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含19张CAD图纸 多功能护理床的设计【含19张CAD图纸】 多功能 护理 设计 19 CAD 图纸

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毕业设计论文报告(论文)题目： 多功能护理床的设计 作者所在系部： 作者所在专业： 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 教务处制摘 要 岁月如梭，人口老龄化的比例越来越大，医疗护理服务面对着巨大的考验与挑战，医疗和社会保险系统面对不可预测的压力。为老年人护理服务的针对性病床的需求量不断的上升。 本文详细论述了针对缺乏自理能力的老年人及行动不便的病人设计的多功能护理床的基本结构和功能原理。这种病床能够帮助病人实现抬背、屈膝、吃饭，床体的升降解决了护理病人患病过程的很多不方便，从而提高了我国医疗护理业服务，强而有力的加快了我国的医疗保健事业的进步。关键词：医疗设备 护理床 医院病床 设计 IIAbstract What this article is researching is rowing machine,the born of rowing machine has brought great convenience to people who taking boat rowing exercise indoors,due to the unique function and structure of body-building rowing machine,it is gradually becoming a favor for people to join in rowing exercise,which also has become one of the worlds most popular ten exercises,this article mainly aims at the source of rowing machine and the form of rowing exercise,the temporary situation of researching in rowing machine and the problems to be resolved in the development of rowing machine.Key words :Medical equipment Nurse bed Hospital beds design； IV目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论1 1.1多功能护理床的研究背景2 1.2多功能护理床的发展前景2第2章 多功能护理床的方案论证4 2.1 设计原则4 2.1.1安全性原则4 2.1.2人性化、舒适性原则4 2.1.3功能多样化原则4 2.1.4标准化原则4 2.1.5轻量化原则4 2.2 功能要求及设计指标5 2.2.1外形尺寸5 2.2.2承载指标5 2.2.3体位调整指标6 2.3整体要求及床面设计8 2.4抬背方案的设计分析11 2.5屈膝方案的设计分析14 2.6整床升降的设计分析14第3章 多功能护理床的详细设计16 3.1液压缸的选择16 3.2 拟定液压系统图17 3.3液压元件的选择18 3.4 抬背机构的设计19 3.5屈膝机构的设计20 3.6整床升降机构的设计22 3.7脚轮的选取23 3.8杆端关节轴承的选取24第4章 总结与展望10 4.1设计总结10 4.2 展望10致 谢27参考文献28第1章 绪论1.1多功能护理床的研究背景 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体，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人独居人数已经高达40%，如此之高的比列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的照料，于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列更大，解决因身体虚弱卧床不起或因导致生活不能自理的老年人的家庭照料于看护问题是人口的老龄化的国家所面临的共同的问题。为此，国家的大力加强了对护理床机器人的研发扶持力度。为偏瘫病人或者长期使用病床的人提供一个集护理和排泄的等各种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，后来的加护栏，餐桌，再后来加上大便孔，轮子，现在产生了很多集多功能护理床的一体多功能，电动护理床，极大的提高了患者的康复护理水平，也为了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最棒。