（机械制造及其自动化专业论文）多功能牵引按摩机的数字化制造.pdf

多功能牵引按摩机的数字化制造 摘要 本文在数字化制造理论的指导下，依据椎间盘突出症的治疗机理，引入 三维整复的理念，以p r o e n g i n e e r 等系列软件做平台，采用计算机仿真建模、 有限元分析、参数化设计等先进制造技术，研究开发出一种可在手动和自动 驱动下，按摩头角度前后、左右可调，预压力自动显示，按摩力稳定持久的 空间多方位多功能立体按摩机。按摩机的成功研制填补了国内这一领域的技 术空白。 在系统总体方案确定后，建立了系统机械部分的三维模型，如预压、按 摩、转位等机构，运用p r o e n g i n e e r 软件的仿真模块和a y a s i s 软件对三维 模型进行了运动干涉检查以及力学分析，以使系统达到最优的设计目标；然 后利用p r o f r o o l k i t 二次开发工具对按摩机的重要部件进行了参数化设计，这 对实现产品的系列化和柔性化具有重要的意义；最后采用高级语言v c 开发 出系统的应用软件，设计出具有友好人机交互界面的微机控制系统，完全实 现了对预压、整复力等机构位置的过程控制。 整个设计过程建立在数字化制造理论基础和关键技术平台上。运用数字 化定量、表述、存储、处理和控制的方法，支持产品全生命周期的优化运作； 建立不同层面系统的数字化模型，并进行仿真：实时地、并行地模拟出产品 未来制造全过程及其对产品设计的影响；分析研究产品的装配性、可制造性、 运动特性及力学特性，从而更有效、更经济地、柔性灵活地组织生产。因此 应用数字化制造技术设计数字样机，可以大大减少反复试制物理样机所造成 的人力、物力的浪费，降低产品开发费用和成本，简化机械产品的设计开发 周期，提高产品的质量与性能，缩短市场响应时间，设计出最优和创新的产 品，获得产品开发的一次成功。 今天，健康问题愈来愈受到人们普遍关注，研制出具有高自动化水平的 椎间盘治疗设嵛，f i 仅能满足巨大的市场需求，更能推进我国数字医疗器械 的快速发展，具有良好的市场开发和应用前景。 关键词：数字化制造，按摩机，椎间盘，运动仿真，有限元分析，参数化设 计，微机控制 d i g i n a lm 【a n u f a c t u i u n go ft h e m u 珊f u c t i o n a lt r a c t i o n 工a s s a g i n ga p p ij a n c e am u l t i f u n c t i o n a la n dt h r e e d i m e n s i o n a lm a s s a g ea p p l i a n c ei se x c o g i t a t e d a n dd e v e l o p e d ，a c c o r d i n gt ot r e a t i n gm e c h a n i s ma b o u tt h eh e r n i a t e dd i s ka n d u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h et h e o r yo fd i g i t a lm a n u f a c t u r i n gi n t h i sp a p e r i ti s s t u d i e db ys o f t w a r eo fp r o e n g i n e e ra n dd i g i t a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f s i m u l a t i o n ，m o d e l i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dp a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g n i tc a n b e o p e r a t e da u t o m a t i c a l l y o r b y h a n da n di t s m a s s a g i n g h e a dc a nt u r n f r o n t t o a f t e ra n dr i g h t t o - l e f t t h em a s s a g ep r e s s u r ei tp r o v i d e si sd u r a b l ea n d c a nb es h o w e da u t o m a t i c a l l y a f t e rt h eo v e r a l lp l a nw a sf i n a l i z e di nt h es y s t e m ，w ef i r s te s t a b l i s h e d t h r e e d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a lp a r tm o d e l so ft h es y s t e m ，s u c ha sm a c h i n e so f p r e s s u r e ，m a s s a g ea