Корпусът на екзоскелетната съединителна конструкция обикновено има няколко основни части: основната обвивка на корпуса, лагерните легла, стойките за задвижващия механизъм и двигателя, скобите на сензорите, компонентите за уплътняване и задържане и интерфейсите за крепежни елементи. Тази външна рамка държи задвижващите механизми, двигателите и трансмисионните системи и се занимава с прехвърлянето на товара и управлението на движението. Очаква се световният пазар на екзоскелети да нарасне от 850 милиона долара през 2025 г. до 2.2 милиарда долара до 2030 г., така че прецизността и материалите на тези части пряко влияят върху производителността. Производственият процес, изискванията за прецизност и изборът на материали за всеки компонент са от решаващо значение за постигане на надеждността и издръжливостта, необходими за съвременните екзоскелети. Разбирането на тези фактори е ключово за производството на ефективни съединения.
Основна корпусна обвивка в съчленен корпус на екзоскелет
Основната обвивка на корпуса е основната носеща конструкция на корпуса на екзоскелетната става. Тя обгръща задвижващия механизъм, двигателя и трансмисионната система, така че поема основната тежест на всяко натоварване, което ставата получава. Мислете за нея като за скелета на скелета. Ако тази обвивка се огъне или деформира, цялата става губи подравняване и износващите се части вътре плащат цената.
Производствени процеси за основната обвивка
CNC обработка от Billet
CNC обработката от заготовка е най-добрият избор за високопрецизни корпуси. Плътният блок от алуминий AL6061-T6 се изрязва до крайната форма. Тази сплав често се използва в корпусите на екзоскелети, защото се обработва чисто и поддържа строги допуски. Работният процес обикновено следва определен ред:
- Изберете материала — алуминият AL6061-T6 е често срещана отправна точка за приложения на екзоскелетни корпуси.
- Контролирайте размерните допуски по време на обработка, особено в точките на закрепване и интерфейсите с други модули, така че всичко да е подравнено по време на сглобяването.
- Запазете структурната цялост около тънкостенни зони и сложни елементи, за да предотвратите деформация или отслабване.
- Завършете повърхността — първо почистете детайла, след това го пясъкоструйте и анодирайте. Пясъкоструйното почистване премахва пътищата на инструмента и стъпалата за матов, равномерен вид. Анодирането добавя устойчивост на корозия, твърда, устойчива на надраскване повърхност и по-добър външен вид.
Леене под налягане и леене под налягане
Леенето под налягане и леенето по инвестиционни модели се използват също за основната обвивка. Леенето под налягане работи добре за по-големи обеми, където цената на детайл е от значение. Леенето по инвестиционни модели се справя със сложна вътрешна геометрия. И двата метода съкращават времето за обработка, но жертват известна прецизност в сравнение с работата със заготовки.
Адитивно производство за прототипи
Адитивното производство, или 3D печатът, блести по време на създаването на прототипи. Печатът позволява на инженерите да тестват сглобката и формата, преди да се заемат с инструментална екипировка. Можете да отпечатате корпус за една нощ, да го закрепите с болтове към тестова платформа и да научите нещо до сутринта. Компромисът е ясен: печатът предлага скорост и свобода на геометрията, но механичните свойства на отпечатаните части обикновено не достигат тези на кования метал.
Изисквания за прецизност на основната обвивка
Размерни и геометрични толеранси
Прецизността започва с точките на свързване. Отворите за болтове, отворите за лагери и свързващите повърхности на модулите се нуждаят от строг контрол. Небрежното толериране на един от интерфейсите се разпространява каскадно през целия монтаж. Геометричното толериране обхваща плоскост, перпендикулярност и позиция, а тези извивания предпазват корпуса от деформация.
Спецификации за повърхностно покритие
Повърхностното покритие влияе върху дълготрайността на умората и характеристиките на уплътненията. Грубите повърхности създават повдигащи се напрежения, където започват пукнатини. Те също така разрушават О-пръстените и уплътненията. Пясъкоструйната обработка и анодирането подобряват повърхността, но основното машинно покритие все още задава базовата линия.
Материали за основната обвивка
Изборът на материали определя теглото, цената и издръжливостта. Ето как се сравняват често срещаните опции:
| Материал | Основни характеристики | Типични приложения |
| алуминиева сплав | Икономически ефективен, лесен за машинна обработка, добра повърхностна обработка, подходящ за големи обеми работа | Масово произвеждани корпуси, чувствителни към разходите части |
| Титанова сплав | Устойчив на високи температури, биосъвместим, устойчив на корозия | Корозивни или високотемпературни среди |
| Полимер, подсилен с въглеродни влакна | Най-добро съотношение якост-тегло, почти нулево термично разширение, висока твърдост | Корпуси за прецизни инструменти, рамки за производителност |
Алуминиеви сплави 6061 и 7075
Алуминият 6061 и 7075 формират алуминиевата сплав като основа за повечето корпуси. Сплавта 6061 се заварява и обработва добре. Сплавта 7075 осигурява по-голяма здравина, но е по-скъпа и не изисква режещ инструмент. За производство с голям обем, при което цената е по-ниска, алуминият е по-добър избор.
Титаниева сплав Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V е устойчив на топлина и корозия, за разлика от алуминия. Той е и биосъвместим, което е важно за медицинските екзоскелети. Недостатъкът е цената и трудността при машинна обработка.
Полимери, подсилени с въглеродни влакна
CFRP предлага най-доброто съотношение якост-тегло в групата. Той също така има почти нулево термично разширение и висока твърдост. Прецизните оптични и измервателни корпуси го използват точно по тези причини. Първоначалната цена е най-висока, въпреки че разходите за поддръжка остават ниски.