护理床在国内的设计和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。各种护理床的功能正在逐步完善，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能接受这很贵的护理床。护理床的基本分类情况给大家介绍一下。护理床类型一：手动护理床和电动护理床；护理床的类型二：)功能基础型、功能普通型、功能高级型。护理床的分类概括：功能基础行护理床的优点：1、结构、生产工艺简单，易于制造。2、价格便宜。存在的问题：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。能普通型护理床的优点：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、增添了铺助功能接口。4、整体造型，色彩改进，具有一定的亲和性。存在的问题：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。功能高级型护理床的优点:1、护理功能完善。2、功能调整定位准确，连惯性好，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。存在的问题：1、市场的售价昂贵。造成功能浪费严重，造成额外的经济成本。2、调整可拆性差，运输、组装繁琐。3、对患者康复功能的考虑较少。 从近年来的发展来看，国内的发展迅速，各种结果。功能等等各异的护理床称层出不穷。发展方向主要向机器人模的自动控制的方向发展。1.2多功能护理床的发展前景我国是世界上的人口大国，同时又是一个人口老龄化的大国，据统计，从2000年到2007年，我国60岁以上的老年人口由1.26亿增长到1.53亿人，占总人口的比例从10.2%提高到11.6%，占全球老年人口的21.4%，相当于欧洲60岁以上老年人口的总和。人口老龄化年均增长率高达3.2%，约为总人口增长速度的5倍。预计2020年老年人口将达到2.4亿人，占总人口的17.17%；到2050年，老年人口总量将超过4亿，老龄化水平推进到30%以上。我国大多数家庭逐渐形成宝塔式结构。（四个老年人，两个青年人，一个孩子）随着社会生活的加快年轻人既要忙于事业又要照顾家庭，老人和孩子，显然力不从心，当老人生活不能自理时就十分需要一种电动护理床协助自己日常生活的必须。现在家庭需求护理床的潜力日益增加,以前是简易的记理床,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,比如能够升降，能够坐起，能够曲腿等功能。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。 电动护理床根据采用进口电机的数量一般可分五功能电动护理床、四功能电动护理床、三功能电动护理床、二功能电动护理床。护理床在国内的设计和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和日本较为突出。目前市面上常见的电动护理床有如下优点：1、电动，方便用户操作和控制。2、能完成基本的护理功能。3、整体造型，色彩改进，具有一定的亲和性。4、功能调整定位准确，连惯性好，基本无噪音。5、文字，标志容易识别。但也存在如下问题：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。6、对患者康复功能的考虑较少。第2章 多功能护理床的结构设计2.1设计原则 电动护理床的设计应该遵循以下几个原则： 2.1.1安全性原则 由于护理床对老年人和病人的身体进行直接的接触与操作，而且相对于健康人来说，这类人群的身体更容易收到损伤，所以护理床在安全性方面的要求很高。无论是护理床的结构还是控制系统的设计，安全性始终是最优先考虑的一个原则。比如，在结构设计方面，不应存在任何干涉情况，结构的刚度和强度方面都要留有充足的余量，要考虑到各种极限情况。2.1.2人性化、舒适性原则现今社会，人们不仅追求商品的高质量，高稳定性，而且对商品的人性化、舒适性设计有了更高的要求，因此电动护理床应该根据人体生理学原理，更多地从人的生理结构、心理情况、行为习惯等方面加以考虑。比如各部分结构要与人体的尺寸匹配；设计中力求加速度最小化等等。2.1.3功能多样化原则在电动护理床的使用过程中，不同使用者往往对护理床有着各种各样不同功能的要求，比如能够坐起，整床能够升降，能够曲腿等功能要求。2.1.4标准化原则护理床机械零件的设计与选择、控制系统的设计、零部件之间的相对位置关系和尺寸匹配，都有相关的行业标准。参照标准设计，不仅能在最大程度上满足使用要求，而且有利于增强互换性，降低成本。2.1.5轻量化原则由于电动护理床是在家里使用，搬移的概率非常大，在设计时一定要考虑到床重量，方便搬移，在保证护理床使用安全的同时要从轻设计，这样可以节省材料。