创新机械设计-多功能可调角度床的设计【含CAD图纸、三维模型、说明书】
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含CAD图纸、三维模型、说明书
多功能可调角度床的设计
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I 摘 要 随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人民对生活质 量的要求越来越高，其中对于床的舒适度和多功用要求也越来越高。 多功能可调角度床是一种针对普通人群的自动化舒适性生活需要而 设计的，能随意调节床的背部和腿部的角度。它既可以通过控制器来实 现家庭生活的自动化，又可以使人民的生活更加舒适更加方便，从而提 高家居生活的质量。 课题设计一种用于普通家庭使用的多功能床，解决人身体和生理方 面的需要（抬背、曲退等）。该设计对多功能床的各项功能进行了方案 的选择、原理分析、零件尺寸计算及强度校核，使其能够实现预设功能 的正常运动。并采用三维数字化设计软件 Pro ENGINEER 对其进行建模 和装配，最后对其整体方案进行运动仿真。 关键词：多功能床 原理分析 零件尺寸计算 强度校核 Pro ENGINEER运 动仿真 II Abstract With the rapid development of social economy, people living standard rises ceaselessly, people on the quality of life of the increasingly high demand, the bed comfort and function requirements are also getting higher and higher. The multi-function adjustable angle bed is a need for automation comfortable life of the general population and design, is able to adjust the angle of the back and legs of the bed. It can be achieved through the controller automation of family life can make peoples lives more comfortable and more convenient, thereby improving the quality of home life. The task to design a multi-functional bed for ordinary house use, to solve the human body and physiological needs (lift back, bend knees and etc). The design on the various functions of the multi-functional bed with a choice of programs, principles of analysis, spare parts size calculation and strength check , and enable it to achieve the normal movement of the default function. And using of digital three-dimensional design software Pro ENGINEER for modeling and its assembly ，finally the overall program for motion simulation. Key words: the multi-functional bed principles of analysis spare parts size calculation strength check motion simulation by Pro ENGINEER III i 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 前 言1 第 1 章 绪论3 1.1 课题的目的和意义.3 1.2 国内外研究状况及发展趋势.3 1.2.1 多功能床的分类4 1.2.2 多功能床结构的发展6 1.3 本文的主要研究内容.7 1.4 本章小结.8 第 2 章 多功能床结构的整体方案9 2.1 多功能床的工作要求.9 2.1.1 多功能床的工作环境9 2.1.2 多功能床的位姿和控制要求9 2.2 多功能床总体方案构思.9 2.2.1 构思的提出9 2.2.2 相关要求与标准10 2.2.3 多功能床的组成11 2.3 本章小结.12 第 3 章 多功能床的方案选择和比较13 3.1 多功能床方案一.13 3.1.1 床板结构示意图13 3.1.2 坐起及曲腿方案14 3.2 多功能床方案二.15 3.2.1 床板结构示意图15 3.2.2 