差分锁紧机械手的设计与3D打印制造
差分锁紧机械手的设计与3D打印制造
现代医学之中，对于骨折的治疗越来越依赖于内固定手术。国内的学者对于内固定手术的研究大多集中在内固定的植入方面，而对愈合后如何拆除内固定器械和拆除工具的研究却乏善可陈。笔者试着创新出一种全新的内六角螺钉取出器，在solidworks软件之中建模、组装并且模拟，验证其可行性。并且通过快速成型技术进行实验性制造。
对螺钉的抓紧原理是通过机械爪、顶杆二者的配合进行前后夹紧。如何驱动二者运动成了摆在桌面上的问题。
我们知道，汽车在转弯过程之中，左右两个轮子的行程是不一样的。但是两个轮子却是一个输入（差速器输入轴）带动的，这给我的设计任务带来了灵感。照着这个思路。我设计出我的差分锁紧机械手的每一个零件，然后将他们组装起来，并且仿真验证了其可行性。
当然，这只是第一代机械手。可能还不能满足实际使用时候的需求。但是设计的思路是没错的，以后再要改动的话也会是按照这个思路进行。
借助于学校现有的快速成型机，我还试着对其进行实验性制造生产，得到了很多宝贵的体验和教训。
本文着重介绍了如何把差分齿轮和两个抓紧机构连接的问题，作者采用独特的轴、齿轮、螺纹的一体化的设计，不但解决了连接问题，还使得零件总数达到减少。
关键词 差分齿轮，锁紧机械手，机械手，运动仿真 ，3D打印
1 引言 １
2三维建模、装配和仿真 3
2.1 三维建模工具SolidWorks软件 3
2.2 建模和装配 3
2.3仿真运动7
3总体结构设计 8
3.1结构图 8
3.2各部分零件的结构和功能7
3.3一个完整的工作过程 14
3.4五种工作状态 22
4 3D打印技术 22
4.1快速成型简介 22
4.2本校的3D打印机简介 23
4.3 3D打印过程 24
4.3几个实例 25
结论 34
致谢 35
参考文献 36
附件一 38
1引言
现代医学之中，在人体骨骼之中植入骨钉已经广泛地应用在各种骨科术之中，然而骨钉如何取出依然是困扰当今医学界的一个重要问题，传统的取出方法虽然器材简单，但是往往消耗医生大量的时间和精力，而且对医生专业素质要求过高，往往还伴随着一定的风险，如何既简单又安全的取出骨钉就成了一个医疗机械研究者的一个问题。
本课题采用的锁紧机构是一个拥有三个爪子的机械手和螺钉顶紧共同完成对骨钉的夹紧工作，这就需要对螺钉的行程、对三爪机械手的运动进行设计，并且对材料的强度进行分析，以保证在使用过程之中不会出现扭曲断裂的的危险，同时，螺杆的行程和机械手之间的配合也是需要考虑的问题。这将会成为本装置的应用场合将是否广泛的关键。
如何实现对不同直径的螺钉，头部厚度不同的螺钉的加紧？理想状态是：当当螺钉或者抓手的任意一个接触并且对螺钉进行夹紧的时候，他可以自动实现停止运动。如何让一个输入扭矩驱动两个轴的旋转？而且这两个轴遇到阻力的时候可以一方停止运动？我从汽车转向时候的差速装置中找到灵感。
我们知道，汽车转向的时候，左边和右边的行走过得路程是不一样的，那么，我们为什么不能用转向器，让他分别驱动机械手和螺杆？答案是肯定的。
应用差速齿轮分别驱动机械手和螺杆，可以让机械手和螺杆实现这样的工作状态：两个之中的一个受到阻力之后，螺旋下降（或加紧）的速度变慢，两个都受到阻力无法前进时，输入端也无法再输入旋转，加紧完成。
在当今医疗之中，对于骨折的治疗越来越依赖内固定手术。而当今医学界研究的重点是如何组织内固定支架的植入手术及其成功率。而对内固定支架的取出的研究很少，这往往造成内固定支架取出困难，而且经常有取出手术失败而造成再一次骨折的事故发生。
一般说来，内骨钉支架（骨钉，螺丝钉，潘氏钉等）取出的困难之处在于：
（1）取出手术的刀口会尽量的小，所以说能够供医生操作的空间就很小。
（2）取出内固定支架在体内往往存在的时间都很长，一年半载都是正常的。有的病人往往因为经济原因，因为没有经济能力及时进行取出手术，从而造成了支架在体内存在时间达数年之久。支架长时间在体内，在骨折愈合的过程之中，骨痂往往会顺着螺钉生长，最后造成对内六角螺钉的包裹，填充了内六角，所以，传统的内六角扳手往往不能起到作用。
（3）内固定支架本身的锈蚀，断裂等等。
图1-1 残留在身体里头的内固定支架和取出器械