尤其是在资源短缺的今天，这点尤为重要，而且还以降低成本。 2.2功能要求及设计指标 依我一段时间的观察和了解并翻阅一些相关资料，综合各家医疗器材公司生产的护理床功能，根据人的生活习惯和对老人，病人对护理床使用便捷，人的一些必要的体位位姿，要能够实现各体位的自动变换，减少使用者因长期卧床引发的并发症，改善其健康状态，有着积极的意义，同时可以大大减轻护理家庭人员的劳动强度。因此我对多功能护理床设计了以下几种功能：1.平躺；2.整床升降；3抬背；4屈膝。参考医用电气设备 第一部分：安全通用要求 、医用电气设备 第二部分：医用电动床安全专用要求 、中华人民共和国行业标准病床 、中华人民共和国国家标准中国成年人人体尺寸等相关标准，同时类比国内外文献中的相关参数，作为设计指标。2.2.1外形尺寸 电动护理床主要用于家庭中，因此在使用各个姿态时，其所占的空间范围必须与家庭房间的相关尺寸相适应，选取适当的尺寸能够让被护理人员感到舒服。按照中华人民共和国行业标准病床标准，电动护理床的外形尺寸最终取为：长宽=2000mm1000mm 高=300-520mm2.2.2承载指标按照医用电气设备 第二部分：医用电动床安全专用要求规定，床的安全工作载荷必须至少承受2000N的载荷，这2000包括1500N患者重量、200N床垫和300N附件。标准中提供了人体在床的各个板块上的重量分布，护理床的各个模块的设计均可以此值为准。图中，1代表背板，2代表臀部板，3代表大腿板，4代表小腿板。 图1-1 床板重量分布2.2.3体位调整类指标体位调整类指标包括背升角度、大腿床板抬升角度、小腿床板抬升角度。医用电气设备第二部分：医用电动床安全专用要求给出了背板、大腿板、小腿板的调节范围建议值：1) 背板与水平面间夹角（图1-2中A）应能从085。（或更大）可调。2) 大腿板与水平面间夹角（图1-2中B）应能从050。（或更大）可调。3) 小腿板与水平面间夹角（图1-2中C）应能从050。（或更大）可调。4) 大腿板与小腿板间夹角（图1-2中D）应能调至180。（平面）。 图1-2 床面各板调节范围 综合考虑上述提供的数据，参照翻阅的相关结果，并且考虑文献中同类研究的相关参数，确定了体位调整类具体指标（见表1-1）。 表1-1体位调节类指标运动指标具体数值背升角度0-70o大腿床板翻转角度0-35o整床升降高度范围300-520mm 2.3整体布局及床面设计 按照床的整体分布，电动护理床可以分为总体框架、抬腿部件、抬背部件、整床升降，部件智能座便系统五大功能模块。在总体布局时，有以下几方面要求： 1、 综合考虑两种状态下的尺寸、稳定性和强度要求； 2、布局要使各个模块的机构运动相对简单，并解决好干涉问题； 3、分配好每个部件的尺寸，最大限度地利用床下有限的空间； 4、要尽可能地把传动部件隐藏给人以安全感，避免心理恐慌。 从以上设计角度出发，根据前文确定的设计原则，确定护理床采用床面大尺寸，支撑框架略小的结构，有利于空间的节约；移动方式为前面布置两个万向轮，从而使得转弯半径较小；各个功能模块机构初步选用连杆结构，以方便实现各床面板的运动规律，其驱动元件均布置于支撑框架下层，以保证机构传动角和框架强度要求；各零部件近似对称布置于床面之下，使机器和人的重心始终处于机构中间位置，以增强整体稳定性和使用者的心理安全感。 电动护理床床面设计的特点在于要实现的运动较多，而且每块床板都必须能够沿相互垂直的方向转动，这就给床板之间的连接提出了很高的要求，结合所需实现的功能，本文提出采用分体式双层床面结构。 图1-3 床面结构示意图 其中，床板1-4为下层板，5-8为上层板：1、5为背板2、6为臀部板，3、7为大腿板，4、8为小腿板。各床板之间通过铰链相互连接，整体床面则通过臀部下层板固定到支撑框架之上。护理床所需的各个动作都能够通过传动部件带动相应的床板组联动实现。 表1-2各床板的X向尺寸 尺寸项具体数值背板760mm臀部板230mm大腿板400mm小腿板610mm 各床板的尺寸基于GB10000-88常用人体测量数据确定。参考市场上的护理床尺寸，根据专家给出的数据进行选择后，最终尺寸见表1-3。 表1-3护理床需要实现的动作功能项相关参数备注平躺各床板均水平抬背背板与水平面夹角为070o 5、6床板组合联动，绕Y1轴翻转曲/伸腿 大腿板与水平面夹角035o小腿板与水平面夹角为-20o0 7、6、床板组合联动，绕Y2轴翻转；8、7床板组合联动，绕Y3轴翻转282.4抬背方案的设计分析第1种构想 图1-1 坐起及屈膝原理（变形前） 图1-2 坐起及屈膝原理（变形后） 这部分的设计，采取坐起和曲膝的功能分别驱动的思路。如图分别是床板平置和坐起及曲膝动作完成之后的状态。床板平置时，人躺在床上和普通病床一样，当需要坐起时由图中左边的电动机驱动螺杆9转动，使得螺套7向右运动，再由连杆6带动转臂5旋转，最后由转臂驱动床板1绕J点旋转，从而使人坐起。需要曲膝时，同样右边的电动机工作，通过螺旋传动使得转臂12旋转，将床板3顶起，达到曲膝的目的。