坐起及曲腿的方案.16 3.3 方案的对比和选择.17 3.4 本章小结.18 第 4 章 多功能床机构设计19 4.1 基本参数的设计.19 4.2 抬背机构.19 ii 4.2.1 抬背机构的结构和工作原理19 4.2.2 抬背机构的设计（图解法）20 4.2.3 抬背机构电动机的选择22 4.3 曲腿机构.23 4.3.1 曲腿机构的结构和工作原理23 4.3.2 曲腿机构的设计（图解法）25 4.3.3 曲腿机构电动机的选择28 4.4 本章小结.29 第 5 章 零件的设计和校核30 5.1 丝杠的设计与校核.30 5.1.1 抬背丝杠尺寸的设计30 5.1.2 抬背丝杠的强度校核30 5.1.3 曲腿丝杠的尺寸设计31 5.2 插杆轴的设计和校核.32 5.3 抬背机构中的零件的设计和校核.33 5.4 曲腿机构中零件设计与校核.35 5.5 本章小结.37 第 6 章 多功能床的 PRO ENGINEER 建模与仿真 .38 6.1 PRO/ENGINEER 建模.38 6.2 PRO/ENGINEER 仿真.42 6.3 本章小结.43 第 7 章 设计总结44 7.1 方案的评价与成本的估算.44 7.2 多功能床的主要优点.44 7.3 设计中存在的问题和改进建议.45 致谢46 参考文献47 附录：48 外文资料与中文翻译.48 1 前 言 随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人民对生活质 量的要求也越来越高，其中对于床的舒适度和多功用要求也越来越高。 所以对于多功能床的研究设计越来越多得到人们的关注和支持。 多功能床的使用现阶段多用于医疗护理方面，并且在医疗护理方面 有了一定的发展。多功能护理床一般根据其完成动作的多少和完成的效 果可分为以下几类：功能基本型护理床、功能普通型护理床和功能高级 型护理床。多功能护理床在国内的设计研究尚处于初级阶段，产品的功 能、结构、造型有待进一步的完善。国外护理床的研究以德国、日本为 代表，各种护理功能正在逐步完善，成熟。但因其价格昂贵（一般售价 在 20 万人民币以上） ，很难为一般的消费者所接受。 然而专门针对于普通家庭用户设计使用的多功能床并不是很多，本 文所设计的多功能床则是面对普通家庭，普通人群，所以在设计时应该 注重多功能床的实用性，舒适性，方便性和可靠性，同时应该注意控制 成本。本文所设计的多功能床通过简单的连杆机构来完成对人体的坐起， 曲腿等动作。它既可以通过控制装置来实现家庭生活的自动化，又可以 使人民的生活更加舒适更加方便，从而提高了家居生活的质量。 本课题所设计的是一种适用于普通家庭使用的多功能可调角度床， 用于解决人身体和生理方面的需要（抬背、曲退等）。该设计对多功能 床的各项功能进行了方案的选择、原理分析、零件尺寸计算及强度校核， 2 使其能够实现预设功能的正常运动。并使用三维数字化设计软件 Pro ENGINEER 对其进行零件的建模和整体装配，并完成对整体多功能床方案 进行运动仿真。 3 第 1 章 绪论 1.1 课题的目的和意义 多功能床是针对普通家庭成员满足其对生活质量和舒适度需要而设 计的，能通过控制电机的运转来随意调节床的背部和腿部的角度。即使 是生活不能自理的人，护理人员也可以通过床边的控制器进行操作，减 少照顾病、残患者的劳动强度。课题根据实际情况和现有的研究要求， 设计一种用于普通家庭使用的多功能床，解决人民的身体和生理方面的 需要（抬背、曲腿等），也提高了人民的生活质量。针对市场需求开发 一种结构简单、工作可靠、使用方便的多功能床并进行动态仿真，对于 产品的产业化具有重要的意义。 1.2 国内外研究状况及发展趋势 随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，人民对生活质 量的要求也越来越高，其中对于床的舒适度和多功用要求也越来越高。 所以对于多功能床的研究设计越来越多得到人们的关注和支持。 多功能床的使用现阶段多用于医疗护理方面，并且在医疗护理方面 有了一定的发展。随着社会经济的迅速发展，人民生活水平不断提高， 人口寿命不断延长，思想的进步，城市人口正逐步进入老龄化,人口老龄 化已成为世界范围内的社会问题。据统计，欧洲发达国家和日本的老年 4 人独居率已高达40%，如此之高的比例迫使社会采取措施解决老年人的护 理服务问题。如果完全依靠家庭人工照料，与西方国家子女与老年人分 居、家庭规模小型化的观念有抵触之处。我国60 岁及其以上老年人口已 达1.32 亿, 占全国总人口的10%, 并以年均3.32%的速度持续增长。其中 “空巢家庭”占所有老龄家庭总数的25.8%,在一些大城市中该比例更大， 解决因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照 料与看护问题是人口老龄化国家所面临的共同问题。为此, 国家也大力 加强了对护理机器人的研发扶持力度。为偏瘫病人或长期使用病床的病 人提供一个集护理和排泄等各功能于一体的多功能护理床。现在家庭需 求护理床的潜力日益增加,以前是简易的护理床,后来加上护栏,餐桌;再 后来加上大便孔,轮子;现在产生了很多集多功能为一体的多功能,电动护 理床,极大的提高了患者的康复护理水平,也为护理人员提供了极大的方 便,所以操作简单,功能强大的护理产品越来越受到追捧。 