Няма един-единствен материал, който да е най-подходящ за всички. Правилният избор зависи от условията на работа, обема и бюджета. Инженерите често извършват FEM анализ, за да сравнят пътищата на напрежение в различните проекти, а FEM анализът също така проверява дали обвивката отговаря на целите си за якост, преди да бъде нарязан метал. По-леките материали като ABS се срещат по-често в прототипни скоби, отколкото в носещи обвивки, тъй като тяхната якост не може да се сравни с метала. От практическа гледна точка, производственият процес и изборът на материал са неразривно свързани - не можете да отделите едното от другото.
Легла и отвори за лагери в корпус на екзоскелетна съчленена конструкция
Леглата и отворите на лагерите са в центъра на всеки корпус на екзоскелетна става. Те държат лагерите, които позволяват на ставата да се върти плавно. Ако тези легла са неправилни, ставата губи енергия и се износва бързо. Сглобката между отвора и лагера променя ефективността на ставата и износоустойчивостта. Хлабавият отвор позволява на лагера да се върти на мястото си. Стегнатият отвор смачква лагерната ролка. И в двата случая ставата се поврежда.
Производствени процеси за лагерни легла
Прецизно пробиване и разпробиване
Прецизното разпробиване изрязва отвора до прецизен размер. Инструмент с единичен връх се завърта вътре в отвора и отстранява материал. Операторът може да регулира рязането на малки стъпки. Този контрол прави разпробиването идеално за работа с тесни допуски. Разпробиването следва, когато отворът се нуждае от по-гладка повърхност. Многостранният разпробивач премахва тънък слой материал и оставя чист, кръгъл отвор. Заедно тези две стъпки изграждат основата за правилно легло на лагера.
Шлайфане и Хонинговане
Шлайфането поема ролята, когато отворът се нуждае от още по-фина обработка. Абразивно колело се върти по повърхността на отвора и отстранява малки количества материал. Резултатът е много гладка повърхност с прецизен контрол на размерите. Хонингирането отива още една стъпка. Инструментът за хонинговане използва абразивни камъни за полиране на отвора и отстраняване на малки грешки във формата. Този процес подобрява кръглостта и праволинейността. За корпус на екзоскелет, който е в постоянно движение, тези стъпки са важни. Те намаляват триенето и удължават живота на лагера.
Изисквания за прецизност на лагерните гнезда
Диаметър и кръглост на отвора
Толерансът на диаметъра на отвора определя как ще пасне лагерът. Твърде голяма хлабина и лагерът трака. Твърде малка и той се заклинва. Закръглеността предпазва лагерния пръстен от деформация под натоварване. Некръгъл отвор притиска лагера в определени точки. Това неравномерно налягане причинява преждевременна повреда. Необходимата тук прецизност е сред най-високите в целия корпус.
Коаксиалност и перпендикулярност
Коаксиалността гарантира, че два или повече отвора споделят една и съща централна линия. В съединение с лагери от двете страни, несъосността принуждава вала да се огъне. Това огъване натоварва лагерите неравномерно. Перпендикулярността държи отвора перпендикулярен на монтажната повърхност. Ако отворът се наклони, лагерът носи аксиално натоварване, за което не е проектиран. И двата извода защитават лагера и вала. Те също така поддържат съединението да работи правилно в продължение на хиляди цикли.
Материали за лагерни легла
Изборът на материал за лагерните легла зависи от натоварването, скоростта и смазването. Ето как се сравняват често срещаните опции:
| Материал | Характеристики: | Максимална работна температура |
| Virgin PTFE | Висока химическа устойчивост и експлоатационна ефективност | 200 ℃ |
| HYPATITE® PTFE | По-ниска пропускливост на мономера и по-висока устойчивост на компресия и пълзене в сравнение с други PTFE материали | 260 ℃ / 270 ℃ |
| PTFE, напълнен с въглерод | Отлична устойчивост на топлина и износване | 260 ℃ / 270 ℃ |
| ФИЛТАЙТ® | Най-висока топлоустойчивост сред материалите на PTFE-базирана основа | 300 ℃ |
| графит | Отличен за работа при високи температури | 500 ℃ |
| метал | Отличен за високи температури и абразивна работа | 500 ℃ / 525 ℃ |
| PEEK | По-висока топлоустойчивост и механична якост | 270 ℃ |
| PTFE, напълнен със стъклени влакна и MoS2 | По-висока устойчивост на абразия и експлоатационна ефективност | 230 ℃ |
| Найлон с MoS2 | По-висока механична якост | 140 ℃ |
Закалени стоманени вложки
Закалените стоманени вложки издържат на най-тежките натоварвания. Те са устойчиви на износване и запазват формата си под налягане. Когато произвеждате лагерно легло от закалена стомана, отворът остава правилен дори след милиони цикли. Тези вложки се притискат към корпуса или се закрепват с болтове. Материалът на корпуса може да бъде по-лек и по-евтин. Тази разделена конструкция спестява тегло, без да се жертва здравината.
Бронзови и месингови сплави
Бронзовите и месинговите сплави предлагат добро поведение при носене. Те са подходящи за подвижен контакт. Втулките, ръкавите, износоустойчивите плочи и плъзгащите се части често разчитат на тези марки. Бронзът C93200 е често срещан избор за този вид работа. Той има добро поведение при носене и се справя добре с подвижен контакт. Тези сплави също така са по-устойчиви на корозия от стоманата в някои среди. Те струват по-малко от закалената стомана и се обработват лесно машинно.
Инженерни пластмаси PEEK и PTFE
PEEK и неговите пълнители, особено тези, съдържащи PTFE, въглеродни влакна или бронзови пълнители, имат ниско триене и добра износоустойчивост. Те не се нуждаят от смазване, което изисква контактът метал-метал. Това прави PEEK често срещан заместител на бронз, месинг и закалена стомана във втулки, лагери, зъбни колела и износоустойчиви плочи. Той работи добре там, където смазването е непрактично, забранено или представлява риск от замърсяване. PEEK съединенията с лагерен клас, пълни с PTFE и графит или въглеродни влакна, се движат „на сухо“ срещу метални валове. Техните характеристики на триене и износване са сравними с тези на бронзовите втулки. Те също така избягват проблемите с корозията на бронза и задържането на смазочни материали в среди с промиване или излагане на химикали. За корпус на екзоскелет, използван в чисти помещения или медицински заведения, това е от голямо значение. Механичните свойства на PEEK издържат добре на многократно движение. PTFE осигурява още по-ниско триене, но по-малка якост. Инженерите често комбинират двете, за да балансират производителността.
