創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計(jì)-多功能可調(diào)角度床的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、三維模型、說明書】,含CAD圖紙、三維模型、說明書,創(chuàng)新,機(jī)械設(shè)計(jì),多功能,可調(diào),角度,設(shè)計(jì),CAD,圖紙,三維,模型,說明書 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 指導(dǎo)教師： 職稱： 教授 所在院（系）： 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 教研室（研究室）： 題 目 多功能可調(diào)角度床的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 一、選題質(zhì)量：（主要從以下四個(gè)方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，能否體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化及實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等實(shí)際的結(jié)合程度） 該畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是多功能可調(diào)角度床的設(shè)計(jì)，課題設(shè)計(jì)的是一種普通家庭用的自動(dòng)調(diào)節(jié)床的不同位置角度的變化，用于實(shí)現(xiàn)人不同體位的需要，如抬背、曲腿等。 內(nèi)容涉及到多功能床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和總體布置，還有一些機(jī)械零件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，與專業(yè)課程緊密聯(lián)系，符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。在設(shè)計(jì)工作中，需要對(duì)所學(xué)的知識(shí)綜合的加以運(yùn)用，使之能夠熟練應(yīng)用有關(guān)參考資料、計(jì)算公式、手冊(cè)；熟練有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，以及相關(guān)的機(jī)械軟件，如AutoCAD、Pro/E，該設(shè)計(jì)體現(xiàn)了綜合訓(xùn)練的能力。 該設(shè)計(jì)需要通過對(duì)相關(guān)的參考資料進(jìn)行整理歸納，查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，同時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況考慮問題，工作量比較大，題目難度中等。課題與機(jī)械專業(yè)緊密相關(guān)，與實(shí)際生產(chǎn)生活結(jié)合緊密。選題貼近生活，貼近實(shí)際。 二、開題報(bào)告完成情況： 從適合實(shí)際工作要求出發(fā)，確定了明確的課程設(shè)計(jì)方向；并對(duì)多功能可調(diào)角度床在設(shè)計(jì)和使用中常出現(xiàn)的問題有一定的研究，且應(yīng)用在設(shè)計(jì)計(jì)算中；已經(jīng)開始對(duì)課題進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并有了突破性的進(jìn)展，設(shè)計(jì)過程已經(jīng)快速的展開，確定了工作的內(nèi)容和方法；同時(shí)，已經(jīng)完成了對(duì)相關(guān)資料的查閱，對(duì)課題有了總體的分析。開題報(bào)告順利完成。 三、階段性成果： 總體布置方案和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定，并完成一些標(biāo)準(zhǔn)件的選型和多數(shù)零部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算工作。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核工作正在進(jìn)行中，部分零件圖的繪制已經(jīng)基本完成，已開始制作設(shè)計(jì)說明書的工作。 四、存在主要問題： 1、由于多功能可調(diào)角度床的功能要求和床體本身的空間限制，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)和動(dòng)力元件空間位置安排受限。 2、由于床體本身空間結(jié)構(gòu)較小，只要在能夠?qū)崿F(xiàn)床的多個(gè)角度變化的功能要求范圍內(nèi)，使多功能床的整體質(zhì)量和成本大大減少，應(yīng)該從機(jī)構(gòu)的類型、樣式，傳動(dòng)方式和力學(xué)角度去改進(jìn)。 3、局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路不清晰；設(shè)計(jì)內(nèi)容不夠連貫，系統(tǒng)性不強(qiáng)；在局部結(jié)構(gòu)及零件結(jié)構(gòu)上存在一定的問題；在選用零件和確定結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)時(shí)缺乏經(jīng)驗(yàn)。 