坐起和曲膝动作如图“坐起状态”。第2种构想 图1-3 坐起及曲膝原理（变形前） 图1-4 坐起及曲膝原理（变形后） 这部分的设计，采取坐起和曲膝的功能同时驱动的思路。如图分别是床板平置和坐起及曲膝动作完成之后的状态。床板平置时，人躺在床上和普通病床一样，杆4、5、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的电动机驱动蜗杆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的曲柄4转动，摆脱死点状态，摇杆6转动，使得床板7在重力的作用下绕D点转动，最后同时满足坐起和曲膝的功能。坐起和曲膝动作如图“坐起状态”。该方案采用蜗轮蜗杆带轮组合传动，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严重，且蜗轮蜗杆加工难度大，制作成本高。带轮负载大时可能造成皮带打滑，并且其曲腿功能和坐起只能同时满足，无法独立动作。第3类构想 图1-5 三种抬背机构原理 构型a：该机构是螺旋连杆组合机构，其有四个活动件，五个转动副，一个高副，故其自由度为F=43-25-1=1，该机构有1个原动件，具有确定运动，该机构的优点是抬背角度大，而滚轮与背板之间为高副联接，所以稳定性不高，该构型为螺旋传动，缺点是结构较为复杂，不易装配 而且承受的轴向推力大，效率低，摩擦严重。构型b：该抬背机构为螺旋一连杆组合机构，其有三个活动件，四个转动副，故其自由度为F=33-24=1，具有1个原动件，有确定的运动，该机构的驱动方式可采用电动推杆作为驱动部件，该机构构型简单，制造容易，而且初始状态的传动角远远大于40度，力的有效利用程度很高，如果没有其他限制条件，应该首选该构型。但是在护理床的结构中，支撑框架的Z向尺寸较小，而背板又要翻转70度。，这也就引起一个矛盾：既要求电动推杆的行程要很大，又要求其初始状态尺寸较小，显然这样的要求是达不到的，因而放弃该构型。构型c：该机构为螺旋一连杆组合机构，实际上可以等效为一四杆机构，等效后的机构具有3个活动构件，3个转动副，1个移动副，因此自由度F=33-24=1，该机构需要1个原动件来确定运动。采用电动机作为动力源，可以获得很大的翻转角度,但是该机构成本较高。综上所述，构型C为三种之中的最优构型，故抬被机构最终采用该构型。2.5屈膝方案的设计分析曲腿机构的设计与抬背机构的相同。2.6整床升降的设计分析第1种构想 图1-6联动的平面四杆机构 该机构为四杆机构，有3个活动件，四个转动副，自由度为F=33-24=1，有一个原动件即可做稳定的运动，其结构紧凑，运动精准，并且稳定，价格低廉。 图1-7电动推杆机构 第二种方案 该机构结构简单，但是其不稳定，采用的是电动推杆作为动力源，故其成本高。 综上所述，选择第一方案比较适合。第3章 机构设计3.1液压缸的设计在整床升降的过程中，采取液压缸为原动件，以液压缸来驱动连杆，从而带动2个联动的四杆机构向上运动。1. 初选液压缸的工作压力根据此护理床的负载，取液压缸工作压力为4MPa。2. 计算液压缸的结构参数选用单出杆活塞实现差动连接的方式实现进给。设液压缸的有效面积为A1和A2，且A1=2A1，即d=0.707D。由工进工况下液压缸的力平衡方程 p1A1=p2A2+F, (4-4)式中 p1进油压力； P2回油压力。所以： A1=F/(p1-0.5p2)=35512/(4106-0.50.6106)m2=502410-6m2=96cm2液压缸的内径D为 对取整，取D=40mm。由d=0.707D液压缸有效工作面积 由此可得选择YZB 356-93的S1型液压缸。3.2拟定液压系统图 我设计的是一个简单的电磁换向回路，在整床的升降过程中需要实现平稳、迅速、准确地变换运动方向，采用简单的电磁换向回路即可实现这一功能，当电磁阀未通电时，活塞向右运动，也就是整床的起升；但电磁阀通电时，活塞向左运动，就是整床的下降。利用简单的液压回路系统，以液压缸为原动件，以连杆带动2个联动的平行四杆机构做升降运动。液压系统图如图2-1所示 图2-1 液压系统图3.3液压元件的选择1） 液压泵的工作压力已知液压缸最大工作压力为4MPa，取油路上压力损失为1MPa，则最小流量泵的工作压力为5MPa，则选择泵的额定压力应为 pn=(5+525%)MPa=6.27MPa2） 液压泵流量计算当单液压泵供给多个同时工作的执行元件时，有 qpk(qi）max （9-5a）式中K回油泄漏折算系数，K=1.11.3; (qi）max同时工作的执行元件流量之和的最大值。 取系统的泄漏系统K=1.2,则泵的最小流量qp为 qp=Kq1max=1.20.510-3m3/s=36L/min3） 确定液压泵的规格对照产品样本可选用ZY-700手摇式液压泵，储油量0.9L,出油量低压13cc，高压2.3cc；最大压力低压2MPa,高压70MPa。即使没有电力，操作也方便。