От практическа гледна точка, леглото на лагера определя характера на съединението. Добре изработеното легло с правилния материал осигурява гладко функциониране на корпуса на екзоскелетната става в продължение на години. Лошото легло се поврежда преждевременно и повлича лагера със себе си. Лагерът вътре зависи от това легло за подравняване и опора. Ако отворът е правилен, лагерите ще си свършат работата. Ако го направите грешен, никаква прецизност другаде няма да спаси съединението. Същата логика важи за всеки лагер в монтажа. Всеки лагер се нуждае от легло, което съответства на неговия допуск и профил на натоварване. Ето защо работата по леглото на лагера заслужава толкова внимание, колкото и основната обвивка.
Монтаж на задвижващ механизъм и двигател в корпус на екзоскелет
Екзоскелетните стави на долните крайници пасват на различни типове двигатели вътре в корпуса на екзоскелетната става. Безрамковите BLDC двигатели се срещат в лакътни, колянни и киткови стави. Инженерите използват също двигатели с редуктори, двигатели с боуденови кабели, пневматични задвижващи механизми и серийни еластични задвижващи механизми. Планетарни зъбни двигатели с висок въртящ момент, квазидиректни задвижвания и задвижвания с високо предавателно число с хармонични зъбни колела допълват списъка. Всеки тип задвижващ механизъм се нуждае от монтаж, който подравнява ротора точно със задвижващия механизъм. Монтаж, който не е подравнен, води до загуба на мощност и бързо износване на частите.
Производствени процеси за монтаж на задвижващи механизми
CNC фрезоване и пробиване
CNC обработката се грижи за задвижващите плочи. Четири отделни плочи се обработват на CNC машина. Стоманеният съединител мотор-скоростна кутия се струговане и челно обработва на струг, след което се пробива и зенкерова на фрезата. Валът на енкодера преминава през същите стъпки - струговане надолу на струга, пробиване на фрезата. Съединителите задвижващ механизъм-крак-лост са изработени от алуминий, струговане на струга и пробиване на фрезата. Тези операции контролират как отворите за болтове се подравняват с центъра на отвора.
Изработка и заваряване на ламарина
Листовата метална конструкция намалява разходите за части от рамката, които не носят тежки товари. Повечето части са от тънка алуминиева ламарина. Работата се свежда до рязане или пробиване на листа. За критичната част на вала на енкодера, стругът е най-подходящ. 3D печат с висока резолюция е подходящ и за прототипи. Заваряването свързва частите в подрамка, която се закрепва с болтове към корпуса.
Изисквания за прецизност на монтажа на задвижващите механизми
Толеранс на позицията на отвора
Опорите на двигателя се нуждаят от контролирано положение на отворите в схемата на болтовете. Точните допуски на позицията предотвратяват изместването на двигателя от центъра на болтовете. Проверка с CMM или щифт гарантира, че отворите съвпадат. Успехът на сглобяването зависи от приложената GD&T към тези характеристики. Винаги посочвайте плоскост, перпендикулярност и истинско положение на чертежите за монтаж на задвижващия механизъм. Без тези указания, монтажът причинява вибрации от първия ден.
Плоскост и ъглово подравняване
Плоскостта на монтажната повърхност предотвратява накланянето на двигателя. Пилотният отвор и схемата на болтовете се проверяват спрямо една и съща базова повърхност. Тази проверка улавя накланянето, преди двигателят да бъде завинтен.
Само по себе си позицията на отвора не гарантира ъглово подравняване. Малка грешка в перпендикулярността в основата на стойката се превръща в по-голямо изместване на работната височина на двигателя. Перпендикулярността и допустимите отклонения в истинското положение, обвързани с функционалните опорни точки, контролират отблизо това подравняване. Дюбелите или машинно обработените пилоти осигуряват необходимата висока прецизност. Отворите с хлабина не могат да поемат динамични натоварвания от работещ двигател.
Материали за монтаж на задвижващи механизми
Изборът на материали зависи от натоварването, теглото и околната среда.
Неръждаема стомана
Неръждаемата стомана осигурява устойчивост на корозия и здравина. Тя издържа на по-големи натоварвания от мощни задвижващи механизми. Компромисът е теглото. За става на долните крайници, където издръжливостта е по-голяма от теглото, неръждаемата стомана е подходяща.
Алуминиеви сплави
Алуминиевите сплави балансират здравина и тегло. Те се обработват бързо и струват по-малко от неръждаемите. За монтажни елементи, носещи умерени натоварвания, алуминият е стандартът. Същите сплави, използвани в основната обвивка - 6061 и 7075 - са подходящи и тук. Техните свойства отговарят на диапазона на натоварване.
Стъклен найлон
Найлонът, напълнен със стъкло, осигурява добри механични свойства при по-ниско тегло от метала. Той издържа на умерени натоварвания и е устойчив на пълзене при многократно натоварване. Материалът е подходящ за по-леки съединения, където всеки грам е от значение. Шприцването прави производството бързо.
Прецизността държи цялата стойка заедно. Нецентрираният двигател вибрира, износва лагерите и губи мощност. Стойката е изправена пред същите изисквания като основната обвивка: да задържа позиция, да устои на натоварвания, да издържи хиляди цикли. Някои усъвършенствани конструкции добавят плочи, които се свързват със задвижващия механизъм, което прави подравняването на стойката още по-критично. Стойката трябва да поддържа осите на двигателя и задвижващия механизъм подравнени. Инженерите извършват FEM анализ на дизайна на стойката, за да проверят пътищата на напрежение и да потвърдят твърдостта. Здравината на стойката зависи от материала, геометрията и начина, по който заваръчните шевове или крепежните елементи се свързват с останалата част от сглобката. Този капацитет определя дали стойката ще издържи на пикови условия и хиляди цикли.