1.2.1 多功能床的分类 多功能床床在国内的设计研究尚处于初级阶段，产品的功能、结构、 造型有待进一步的完善。国外护理床的研究以德国、日本为代表，各种 护理功能正在逐步完善，成熟。但因其价格昂贵（一般售价在20 万人民 币以上） ，很难为一般的消费者所接受。护理床的基本分类情况如下： 5 图1-1 护理床分类状况 表1-1护理床分类概括 名称优点存在问题 功能基础型护理床1、结构、生产工艺简单， 易于制造。2、价格便宜。 1、功能比较简单，不能 实现使用者的护理要求。 2、手动为主，操作繁琐。 3、造型传统，舒适性差。 4、应用范围窄。 功能普通型护理床1、一般为电动，用户可 简单操作控制。2、能完 成基本的护理功能。3、 增添了辅助功能接口。 4、整体造型，色彩改进， 具有一定的亲和性。 1、市场售价偏高。2、功 能启动柔性差，衔接不连 贯。3、功能一体化造成 功能浪费。4、生产技术 含量低，容易被仿制。 5、文字，图像识别功能 差 功能高级型护理床1、护理功能完善。2、功 能调整定位准确，连贯性 好，基本无噪音。3、结 构设计合理，安全。4、 造型新颖，有较强的亲和 力。5、文字，标志容易 识别。 1、市场售价昂贵。造成 功能浪费严重，造成额外 的经济成本。2、整体可 拆性差，运输、组装繁琐。 3、对患者康复功能的考 虑较少。 6 从近年来的发展来看，国内的发展迅速，各种结构、功能等等各异 的护理床层出不穷。发展方向主要向机器人模块化的自动控制方向发展。 1.2.2 多功能床结构的发展 结构功能单一的护理床已经逐渐隐退。如今护理床床体本身的构件 要实现多种功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左侧翻、右侧翻、 、洁便门开 关装置及冲洗马桶和冲洗身体的装置,另外还有烘干和抽风的设备。各个 部分可以独立的运行来完成相应的动作,同时将单个功能组合起实现复杂 的功能。譬如病人躺在床上排泄问题的解决,改变靠背板的仰角或者左右 的侧翻以取得舒适的姿态,护理人员对洁便池的清洗等。 如今多功能床的各种类型： 7 图 1-2 多功能医用护理床的各种类型 多功能护理床实现的各种动作： 图 1-3 侧背 图 1-4 抬背和曲腿 8 1.3 本文的主要研究内容 鉴于普通人群对生活质量的要求、本身的生理条件以及国内外市场 的需求的不断扩大，本文提出一种适用于普通家庭且身体状况正常人群 的多功能可调角度床，提出几种多功能床的抬背机构以及曲腿机构，通 过控制多台直流电动机驱动整台多功能床工作。实现床面的多种姿势的 切换，达到满足各种功能要求的床。主要研究内容如下： (1)设计各种多功能床的运动机构，并用图解法的方法得到初始设计 尺寸。 (2)利用三维设计软件Pro ENGINEER，根据初始设计数据对其建模， 进行结构设计，并对其进行装配设计。 (3)利用Pro ENGINEER对整体机构进行运动仿真，用于检查模型中是 否存在干涉，机构是否能够完成预先设定的运动。 (4)对多功能床的主要零件进行受力校核，检验整台多功能床使用的 安全性及稳定性。 (5)绘制整台多功能床的装配图，主要的零件图和机构的运动简图。 1.4 本章小结 本章主要介绍了课题的目的和意义，目多功能床在国内外的发展趋 势和各类多功能床的比较，在多个方面表明了当今多功能床各个模块的 发展情况，最后根据研究分析确定了自己所需完成的设计内容。 9 第 2 章 多功能床结构的整体方案 2.1 多功能床的工作要求 2.1.1 多功能床的工作环境 多功能可调角度床的设计应用于家庭居室，室内温度变化不大无需 特别考虑，但是需要考虑到环境对噪声的限制，故设计时电机类型及型 号的选取应满足工作噪音低于 20 分贝，床体材料也需要得到考虑，并且 在床体上附加一些必要的减震降音材料，如橡胶垫片、弹簧垫圈等。 2.1.2 多功能床的位姿和控制要求 多功能床应该满足人们所需的各种必要的体位位姿，这些体位位姿 包括抬背、屈腿。为了方便人们看书、学习和工作等的要求，在设计时 考虑能使人在床上可以实现坐姿。同时多功能床还应该实现人的抬腿坐 姿体位，以减轻人由于盘腿坐起时的不舒适感。对多功能床的控制方式， 可以采用键盘按钮操纵，方便自己或他人对其进行控制。 10 2.2 多功能床总体方案构思 多功能床的总体构思包括机械结构设计、电机驱动以及总体位姿协 调等问题。 2.2.1 构思的提出 通过分析现有的多功能床设计，我们很容易发现，为了实现床面某 一个特定的体位姿态，传统的设计方法就会设计一套特定的机构与之对 应。当位姿数目越来越多时，所需机构数目也随之增加，同时空间体积 也随之膨胀。而床体的总体积是有一定限制的，即床体的长、宽、高尺 寸必须按照有关多功能床标准规定限制在某一个空间范围之内，才能够 既满足人民的舒适感的要求又满足空间限制要求。多机构协调的技术是 源于模仿人体的运动，人体的运动具有极大的柔性。受此启发将多功能 床的床面进一步加以细分，成为彼此之间相互独立的 4 个面板。如图 2-1 所示。图 2-1 中，床板 1 对应于人体的背部，床板 2 对应于人体的臀部， 床板 3 人体的腿部，床板 4 对应人体的脚部。通过各个床面板之间的协 调运动，采用单动或联动方式来实现多功能床所需的各种体位位姿。 