n dl o c o m o t i o n i no r d e rt oa c h i e v eo p t i m a lo b j e c t i v e so f s y s t e md e s i g n ，w ea l s om a d em o t i o ni n t e r v e n i n ge x a m i n a t i o na n da n a l y s i so ft h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sb ys o f t w a r eo fp r o e n g i n e e ra n da n s i s t h e nw eu s e p r o t o o l k i tt op a r a m e t r i c a l l yd e s i g nt h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h em a s s a g e a p p l i a n c e t h i s h a sg r e a t s i g n i f i c a n c e f o r t h ep r o d u c t ss e r i a l i z a t i o na n d f l e x i b i l i t y f i n a l l yas e n i o rl a n g u a g ev c i sa p p l i e dt od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e m w i t hf r i e n d l yi n t e r f a c eb e t w e e nu s e ra n dc o m p u t e r t h i sf u l l yr e a l i z e st h ep r e c i s e a n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h e d e s i g np r o c e s s b a s e so nt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no n d i g i t a l m a n u f a c t u r i n ga n dt h ep l a t f o r mo fp i v o t a lt e c h n o l o g y d i g i t a l m a n u f a c t u r in g t e c h n o l o g yu s ed i g i t a lq u a n t i t a t i v e ，e x p r e s s i o n ，s t o r a g e ，p r o c e s s i n ga n dc o n t r o l m e t h o d st os u p p o r to p t i m i z a t i o no p e r a t i o nt h r o u g h o u tt h ep r o d u c tl i f e ，e s t a b l i s h d i f f e r e n tm o d e l sa n dm a k es i m u l a t i o no ft h et o t a l l yd i g i t a ls y s t e m ，s i m u l a t e st h e p r o d u c t sa n di t si m p a c t t h r o u g h o u tt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s i nt h ef u t ur e i l ! j j a n a l y z e t h e a s s e m b l y o f p r o d u c t s ，c h a r a c t e r i s t i c s a n dm o t i v a t i o ni d e n t i t y c a m p a i g n t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a l m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y t o d e s i g nt h ed i g i t a lp r o t o t y p ec o u l ds i g n i f i c a n t l yr e d u c er e p e a t e dt e s t i n go f h u m a n a n dm a t e r i a lw a s t e ，l o w e rp r o d u c td e v e l o p m e n tc o s t s ，s i m p l i f ym e c h a n i c a l p r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y