所以说在设计初期，要将这些问题统统考虑到，以免事后出现问题。但是，我所设计的东西也只是实用型广一点，它不是一把万能钥匙，能够适用于所有情况，我所能做到的的只是使得他的实用性更加广泛而已。
钉子的抓紧，作者的方案是这样的，前段采用三个爪子的机构来实现从下到上的抓紧。同时，用带有内六角的头部的杆件顶紧，二者一个从上向下，另外一个从下向上，共同抓紧了这个工件。但是这仅仅是1.0版本，在设计的后续思路之中，我准备将机械爪换成更加具有抓紧功能的套筒，希望这样可以更好的抓紧螺钉。
2 三维建模、装配和仿真
2.1三维建模
在设计过程之中，主要用的的工具软件是solidworks和Geomagic studio，在3D打印之中，还用到了 in light 等软件。
SolidWorks公司成立于1993年，是由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，它的总部在马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件，至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”
在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
在设计过程之中，主要用到了SolidWorks的软件三维建模功能、组装装配体功能、误差分析功能、仿真模拟功能。
2.2装配
装配是三维建模之后的一个环节，主要任务是将前一步之中的各个独立的模型组合在一起，让一堆零件共同组成一个完整的机构。对于设计工作来说，有如下的重要意义：第一，让不同模型祝贺在一起，可以看出模型的配合状况，检查它们之间是否有干涉状况，或者它们之间的配合是否间隙配合还是过盈配合。第二，可以一目了然的看出机构的外观，看的出这种外观是否符合设计者的初衷、是否符合美学上的观点。第三、在设计任务过程之中，难免有不符合设计者要求的地方，可以从装配图快速的进入到零件图之中，从而实现了零件的快速修改和调整。
图2-1 装配界面
装配体之中，零件和零件的位置主要是通过添加配合来保证的。配合从配合者的角度来说，配合主要有：
电的配合。点和点的配合（重合）、点和线的配合（重合），点和面的配合（重合）。
线的配合：线和线的配合（重合、垂直、平行），线和面的配合（重合、垂直）。
面的配合：面和面的垂直配合、面和面的重合配合。
在实际工作过程之中，首先要打开装配体，然后点击配合图标。第三步是选中需要配合的几何元素，被选中的集合元素会在最上面的图框之中现实。当两者都显示在选中图框之中时候，再点击下面的配合类型，就成功的添加了你需要的配合了。
配合的删除：由于各种需求，我们不得不删除之前添加的配合，删除配合的方法有两种。第一是在模型树找到你想要删除的配合所在的几何元素的几何体，然后点开几何体左边的加号，二级模型树底下的第一个文件夹就是存放配合的文件夹，单击文件夹，然后会出现所有的在这个几何体之中的配合。然后单击配合，在右边的实体之中，配合所在的两个几何元素会加亮显示。现在，按下Delete键就可以删除了。
第二种方法，在模型树最底下的文件夹之中，用相同的方法找到你的需要删除的配合，然后按下Delete键，删除配合。
在这个机械的设计之中，我首先导入上壳体作为基准。然后装配了六个齿轮。然后装配了下面的运动机构。最后装配了连接机构。具体步骤如下图所示。
图2-2 作为基准的上壳体
首先，导入上壳体作为基准零部件，其他一切零部件的装配以它为基准。
图2-3装配差速齿轮（加亮部分为齿轮）
第二部，装配差速齿轮部分。主要用到了轴的重合、点的重合。齿轮的机械配合等等。
图2-4装配夹紧机构
第三步 装配夹紧装置。主要用到了面的重合、线的重合、等。
图2-5装配连接部件
第四部 装配连接零件。主要用到线的重合，面的重合、圆的同心等。
2.3运动仿真
运动仿真是在装配之后，进一步验证机构工作状态的步骤。在solidworks之中，运动仿真主要是通过添加齿轮和齿轮、螺纹和螺纹、杆件之间的铰链等等的配合状态来实现的。在这个过程之中，还须要用到添加虚拟电动机和动画的有关知识。下面，通过一个仿真的实例来说明