11 图2-1 多功能床床板图 2.2.2 相关要求与标准 为了满足人们在使用多功能床时的舒适程度以及有效提高床的自动 化。多功能床结构在设计时应满足以下几个方面的要求: (1)能够实现多功能床所需的各种体位位姿要求。 (2)各个活动床面板的摆动角度范围应参照有关要求以及人体的舒适 感，各床面板摆动角度及标准如下： 背部床板摆动角度：070 臀部床板摆动角度：08 腿部床板相对水平面摆动角度：060 (3)多功能床床体的可靠性、稳定性和安全性要符合相关要求。 (4)床体的结构尺寸有一定的空间范围限制。 2.2.3 多功能床的组成 多功能床从结构和功能上分为：床框架、平面连杆机构、床板、控 制系统组成。 12 图 2-2 多功能床系统框图 床框架除了固定的机械机构以外，还包括各个电机安装模块。平面 连杆机构包括：抬背机构、抬臀机构、曲腿机构。床板由床板框架和床 板面板组成，整台多功能床中共有两台直流电机，分别完成头部升降、 腿部屈伸动作。本课题工作重点在平面连杆机构部分，包括机构结构的 设计，运动方案的设计，整个多功能床三维模型建立，整床的装配及运 动仿真。 2.3 本章小结 本章围绕多功能床的总体构思而展开，通过论述多功能床所处的工 作环境及位姿要求，指出了多功能床设计时所需的各项要求，以这些要 求为契机，提出了多功能床的总体方案的构思，包括整体设计的构思思 路，多功能床结构形式的初步探讨，多功能床的各个组成部分。 13 14 第 3 章 多功能床的方案选择和比较 3.1 多功能床方案一 3.1.1 床板结构示意图 图 3-1 方案一：床板结构示意图 床板分为 4 块，相互间用合叶铰接，如图 3-1 所示。工作时，坐起 时 1 板绕 Y1 轴向上翻转；抬臀时 2 板绕 Y2 轴向上翻转，同时带动 3 板 Y3 翻转；曲腿时 3 板绕 Y3 向下翻转，同时带动 4 板绕 Y3 翻转；垫脚板 4 通过各机构的联动配合作用使其放平用于垫脚。未工作时床板水平置 于床架上，和普通床一样。采用这种结构的床板，制造简易，且很轻松 的克服了各功能件的相互干扰，满足了各个功能协调动作的要求。 15 3.1.2 坐起及曲腿方案 图 3-2 方案一：坐起及曲腿原理图（平躺状态） 图 3-3 方案一：坐起及曲腿原理图（坐起及曲腿状态） 这部分的设计，采取坐起和曲腿的功能分别驱动的思想。如图分别 是床板平置和坐起及曲腿动作完成之后的状态。床板平置是，人躺在床 上和普通床一样。当需要坐起时，由图中左边的电动机驱动丝杠转动， 16 使得螺母副 7 向右运动，使得连杆 6 带动转臂 5 旋转，最后转臂驱动床 板 1 绕 G 点旋转，从而使人坐起；当需要曲腿时。同样左边的电动机驱 动丝杠转动，使得螺母副 8 向左运动，使得连杆 9 带动转臂 10 转动，转 臂驱动床板 2 绕 G 点向上转动，同时转臂 10 通过连杆 11 带动转臂 12 旋 转，转臂驱动床板 3 绕 H 点向下旋转；床板 3 的带动床板 4 向下运动， 当运动到脚步支撑时开始绕 I 点旋转，最后使得床板 4 处于水平状态。 其中电动机有两台，床的前后各一台，分别用于驱动坐起和曲腿两个运 动 此方案主要为丝杠螺母副机构和简单的连杆机构，优点是结构简单， 加工容易，成本低廉，传动精确；缺点是承受的轴向推力大，效率低， 摩擦严重。 3.2 多功能床方案二 3.2.1 床板结构示意图 17 图 3-4 方案二：床板结构示意图 床板分为 3 块， ，相互间用合叶铰接(如图)，坐起时床板 1 绕 Y1 轴 向上翻转；同时床板 3 绕 Y2 轴向下翻转，达到曲腿的目的。未工作时， 床板置于床架上，和普通床一样。 3.2.2 坐起及曲腿的方案 图 3-5 方案二：坐起及曲腿（平躺状态） 18 图 3-6 方案二：坐起及曲腿（坐起状态） 这部分的设计，采用坐起和曲腿的功能同时驱动的思路。如图分别 是床板平置和坐起及曲腿动作完成后的状态。床板平置时，人平躺在床 上和普通床一样，杆 4 、杆 5 和杆 6 组成的连杆机构处于死点状态，达 到足够的刚度和稳定性。当需要坐起时由图中电动机驱动蜗杆 1 转动， 蜗杆 1 再驱动蜗轮 2 转动，从而带动转臂运动，将床板 9 绕 C 点顶起， 与此同时和蜗轮同步的带轮 2带动小带轮 4 转动，4 带轮的旋转使得曲 柄连杆机构中曲柄 4转动。摆脱死点状态，摇杆 6 旋动，使得床板 7 在重力的作用下绕 D 点旋转，最后同时满足坐起和曲腿的功能。坐起和 曲腿动作如图 3-6 所示。 该方案采用蜗轮蜗杆带轮传动，其优点是传动平稳，冲击载荷 小，传动比大；缺点是效率低，磨损较为严重，且蜗轮蜗杆加工难度大， 制作成本高。带轮负载大时可以造成皮带打滑，并且其曲腿和坐起只能 同时满足，无法独立动作。 3.3 方案的对比和选择 表 3-1 多功能床方案的对比 实现的功能采用的机构实际情况加工工艺及成本 方案一 坐起丝杠螺母和 连杆机构 结构简单， 传动平稳， 效率低 加工容易，成本 低 19 曲腿丝杠螺母和 连杆机构 结构简单， 传动平稳， 效率低 加工容易，成本 低 坐起蜗轮蜗杆-带 轮组合传动 传动平稳， 传动比大， 效率低 加工困难，成本 高 方案二 曲腿蜗轮蜗杆-带 轮组合传动 传动平稳， 传动比大， 效率低 加工困难，成本 高 综合考虑各个功能的实现情况，制造的工艺以及加工成本，最终确 定采用方案一。 