Скоби за сензори в корпус на екзоскелетна става
Скобите на сензорите и монтажните елементи на енкодера вътре в корпус на екзоскелет се нуждаят от висока повторяемост и термична стабилност. Защо? Толерансът на монтаж определя каква част от зададената разделителна способност на енкодера остава използваема след монтажа. Ако монтажът не е повторяем, битовете с по-ниска разделителна способност могат да станат нестабилни. След това инженерите поправят това с подложки, микроподравняване, повторно калибриране или филтриране. Термичната стабилност е също толкова важна. Различните материали се разширяват с различна скорост, така че сензорната цел, статорът, корпусът или валът могат да се изместят един спрямо друг. Дори малко движение влошава качеството на сигнала. Този проблем е най-лош при конструкции на енкодери с кухи валове, нископрофилни или безрамкови, където връзката ротор-статор зависи от механичния стек. Система, подравнена при стайна температура, може да загуби правилната геометрия на сигнала след термично разширение, промени в предварителното натоварване на лагерите или структурно отклонение.
Производствени процеси за скоби за сензори
CNC обработка за малки детайли
CNC обработката обработва малките детайли, от които се нуждаят скобите на сензорите. Малките джобове, слотове и монтажни отвори изискват остри инструменти и леки разрези. Машинистът може да задържи здраво позицията върху тези детайли без специални инструменти. За малки и средни обеми този метод осигурява най-добра прецизност. Алуминият, освободен от напрежение, е често срещан изходен материал, защото остава стабилен след обработка.
Шприцване за големи обеми
Шприцването поема контрола, когато производството се увеличи. Стоманена матрица оформя скобата с един удар, а времето за цикъл намалява до секунди. Компромисът е първоначалната цена за инструментална екипировка. Печатът е подходящ и за прототипи, позволявайки на инженерите да тестват прилягането, преди да се ангажират с матрицата. За големи обеми производство, шприцването печели по отношение на цената на детайл.
Изисквания за прецизност на скобите на сензорите
Поставянето на монтажните отвори трябва да е плътно, за да се осигури повторяемост. Ориентацията на сензора и плоскостта на повърхността трябва да се контролират в рамките на тесни допуски, за да се поддържа качеството на сигнала. Повторяемостта на размерите гарантира, че монтажът остава постоянен след отстраняване и повторно инсталиране. Термичната стабилност поддържа сензора подравнен, докато съединението се нагрява. Скоба, която се разширява или усуква с температурата, отклонява показанията. Изборът на материал и геометрията играят роля тук.
Материали за скоби за сензори
Изборът на материали балансира теглото, здравината и цената. Често срещаните опции включват алуминий с освободено от напрежение покритие за прецизност и стабилност, както и други метали и полимери за приложения с оптимизирано тегло. Материали за леене под налягане, като алуминиеви и магнезиеви сплави, се използват за леки метални части. Материалите за шприцване включват инженерни пластмаси.
Алуминиеви и магнезиеви сплави
Алуминиевите и магнезиевите сплави предлагат добри механични свойства при ниско тегло. Магнезият е по-лек, но корозира по-лесно. Алуминият предлага по-добър баланс за повечето скоби.
ABS и поликарбонат
ABS и поликарбонатът са подходящи за формовани скоби. ABS осигурява добра устойчивост на удар на ниска цена. Поликарбонатът добавя здравина и прозрачност. И двата са подходящи за умерени натоварвания.
PEEK за високи температури
PEEK издържа на високи температури, където други пластмаси се провалят. Той запазва здравината и твърдостта си, когато съединението се нагрее. Цената е по-висока, така че е подходящ за взискателни приложения.
Уплътняване и задържане в корпус на екзоскелетна става
Уплътненията и фиксаторите работят като имунната система на корпуса на екзоскелетната става. Те предотвратяват навлизането на прах, вода и мръсотия. Без тях лагерите ръждясват, сензорите губят точност, а задвижващите механизми се повреждат преждевременно. Доброто уплътнение също така задържа смазката на място. Фиксаторните части държат всичко заедно. Те предотвратяват изскачането на уплътненията и разместването на лагерите от мястото им.
Производствени процеси за уплътнения и фиксатори
Уплътненията и фиксаторите се произвеждат чрез формоване или машинна обработка, в зависимост от материала и обема. Формоването под налягане е често срещано за еластомерните уплътнения, докато CNC струговането се използва за задържащи пръстени.
Компресионно формоване за еластомерни уплътнения
Компресионното формоване оформя гумени уплътнения с помощта на топлина и налягане. Гумено парче се поставя в загрята форма. Формата се затваря и гумата се разстила, за да запълни формата. След втвърдяване уплътнението придобива правилната форма. Този процес е подходящ за О-пръстени, гарнитури и персонализирани уплътнения. Той се справя добре с големи обеми и поддържа разумни разходи за инструменти.
CNC струговане за задържащи пръстени
CNC струговането изработва задържащи пръстени от метален или пластмасов материал. Струг изрязва формата на пръстена, каналите и ръбовете в една стъпка. За пружинните и спиралните пръстени, струговането създава основната форма. Допълнителни стъпки изрязват празнината или прореза. Струговането дава строг контрол върху дебелината и диаметъра на пръстена. Този контрол е важен, когато пръстенът щракне в канал с правилната сила.
Изисквания за прецизност на уплътненията и фиксаторите
Размери на канала и повърхностна обработка
Размерите на канала определят колко добре работи едно уплътнение. Твърде дълбок канал позволява на уплътнението да се движи. Твърде плитък канал го притиска твърде силно. И двата проблема причиняват течове. Повърхностната обработка вътре в канала също е от значение. Груб канал уврежда устната на уплътнението по време на монтажа. Гладък канал позволява на уплътнението да се плъзне на мястото си без повреди. Същата логика важи и за каналите на задържащия пръстен. Груб канал може да причини напрежение, което да напука пръстена.