现代医学之中，对于骨折的治疗越来越依赖于内固定手术。国内的学者对于内固定手术的研究大多集中在内固定的植入方面，而对愈合后如何拆除内固定器械和拆除工具的研究却乏善可陈。笔者试着创新出一种全新的内六角螺钉取出器，在solidworks软件之中建模、组装并且模拟，验证其可行性。并且通过快速成型技术进行实验性制造。
对螺钉的抓紧原理是通过机械爪、顶杆二者的配合进行前后夹紧。如何驱动二者运动成了摆在桌面上的问题。
我们知道，汽车在转弯过程之中，左右两个轮子的行程是不一样的。但是两个轮子却是一个输入（差速器输入轴）带动的，这给我的设计任务带来了灵感。照着这个思路。我设计出我的差分锁紧机械手的每一个零件，然后将他们组装起来，并且仿真验证了其可行性。
当然，这只是第一代机械手。可能还不能满足实际使用时候的需求。但是设计的思路是没错的，以后再要改动的话也会是按照这个思路进行。
借助于学校现有的快速成型机，我还试着对其进行实验性制造生产，得到了很多宝贵的体验和教训。
本文着重介绍了如何把差分齿轮和两个抓紧机构连接的问题，作者采用独特的轴、齿轮、螺纹的一体化的设计，不但解决了连接问题，还使得零件总数达到减少。
关键词 差分齿轮，锁紧机械手，机械手，运动仿真 ，3D打印
1 引言 １
2三维建模、装配和仿真 3
2.1 三维建模工具SolidWorks软件 3
2.2 建模和装配 3
2.3仿真运动7
3总体结构设计 8
3.1结构图 8
3.2各部分零件的结构和功能7
3.3一个完整的工作过程 14
3.4五种工作状态 22
4 3D打印技术 22
4.1快速成型简介 22
4.2本校的3D打印机简介 23
4.3 3D打印过程 24
4.3几个实例 25
结论 34
致谢 35
参考文献 36
附件一 38
1引言
现代医学之中，在人体骨骼之中植入骨钉已经广泛地应用在各种骨科术之中，然而骨钉如何取出依然是困扰当今医学界的一个重要问题，传统的取出方法虽然器材简单，但是往往消耗医生大量的时间和精力，而且对医生专业素质要求过高，往往还伴随着一定的风险，如何既简单又安全的取出骨钉就成了一个医疗机械研究者的一个问题。
本课题采用的锁紧机构是一个拥有三个爪子的机械手和螺钉顶紧共同完成对骨钉的夹紧工作，这就需要对螺钉的行程、对三爪机械手的运动进行设计，并且对材料的强度进行分析，以保证在使用过程之中不会出现扭曲断裂的的危险，同时，螺杆的行程和机械手之间的配合也是需要考虑的问题。这将会成为本装置的应用场合将是否广泛的关键。
如何实现对不同直径的螺钉，头部厚度不同的螺钉的加紧？理想状态是：当当螺钉或者抓手的任意一个接触并且对螺钉进行夹紧的时候，他可以自动实现停止运动。如何让一个输入扭矩驱动两个轴的旋转？而且这两个轴遇到阻力的时候可以一方停止运动？我从汽车转向时候的差速装置中找到灵感。
我们知道，汽车转向的时候，左边和右边的行走过得路程是不一样的，那么，我们为什么不能用转向器，让他分别驱动机械手和螺杆？答案是肯定的。
应用差速齿轮分别驱动机械手和螺杆，可以让机械手和螺杆实现这样的工作状态：两个之中的一个受到阻力之后，螺旋下降（或加紧）的速度变慢，两个都受到阻力无法前进时，输入端也无法再输入旋转，加紧完成。
在当今医疗之中，对于骨折的治疗越来越依赖内固定手术。而当今医学界研究的重点是如何组织内固定支架的植入手术及其成功率。而对内固定支架的取出的研究很少，这往往造成内固定支架取出困难，而且经常有取出手术失败而造成再一次骨折的事故发生。
一般说来，内骨钉支架（骨钉，螺丝钉，潘氏钉等）取出的困难之处在于：
（1）取出手术的刀口会尽量的小，所以说能够供医生操作的空间就很小。
（2）取出内固定支架在体内往往存在的时间都很长，一年半载都是正常的。有的病人往往因为经济原因，因为没有经济能力及时进行取出手术，从而造成了支架在体内存在时间达数年之久。支架长时间在体内，在骨折愈合的过程之中，骨痂往往会顺着螺钉生长，最后造成对内六角螺钉的包裹，填充了内六角，所以，传统的内六角扳手往往不能起到作用。
（3）内固定支架本身的锈蚀，断裂等等。
图1-1 残留在身体里头的内固定支架和取出器械
所以说在设计初期，要将这些问题统统考虑到，以免事后出现问题。但是，我所设计的东西也只是实用型广一点，它不是一把万能钥匙，能够适用于所有情况，我所能做到的的只是使得他的实用性更加广泛而已。