3.4 本章小结 本章制定了多功能床的不同方案，用于实现多功能床的不同功能， 并对实现各个功能的不同结构和状态进行分析和研究，对各个方案的优 缺点进行比较，最终确定最优方案。 20 第 4 章 多功能床机构设计 4.1 基本参数的设计 根据实际情况确定多功能床的基本参数： 床的长度：2090mm（背部床板 860mm，臀部床板 400mm，腿床板 445mm，脚部床板 295mm 及床板间间距 30mm） ； 床的宽度：860mm； 床的高度：650mm； 背部床板摆动角度：070； 臀部床板摆动角度：08； 腿板摆动角度：060。 4.2 抬背机构 抬背机构是多功能床的一个关键机构，其主要的功能是实现人体的 抬背及坐起功能。 4.2.1 抬背机构的结构和工作原理 多功能床的抬背机构由丝杠螺母机构、抬背连杆、抬背支杆、抬背 滚子、背板以及部分床架组成。丝杠螺母机构位于床架底部，螺母滑块 机构可以在丝杠上左右运动，与其铰接的是抬背连杆的一端，另一端铰 接于抬背支杆上，抬背支杆的一端铰接于床架上，另一端通过滚子与背 板连接，背部床板一端固定于床架上，使之充当机架作用。电动机的转 动通过联轴器带动丝杠旋转，从而使位于丝杠上的螺母滑块机构左右运 21 动，螺母滑块机构通过抬背连杆使得抬背支杆绕着与床架铰接点发生转 动，通过滚子的作用，使得背板绕着它与床架的铰接点为转轴发生转动。 简图如图 4-1 所示。 图 4-1 抬背机构 4.2.2 抬背机构的设计（图解法） 多功能床的抬背机构采用的是曲柄滑块机构的变形机构，丝杠螺母 机构为原动件对整体机构进行驱动。其中，背部床板的长度为 860mm， 翻转角度为 70。 图解法设计抬背机构，滚子的直径设定为 50mm，丝杠螺母的位置位 于床板下 400mm 处，背部支杆与床架的交接点在床板下 200mm，并且距 离背部床板右侧为 200mm 处。根据设计要求背板翻转角度为 70，在 AutoCAD 中用旋转命令确定床板运动后的位置，通过各杆件间的运动关 系和位置关系确定螺母滑块机构的运动行程为 281.82mm。初步设计完成 后的尺寸及各安装点位置图如图 4-2 所示。 22 （1）抬背机构的自由度计算： FppnF h )2(3 1 式中：n=5，p1=6，ph=1，F=1（F 为自由度，n 为构件数，p1为低副 数，ph为高副数，F为虚约束数） 。 11) 162(53)2(3 1 FppnF h 该机构的原动件数为 1（螺母滑块在丝杆上的的滑动） ，与自由度数 相同，所以该机构可以满足确定的运动。 图 4-2 抬背机构设计尺寸及安装点位置图 23 （2）抬背过程中各机构的运行数据 通过 AutoCAD 软件的旋转功能确定背部床板翻转过程中的每个位置、 各构件的转动角度以及螺母的行程。 表 4-1 抬背时各构件的运行数据 背部连杆旋转角度背部床板翻转角度螺母运动行程 5314.1mm 10316.01mm 15317.68mm 20419.03mm 25420.04mm 30420.68mm 35420.96mm 40420.91mm 45420.54mm 50419.89mm 55519.00mm 60517.89mm 65516.61mm 70615.17mm 4.2.3 抬背机构电动机的选择 （1）电动机的功率计算 取抬背所用总时间 t1=40s，背部床板的极限旋转角度 =70，抬 背支杆的旋转角度为 80，所以抬背支杆的角速度： srad t /0349 . 0 409 4 1 1 抬背支杆的速度： smrv/0161 . 0 460. 00349 . 0 11 取负载 T=1000N，则背部支杆传递的功率（忽略背部支杆的自重）： WTvP 1 . 160161 . 0 1000 11 24 电动机的需用功率（忽略轴的转动惯量及抬背支杆的自重）： 22 1 1 滚子轴承联轴器丝杠 许 P P 查表得，丝杠的传动效率，凸缘联轴器的传动效率4 . 0 丝杠 ，深沟球轴承的传动效率，滚子的传动效率98 . 0 联轴器 99 . 0 轴承 ，代入得99 . 0 滚子 W76.42 99 . 0 99 . 0 98 . 0 4 . 0 1 . 16 2222 1 1 滚子轴承联轴器丝杠 许 P P 电动机的实际功率 WPP312.512 . 176.422 . 1 11 许 查表，选用额定功率为 60W 的单相电容式减速电动机。 （2）电动机的转速计算 由图 4-2 所示，坐起时螺母滑块的行程距离为 L1=281.82mm。设定丝 杠的螺纹间距 P=6mm，由此可以得到电动机的最低转速为 min/46.7060 640 82.281 60 1 1 1 r Pt L n 所以，电动机的转速选用 75r/min。 4.3 曲腿机构 曲腿机构是多功能床的一个关键机构，其主要的功能是实现臀部床 板的向上翻转以及腿部床板的向下弯曲。在向下弯曲的时候，脚部床板 跟随腿部床板向下运动，当脚部床板与脚部支撑板相接触时，脚部床板 绕图 3-1 所示 Y3 轴向上翻转，最后停止时处于水平位置。 4.3.1 曲腿机构的结构和工作原理 多功能床的曲腿机构由 2、3 丝杠螺母机构、4 曲腿连杆、5 臀部支 25 杆、6 连杆、7 腿部支杆、8 滚子、9 臀部床板、10 腿部床板、11 脚部床 板、12 脚部支撑板以及部分床架组成。