Допустими отклонения при сглобяване с интерференция
Претеглените сглобки държат ретейнерите и уплътненията на място без винтове или болтове. Външната част е малко по-голяма от вътрешната. Притискането им едно към друго създава сцепление. Твърде многото претеглене води до напукване на корпуса. Твърде малкото претеглене води до падане на частта. Инженерите изчисляват точното количество въз основа на материалите и натоварването. За корпус на екзоскелетна става вибрациите правят това прилягане още по-важно. Разхлабеният ретейнер може да се разхлаби по време на ходене.
Материали за уплътнения и фиксатори
Изборът на материали балансира гъвкавостта, химическата устойчивост и здравината. Често срещаните материали за уплътнения включват еластомери; за фиксаторите често се използват метали или пластмаси.
Нитрилен каучук и витон
Нитрилният каучук работи добре с масло и грес. Цената му е по-ниска от Viton. Viton може да издържи на по-висока температура и по-силни химикали. За съединение, изложено на почистващи препарати или много горещи условия, Viton е по-безопасен. Компромисът е цената.
Задържащи пръстени от неръждаема стомана
Пръстените от неръждаема стомана са с висока якост и са устойчиви на корозия. Те издържат на вибрации и многократно сглобяване. Материалът запазва формата си по-добре от пластмасовите пръстени. За тежки натоварвания, неръждаемата стомана е стандартният избор.
PTFE и UHMWPE
PTFE има ниско триене и е устойчив на химикали. UHMWPE има висока износоустойчивост. И двата материала работят добре като резервни пръстени или износващи се части. Те предпазват основното уплътнение от избутване или повреда. В корпуса на екзоскелетната става тези материали удължават живота на ставата. Инженерите често извършват FEM анализ, за да проверят как се държат уплътненията и фиксаторите под натоварване. Здравината на системата за задържане зависи от материала, формата и прилягането. Слабият фиксатор се поврежда преди уплътнението. Тази повреда пропуска замърсявания и разрушава лагерите. Същото важи и за всеки лагер в монтажа. Всеки лагер се нуждае от уплътнение и фиксатор, които съответстват на неговия толеранс и профил на натоварване. На практика уплътняването и задържането заслужават същото внимание, както и основната обвивка. Евтиното уплътнение може да съсипе скъпа става.
Машинна обработка на корпус на екзоскелетна съчленена конструкция
Има много начини за изработка на корпус за екзоскелет. Можете да използвате обикновена CNC обработка и шприцване. Можете също да използвате адитивно производство. Всеки метод ви дава различни нива на прецизност и опции за форма. Най-добрият избор зависи от това колко ви е необходим, какъв е вашият бюджет и каква производителност искате. Компании като NOBLE, водеща производствена компания в Китай, предлагат всички тези опции на едно място. Техните умения за машинна обработка помагат на клиентите да преминат от прототип до пълно производство, без да сменят доставчици.
Субтрактивни процеси
3-осна и 5-осна CNC обработка
Триосната CNC обработка създава основни форми. Инструментът се движи по X, Y и Z, докато детайлът остава неподвижен. Работи добре за прости скоби и плоски повърхности. Петосната обработка добавя две оси за струговане. Инструментът може да достигне подкоси и ъглови повърхности с една настройка. Това помага много за екзоскелетни корпуси със сложни криви. По-малко настройки означават по-добра точност. Петосното фрезоване е често срещан избор за персонализирани алуминиеви корпуси. Динамичните планове за фрезоване помагат при обработка на тънки стени, като предотвратяват треперенето на тънки секции по време на рязане.
Струговане и стругово-фрезови операции
Струговането изрязва кръгли елементи на струг. Леглата на лагерите, отворите на валовете и каналите за задържащи пръстени зависят от струговането. Детайлът се върти, докато инструментът се движи по дължината си. Стругово-фрезовите операции комбинират струговане и фрезоване в една машина. Това намалява времето за обработка и прави кръглите и плоските елементи по-добре подравнени. Прецизното струговане осигурява плътната кръглост, от която се нуждаят леглата на лагерите.
Адитивна и 3D технология за печат
Производство на метални добавки
Адитивното производство на метални части изгражда от метален прах. Лазер разтопява всеки слой и го слива със слоя отдолу. Резултатът е напълно плътна метална част. Тази технология работи добре за сложни вътрешни канали, които не могат да бъдат обработени машинно. Компромисът е повърхностната обработка. Отпечатаните повърхности се нуждаят от последваща машинна обработка за лагерни легла и канали за уплътнения.
Насочено отлагане на енергия
Насоченото отлагане на енергия подава метален прах или тел в лазерен лъч. Материалът се топи, когато докосне детайла. DED работи най-добре за добавяне на елементи или поправяне на износени зони. По-рядко се използва за цели корпуси, но е полезен за хибридно производство. Изработва се основен корпус и се добавят печатни елементи отгоре.
Моделирането чрез стопено отлагане също играе роля, особено в ранните етапи на разработка. FDM изгражда части от разтопена нишка на слоеве. Тези 3D-отпечатани елементи работят добре за прототипи и части с ниско напрежение. FDM предоставя на инженерите бърз начин за проверка на сглобяването и формата. Тези носещи 3D-отпечатани елементи от FDM служат като функционални тестови образци. Те ви позволяват да проверите хлабината и сглобяването преди рязане на метал. Моделирането чрез стопено отлагане предлага надежден начин за изпробване на дизайни, без да се чака инструментална екипировка.
Процеси на формоване и леене
Инвестиционен кастинг
Леенето по инвестиционна схема започва с восъчен модел. Моделът се покрива с керамика. След като керамиката се втвърди, восъкът се разтопява. Металът запълва празното пространство, останало след това. Този процес обработва сложни вътрешни форми, до които машинната обработка не може да достигне. Повърхностната обработка и прецизността се намират между печатането и леенето.