a n dp e r f o r m a n c e ，s h o r t e n t i m ew h i c hr e s p o n s et ot h em a r k e t ，d e v i s es o l u t i o n sa n di n n o v a t i v ep r o d u c t s ， g a i nas u c c e s si no n e t i m e t o d a y , h e a l t hi si n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a dc o n c e r n d e v e l o p e dah i g hl e v e lo f a u t o m a t i o ne q u i p m e n tt ot r e a td i s e a s e ，i sn o to n l yt om e e tt h ee n o r m o u sm a r k e t d e m a n d ，b u ta l s ot op r o m o t et h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ed i g i t a lm e d i c a l e q u i p m e n t i t sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nh a sag o o dm a r k e tp r o s p e c t k e yw o r d s ：d i g i t a lm a n u f a c t u r i n g ，m a s s a g ea p p l i a n c e ，h e r n i a t e dd i s k ，m o t i o n s i m u l a t i o n ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ，p a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g n ，c o m p u t e r c o n t r o l l i n g 多功能牵引按摩机的数字化制造 1 绪论 1 1 研究背景与意义 在沉重的社会压力和工作压力下，椎间盘突出症作为常见病和多发病愈来愈严重。 尤其近几年来，其症候群渐渐集中于2 0 4 0 岁的青壮年。这一严峻问题已引起了社会 的广泛关注。由于目前该病手术疗法的高度危险性，所以一般采用牵引按摩来治疗。导 致市场越来越多治疗该病的设备应运而生。如全自动颈腰椎牵引机、三维牵引床、自动 牵引推拿机以及从国外引进的三维运动牵引床等。该类仪器在临床上都有一定的应用。 但是，这些牵引床不仅器械结构复杂、成本高、治疗效果不稳定，而且牵引与按摩分离， 多数器械只有牵引功能，有的虽具有按摩功能也只能实现垂直上下按摩，而有的牵引后 直接采用人工手法按摩。不具备空间多角度、多方位、立体按摩的功能。经过多方调研， 牵引与按摩集成一体的按摩器械尚未问世，尤其是能实现空间多角度、多方位、立体按 摩的器械有待于进一步研发。因此，在健康问题愈来愈受到人们普遍关注的今天，研制 出具有高自动化水平的椎间盘治疗设备，不仅能满足巨大的市场需求，更能推进我国数 字医疗器械快速的发展，具有良好的市场应用前景l l i 。多功能牵引按摩机的数字化制造 的课题正是顺应目前的形势而提出的，该产品的研究已被列为陕西科技大学自然科学基 金项目。本课题2 0 0 5 年1 月获国家实用新型专利，专利号：z l 2 0 0 3 2 0 1 0 9 9 1 0 0 。 数字化设计制造是在计算机技术与设计制造技术的不断融合、发展和广泛应用的基 础上诞生的，已成为推动2 1 世纪制造业向j j 发展的主流。它用数字化定量、表述、存 储、处理和控制的方法，支持产品全生命周期的优化运作，处理大量常规工程数据、大 量图形信息和经验知识，建立不同层面系统的数字化模型，并进行仿真。从部分量化和 部分经验化、定性化逐步转向全面数字定量化。因此应用数字化制造技术，设计数字样 机，可以大大简化机械产品的设计开发周期，大量减少产品开发费用和成本，并能提高 产品质量与性能，获得最优和创新的设计产品m 。 1 2 国内外技术现状分析 1 2 1 椎间盘突出症 a 腰椎病 腰椎间盘突出症主要是因为腰椎间盘并部分，特别是髓核有不同程度的退变后，在 外界因素的作用下，纤维环破裂，髓核组织从破裂处向外突出，压迫脊神经根、脊髓等， 产生腰部疼痛，一侧下肢或双侧下肢麻木、疼痛等一系列症状1 3 i 。 产生腰椎问盘的外界因素有多种，主要也拓：由于腰部急速运动而扭伤引起的气 滞血於；由于元气不足、肝肾亏虚引起的身体虚弱：因寒湿侵袭或身体虚弱又复感 陕西科技人学硕士学位论文 风寒而引起的腰部持续疼痛。 由于腰椎i 自j 盘突出病因的多样性，导致了其突出形式的多样性。 ( 1 ) 按发病的程度可分为：膨出。髓核未突破纤维环，纤维环整体移位后压迫相 邻组织，该型病情最轻，易于恢复。突出。髓核突破纤维环而未进入椎管内，刺激、 压迫周围组织，此型最常见，一般采用保守治疗可以恢复。脱出。