3.4抬背机构的设计抬背机构的设计如图2-2所示 图2-2抬背机构 此装置以滑块滑块上连接的扳手为原动件，向左推拉扳手，带动滑块向左运 动，进而连杆转动，连杆将所连接的床板向上抬起，实现抬背的功能。连杆的长度=263mm。材料为40Cr，经调制处理。连杆强度校核因此.故安全。 3.5屈膝机构的设计 屈膝机构的设计如图2-3所示 图2-3屈膝机构 此装置以滑块滑块上连接的扳手为原动件，向右推拉扳手，带动滑块向右运动，进而连杆转动，连杆将所连接的床板向上抬起，而与大腿板相连接的小腿板被向上带起，从而实现屈膝的功能。连杆的长度。材料为40Cr，经调制处理。连杆强度校核因本机构中连杆材料与坐起机构中一样，但长度和受力却较前者小，故无需强度校核。3.6整床升降机构的设计整床升降机构的设计如图2-4所示 图2-4整体升降床机构整床升降机构是一个以液压缸为原动件，从而推动连杆向上运动，连杆带动两个联动的平行四杆机构向上运动，液压缸安装在床的中心上，使受力平衡。整床的升降高度为115mm，连杆的长度为320,。连杆之间通过杆端关节轴承链接，减少了摩擦力，提高了承载能力。3.7脚轮的选取万向轮的选取如图2-5所示 图2-5脚轮参数特点支架：旋转顶板双钢球轨道及独特的反钢腕圆弧设计、更耐重、旋转灵活，更具有实用性，支架底架采用国际4mm的厚钢板、腿料采用3mm厚钢板冲压焊接成型，表面镀锌。轮子：材质为玻纤加改性尼龙，滑行阻力小，有较强的抗冲击性能，配有优质精密双轴承，耐高温270度，耐磨、耐撞击、抗化学品，酸，水等腐蚀品。产品规格：万向轮M2-4646-53H轮径：125mm3.8杆端关节轴承的选取杆端关节轴承的选取如图2-6所示 图2-6杆端关节轴承 我设计的升降床装置，两连杆间的连接使用杆端关节轴承，它是一种球面滑动轴承，基本型是由球形滑动接触表面的内、外圈组成。关节轴承是由一个有外球面的内圈和一个内球面的外圈组成，能承受较大的载荷。采用关节轴承能有效的减少连摩擦力，提高承载能力。在液压缸与连杆之间同样采用杆端关节轴承连接，这样可以有利的提高机构的承载力，连接方式如图2-7与图2-8所示。 杆端关节轴承的连接如图2-7所示 图2-7杆端关节轴承与液压缸结合使用杆端关节轴承的连接如图2-8所示 图2-8杆端关节轴承连接两个连杆第4章 总结与展望4.1设计总结 在设计的过程，就是不断优化的过程。对多功能护理床的设计我首先选择我要使其实现的功能，然后在选择合适的方案。首先我选择了抬背、屈膝、整床升降和吃饭4种功能，然后在网上查看了很多种不同的方案与构思，本说明书前面几章总结了方案的优缺点，分析之后，自己设计了一种多功能护理床，这种护理床是利用曲柄滑块机构来实现抬背和屈膝的，我认为可行性较高。整体升降床的设计我也是利用四杆机构实现的，这必须要考虑到床升降时的平衡问题，不能歪斜。设计时我选用了液压缸为整床升降的原动件，对比电动机来说，我选择的液压泵为手摇式液压泵，不需要通电就可以使用，而且非常的轻便，病人通过摇动手柄就可以升降床的功能。考虑到整床升降时所受负载较大，所以我将连接连杆用的销换成了杆端关节轴承，减小压力及摩擦力。4.2展望 现在的多功能护理床已经越来越人性化，我认为为了更加人性化，应该考虑到人机一体化，可以设计帮助人擦身，吃饭的机械手来实现病人的需要，也可以设计制造一种帮助人洗头的装置，使病人无需下地就可以洗头。致 谢 大学生活马上就要结束了，大学四年的生活使我收获颇丰，在最后的毕业设计中我要真诚的感谢刘卫老师。 刚开始做毕业设计的时候毫无头绪，经过大量的搜、整理，我终于有了些设计框架，在完成毕业设计的整个过程中我遇到了无数的困难和障碍，如在使用UG软件装配零件的时候，由于基本功不扎实的问题，装配过程中出现了位置不正确、约束重复、导出二维图修改删除后三维图丢失问题，使我拖慢了做毕业设计的进程。在设计多功能护理床的结构原理时，涌现出许多想法与思路，经过刘卫老师的指导，并且给使我不断优化结构，整理出我认为最恰当的机构。在此我特向刘卫老师表示衷心的感谢。 同时，我也要感谢本论文所引用的各位学者的专著，如果没有这些学者的研究的启发与帮助的话，我根本不能顺利地完成本论文的最终写作，之所以能够顺利完成本设计，完全是因为我站在他们的肩膀上，在此我也要特别感谢我的同学和朋友们，他们在我的毕业设计完成过程中给予我许多有用的素材，并且在论文排版与撰写过程中也提供了许多重要的帮助。参考文献1王中发.实用机械设计；北京理工大学出版社M，1998.2濮良贵.陈国定.吴定言.机械设计.高等教育出版社M，2012.3殷玉凤.机械设计课程设计.北京。机械工业出版社M，2012.4孙恒，傅则绍机械原理北京：高等教育出版社M，1989.5王知行，陈照波，江鲁利用连杆转角曲线进行平面四杆机构轨迹综合的研究J机械工程学报，1995，31(1)：42-476刘俊延液压与气压传动机械工业出版社M，2012.7胡凤兰. 互换性与技术测量基础 .北京：高等教育出版社M，2011.8张展.实用机械传动设计手册M .