钉子的抓紧，作者的方案是这样的，前段采用三个爪子的机构来实现从下到上的抓紧。同时，用带有内六角的头部的杆件顶紧，二者一个从上向下，另外一个从下向上，共同抓紧了这个工件。但是这仅仅是1.0版本，在设计的后续思路之中，我准备将机械爪换成更加具有抓紧功能的套筒，希望这样可以更好的抓紧螺钉。
2 三维建模、装配和仿真
2.1三维建模
在设计过程之中，主要用的的工具软件是solidworks和Geomagic studio，在3D打印之中，还用到了 in light 等软件。
SolidWorks公司成立于1993年，是由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，它的总部在马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件，至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”
在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
在设计过程之中，主要用到了SolidWorks的软件三维建模功能、组装装配体功能、误差分析功能、仿真模拟功能。
2.2装配
装配是三维建模之后的一个环节，主要任务是将前一步之中的各个独立的模型组合在一起，让一堆零件共同组成一个完整的机构。对于设计工作来说，有如下的重要意义：第一，让不同模型祝贺在一起，可以看出模型的配合状况，检查它们之间是否有干涉状况，或者它们之间的配合是否间隙配合还是过盈配合。第二，可以一目了然的看出机构的外观，看的出这种外观是否符合设计者的初衷、是否符合美学上的观点。第三、在设计任务过程之中，难免有不符合设计者要求的地方，可以从装配图快速的进入到零件图之中，从而实现了零件的快速修改和调整。
图2-1 装配界面
装配体之中，零件和零件的位置主要是通过添加配合来保证的。配合从配合者的角度来说，配合主要有：
电的配合。点和点的配合（重合）、点和线的配合（重合），点和面的配合（重合）。
线的配合：线和线的配合（重合、垂直、平行），线和面的配合（重合、垂直）。
面的配合：面和面的垂直配合、面和面的重合配合。
在实际工作过程之中，首先要打开装配体，然后点击配合图标。第三步是选中需要配合的几何元素，被选中的集合元素会在最上面的图框之中现实。当两者都显示在选中图框之中时候，再点击下面的配合类型，就成功的添加了你需要的配合了。
配合的删除：由于各种需求，我们不得不删除之前添加的配合，删除配合的方法有两种。第一是在模型树找到你想要删除的配合所在的几何元素的几何体，然后点开几何体左边的加号，二级模型树底下的第一个文件夹就是存放配合的文件夹，单击文件夹，然后会出现所有的在这个几何体之中的配合。然后单击配合，在右边的实体之中，配合所在的两个几何元素会加亮显示。现在，按下Delete键就可以删除了。
第二种方法，在模型树最底下的文件夹之中，用相同的方法找到你的需要删除的配合，然后按下Delete键，删除配合。
在这个机械的设计之中，我首先导入上壳体作为基准。然后装配了六个齿轮。然后装配了下面的运动机构。最后装配了连接机构。具体步骤如下图所示。
图2-2 作为基准的上壳体
首先，导入上壳体作为基准零部件，其他一切零部件的装配以它为基准。
图2-3装配差速齿轮（加亮部分为齿轮）
第二部，装配差速齿轮部分。主要用到了轴的重合、点的重合。齿轮的机械配合等等。
图2-4装配夹紧机构
第三步 装配夹紧装置。主要用到了面的重合、线的重合、等。
图2-5装配连接部件
第四部 装配连接零件。主要用到线的重合，面的重合、圆的同心等。
2.3运动仿真
运动仿真是在装配之后，进一步验证机构工作状态的步骤。在solidworks之中，运动仿真主要是通过添加齿轮和齿轮、螺纹和螺纹、杆件之间的铰链等等的配合状态来实现的。在这个过程之中，还须要用到添加虚拟电动机和动画的有关知识。下面，通过一个仿真的实例来说明
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4119.html