突出的髓核进入椎 管内，此型很少见，但保守治疗较困难，宜尽早手术治疗。 ( 2 ) 按突出部位与神经根硬膜囊的位置关系，可分为：外侧后型。腰椎问盘突出 部位近于椎间孔或侧隐窝的位置，典型症状是腰痛伴下肢窜痛。侧后型。突出靠近后 纵韧带，典型症状：一般先出现下肢窜痛，腰痛不明显，腰椎侧弯也不多见。中央型。 椎问盘突出位于椎管中央，典型症状：纤维环未完全破裂者出现行走困难，二便异常； 纤维环完全破裂者则出现腰腿疼痛难忍，彻夜难眠。膨出型。腰椎间盘比正常膨大， 此型症状多不典型，腰痛为主要症状。混合型。此型是以上类型中的两种或两种以上 同时存在，一般症状比较复杂，病程长h i 。 b 颈椎病 颈椎病是由于颈椎间盘退行性变、颈椎骨质增生所引起的一系列临床症状的综合 症。颈椎介于频繁活动、重量较大的头颅与缺少活动而比较稳定的胸椎之间，其活动度 很大，负重也多，在解剖上又相对比较薄弱，四周缺乏其他骨骼进行保护，易受外力直 接打击，尤其是f 颈椎及其周围软组织容易发生劳损性病变。颈椎病发病的机理与腰椎 病大致相同，都源于髓核的病变，治疗也多采用牵引按摩的办。 颈椎的致病原因主要有以下几种：劳损。长期使头颈部处于单一姿势，如长时间 低头工作，易发7 e 颈椎病。头颈部外伤。5 0 髓型颈椎病! l 预部外伤有关。一些病人 因颈椎骨质增，l 、颈椎问盘膨出、椎管内软组织病变等使颈椎镑处于狭窄临界状态中。 不良姿势。如躺在床上看电视、看书、高枕、坐位睡觉等：m 车上睡觉，睡着时肌肉 保护作用差，刹乍时易出现颈部损伤。慢性感染。主要是口帷炎，其次为龋齿、牙周 炎、中耳炎等。这些部位的炎症刺激颈部软组织或通过淋巴系统。| 起颈枕部软组织病变。 风寒湿因素。外界环境的风寒湿因素可以降低机体对疼痛的附受力，可使肌肉痉挛、 小血管收缩、淋巴回流减慢、软组织血循环障碍，继之产生无菌性炎症。因此，风寒湿 因素不仅是诱因，也可作为病因引起病变产生症状m i 。 综合上述稍理，可总结出椎间盘突出症的主要矛盾在于定计：物对神经根的压迫关 系，l ! 要解决j 7 时神经根的压迫，也就基本治愈了椎问盘突川l l i i 。其中最为常见并被 广大忠抒所接一乏的方法是采用牵引和整复相结合的疗法。该江化治疗时，先由牵引床 牵j r 训j 隙， 7 ：推问盘突出部位按椎问盘突出的万向施加 i1 7 奏的振动力，使脱出 的骨 核还纳，从l 而达到治疗的目的。 ， 多功能牵引按摩机的数字化制造 1 2 2 椎问盘突出治疗机的发展现状 目前国内临床应用的牵引按摩医疗设备很多，主要包括家用保健型和医用治疗型。 而医用器械又根据所实现的动作和功能分为单功能型和多功能型等m i 。主要类型的特 点为：( 1 ) 一般家用型，多为外型各异的按摩椅，该类产品利用机械振动、空间磁场等 手段，操作者通过简单的按钮来控制。( 2 ) 单功能按摩器械可提供更符合治疗要求的牵 引、按摩力，多用于腰、颈椎病的中早期治疗，医务人员须根据患者的具体情况进行 操作。此器械功能单一，价格便宜，在小型医院、诊所较为常见。( 3 ) 多功能按摩器械 是随着人们对腰、颈椎病发病机理研究的不断深入及现代科学技术的不断进步，治疗 器械逐渐向着多功能、自动化方向发展的产物。由数字化电路控制。该产品体积小， 重量轻，操作方便。但由于其提供的牵引力度不大，使用范围有限。( 4 ) 目前国内使用 最广的多功能器械是三维多功能牵引床。该器械微机控制，通过程序控制牵引，反馈 补偿和紧急制动等动作1 1 1 。图( 1 - 1 ) 一( 1 - 4 ) 为市场上常见的多功能三维牵引床。 图1 - 1 为电脑液压三维正脊床。电脑液压三维正脊床是一种快速的牵引设备，它 是按照人体生物学原理和中西医推拿正骨原理，吸取中医正骨手法之精华，具有成角 ( 臀腿板与水平面形成一定的角度) ，转角( 臀腿板沿床面纵轴形成一定的摆动角度) ， 快速牵引的功能，1 秒钟完成牵引动作。并且由计算机控制，实现联合动作，模仿三维 正骨手法，完成平面、成角、旋转三个方向的瞬间立体牵引，故能纠正病变椎体三维 方向的病理改变，从而改善生理曲度，纠正椎间盘及椎周软组织的应力变化，使其达 到新的动态：f 衡。图1 2 为颈腰椎多功能牵引床。电动时高低可调节。该床具有横、 纵二维牵引和三维牵引功能；颈椎采用双模式牵引，腰椎采用三维模式牵引；可实现 舒适的体位i 固定，使患者在腰椎牵引时感觉更舒适：可用于移动三折训练；呼吸孑l 结 构有利于俯卧位牵引及按摩，床身为上下可调节的四截床体，可随时改变牵引体位。 图i 一1 电脑液压三维正脊床图1 - 2 颈腰椎多功能牵引床 f i g i l3 dr e c t i f y i n gv e r t e b r a b e dc o n t r o l l e df i g 1 2 m u l t i f u n c t i o n a l t r a c t i o nb e d t o t r e a t b yc o m p u t e r c er v i c a lv e r t e b r aa n dl u m b a r h1 3 为h x y - i i 多功能牵引床。这是一类由微机控制的自动牵引床，牵引力、 牵引时i n jj ；采用自动化控制。对颈椎炎、腰椎洲盘突出症( 变性紊乱、劳损、脱位及并 3 陕西科技人学硕士学位论文 发不全截瘫或偏瘫) 经l 晒床使用疗效显著。