4、獲得的資料不夠充分，資料陳舊。 五、指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生在畢業(yè)實(shí)習(xí)中，勞動(dòng)、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展等方面的評(píng)語 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日 2 摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，其中對(duì)于床的舒適度和多功用要求也越來越高。 多功能可調(diào)角度床是一種針對(duì)普通人群的自動(dòng)化舒適性生活需要而設(shè)計(jì)的，能隨意調(diào)節(jié)床的背部和腿部的角度。它既可以通過控制器來實(shí)現(xiàn)家庭生活的自動(dòng)化，又可以使人民的生活更加舒適更加方便，從而提高家居生活的質(zhì)量。 課題設(shè)計(jì)一種用于普通家庭使用的多功能床，解決人身體和生理方面的需要（抬背、曲退等）。該設(shè)計(jì)對(duì)多功能床的各項(xiàng)功能進(jìn)行了方案的選擇、原理分析、零件尺寸計(jì)算及強(qiáng)度校核，使其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)功能的正常運(yùn)動(dòng)。并采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件Pro ENGINEER對(duì)其進(jìn)行建模和裝配，最后對(duì)其整體方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。 關(guān)鍵詞：多功能床 原理分析 零件尺寸計(jì)算 強(qiáng)度校核 Pro ENGINEER運(yùn)動(dòng)仿真 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 people's 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 V 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 前 言 1 第1章 緒論 3 1.1 課題的目的和意義 3 1.2 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 3 1.2.1 多功能床的分類 4 1.2.2 多功能床結(jié)構(gòu)的發(fā)展 6 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 7 1.4 本章小結(jié) 8 第2章 多功能床結(jié)構(gòu)的整體方案 9 2.1 多功能床的工作要求 9 2.1.1 多功能床的工作環(huán)境 9 2.1.2 多功能床的位姿和控制要求 9 2.2 多功能床總體方案構(gòu)思 9 2.2.1 構(gòu)思的提出 9 2.2.2 相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn) 10 2.2.3 多功能床的組成 11 2.3 本章小結(jié) 12 第3章 多功能床的方案選擇和比較 13 3.1 多功能床方案一 13 3.1.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 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 床板結(jié)構(gòu)示意圖 15 3.2.2坐起及曲腿的方案 16 3.3 方案的對(duì)比和選擇 17 3.4 本章小結(jié) 18 第4章 多功能床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 4.1 基本參數(shù)的設(shè)計(jì) 19 4.2 抬背機(jī)構(gòu) 19 4.2.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 19 4.2.2 抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（圖解法） 20 4.2.3 抬背機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的選擇 22 4.3 曲腿機(jī)構(gòu) 23 4.3.1 曲腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 23 4.3.2 曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（圖解法） 25 4.3.3 曲腿機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的選擇 28 4.4 本章小結(jié) 29 第5章 零件的設(shè)計(jì)和校核 30 5.1 絲杠的設(shè)計(jì)與校核 30 5.1.1 抬背絲杠尺寸的設(shè)計(jì) 30 5.1.2 抬背絲杠的強(qiáng)度校核 30 5.1.3 曲腿絲杠的尺寸設(shè)計(jì) 31 5.2 插桿軸的設(shè)計(jì)和校核 32 5.3 抬背機(jī)構(gòu)中的零件的設(shè)計(jì)和校核 33 5.4 曲腿機(jī)構(gòu)中零件設(shè)計(jì)與校核 35 5.5 本章小結(jié) 37 第6章 多功能床的PRO ENGINEER建模與仿真 38 6.1 Pro/ENGINEER建模 38 6.2 Pro/ENGINEER仿真 42 6.3 本章小結(jié) 43 第7章 設(shè)計(jì)總結(jié) 44 7.1 方案的評(píng)價(jià)與成本的估算 44 7.2 多功能床的主要優(yōu)點(diǎn) 44 7.3 設(shè)計(jì)中存在的問題和改進(jìn)建議 45 致謝 46 參考文獻(xiàn) 47 附錄： 48 外文資料與中文翻譯 48 48 前 言 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來越高，其中對(duì)于床的舒適度和多功用要求也越來越高。