Инжекционно формоване
Шприцването чрез шприцване вкарва разтопена пластмаса в стоманена матрица. Процесът е бърз, с време на цикъла под минута. Първоначалните разходи за инструментална екипировка са високи, но цената на детайл намалява с обема. За корпус на екзоскелет с голям обем, леенето е предимство. Процесът осигурява постоянни размери на хиляди части. NOBLE предоставя всички тези методи на един доставчик. Това означава, че можете да създавате прототип с печат, да валидирате с леене и да мащабирате с леене или машинна обработка.
Съображения при проектирането на корпус на екзоскелетна става
Екзоскелетният корпус на шарнира трябва да носи товари, без да се огъва. Той също така трябва да остане лек. Всеки допълнителен грам означава, че двигателите работят по-усилено. Инженерите балансират тези две изисквания на всяка стъпка.
Структурна цялост и оптимизация на теглото
Оптимизация на топологията и оребряване
Топологичната оптимизация открива къде е най-необходим материал. Софтуерът започва с блок от материал. Той премахва всичко, което не носи напрежение. Оставащото изглежда като естествена структура, тънка и ефикасна. Оребряването добавя твърдост към тънките стени. Ребрата, разположени по протежение на пътищата на натоварване, предотвратяват огъването на стените. Добрият модел на ребрата може значително да увеличи твърдостта на корпуса. Здравината на целия корпус зависи от това как ребрата се свързват с лагерните легла и монтажните подложки.
Валидиране на анализ на крайни елементи
Анализът с крайни елементи проверява дизайна преди рязане на метал. Инженерите създават мрежа от малки елементи върху детайла. Те прилагат натоварвания и ограничения. Софтуерът изчислява напрежението и отклонението във всяка точка. Той открива слабите зони рано. За части от въглеродни влакна инженерите използват ортотропен материален модел, който отчита различните стойности на твърдост в различни посоки. Методът с крайни елементи помага за сравняване на опциите. Извършването на същия анализ върху алуминий, титан и въглеродни влакна показва кой материал се справя най-добре с натоварването. Методът с крайни елементи също така валидира разположението на ребрата. Резултатите от FEM анализа насочват крайния избор на форма и материал.
Термично управление и износоустойчивост
Пътища за разсейване на топлината
Топлината идва от няколко източника вътре в корпуса. Задвижващите механизми и моторите генерират топлина по време на употреба. Електрониката вътре добавя още топлина. Телесната топлина на потребителя влошава състоянието. Точките на контакт на ставите се нагряват от триене и напрежение. Ограничената вентилация около ставата улавя тази топлина. Изолационните слоеве в подплънките блокират отвеждането на топлината. Влагата от потта намалява охлаждането и причинява дразнене на кожата. Динамичната работа създава променливи топлинни натоварвания. Инженерите проектират пътища за оттичане на топлината. Те използват ребра, проводими подложки и канали за въздушен поток, за да отклонят топлината от чувствителните части.
Повърхностни обработки и покрития
Външните обвивки използват ABS пластмаса, въглеродни влакна или алуминиеви сплави. Всеки материал провежда и изолира топлината по различен начин. Вътрешните контактни слоеве използват мемори пяна и мрежа. Тези материали защитават потребителя, но също така задържат топлината. Органичните полимери с тъкани повишават топлоизолацията. Тази повишена изолация променя термичния отговор на цялата става. Покрития като твърдо анодиране върху алуминий добавят износоустойчив слой. Те подобряват устойчивостта на корозия за медицинска или външна употреба.
Достъпност при монтаж и поддръжка
Модулен дизайн за подмяна на място
Модулният дизайн позволява на техник бързо да смени повреден корпус. Стандартните крепежни елементи и конектори намаляват времето за престой. Модулната връзка трябва да съответства на оригиналния дизайн по здравина. Тестовете доказват, че връзката издържа на многократни натоварвания. Този подход позволява и подобрения. По-нов задвижващ механизъм може да се побере в същия корпус.
Управление на толерантността
Толерансите се натрупват в целия монтаж. Отвор на вала в горната си граница с лагер в долната си граница създава хлабаво сглобяване. Това хлабаво сглобяване причинява вибрации и шум. Анализът на наслагването на толерансите предвижда най-лошия хлабав отвор. Инженерите коригират индивидуалните допуски, за да поддържат крайния монтаж в съответствие със спецификациите. Прецизността на крайното съединение зависи от управлението на тези наслагвания. Здравината на болтовите съединения се основава на правилното предварително натоварване. Хлабав болт намалява здравината на съединението. Стегнат болт оголва резбите. Доброто управление на наслагването поддържа всеки крепежен елемент да работи правилно.
Често използвани материали за корпус на екзоскелетна става
Материалите в корпуса на екзоскелета обхващат широк диапазон. Често срещани са алуминиевите сплави и стоманата, заради високото им съотношение якост-тегло и устойчивост на умора. Полимери като ABS също се използват, най-вече за 3D-принтирани прототипи. Всеки материал носи различни компромиси.
Метали
Алуминий 6061-T6 и 7075-T6
Алуминият 6061-T6 и 7075-T6 са две от най-разпространените сплави за корпуси на шарнири. Те се обработват добре и предлагат добра здравина. Но се различават по ключови начини. Ето едно сравнение:
| Имот | 6061‑T6 | 7075‑T6 / 7075‑T651 |
| Якост на опън | 276 MPa | 503 MPa |
| Сила на умора | 96 MPa | 160 MPa |
| Еластичен модул | 71.0 GPa | 71.7 GPa |
| Устойчивост на корозия | Самопасивиращ се Al₂O₃ оксиден филм (стабилен) | Съдържа 1.2–2.0% мед; изисква покритие |
| Изискване за покритие | Няма за тежки условия | Трябва да бъде пасивирано или покрито |
Преминаването от 6061 към 7075 намалява площта на напречното сечение с около 45% при същото натоварване на опън. Коравината обаче остава почти същата. Ако огъването контролира дизайна, 7075 не предлага никакво предимство. За употреба с високи цикли, 7075 или въглеродни влакна са по-добрият избор. Усъвършенстваните термореактивни или анодизирани многослойни покрития запечатват микропорьозностите върху 7075‑T6. Тези покрития спират корозията под напрежение, причинена от влага, при високочестотно циклично натоварване над 10 милиона цикъла на ходене. Запечатаните твърдо анодизирани повърхности също издържат на над 2,000 часа изпитване в солен спрей без образуване на точковидни структури.