图1 - 4 为h x y - i i i 型多功能牵引床。它是 由电脑微控的多功能腰椎治疗牵引床，采用进口电机及微机软件集成电路作控制。在临 床应用时，可自动纵向牵引，自动成角牵引，自动摇摆牵引，上述三种功能可单独使用， 亦可结合使用，在纵向牵引的同时，可进行成角牵引、摇摆牵引、负压牵引( 俯卧时) 同时使用，以克服单一动作的不足。特别对腰后小关节错位校正复位，紊乱、胸腰段压 缩性骨折( 无截瘫状) ，改变腰椎生理弧度消失或后突，疗效更为显著。使用时，可仰 卧牵引或俯卧牵引。 图1 - 3h x y - i i 多功能牵引床 图1 - 4h x y - i i i 型多功能牵引床 f i g 1 - 3h x y oi im u l t i f u n c t i o n a lt r a c t i o nb e df i g 1 - 4h x y - l l i m u l t i f u n c t i o n a lt r a c t i o nb e d 从上述可看出，牵引、按摩设备发展趋向于以下方面：功能复合化。各种牵引、 按摩器械的分类逐渐淡化，例如将普通的牵引床加以改造，安装上振动器和热电阻后， 可实现按摩、锤击、热疗等辅助功能；通过安装测力反馈机构可实现自动控制等。 智能化。设备的自动化程度越来越高，电器元件被广泛采用，用以实现位置、压力、 开关量信号的检测与控制。数字化。人机交互接口成为设备发展的方向，操作人员 的工作强度大大降低，通过键盘、磁带、触摸屏等接口设备即可完成器械的大部分操 作，操作过程简单易学1 1 2 1 。 1 2 3 数字化制造技术 计算机的迅猛发展，使得制造业卷入了日益激烈的全球化市场竞争中，为取得竞争 优势，各制造商纷纷开展先进制造技术的研究，提出了一系列新概念和新方法，如：虚 拟制造、数字化制造、敏链制造、智能制造、可重组制造等。其中数字化制造是席卷个 球数字化浪潮的关键环节1 1 3 1 。 近半个世纪，特别是近3 0 年来随着信息技术的迅速发展，信息技术与制造技术 相融合，使制造r 益走向数字化。a ：发达国家的火型企业中，已开始实现厄图纸生产 广泛使用c a d c a m ，吱现1 0 0 数7 ，化设计。制造过程技术在快速成7 卧并联机构 4 多功能牵引按摩机的数字化制造 机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度 等单元技术方面先后有所突破，加上仿真技术的迅速发展，为数字化制造技术向纵深发 展创造了条件。 a 技术概述 数字化技术是以数字电子计算机硬软件、周边设备、协议和网络为基础的信息离散 化表述、定量、感知、传递、存贮、处理、控制、联网的集成技术。其用于制造业可包 括数字化制造技术与数字化产品两部分。将数字化技术用于支持产品全生命周期的制造 活动和企业的全局优化运作就是数字化制造技术；将数字化技术注入工业产品就形成了 数字化产品。 数字化制造首先是一种技术，它是将现代信息技术( 如网络技术、图形技术等) 与 制造科学技术在更深的层次上结合而产生的交叉学科技术，这些技术构成数字化制造的 使能技术群，如：制造过程的建模与仿真、数字化样机技术、网络化敏捷制造、开放式 控制器等。数字化制造还是一种方法，因为数字化对制造的冲击就像其对我们生活的冲 击，不仅仅是生产工具方面的，而且是生产方式方面的，如：在制造过程建模与仿真领 域，一方面是大量文章提出的各种各样的模型，另一方面我们却因很难借用别人的模型 而不得不在同一水平研制自己的模型，大量地重复量变却很难有质变，而网络化突破了 这种极限，改变我们研究的方式，通过网络我们可以方便地共享，从而更快地从模型数 量上的变化变成模型质量上的变化。数字化正在改变着制造业的面貌，深刻地改变了与 制造相关的各种生产方式。从更高层次上，数字化制造是一种理念，是一种符合当代数 字化革命的新的制造模式、方法和技术】。 b 数字化技术的关键技术 1 ) 制造过程的建模与仿真 制造过程的建模与仿真是在一台计算机上用解析或数值的方法表达或建模制造过 程，建模通常基于制造工艺本身的物理和化学知识，并为实验所验证。今天，仿真与建 模已成为推进制造过程没计、优化和控制的有效手段，并已有一些成功运用的例子，如： 喷气引擎部件的“高温锻制”，在开发和设计制造工艺时，仿真开始代替全规模的工艺 实验，使得花费时间与成本大大降低；航空叶片零件的加工前仿真，使叶片零件的制造 质量和效率得以大大提高。仿真和建模最重要的工作是优化工艺参数来确保用最高的质 量价格比制造符合设汁要求的零件。美国国家研究委员会( n a t i o n a lr e s e a r c hc o u n c i l ) 的战略报告i t 5 1 中将建模与仿真技术作为六项最重要的关键技术，“下一f 的制造 ( n g m ) ”报告中也将建模与仿真作为下一代制造技术的十个发展的重点之一。在下 一世纪的制造中，建模与仿真技术将不仅是一种支持技术，而是成为企业运fj ：的一种新 方法，使得虚拟生产成为现实。所有的生产决策都将基于建模与仿真一 具而不足试制测 5 陕西科技大学硕士学位论文 试方法，建模与仿真工具将不再只是技术人员的领域，而成为企业中从产品实现到生产、 到商务过程各个环节的工具。