北京：科学出版社，1994.9 Chao-Ton Su, Mu-Chen Chen. Computer-aided optimization of multi-pass turning operations for continuous forms on CNC lathes. Springer Netherlands, 1999, 31(7):58359610 孙桓，陈作模.机械原理（第六版）.高等教育出版社M.2001.5.11 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社M. 2002.9.12 范钦珊，殷雅俊. 材料力学.北京，清华大学出版社M.2004.13 濮良贵，纪名刚.机械设计. 高等教育出版社M.2001.4 第7版14 李杞仪，赵韩主编. 机械原理. 武汉：武汉理工大学出版社M，2009.8.15 吴宗泽.机械零件设计手册.机械工业出版社M.2004.1.3轴平端面铣床可加工性分析 Ye Lie-mail: Matthew C. Frank 工业部及制造系统工程系 爱荷华州立大学 摘 要 本文提出一种可加工性几何分析方法。该战略的实施决定了由设置单一方向旋转轴的多元化3轴加工业务处理可加工部分。来自立体几何模型的切片用于切削组成多边形链的每个不同环节。采取的片正交旋转轴，因此，无论两个和三个二维（2D和 3D）机械加工性能分析都从垂直和倾斜方向上计算。这种可加工方法扩展了对早期二维快速制造能见度分析和采用数控加工的原型设计组件。关键词 可加工性，工具易用性，数控加工，片几何1 导言在各种各样复杂曲面的零件设计上可加工性分析起到越来越重要的作用。当前计算机辅助制造CAM软件由于刀具容易产生一套表面组成部分和切割方向。然而，确定安装方向很困难且确定部分是否可以加工是很大的挑战。一个适当的安装方向才能保证一个表面有效切断，而一个不恰当的会留在某些地区过多材料。先进的5轴数控铣床似乎缓解了这一局面，但是成本和或编程的困难往往限制了5轴机床的广泛使用。三轴铣床，由于经济和技术设备未成熟的原因，在multisetup设备帮助下对于复杂曲面加工进行特殊对待。瑞和李【1】使用了旋转倾斜式3轴机床来替代5轴球头铣刀。绪伊特尔【2】提供了一个额外轴加工的理论依据。最近，弗兰克【3】使用了3轴铣床和第4轴索引作为一个有效的快速成型机。铣刀被证明可以更好的匹配的零件几何表面，较高的材料去除率，以及比球铣刀更长的刀具寿命【4】。叶和洛夫特斯【5】展示了在3轴机床上利用斜立铣刀生产低曲率表面的能力。然而，大表面曲率变化对机器来说有必要确定一个加工方向和在与每一个方向上相关联的顺与加工方式。因此，对于复杂零件来说成功创建实施一个有效的多方向的3轴可加工性分析是至关重要的。许多研究人员研究了加工性能分析和与之密切相关的工件安装问题。大部分的方法都是基于光线的无障碍和能见度。苏和慕克吉【6】提出了一个方法来确定可加工性的多面体对象。凸封闭对象由在封闭面对象水平方向上的每个正交可见的零件组成。然后，该部分被认为是在封闭对象的水平矢量方向进行切削的。后来，陈和胡利用能见度分析计算几何球面【7】他们开始执行了可用于确定工件安装和机械的选择几何算法。汤【8】制定作为球形找到最大的交集多边形的工件定位的问题。甘【9】讨论它的性质并提出了建设球形图的有效方法：用高斯图形计算能见度图形。陈等【10】在球型凸多边形领域解决3、4、5轴球头铣刀确定工件最优方向几何问题。通过使用一个零件表面特定部分可以产生能见度图形；因此，它不能保证整体无障碍。杨等【11】在凸面分析的基础上不依赖图形能见度来计算锥体能见度。尹等【12】定义完全可视性和部分能见度并提交了一份C空间为基础来计算锥体能见度。在某些情况下，表面有一个很大的修改。瑞和康【14】建造了一个球形映射二进制数计算椎体能见度，以解决加工的配置问题，包括工件安装定位。一个已用的三角形补丁是在单元球上测试整体能见度。达利瓦等。【15】提出了用锥体无障碍来计算多面体对象的类似的方法，但必须有确切的数学条件和算法。巴拉苏布拉马尼亚姆等。【16】通过计算机硬件分析能见度。弗兰克等【17】分析了两维的立体片整体可见性，并搜查了第四轴通过执行一个算法来转移刀具的加工方向。所有这些能见度为基础的做法确定了可加工性的必要条件; 但是，他们忽视了几何工具，因此，真正的可加工性是没有保障。图1显示基于-线光能见度的锥体不能保证用大型工具加工的1段ij实现真正的无障碍。图1根据光线和工具的大小来实现无障碍苏和慕克吉【6】考虑通过抵消原来零件表面刀具半径建立一个新的零件模型。通过此偏移零件来使实现可加工性得到进一步保证。此方法对球头铣刀加工性分析是有效的。但现在没有这样平面铣刀, 因为通过工具倾斜角度的转变平面铣刀的有效半径也是可变的。Haghpassand和奥利弗【18】和拉泽维奇和古德曼【19】考虑零件表面和刀具几何形状。不过，工具的大小是没有考虑到，因为高斯映射不传达任何部分的表面和工具的大小的信息。巴拉苏布拉马尼亚姆等。