Титан Ti-6Al-4V
Титанът Ti‑6Al‑4V е по-здрав от алуминиевите сплави и по-лек от стоманата. Той се справя добре с топлината и корозията. Медицинските екзоскелети често го използват, защото е съвместим с човешкото тяло. Недостатъкът е цената и трудността при обработката. Титанът е по-труден за обработка с режещия инструмент и струва повече на килограм. Но за приложения, където теглото и устойчивостта на корозия са най-важни, той запълва празнина, която алуминият не може.
Неръждаема стомана 17-4 PH
Неръждаемата стомана 17‑4 PH се използва в частите за корпуси на шарнири с висока износоустойчивост. Използва се в корпуси на лагери, шарнирни болтове и шарнирни точки. Тя е тежка, но здрава и евтина. Някои пасивни екзоскелети използват пружинна стомана за еластично съхранение на енергия. Специалните сплави издържат на екстремни циклични натоварвания. Стоманата не е първият избор за конструкции с критично тегло, но по отношение на издръжливостта си тя се справя отлично.
Полимери и композити
PEEK и PEI
PEEK и PEI (продавани като Ultem) са инженерни пластмаси, използвани за втулки на шарнири и лагерни повърхности. Те са устойчиви на износване без грес. Това намалява теглото и разходите. Те могат също така да бъдат формовани във форми, които биха били скъпи за машинна обработка от алуминий. За корпус на екзоскелет, тези пластмаси работят добре там, където смазването не е практично.
Композити от въглеродни и стъклени влакна
Полимерите, подсилени с въглеродни влакна, имат отлично съотношение якост-тегло. Но са крехки. Лесно се повреждат от удар. Матричните материали се разпадат под въздействието на ултравиолетова светлина, температурни промени и влага. Това води до разслояване и загуба на якост. Композитните материали от стъклени влакна струват по-малко, но тежат повече. И двата вида се нуждаят от внимателно проектиране, за да се избегне внезапна повреда.
PLA и ABS за 3D-принтирани прототипи
За прототипи в ранен етап, ABS и PLA са често срещани. Инженерите използват моделиране чрез слято отлагане (FDM), за да отпечатат тези части бързо. Полимерната нишка се подава през нагрята дюза и се наслагва на слоеве. Тези носещи 3D-отпечатани елементи работят добре за проверка на пасването и хлабината. Те не са предназначени за крайно производство. Но моделирането чрез слято отлагане дава бърз начин за тестване на форми. Инженерите разчитат на печата за скорост и ниска цена. Материалните свойства на тези отпечатани части са достатъчно добри за създаване на прототипи. Ето защо печатът с ABS е толкова често срещан в ранен етап.
Критерии за избор и компромиси в силата
Съотношение сила към тегло
Съществува основен компромис между здравина, тегло и издръжливост. Алуминиевите сплави са леки, но са склонни да се повредят при многократни натоварвания. Стоманата предлага по-добра здравина, но добавя тегло, което намалява живота на батерията и комфорта на потребителя. Въглеродните влакнести композити имат отлично съотношение якост-тегло, но се повредят по начини, които са трудни за предвиждане.
Цена и обработваемост
Цената и обемът на производство определят избора на материали. 6061 е евтин и лесен за получаване. Въглеродните влакна са скъпи и бавни за производство. Производството на малки обеми предпочита машинно обработения метал. Производството на големи обеми оправдава шприцването на пластмаса. Обработваемостта също е от значение. Алуминият реже бързо. Титанът износва инструментите.
Устойчивост на корозия и умора
Устойчивостта на корозия поддържа съединението работещо в тежки условия. Алуминият 6061 образува стабилен оксиден слой самостоятелно. 7075 се нуждае от покритие поради съдържанието на мед. Устойчивостта на умора е също толкова важна. Алуминият 6061‑T6 има якост на умора от 96 MPa. 7075‑T6 достига 160 MPa. За употреба с високи цикли, 7075 или въглеродните влакна са по-добри. Самите механизми на съединението често са точката на повреда. Нормалните сачмени лагери и втулки се износват бързо при високочестотно натоварване. Лагерът в корпуса е изправен пред същите нужди. Лагерите трябва да издържат на повтарящи се цикли, без да се износват. Липсата на ефективни самосмазващи се материали повишава нуждите от поддръжка. Инженерите разглеждат механични свойства като якостта на умора, когато избират материал. Здравината на целия възел зависи от правилния избор. Те също така извършват анализ с метод на крайни елементи, за да проверят поведението под натоварване. Свойствата на материала ръководят всяко решение. Правилното му вземане определя между съединение, което е издръжливо, и такова, което се поврежда преждевременно.
Експертизата на NOBLE в изграждането на ставни корпуси за екзоскелети
NOBLE е производствен партньор, който работи с метал и пластмаса. Ние произвеждаме части за корпуси на екзоскелети за екипи, които се нуждаят от строги допуски и стабилно качество. Нашият цех обработва както метал, така и пластмаса. Тази комбинация е важна, защото корпусът на шарнира рядко използва само един материал.
Възможности за обработка на метал и пластмаса
CNC обработка, леене и шприцване
Ние извършваме CNC обработка, леене и шприцване, всичко на едно място. Това означава, че обработен алуминиев корпус, лят монтаж на задвижващ механизъм и лята скоба за сензор могат да бъдат получени от нас. Избягвате играта на обвинения, която се случва, когато трима доставчици се сочат с пръст. За пластмасови части, ние формоваме ABS и други инженерни класове. Също така поддържаме печат за ранни монтажи и закрепвания. Ако имате нужда от бърз прототип преди инструментална екипировка, печатът ви осигурява бърза част.