建模与仿真方法的优点是减少硬件原型，提高新产品的上 市速度，有效优化产品与生产，与试制测试方法相比降低了资源消耗与成本。建模与仿 真方法的关键技术包括建立国家模型库、改进建模与仿真工具界面，发展制造工程物理 学模型、发展模型集成方法与标准、发展混合模型技术等，其中基本单元工艺和装备的 模型是研究的基础。 2 ) 数字化样机技术 数字样机技术也称虚拟样机，其研究正处于探索中，目前国内尚没有一个统一的定 义。一般说，数字样机技术就是在制造一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立 系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特 性，从而修改并得到最优设计方案的技术。数字样机是一种计算机模型，它能够反映实 际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设 计师可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下 系统的运动和动力特性并根据仿真结构精简和优化系统。数字化样机技术( 数字化产品 开发) 是在目前这种快速多变的市场需求的驱动下产生的。企业为了提高竞争力，必须 尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的 研发成本，进行创新性设计。这样才能在市场竞争中获得相当的市场份额和利润i ，7 】。 数字化技术和各种专业技术的相融合形成了各种数字化专业技术，如数字化制造技 术、数字化设计技术、数字化视听技术等。相对传统的制造技术，数字化制造技术是一 项融合数字化技术和制造技术，且以制造工程科学为理论基础的重大的制造技术革新， 是先进制造技术的核心，有着广阔的应用前景m l 。 本课题拟用数字化技术实现三维牵引按摩机的殴计制造，以计算机建模、仿真技 术和并行工程技术为支持，对产品设计、工艺规划、加工制造等生产过程进行统一建 模，在产品设计阶段，实时地、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的 影响。分析研究产品的装配性、可制造性、运动特性及动力特性，从而更有效、更经 济地、柔性灵活地组织生产。在产品的实际加工之f j 玎对产品的性能进行评价，使其在 投入生产制造时性能达到最优。用建模和仿真工具来评价和改善产品和生产过程，这 样可以消除生产中的延迟。数字化制造不消耗资源和能量，只是模拟产品的设计、开 发2 i7 卜产过程，减少反复试制物理样机所造成的人肌物力的浪费，缩短产品的研制 周期，降低产品的成本，提高产品的质量和寿命，缩短市场响应时间，获得产品开发 的欠成功。三维牵引按摩机作为一种创新产品，漤大量反复的试验研究，各种功 能动作需要协调，许多参数需要试验验证。因此，将数字化制造技术应用于三维牵引 按摩 l 的设计、开发与制造具有重大意义。 6 多功能牵引按摩机的数字化制造 1 3 研究目标和内容 1 3 1 研究目标 本课题瞄准数字化医疗设备的智能性、可视化、高可靠性、多功能性等发展趋势， 依据椎间盘突出的病理分析，针对椎间盘病治疗人工按摩的缺陷，应用数字化设计制造 技术，揭示治疗过程中各种物理现象的作用机理和规律：突破数字按摩机的运行控制、 牵引按摩的有效集成和数字设备制造质量综合评估等关键技术；创立牵引按摩一体化的 新结构新原理；建立按摩机数字化制造的基础理论，实现基于科学的制造：提升我国数 字医疗设备独立的设计制造能力：提供椎间盘治疗过程中急需的先进仪器设备。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 病理分析和治疗机理。分析椎问盘突出症的病因、突出形式的多样性，研究人 工手法按摩的动作特点，探索有效的治疗机理和方法。 ( 2 ) 按摩机结构优化设计。根据设计目标，建立数学模型，确定优化设计变量，进 行结构设计。建立零部件的三维实体模型，设计数字样机，进行虚拟装配。在产品加工 前通过对装配及运动过程的模拟，实现对产品的性能、结构及可制造性的评估。 ( 3 ) 有限元分析。应用有限元对产品结构进行力学分析，了解应力、应变和频率特 性，不断改变设计参数，获得在满足功能的条件下最优的尺寸结构。 ( 4 ) 参数化设计。利用p r o e 的二次开发功能，用对话框的形式输入参数值，控 制模型的形成，使产品系列化。 ( 5 ) 综合可视化和数字化仿真平台的建立。建立物理约束、几何约束与产品性能约 束的相容性条件，提出相容性约束条件下设计制造工艺的优化方法，为复杂机构和零件 的运动创成提供理论基础及数字化平台。 设计分析的可视化。建立零部件的三维实体模型，在运动特性分析时，能够实现 部件的实时运动。 装配过程的可视化。动态显示其装配过程，直观地检查是否出现干涉现象，以此 检验部件和整机结构设计的合理性。 工作过程可视化。动态实时模拟按摩机工作的全过程，包括各执行部件的运动， 这样可以给设计者和用户最直观的感受，便于对整机进行研究和评价。 ( 6 ) 自动控制与数据库处理的相结合 充分利用现代先进的计算机技术，建立起能够时病人资料进行管理并能对治疗过程 进行自动控制的计算机软件系统，该系统具有良女f 的人机交互界面，方便用户对仪器进 行操作，并具有自动的数据处理及计算功能，控制精度符合使用要求。 