所以對(duì)于多功能床的研究設(shè)計(jì)越來越多得到人們的關(guān)注和支持。 多功能床的使用現(xiàn)階段多用于醫(yī)療護(hù)理方面，并且在醫(yī)療護(hù)理方面有了一定的發(fā)展。多功能護(hù)理床一般根據(jù)其完成動(dòng)作的多少和完成的效果可分為以下幾類：功能基本型護(hù)理床、功能普通型護(hù)理床和功能高級(jí)型護(hù)理床。多功能護(hù)理床在國內(nèi)的設(shè)計(jì)研究尚處于初級(jí)階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進(jìn)一步的完善。國外護(hù)理床的研究以德國、日本為代表，各種護(hù)理功能正在逐步完善，成熟。但因其價(jià)格昂貴（一般售價(jià)在20 萬人民幣以上），很難為一般的消費(fèi)者所接受。 然而專門針對(duì)于普通家庭用戶設(shè)計(jì)使用的多功能床并不是很多，本文所設(shè)計(jì)的多功能床則是面對(duì)普通家庭，普通人群，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注重多功能床的實(shí)用性，舒適性，方便性和可靠性，同時(shí)應(yīng)該注意控制成本。本文所設(shè)計(jì)的多功能床通過簡單的連桿機(jī)構(gòu)來完成對(duì)人體的坐起，曲腿等動(dòng)作。它既可以通過控制裝置來實(shí)現(xiàn)家庭生活的自動(dòng)化，又可以使人民的生活更加舒適更加方便，從而提高了家居生活的質(zhì)量。 本課題所設(shè)計(jì)的是一種適用于普通家庭使用的多功能可調(diào)角度床，用于解決人身體和生理方面的需要（抬背、曲退等）。該設(shè)計(jì)對(duì)多功能床的各項(xiàng)功能進(jìn)行了方案的選擇、原理分析、零件尺寸計(jì)算及強(qiáng)度校核，使其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)功能的正常運(yùn)動(dòng)。并使用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件Pro ENGINEER對(duì)其進(jìn)行零件的建模和整體裝配，并完成對(duì)整體多功能床方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。 第1章 緒論 1.1 課題的目的和意義 多功能床是針對(duì)普通家庭成員滿足其對(duì)生活質(zhì)量和舒適度需要而設(shè)計(jì)的，能通過控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)來隨意調(diào)節(jié)床的背部和腿部的角度。即使是生活不能自理的人，護(hù)理人員也可以通過床邊的控制器進(jìn)行操作，減少照顧病、殘患者的勞動(dòng)強(qiáng)度。課題根據(jù)實(shí)際情況和現(xiàn)有的研究要求，設(shè)計(jì)一種用于普通家庭使用的多功能床，解決人民的身體和生理方面的需要（抬背、曲腿等），也提高了人民的生活質(zhì)量。針對(duì)市場(chǎng)需求開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用方便的多功能床并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)于產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化具有重要的意義。 1.2 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì) 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來越高，其中對(duì)于床的舒適度和多功用要求也越來越高。所以對(duì)于多功能床的研究設(shè)計(jì)越來越多得到人們的關(guān)注和支持。 多功能床的使用現(xiàn)階段多用于醫(yī)療護(hù)理方面，并且在醫(yī)療護(hù)理方面有了一定的發(fā)展。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人口壽命不斷延長，思想的進(jìn)步，城市人口正逐步進(jìn)入老齡化,人口老齡化已成為世界范圍內(nèi)的社會(huì)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲發(fā)達(dá)國家和日本的老年人獨(dú)居率已高達(dá)40%，如此之高的比例迫使社會(huì)采取措施解決老年人的護(hù)理服務(wù)問題。如果完全依靠家庭人工照料，與西方國家子女與老年人分居、家庭規(guī)模小型化的觀念有抵觸之處。我國60 歲及其以上老年人口已達(dá)1.32 億, 占全國總?cè)丝诘?0%, 并以年均3.32%的速度持續(xù)增長。