丝杠螺母机构位于床架底部，螺 母滑块机构可以在丝杠上左右运动，与其铰接的是曲腿连杆的一端，另 一端铰接于臀部支杆上，臀部支杆的一端铰接于床架上，另一端通过滚 子与背板连接，背部床板一端固定于床架上，使之充当机架作用，连杆 的两端分别于臀部支杆和腿部支杆相铰接，从而使得臀部支杆的摆动通 过连杆带动腿部支杆的摆动，腿部支杆一端铰接与床架上，另一端通过 滚子于腿部床板相接处。电动机的转动通过联轴器带动丝杠旋转，从而 使位于丝杠上的螺母滑块机构左右运动，螺母滑块机构通过曲腿连杆使 得背部支杆绕着床架上的交接点发生转动，通过滚子的作用，使得臀部 床板绕着它与床架的铰接点为旋转轴向上翻转；臀部支杆通过连杆带动 脚部支杆绕着床架的铰接点发生转动，通过滚子的作用，使腿部床板绕 着它与臀部床板的铰接点的旋转轴向下翻转。简图如图 4-3 所示。 图 4-3 曲腿机构 1电动机；2丝杠；3螺母滑块；4曲腿连杆；5臀部支杆；6连杆； 7腿部支杆；8滚子；9臀部床板；10腿部床板；11脚部床板；12脚部 支撑板 26 4.3.2 曲腿机构的设计（图解法） 多功能床的曲腿机构采用的是曲柄滑块和四连杆的组合机构，丝杠 螺母机构作为原动件对整个机构进行驱动。其中，臀部床板的长度为 400mm，向上翻转角度为 8，腿部床板的长度为 445mm，向下翻转的角 度为 60，脚部床板的长度为 295mm。 图解法设计曲腿机构：滚子的直径设定为 50mm；丝杠螺母的位置位 于床板下 400mm 处：臀部支杆与床架的交接点在床板下 200mm，并且距 离臀部床板左侧为 200mm 处；腿部支杆与床架的铰接点在床板下 200mm，并且距离腿部床板左侧为 21.29mm 处。根据设计要求，为了提高 人体曲腿时的舒适度，臀部床板向上翻转角度为 8，腿部床板相对水 平位置向下翻转 60，而脚部床板通过脚部支撑板的作用需向上翻转 120，最后处于水平位置。在 AutoCAD 中用旋转命令确定各个床板运动 后的位置，通过各杆件间的运动关系和位置关系确定螺母滑块机构的运 动行程为 141.08mm。初步设计完成后的尺寸及各安装点位置图如图 4-4 所示。 图 4-4 抬背机构设计尺寸及安装点位置图 （1）曲腿机构的自由度计算： 27 FppnF h )2(3 1 式中：n=9，p1=11，ph=2，F=2（F 为自由度，n 为构件数，p1为低 副数，ph为高副数，F为虚约束数） 。 12)2112(93)2(3 1 FppnF h 该机构的原动件数为 1（螺母滑块在丝杆上的的滑动） ，与自由度数 相同，所以该机构可以满足确定的运动。 （2）曲腿机构的拆分 如将机构的机架及与机架相连的原动件从机构中拆分出来，则由其 余构件构成的构件组必然是一个自由度为零的构件组。把最后不能再拆 分的最简单的自由度为零的构件组称为基本杆组或阿苏尔杆组，简称杆 组。根据上面的分析可知，任何机构都可以看作是由若干基本杆组依次 连接于原动件和机架上而构成的。 对曲腿机构简图（如图 4-5 所示）进行基本杆组的拆分。 图 4-5 曲腿机构简图 对该机构进行高副低代，并进行基本杆组的拆分。由图 4-6 曲腿机 构高副低代简图和图 4-7 机构分拆图所示，最简单的基本杆组是由 2 个 构件和 3 个低副构成的，所以该机构称为级杆组。 28 图 4-6 曲腿机构高副低代简图 图 4-7 机构分拆图 （3）曲腿机构运行过程中各构件的数据 通过 AutoCAD 软件的旋转功能确定各个床板翻转过程中的每个位置、 各构件的转动角度以及螺母的行程。 29 表 4-2 曲腿过程中各构件的运行数据 臀部支杆旋转 角度 臀部床板翻转 角度 腿部支杆旋转 角度 腿部床板翻转 角度 脚部床板翻转 角度螺母运动行程 5252014.1mm 10153016.1mm 15155017.68mm 20157019.03mm 25159020.04mm 3015111120.68mm 350.75144220.96mm 380.3396712.57mm 4.3.3 曲腿机构电动机的选择 （1）电动机的功率计算 取曲腿所用总时间 t2=15s，臀部床板的极限旋转角度 =8，臀部 支杆的旋转角度为 38，所以曲腿支杆的角速度： srad t /0442 . 0 1590 19 2 2 曲腿支杆的速度： smrv/0099. 02248. 00442 . 0 22 取负载 T=1000N，则曲腿支杆传递的功率（忽略背部支杆的自重）： WTvP9 . 90099 . 0 1000 22 电动机的需用功率（忽略轴的转动惯量及抬背支杆的自重）： 22 1 1 滚子轴承联轴器丝杠 许 P P 查表得，丝杠的传动效率，凸缘联轴器的传动效率4 . 0 丝杠 ，深沟球轴承的传动效率，滚子的传动效率98 . 0 联轴器 99 . 0 轴承 ，代入得99 . 0 滚子 W29.26 99 . 0 99. 098 . 0 4 . 0 9 . 9 2222 2 2 滚子轴承联轴器丝杠 许 P P 30 电动机的实际功率 WPP55.312 . 129.262 . 1 22 许 查表，选用额定功率为 40W 的单相电容式减速电动机。 （2）电动机的转速计算 由图 4-4 所示，曲腿时螺母滑块的行程距离为 L2=141.08mm。