7 陕西科技大学硕士学位论文 1 4 关键技术及创新之处 1 4 1 关键技术 数字样机的结构规划及设计参数的确定： 数字样机三维建模和仿真技术； 有限元分析技术； 参数化设计与分析； 人机交互界面的实现： 综合可视化技术的实现。 1 4 2 创新之处 本设计将在多学科综合与交叉的基础上，建立数字化设计制造的基础理论体系， 从整体上对数字样机进行参数优化、运动仿真、力学计算、干涉检查、性能试验。使 设计、制造、使用过程从部分定量、部分经验、定性化逐步转向全面数字定量化，实 现基于科学的制造，并在关键技术上取得源头创新成果。 8 多功能牵引按摩机的数字化制造 2 系统结构设计 2 1 系统配置 本设计拟在数字制造理论的指导下，通过以p r o e n g i n e e r 为中心的一系列软件的联 合使用，最终优化设计出符合使用要求的三维牵引按摩机。整个设计过程的系统总体 结构如图2 - 1 所示。 斟2 1 系统总体框i 奎i f i g 2 - if r a m eo ft h es y s t e m 2 2 总体方案的确定 2 2 1 按摩机动作分析及技术参数 根据椎间盘突出的形式，在治，棚t ，先牵丌椎州隙，然后在椎间盘突出部位按椎间 盘突出的方向施加以一定的节奏振动+ 使脱m 的髓核还纳，从而达到治疗的目的。此， 用于治疗椎间盘突出症的整复按摩机应与牵引床配合使用，需实现的动作有：对患者 进行牵引，由牵引床实现。整复按摩机的按摩头能以一定的节奏振动。按摩头要提 陕西科技火学硕士学位论文 供合适的整复按摩力。按摩头能前后、左右摆动，以适应患者椎间盘突出的方向。 按摩头相对于患者能上下、前后、左右移动，对准患者的发病部位。 椎间盘突出是一种常见病，人们在长期治疗该病的过程中积累了丰富的临床经验， 因此，在产品设计之始，收集了大量相关的资料，并咨询拜访了治疗该病的资深专家， 最终确定该产品设计的技术参数如下： 牵引力为o l o o k g f 、预压力为o 6 0 k g f ，且力的大小可调； 按摩头长距离升降7 0 0 m m ，短距离调整0 l o o m m ； 按摩头相对于患者横向可双向移动3 0 0 m m ，纵向移动7 0 0 m m ： 按摩头抖动频率为1 0 0 次分，振幅5 m m ； 横向摆角_ - 4 - 0 6 0 。，纵向摆角向前6 0 。，向后1 2 0 0 。 2 2 2 方案分析与比较 关于椎问盘整复按摩机已有不少研究成果1 1 9 l ，如颈腰椎多功能牵引床和椎间盘还纳 治疗机等。因此在设计三维牵引按摩机总体方案时，曾进行过多个方案的设计比较，现 选择2 个加以分析。一是由牵引床实现三维动作，由按摩机实现单方向的整复按摩运动； 二是由牵引床完成一维牵引功能，然后由按摩机实现三维整复动作，方案一中的三维牵 引床是根据人体脊柱解剖的特点和中医推拿整复原理设计制造的，并已有产品，主要由 控制、牵引、成角、旋转、固定等装置组成。病人俯卧于牵引床上，臀腿板向下成一角 度，以脊柱病变间隙为角顶点，在臀腿板旋转的同时，头胸板做纵向牵引、成角，牵引 使椎间隙产生负压，有利于突出物还纳。这种牵引床投入市场后取得了较好的治疗效果， 但也暴露出一些缺点，如设备结构复杂庞大，造价昂贵，整复动作需借助手工完成。方 案二由整复按摩机实现i 维动作，并与一般的牵引床配套使用，在牵引功能完成后，可 根据病症特征，实现空川多方位立体按摩。结构简单，成本低廉，开发及推广应用价值 极高，并可治疗颈椎病。因此本设计采用此方案。 总体方案确定后，又对主要部件结构提出了3 种方案，用以确定预压和整复机构的 结构。 方案1 ( 图2 2 ) 通过两个电磁离合器实现预压、整复的先后动作。预压时离合器 m 2 接合，离合器m 1 分离，通过丝杆螺母机构带动整个机构沿滑槽下移，当按摩头接 触人体并达到合适的预压力后，m 2 离合器分离，m 1 离合器接合，电机通过齿轮机构、 离合器m 1 和凸轮机构实现整复振动。机构的摆动通过液压缸带动齿条、齿轮机构实现， 并通过三位四通电磁阀的t f l 位实现角度的定位。该机构省掉了一个电机，减少了成本， 且均为电讯号控制，易j 。艾现自动化。但该方案具有以下的缺点：预儿三、整复机构共 用一个电机，容易发牛川f 的 二扰；采用液压装置，存在泄漏的问题，不适合在医疗 设备中应用。故也将该，案行决。 1 0 多功能牵引按摩机的数字化制造 方案2 考虑到了椎间盘突出的方向性，由传统的一维抖动按摩改进为可以大范围调 节角度的抖动按摩，并精简了系统的结构。同时考虑了操作系统的自动化扩展，实现手 动或自动的选择控制。其中预压机构采用锥齿轮结构，整复机构采用凸轮结构。整体布 局采用立柱摇臂结构，整个按摩机构安装于摇臂横梁上，并可在横梁上滑动。因为此方 案中横梁为单臂支撑，预压、整复、左右摆动、横向移动机构均安装在摇臂横梁上，致 使横梁一端负载较重，机构运动起来不够平稳。且预压、按摩机构复杂，故不选用。 a 1 方案1b 1 方案2 图2 - 2 方案比较 f i g 2 - 2p r o j e c tc o m p a r i n g 方案3 ( 如图2 3 ) 综合了以上两种方案的优点，仍以能实现多方位多角度大范围 的抖动按摩为目的。