【16,20】通过之前进行碰撞结果检测的5轴加工刀具插补路径来验证工具的态势。在过去几年，基于特征技术在制造业研究界有积极的作用Regli【21】Regli等。【22】，和古普塔和钮【23】通过计算功能无障碍的数量和检验与零件特征无障碍体相交来讨论和检查功能无障碍。古普塔和钮【23】承认所有的加工操作，是由机器生成的计划的一部分，并根据不同的计划的设计需要进行检查和评价。阿由古普塔等人制造的全面调查文件。24审查基于特征的可制造性评价系统。陈和沙【25】 在去除量和工件之间的功能分类和分析面临的自由度来检查功能无障碍。盖恩斯等调解员制度的报告。【26】用知识的生产设备，以确定在部分模型制作功能。测试与相交部分进行无障碍的研究。法拉杰【27】双方讨论了2.5维正面和负面的辅助功能。其他研究人员提出了功能为基础的方法来确定工件设置【28-31】。虽然基于特征的方法有能力来处理基于特征的设计，他们不能把自己放在自由曲面的定义功能可能不存在的地方。此外，基于特征的方法，建议所有的专题，包括几何元素被视为一个实体。在实际上加以限制规定，成一个零件分析模型。例如，在一个方向可能是机器的一个零件特征的一部分，然后在一个或多个连续的方向上完成其余表面的功能。目前的问题是弗兰克等人提出的基于快速加工战略的文件的地址。【3】即一部分用设置一个单一的方向旋转轴的多数3轴机床来加工。 图2安装快速加工程序该战略用带第四轴索引的3轴数控铣床实施。圆的储备材料是用来固定的两个对立的夹头与操作旋转的索引。对于每个方向，所有可见的表面利用简单的工具规划加工路径。每个工件通过设置碰撞抵销来实施快速加工，可避免工具与持有人之间碰撞的危险。最大刀具直径用来计算碰撞抵消使得在每一个碰撞不必要的部分抵销这一功能，这种方法的性质表明，没有必要进行任何表面完全是在任何特定方向加工。我们的目标是在所有方向上简化机械的所有表面。所需的机器模型旋转次数与其几何复杂性相关。图3说明了创建一个典型的复杂零件采用这一战略的过程步骤。图3快速加工过程步骤当前，必要的切割方向是由不能进入正交旋转轴的二维能见度图决定的。几何片的横截面从一个用于二维能见度映射的STL模型来的。这些片由于生成的正交轴能见度接近了沿旋转轴零件的整个表面。上述文献的审查表明，现有的可加工方法无法计算设置的方向，这样，人们可以机器上切削所有表面。因为以无论二维或三维椎体能见度为基础的办法没有传达的工具和工件的大小信息，因此，不能保证真正的无障碍，或基于特征的办法不能应付复杂曲面加工，因为一些传统功能可用自由形式确定零件表面。一种有效的机械加工性能的分析方法是对multisetup 3成功实施轴端铣的先决条件，以达到需要的4 - 或许5轴加工。一种有效的可加工性分析方法，将决定，给予加工方向一个特定大小的立铣刀，有多少零件表面可以加工就这项加工方向相关联。本文的重点是目前分析功能有无可加工性，用一轴的旋转设置可以判断所需的全部机器的零件表面设置编号。在本文所提出的机械加工性能分析方法完全有别于以往的工作。我们把表面部分见到了简单的片上线段；因此，任何CAD模型可以导出为一个STL文件和研究。因为我们只是假定部分是旋转轴加工；因此，它比简单地分析三维表面几何二维切片简单得多。本文的其余部分安排如下。在科2所使用的定义整个文件列。科3讨论了进一步详细可加工性分析方法，科4列出的可加工性分析方法的实施。最后，提供结论和未来的研究事业。2 定义尽管以前的研究人员已经确定在其工作中的知名度和可加工性的概念，首先，相似的定义用来澄清可见性和可切削性之间的区别。其次，工具空间的概念介绍机器障碍空间的范围。获得确定可切削性的存在的情况。在本节规定的定义，用于在本文的其余部分随后的讨论。能见度：表面S上的一个点p由是可见的外部点q发出了一个光线，如果满足条件。可加工性：表面S上的一个点p是由某类型和大小的工具T加工，如果、。T在刀具位置CL代表工具表面从方向接近。根据定义，可切削性与可见性拥有可及性的同一个概念，但是他们并不相同，也就是说可切削性考虑到切割工具的大小和形状而不是对待它作为光线。所以，可切削性可能保证真实的可及性，而可见性仅是可切削性的一个必要条件。因此，可见性是可切削性的一个子集。换句话说，可加工性可以保证能见度。不同的是能见度角方向的表达，形成一个锥形物，有被用于描述可加工性的两个参数。如果一种刀具的类型和大小是指定的话，他们是刀具位置和接近的方向。在接近的方向上仅允许切割工具接近和触到第p点的刀具位置，可加工性没有任何其他表面部分存在。类似于一个特性的能见度的概念，一个特性的可加工性(一条线，一条曲线，或者由一套点组成的几何学的一块表面) 是属于每个机械加工的该特征点。类似局部能见度的概念(PV)，除完全可切削性之外的概念的部份可切削性也可能被定义。部分可加工性：如果在那个这样的特性上至少存在一个点没有刀具位置CL，一个特性沿着方向是部分地可加工的。为了它存在满足条件、。完全可加工性：一个功能在方向上是完全可切削的，如果每个特征点至少有一个到位的CL能被用来保证、。