设定丝 杠的螺纹间距 P=6mm，由此可以得到电动机的最低转速为 min/05.9460 615 08.141 60 2 2 2 r Pt L n 所以，电动机的转速选用 100r/min。 4.4 本章小结 本章对抬背机构和曲腿机构进行了基本尺寸的设计，并对其进行了 自由度计算，确认所设计的机构满足自由度的要求。在设计过程中，对 机构运行中的每个位置进行了计算，确定各个机构在运行中的运行状态 和运行位置。最后选出与本机构相适应的电动机。 31 第 5 章 零件的设计和校核 5.1 丝杠的设计与校核 因为在使人体坐起的支背丝杠与使人体曲腿的曲腿丝杠二者中，支 背丝杠受力最大，故只需对该丝杠进行校核即可。 5.1.1 抬背丝杠尺寸的设计 为了保证丝杠具有足够的强度用于完成机构的运动，查表 1-3 梯形 螺纹基本尺寸得，确定丝杠直径选定为 d=38mm，螺距 P=6mm 的梯形螺纹； 由于丝杠承受较大的轴向载荷，故选用角接触球轴承，查表 15-5 角接触 轴承确定轴承的型号的 7005C；联轴器选用凸缘联轴器，查表 14-43 凸 缘联轴器确定其型号为 YLD4。为使人体完成整个抬背动作，螺母滑块机 构在丝杠上的行程为 281.82mm。 由以上零件的基本尺寸，初步确定丝杠的长度 L1=526mm，螺纹长度 选 370mm，材料选用 45 钢。 5.1.2 抬背丝杠的强度校核 （1）丝杠的传动校核 假设多功能床的负载为 T=1000N，丝杠的轴向最大为 1000N，根据丝 杠螺母副的传动设计计算公式 （李国军，王成金.多功能病床）2/3 2 )tan( 2 m V Qfd dQ T 式中，Q轴向载荷 1000N； 螺纹伸角，当量摩擦角； 5 5 V d2螺纹中径，查表得 d2=33mm； dm支撑面平均直径，dm=d2=33mm； f摩擦系数，取 f=0.1 32 mN QfddQ T mV 6 . 4 2 033 . 0 1 . 01000 2 033 . 0 )55tan(1000 22 )tan( 2 由此得出螺纹最小扭曲为 4.6Nm 时即可将 1000N 负载支起。 电动机提供给丝杠的转矩为 mNmN n P T6 . 464 . 7 75 60 55 . 9 55 . 9 1 1 故符合要求。 （2）丝杠强度校核 (机械设计 5.49) 22 )(3)( T ca W T A F 式中，F 轴向压力；N d T F V 08.1581 2 )tan( 2 A 为螺纹段的危险截面，（d1为螺纹小径） ； 2 1 4 dA WT为丝杠螺纹抗扭截面系数，； 3 1 16 dWT T 为丝杠所受扭矩，T=4.6Nm。 经计算得，前面已选定 45 钢，经查表等，Mpa ca 44 Mpa55 1 因此，故安全。 1 ca 5.1.3 曲腿丝杠的尺寸设计 为了保证丝杠具有足够的强度用于完成机构的运动，查表 1-3 梯形 螺纹基本尺寸得，确定丝杠直径选定为 d=26mm，螺距 P=6mm 的梯形螺纹； 由于丝杠承受较大的轴向载荷，故选用轴承时，应选择可以承受轴向力 的角接触球轴承，查表 15-5 角接触轴承确定轴承的型号的 7005C；联轴 33 器选用凸缘联轴器，查表 14-43 凸缘联轴器确定其型号为 YLD4。为了使 人体完成整个曲腿动作，螺母滑块机构在丝杠上的行程为 141.08mm。 由以上零件的基本尺寸，初步确定丝杠的长度 L2=336mm，螺纹长度 选 180mm，材料选用 45 钢。 5.2 插杆轴的设计和校核 （1）插杆轴的设计 初步确定插杆轴的材料 根据床板之间的运动情况和床板之间的空间要求，初步确定插杆轴 的长度为 890mm。 根据实际经验以及查找相关资料确定插杆轴为直径为 d1=10mm 的 45 号钢质材料。 插杆轴的强度校核 由于多功能床在刚开始运动时受到的力最大，所以在计算时应该选 择这一时刻进行插杆轴的强度校核。设床板受到的最大的载荷为 1000N，插杆轴的受力分析图如 5-1 所示。 图 5-1 插杆轴的受力分析图 34 23tan 22 221 21 21 yx y yy xx FF LFLF FFF FF 载荷 载荷 其中，F载荷=1000N，L1=875mm，L2=630mm。 计算得： NF NF NF NFFF NF NF y x yx y x 2 .875000 875000 60.589 36.706 389 60.589 2 2 2 2 1 2 11 1 1 插杆轴的最大拉应力为 （机械设计 5-35）MPa d F 994. 8 4 1 1 max 查表得，插杆轴的许用应力,因为，所以该MPa250 max 机构安全。 5.3 抬背机构中的零件的设计和校核 （1）抬背连杆的设计 初步确定抬背连杆材料 根据传动角度范围及整个机构的空间要求，初步确定抬背连杆的长 度为 400mm。 根据实际经验及查找相关资料确定连杆为宽为 30mm 厚为 20mm 的矩 形钢材，调制处理。 抬背连杆强度校核 由于抬背连杆在抬背机构刚开始运动时受力最大，如图 5-2 所示， 35 所以在计算时应选择这一时刻进行计算。 图 5-2 抬背连杆受力图 抬背连杆的强度计算： Mpa W M Z ca 6 . 3 max 式中，抬背连杆所受弯矩最大为2000 6 2030 6 22 bh WZ 。