切的临床需求和良好的市场前景,用智能传感器技术、自动化技术及可视化技术对传统内窥镜系统进行改进和创新研究已经在世界范围内展开。其中,新型的内窥镜形状感知系统是该领域的一个研究热点。 利用主摩擦轮和从摩擦轮来推进传总结与展望22感柔性杆,这将是推进装置的发展趋势。参考文献23参考文献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. Sturges Laowattana. Flexible Tendon-controlled device for endoscopy The International Journal of Robotics Research,1993,12(2):121 一 1313 高立明,林良明,颜国正,等. 全方向蠕动机器人驭动内窥镜系统的研究.中国生物医学工程学报.1998,17(1):36414 朱宏擎,林良明,高立明等.新型能动内窥镜数字图像处理方法的探讨.上海工程技术大学学报.1999,13(4): 2672725MarkN.Appleyard,MRCP,ChadesA.Mosse,el at. .The measurement of force exerted during colonoscopy Gastrointestinal Endoscopy.2000,52(2):237-2406毛谦德,李振清 .袖珍机械机械设计师手册第二版M.北京:机械工业出版社,20017朱龙根.简明机械零件设计手册M.北京:机械工业出版社,20008周开勤 机械零件手册 M北京:高等教育出版社,19949陈锦昌,刘就女 ,刘林.计算机工程制图M.广州:华南理工大学出版社,199910叶伟昌 ,林岗副主编,机械工程及自动化简明设计手册,机械工业出版社出版11徐锦康主编 ,机械设计,高等教育出版社出版12卜炎主编 ,机械传动装置设计手册,机械出版社出版13钱晋武.张震 .章亚男.沈林勇 智能内窥镜视觉导航技术和系统研究期刊论文-光学精密工程 2004(z1)14杨东英 内窥镜镜体三维形状重建方法研究 200415钱晋武.郑庆华 .张伦伟.沈林勇.章亚男 渐进式内窥镜形状的感知和重建期刊论文-光学精密工程 2004(5)致 谢24致 谢本论文是在导师牛凤莲的悉心指导下完成的,回想过去设计的日子,体会多多,感慨也不少。设计过程也如我所料,遇到不少的问题。幸好在此过程中常得到牛老师的指导、同学们的帮助,让我基本上解决了问题,完成了设计。最后交给指导老师,请帮我检查。指导老师经过详细的检查后对我的设计给予详细的、全面的批评指正和修改建议。我根据指导老师的修改建议,进行第二轮的修改,修改完后再请老师过目指导,直到指导老师认为基本没什么错误为止。在此表示衷心的感谢!最后,在此对在整个设计过程中,给予我指导和帮助的老师同学表示衷心的感谢!特别是我的指导老师高老师,对我设计给予悉心的指导,她对工作认真负责的态度也是我学习的好榜样,我受益匪浅,在此再次表示衷心的感谢。附 录25附录:零件
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