整机由立柱、上下提升机构、前后摆动机构、横向移动机构、整复 机构、预压机构、左右摆动机构、横梁支架组成。本机充分利用了滑动螺旋副的传动及 自锁功能，省去了繁多的夹紧机构。采用了先预压后抖动按摩的形式，在一定预压力的 作用下通过平面凸轮机构实现按摩头的抖动按摩。尤其是采用了支架结构代替横梁，充 分考虑到了运动平稳问题，对称安装支架上的机构。解决了运动不稳定的因素。合理进 行预压、按摩机构设计，大大减少了重量和尺寸。故采用此方案。本机的牵引装置采用 目前广泛使用的滑板式牵引床。该床牵引力稳定，测力方便快速，已为广大患者所接受。 2 3 系统设计 2 3 1 按摩机结构特点 根据方案分析所定的产品结构，画出产品的外形1 2 l 】如图2 - 4 所示，该仪器有手动和 自动两种控制形式，供用户选用。主要构成部件包括：立柱1 、上下提升机构2 、前后 摆动机构3 、横向移动机构4 、整复机构5 、预压机构6 、左右摆动机构7 、横梁支架8 等。其中前后摆动机构、横向移动机构、预压机构、左右摆动机构所安装的电机可与手 陕西科技大学硕士学位论文 轮互换，从而实现手动和自动的相互转换。与整复按摩机配套使用的牵引床安装在按摩 机的下方。长度方向与横梁8 垂直，整复头横向移动的中点应位于牵引床中心的正上方。 图2 - 3 传动结构示意图 f i g 2 - 3d r a w i n go ft r a n s m i s s i o ns t r u c t u r e 4 图2 - 4 按摩机外形图 f i g 2 4f i g u r eo f m a s s a g ea p p l i a n c e 1 2 多功能牵引按摩机的数字化制造 2 3 2 按摩机运动分析 三维牵引按摩机采用摇臂式结构，其具体动作如下： 前后摆动机构3 安装于立柱1 上，在上下提升机构2 的带动下，实现上下移动，用 于按摩头位置的初步调整；预压机构6 安装于横梁支架8 上，在横向移动机构4 的带动 下，实现左右移动，用于整复头的横向定位：前后摆动机构3 由电机驱动传动机构，带 动横梁支架8 转动，从而实现整复头的前后摆动；左右摆动机构7 安装于横梁支架8 上， 由电机驱动传动机构，带动预压箱转动，实现整复头的左右摆动：预压机构6 安装于预 压箱上，在电机或手轮的驱动下通过传动机构，带动整复机构5 上下移动，实现整复头 的定位，并提供合适的预压力；整复机构5 是整复头的载体，在电机的驱动下，通过凸 轮机构实现整复头的抖动。 该仪器通过力传感器，精确测量出预压力的大小，然后将检测力与理论所需力进行 比较，差值反馈给主控微机，通过程序自动弥补误差，进而精确控制预压电机，并当所 测力达到需求时，停止预压电机的动作而启动整复电机。 2 3 3 控制系统方案 计算机技术突飞猛进的发展，使其更加广泛地应用在现代社会人类工作和生活的各 个方面。随着制造成本的不断降低，计算机以其开放性、高可靠性、软硬件资源丰富等 优点逐渐成为控制系统的首选前端机，用于处理人机界面、编程、联网通讯等问题。本 设计的控制系统就采用常用的微机作为控制系统开发的平台嘲。 控制系统是操作者与设备交流的平台，控制系统的好坏直接影响到产品的使用性 能。控制的主体微型计算机通过接受操作人员的输入和检测到的信息，可以使仪器完成 所需的动作，并提供适合病人特征的整复力和整复角度等治疗条件，具有良好的人机对 话方式和用户界面。 在微机中建立数据库及其控制界面，数据库由控制界面程序所调用，用户可通过人 机对话将病人的数据资料，包括身高、性别、年龄、病情等输入电脑，微机根据其内部 的数据库自动确定预压力的大小。在治疗过程中采用半闭环控制回路，通过检测力的大 小作为反馈信号，与微机计算的数值进行比较来控制预压电机的动作。此外微机可以接 收控制面板的指令控制其它机构电机的动作，从而实现全方位的自动控制。微机的数字 信号与外部输入、输出信号之间采用a d 、d a 转换器进行数据的转化。控制系统的结 构简图如图2 5 所示。 治疗时，通过x 光等方法确定病变部位的具体情况，并与其它所需数据如性别、年 龄等一起输入微机。患者俯卧在牵引床上，固定纵轴牵引带于胸背及骨盆部。在上述预 操作完成后，即可采用牵引按摩机进行治疗，工作过程如下： 对患者进行牵引卜根据病变部位的情况确定整复的角度并调整整复头的角度卜 1 3 陕西科技大学硕士学位论文 分别调整牵引床的纵向位置和按摩机整复头的横向位置，使整复头对准患病部位卜 按摩头预压患病部位按摩头对患病部位实现抖动按摩斗恢复初始状态。 p c 键盘屏幕l _ 微机 - q 放大器卜t la d 、d a r _ 1 控制面板按钮】 c p u 转换器 软驱 l ；2数据 r 磊刑 图2 5 控制系统框图 f i g 2 - 5f r a m eo f c o n t r o l l i n gs y s t e m 2 3 4 牵引床的选用 牵引床主要用来完成人体牵引和纵向移动的功能。目前市场上牵引床的技术已经非 常成熟，可以实现这种简单功用的牵引床种类很多，而且价格便宜。故我们选用了市面 上的牵引床完成本系统的牵引和纵向移动的动作。通过比较各种产品的价格和性能比 后，我们选用了张家港市日新医疗设备有限公司生产的微机控制直线电机式牵引床( 如 图2 6 所示) 。 1 ) 牵引床的说明 ( 1 ) 牵引床型是双机牵引床。颈椎、腰椎可