材料的需用应力。mmN T M/7219 61cos 3500 cos max Mpa75 因为，故安全。 ca (2)抬背支杆的设计 初步确定抬背支杆材料 根据抬背支杆支点的位置及床整体结构，确定抬背支杆的尺寸如图 5-3 所示。材料的机构为冷弯矩形空心型钢，宽度 B=30mm，壁厚为 5mm。 36 图 5-3 抬背支杆 抬背支杆强度校核 由于抬背支杆在抬背机构刚开始运动时受力最大，如图 5-1 所示， 所以在计算时应选择这一时刻进行计算。 抬背连杆的强度计算： Mpa W M Z ca 7 . 66 max 式中，抬背连杆所受弯矩最大为4500 6 2 bh WZ 。材料的需用应力。mmN T M/300000 cos max Mpa75 因为，故安全。 ca 5.4 曲腿机构中零件设计与校核 （1）曲腿连杆的设计 初步确定曲腿连杆的尺寸和材料 根据传动角度范围及整个机构的空间要求，初步确定曲腿连杆的长 37 度为 400mm，连杆的长度为 245mm。 根据实际经验及查找相关资料确定曲腿连杆与连杆为宽为 30mm 厚为 20mm 的矩形钢材，调制处理。 曲腿连杆强度校核 因本机构中连杆与抬背机构中的连杆相同，但受力较前者小，故无 需强度校核。 （2）臀部支杆的设计 初步确定抬背支杆材料 根据臀部支杆支点的位置及床整体结构，确定臀部支杆的尺寸如图 5-3 所示。材料的机构为冷弯矩形空心型钢，宽度 B=30mm，壁厚为 5mm。 臀部连杆的强度校核 因本机构中臀部支杆所受的弯矩较坐起机构中小得多，故也无需强 度校核。 图 5-4 臀部支杆 （3）腿部支杆的设计 初步确定腿背支杆材料 38 根据腿部支杆支点的位置及床整体结构，确定腿部支杆的尺寸如图 5-3 所示。材料的机构为冷弯矩形空心型钢，宽度 B=30mm，壁厚为 5mm。 腿部支杆强度校核 因本机构中臀部支杆所受的弯矩较坐起机构中小得多，故也无需强 度校核。 图 5-5 腿部支杆 5.5 本章小结 本章主要针对多功能床的抬背机构和曲腿机构的各个零部件进行设 计和强度校核，确保机构中的各个零件在完成设定运动的过程中具有足 够的强度。 39 第 6 章 多功能床的 Pro ENGINEER 建模与仿真 Pro/ENGINEER 是美国技术参数公司（简称 PTC）的产品。PTC 公 司推出的单一数据库、参数化、基于特征以及全相关的概念改变了机械 CAD/CAE/CAM 的传统概念，这种全新的概念已经成为了当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的主要标准。Pro/ENGNEER 能将设计至生产的全 过程集成到一起，使所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作， 即实现并行工程。 本设计所使用的是 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版。 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版软件与之前的版本相比，该软件增加 了很多的新功能，如草图的绘制、自动倒角、快速装配、快速钣金以及 快速 CAM 等，可以帮助用户更快、更轻松的完成设计工作。 通过图解的方法得到多功能床的初始数据，这些都是多功能床进行 建模的基础，根据上述初始设计的数据，通过 Pro/ENGINEER 软件对其 进行建模、装配，并对多功能床进行整体机构的运动仿真。 6.1 Pro/ENGINEER 建模 用 Pro/ENGINEER 对多功能床的各部分零部件进行建模零，主要零 部件的建模图如下 6-1 所示。 40 a 抬背连杆 b 抬背丝杠 41 c 抬背支杆 d 臀部支杆 e 曲腿支杆 42 f 床架 g 多功能床的装配图 43 h 多功能床坐起图 图 6-1 Pro/ENGINEER 模型 6.2 Pro/ENGINEER 仿真 在 Pro/E 4.0 中，可以进行机构的运动仿真设置，并能将其结果输入 到 Pro/MECHANICA 模块中，以便进一步进行力学分析，也可以将机构 带入“设计动画”中创造一个动画序列。设计人员可以模拟机构的运动 仿真，观察设计是否可行！ 运动仿真是产生制造钎的一种检查过程和方法。为了达到高效和有 力的生产，所以运动仿真是设计制造前的重要操作环节。 对多功能床进行的运动仿真之前，要对其进行零部件的装配，装配 过程中对运动配合部分施加合适的约束，如丝杆与螺母滑块之间使用滑 块约束，背部支杆与床架上的铰链使用销钉约束等。约束完成后，进入 44 Pro/E 的仿真页面，对各个部分的运动约束添加电机，并设置合适的运动 速度，接着对该多功能床机械机构分析，设置各个运动机构的先后顺序 和运动时间，完成后点击确定，并运行查看多功能床的运动仿真。多功 能床的运动仿真见附件。 6.3 本章小结 本章总结和整理上文多功能床的设计数据，应用三维机械设计软件 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 对多功能床的各个零部件进行建模、装配， 并进行
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