注意到，完全的可加工性可能为了一个点或者一个特性存在，而部分的可加工性仅仅为了一个特性存在，因为一个点只能是据说可加工或非可加工。如果可切削性存在一个接近的取向，切实可行的刀具位置CLs的数字可能随着一个表面上的不同的点变化。因为更可能是以CLs为工具道路和设定计划，提供更多选择与更加可行的CLs点则更加容易用机器制造。需要测量刀具的位置空间导致概念空间的工具。工具功能F空间，是每一个属于至F点工具空间联盟，当在几何学的实体周围没有障碍时，一个工具空间到达其最大限度工具价值空间。在这里，我们除去考虑部分之外的整个表面障碍。从而，相应的障碍空间被定义为障碍空间。刀具空间：所有可行的刀具地点合计为从一个方向形成一个区域称为工具的空间一点p，。因为它将进入障碍，刀具不能进入障碍域空间。计算工具空间是从最大限度工具空间减去所有障碍空间。如果使用Eq计算工具空间。(1)不是空的，那么可加工性存在； 否则，几何学的实体是非机器。在本文中提出的可加工性分析方法基于Eq。（2）。工具空间实际上是可切削性措施，因为它告诉可切削性的存在，如果它存在。一旦工具空间被决定了，它导致的可加工的范围能被获得。可加工范围: 最高切削部分的特征功能给了符合功能范围的刀具空间，上述的定义将在整个本文的其余部分中被使用。3 可加工性分析本文提出的可切削性分析方法根据位形空间的概念（C空间）。机器人空间行动计划首先由佩雷斯申请C空间的概念【32】。C空间的基本的想法是对于它周围障碍的一种环境中的一种活动的机制里找到聚合有效的空间配置。最近，C空间已用于工具的多轴加工路径规划。蔡等人。【33】提出一种基于C空间的方法，用工具加工的3轴数空机床制造通过变换被设计的部分表面在C空间的元素和切削刀作为在安全空间的一个移动的对象。以C空间代表和计算使用部分的Z地图模型。蔡和高【34】被合并的C空间到自由形态模子洞用机器制造的电脑自动处理计划里。 Morishige等。【35】使用C空间引起5轴圆头槽铣刀的工具道路【36】5轴平端铣的优化工具取向用在C空间的一个查寻方法。C空间的切割工具，被定义当在Sec.2的工具空间，为工具道路计划提供安全空间;因此，基于C空间的工具道路总是半圆凿自由冲撞。工具空间能被视为聚合所有可能的工具道路。如果工具空间存在，则至少一个工具道路可以引起零件表面对应的几何点，因而，这个点有可加工性。所以，通过测试在表面的每点工具空间，这表面点是否有可加工性在理论上是可行的。本文的可加工性方法沿着旋转轴输入的是一个STL模型的片段文件。一个STL模型是一个近似于三角形的部分，目前是事实上的快速原型系统的标准文件格式。镶嵌工艺的设立指定使一个STL模型可以持续逼近误差，部分表面和镶嵌三角形之间的偏差。每一三角形的大小和形状得创造对其部分表面上的当地的地区是适应的。因此，与Choi使用Z地图模型相比。【33】，实质上是一个相等间距抽样模型，STL模型的切片文件是原始部分表面的一个更加精确和更加高效率的表示法。零件的STL模型的切的过程，也许是一个基于特点的部分或自由几何形态，分解成许多线段的多边形表面的部分。这些线段基本上是在本文提出的方法里唯一代表的“功能”。 其目的是绘制段或部分，在每个方向切削的部分，以便为取向的最低值，可以发现，这样各阶层在安装方向完成后加工。每一片段文件的线片断关于工具接近方向是或者是垂直或者是倾斜的。如果垂直的情况发生，对于每一那条线片断上的点的障碍和他们的相应的障碍空间是同样的。这实际上是静态障碍情况。一二维的C空间分析同时能为了所有那些点被执行，考虑到上述所有相邻节段障碍。第3.1节详细讨论了垂直案。然而，如果被检查的线片断在工具方向上是倾斜的，则每个片段上的点的障碍是可变的。电动-障碍环境为机械加工分析程序产生困难。对于这一个情形的解决将会在段被呈现3.2。3.1 垂直的情况：用于本文的坐标系统与3轴铣削中心的一致，据此，部分切片沿x轴的机器发生的坐标系，每片是在YZ平面。我们使用Pi,jPi,j+1代表当前进行可切削性分析过程的段图4可加工性的垂直情况3.2 倾斜情况：3.2.1动态障碍物环境。对于多数案件的可切削性分析的线段，切口取向是没有垂直，而是倾斜的。这制定在相当大的程度上不同于以前描述的仅仅有静态障碍的垂直情况的可加工性分析。基本的原因是基于二维的C空间的静态障碍可加工性分析不为了倾斜的情况工作，其特点是动态的障碍。用机器制造的每点最大工具空间在间接格之下是不变式半圈弧，在图5显示图5倾斜切割的最大工具空间3.2.2有效的障碍的相对移动。虽然整个三维C空间不会为每线段修建，每一在不同的高度的障碍片断的有效的障碍空间能被人们认为将有具有分析下面的点的相对的运动能力，指的是第6图中的例子。图6有效障碍的变化基于上述情况下，一旦阶段的有效障碍属于已知的的价值，挖出的空间弧工具可以计算如下：对于第1阶段dmdds第二阶段d=dm第三阶段deddm当ded0当0d。参数t来自参数。所有点， 同为线段 映射多边形障碍图8在YZ平面上的多边形障碍图9在DT平面上的多边形障碍3