Услуги по проектиране, създаване на прототипи и монтаж
Нашият екип помага с проектирането, създаването на прототипи и сглобяването. Преглеждаме вашите чертежи, посочваме характеристики, които са трудни за машинна обработка, и предлагаме промени, които намаляват разходите. След това се изработват прототипи, а след това пълно сглобяване. Запресоваме лагерните легла, монтираме задържащите пръстени и проверяваме сглобките, преди да изпратим каквото и да било. Здравината на крайния продукт зависи от тези стъпки, така че третираме сглобяването като част от производството, а не като нещо, което добавяме по-късно.
Сертификати и осигуряване на качеството
Притежаваме съответните сертификати за управление на качеството, включително тези за медицински изделия. Тези сертификати не са просто декорация на стени. Те оформят начина, по който документираме работата, обучаваме персонала и обработваме поръчките за промени.
Пълни протоколи за проследяване и инспекция
Всяка партида може да бъде проследена до нейния сертификат за материал и машинен дневник. Ние проверяваме входящия материал, характеристиките в процеса на обработка и готовите части. Проверките със CMM потвърждават диаметъра на отвора, позицията на отвора и плоскостта. Ако даден размер се отклони, ние го забелязваме, преди да се превърне в проблем с натрупването. Тази дисциплина защитава здравината на всяко съединение и стабилността на вашия график.
От проектирането до монтажа
Съвместна инженерна поддръжка
Работим като продължение на вашия инженерен екип. Изпратете ни модел и ние ще ви кажем какви машини използва, колко струва и къде може да се повреди. Тази постоянна комуникация спестява цикли на ревизия.
Производство и тестване от край до край
От първия артикул до пълното производство, ние се занимаваме с машинна обработка, формоване, довършителни работи и тестване. Получавате един партньор, една система за качество и една точка за контакт. Това е цялата идея зад NOBLE.
Всеки корпус на екзоскелетна съединителна конструкция се състои от едни и същи основни части: основна обвивка, лагерни гнезда, опори за задвижващия механизъм и мотор, скоби за сензори и компоненти за уплътняване и задържане. Всяка от тях има свой собствен производствен процес, прецизни измервателни уреди и опции за материали. Тези избори трябва да съответстват на натоварването, теглото и средата, на които ще бъде изправена съединителната конструкция.
Машинната обработка, леенето, формоването и 3D печатът играят роля тук. Същото важи и за избора на материали, който балансира здравина, тегло, цена и устойчивост на корозия. Ако корпусът е направен правилно, съединението ще работи.
Често задавани въпроси за съвместното жилище на екзоскелета
От какво е направен корпусът на екзоскелета?
Корпусите на екзоскелетните съединения често се изработват от алуминиеви сплави като 6061‑T6. Титанът Ti‑6Al‑4V се използва в медицински или корозивни среди. Полимерите, подсилени с въглеродни влакна, осигуряват най-доброто съотношение якост-тегло. PEEK е подходящ за втулки и лагерни повърхности. Изборът зависи от натоварването, теглото и околната среда.
Защо прецизността на лагерното легло е толкова важна?
Ако отворът е хлабав, лагерът може да се завърти на място. Ако е твърде стегнат, ролката се смачква. И в двата случая съединението губи енергия и се износва бързо. Диаметърът на отвора, кръглостта, коаксиалността и перпендикулярността защитават лагера. Ако ги направите правилно, съединението ще работи гладко в продължение на хиляди цикли.
Можете ли да отпечатате 3D корпус на екзоскелетна става?
Можете да отпечатате прототипи, но отпечатаните части не са толкова здрави, колкото кования метал. Моделирането чрез стопяване и отлагане (FDM) е чудесно за ранни проверки на пасването и хлабината. Адитивното производство на метали създава плътни метални части със сложни вътрешни канали. Тези части все още се нуждаят от машинна обработка след отпечатване за лагерни легла и канали за уплътнения.
Какви толеранси са необходими за скобите на сензорите?
Разположението на монтажните отвори, ориентацията на сензора, плоскостта на повърхността и повторяемостта трябва да бъдат строго контролирани. Термичната стабилност също е от значение, тъй като материалите се разширяват с различна скорост.
Как уплътненията и ретейнерите защитават ставата?
Уплътненията предпазват от прах, вода и мръсотия. Те също така задържат смазката вътре. Фиксаторите предотвратяват излизането на уплътненията и движението на лагерите. Материалите на уплътненията се избират въз основа на околната среда; металните пръстени издържат добре на вибрации и многократно сглобяване.
Какво е топологична оптимизация в проектирането на жилища?
Оптимизацията на топологията започва с плътен блок материал. Софтуерът премахва целия материал, който не носи напрежение. Резултатът е тънка, ефикасна форма, която изглежда естествено. Оребряването прави тънките стени по-твърди. Добрият модел на ребрата може значително да увеличи твърдостта на обвивката.
Защо алуминият 7075 се нуждае от покритие?
Алуминият 7075 съдържа мед, която предотвратява образуването на естествен оксиден слой. Без този слой, влагата може да причини корозионно напукване под напрежение. Пасивирано или анодизирано покритие запечатва повърхността. Запечатаните твърдо анодизирани повърхности могат да издържат над 2,000 часа изпитване в солен спрей без образуване на точковидни структури.
Кога е по-добре да изберете титан пред алуминий?
Титанът Ti‑6Al‑4V може да издържи на топлина и корозия, за разлика от алуминия. Той е и биосъвместим, което е важно за медицинските екзоскелети. Недостатъците са цената и трудността при обработка. За стави с критично тегло в тежки или медицински условия, титанът е подходящ там, където алуминият не е.