其中“空巢家庭”占所有老齡家庭總數(shù)的25.8%,在一些大城市中該比例更大，解決因身體虛弱臥床不起或因疾患導(dǎo)致生活不能自理的老年人的家庭照料與看護(hù)問題是人口老齡化國家所面臨的共同問題。為此, 國家也大力加強(qiáng)了對(duì)護(hù)理機(jī)器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人或長期使用病床的病人提供一個(gè)集護(hù)理和排泄等各功能于一體的多功能護(hù)理床?，F(xiàn)在家庭需求護(hù)理床的潛力日益增加,以前是簡易的護(hù)理床,后來加上護(hù)欄,餐桌;再后來加上大便孔,輪子;現(xiàn)在產(chǎn)生了很多集多功能為一體的多功能,電動(dòng)護(hù)理床,極大的提高了患者的康復(fù)護(hù)理水平,也為護(hù)理人員提供了極大的方便,所以操作簡單,功能強(qiáng)大的護(hù)理產(chǎn)品越來越受到追捧。 1.2.1 多功能床的分類 多功能床床在國內(nèi)的設(shè)計(jì)研究尚處于初級(jí)階段，產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、造型有待進(jìn)一步的完善。國外護(hù)理床的研究以德國、日本為代表，各種護(hù)理功能正在逐步完善，成熟。但因其價(jià)格昂貴（一般售價(jià)在20 萬人民幣以上），很難為一般的消費(fèi)者所接受。護(hù)理床的基本分類情況如下： 圖1-1 護(hù)理床分類狀況 表1-1護(hù)理床分類概括 名稱 優(yōu)點(diǎn) 存在問題 功能基礎(chǔ)型護(hù)理床 1、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝簡單，易于制造。2、價(jià)格便宜。 1、功能比較簡單，不能實(shí)現(xiàn)使用者的護(hù)理要求。2、手動(dòng)為主，操作繁瑣。3、造型傳統(tǒng)，舒適性差。4、應(yīng)用范圍窄。 功能普通型護(hù)理床 1、一般為電動(dòng)，用戶可簡單操作控制。2、能完成基本的護(hù)理功能。3、增添了輔助功能接口。4、整體造型，色彩改進(jìn)，具有一定的親和性。 1、市場(chǎng)售價(jià)偏高。2、功能啟動(dòng)柔性差，銜接不連貫。3、功能一體化造成功能浪費(fèi)。4、生產(chǎn)技術(shù)含量低，容易被仿制。5、文字，圖像識(shí)別功能差 功能高級(jí)型護(hù)理床 1、護(hù)理功能完善。2、功能調(diào)整定位準(zhǔn)確，連貫性好，基本無噪音。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全。4、造型新穎，有較強(qiáng)的親和力。5、文字，標(biāo)志容易識(shí)別。 1、市場(chǎng)售價(jià)昂貴。造成功能浪費(fèi)嚴(yán)重，造成額外的經(jīng)濟(jì)成本。2、整體可拆性差，運(yùn)輸、組裝繁瑣。3、對(duì)患者康復(fù)功能的考慮較少。 從近年來的發(fā)展來看，國內(nèi)的發(fā)展迅速，各種結(jié)構(gòu)、功能等等各異的護(hù)理床層出不窮。發(fā)展方向主要向機(jī)器人模塊化的自動(dòng)控制方向發(fā)展。 1.2.2 多功能床結(jié)構(gòu)的發(fā)展 結(jié)構(gòu)功能單一的護(hù)理床已經(jīng)逐漸隱退。如今護(hù)理床床體本身的構(gòu)件要實(shí)現(xiàn)多種功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左側(cè)翻、右側(cè)翻、、潔便門開關(guān)裝置及沖洗馬桶和沖洗身體的裝置,另外還有烘干和抽風(fēng)的設(shè)備。各個(gè)部分可以獨(dú)立的運(yùn)行來完成相應(yīng)的動(dòng)作,同時(shí)將單個(gè)功能組合起實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。譬如病人躺在床上排泄問題的解決,改變靠背板的仰角或者左右的側(cè)翻以取得舒適的姿態(tài),護(hù)理人員對(duì)潔便池的清洗等。 如今多功能床的各種類型： 圖1-2 多功能醫(yī)用護(hù)理床的各種類型 多功能護(hù)理床實(shí)現(xiàn)的各種動(dòng)作： 圖1-3 側(cè)背 圖1-4 抬背和曲腿 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 鑒于普通人群對(duì)生活質(zhì)量的要求、本身的生理?xiàng)l件以及國內(nèi)外市場(chǎng)的需求的不斷擴(kuò)大，本文提出一種適用于普通家庭且身體狀況正常人群的多功能可調(diào)角度床，提出幾種多功能床的抬背機(jī)構(gòu)以及曲腿機(jī)構(gòu)，通過控制多臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)整臺(tái)多功能床工作。實(shí)現(xiàn)床面的多種姿勢(shì)的切換，達(dá)到滿足各種功能要求的床。主要研究內(nèi)容如下： (1)設(shè)計(jì)各種多功能床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并用圖解法的方法得到初始設(shè)計(jì)尺寸。 (2)利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro ENGINEER，根據(jù)初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)其建模，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)。 (3)利用Pro ENGINEER對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，用于檢查模型中是否存在干涉，機(jī)構(gòu)是否能夠完成預(yù)先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)。 (4)對(duì)多功能床的主要零件進(jìn)行受力校核，檢驗(yàn)整臺(tái)多功能床使用的安全性及穩(wěn)定性。 (5)繪制整臺(tái)多功能床的裝配圖，主要的零件圖和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡圖。 1.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了課題的目的和意義，目多功能床在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)和各類多功能床的比較，在多個(gè)方面表明了當(dāng)今多功能床各個(gè)模塊的發(fā)展情況，最后根據(jù)研究分析確定了自己所需完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 第2章 多功能床結(jié)構(gòu)的整體方案 2.1 多功能床的工作要求 2.1.1 多功能床的工作環(huán)境 多功能可調(diào)角度床的設(shè)計(jì)應(yīng)用于家庭居室，室內(nèi)溫度變化不大無需特別考慮，但是需要考慮到環(huán)境對(duì)噪聲的限制，故設(shè)計(jì)時(shí)電機(jī)類型及型號(hào)的選取應(yīng)滿足工作噪音低于20分貝，床體材料也需要得到考慮，并且在床體上附加一些必要的減震降音材料，如橡膠墊片、彈簧墊圈等。 2.1.2 多功能床的位姿和控制要求 多功能床應(yīng)該滿足人們所需的各種必要的體位位姿，這些體位位姿包括抬背、屈腿。為了方便人們看書、學(xué)習(xí)和工作等的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮能使人在床上可以實(shí)現(xiàn)坐姿。同時(shí)多功能床還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)人的抬腿坐姿體位，以減輕人由于盤腿坐起時(shí)的不舒適感。對(duì)多功能床的控制方式，可以采用鍵盤按鈕操縱，方便自己或他人對(duì)其進(jìn)行控制。 2.2 多功能床總體方案構(gòu)思 多功能床的總體構(gòu)思包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及總體位姿協(xié)調(diào)等問題。 2.2.1 構(gòu)思的提出 通過分析現(xiàn)有的多功能床設(shè)計(jì)，我們很容易發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)床面某一個(gè)特定的體位姿態(tài)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法就會(huì)設(shè)計(jì)一套特定的機(jī)構(gòu)與之對(duì)應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來越多時(shí)，所需機(jī)構(gòu)數(shù)目也隨之增加，同時(shí)空間體積也隨之膨脹。而床體的總體積是有一定限制的，即床體的長、寬、高尺寸必須按照有關(guān)多功能床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制在某一個(gè)空間范圍之內(nèi)，才能夠既滿足人民的舒適感的要求又滿足空間限制要求。多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)的技術(shù)是源于模仿人體的運(yùn)動(dòng)，人體的運(yùn)動(dòng)具有極大的柔性。受此啟發(fā)將多功能床的床面進(jìn)一步加以細(xì)分，成為彼此之間相互獨(dú)立的4個(gè)面板。如圖2-1所示。圖2-1中，床板1對(duì)應(yīng)于人體的背部，床板2對(duì)應(yīng)于人體的臀部，床板3人體的腿部，床板4對(duì)應(yīng)人體的腳部。通過各個(gè)床面板之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，采用單動(dòng)或聯(lián)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)多功能床所需的各種體位位姿。 圖2-1 多功能床床板圖 2.2.2 相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn) 為了滿足人們?cè)谑褂枚喙δ艽矔r(shí)的舒適程度以及有效提高床的自動(dòng)化。多功能床結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求: (1)能夠?qū)崿F(xiàn)多功能床所需的各種體位位姿要求。 (2)各個(gè)活動(dòng)床面板的擺動(dòng)角度范圍應(yīng)參照有關(guān)要求以及人體的舒適感，各床面板擺動(dòng)角度及標(biāo)準(zhǔn)如下： 背部床板擺動(dòng)角度：0°～70° 臀部床板擺動(dòng)角度：0°～8° 腿部床板相對(duì)水平面擺動(dòng)角度：0°～60° (3)多功能床床體的可靠性、穩(wěn)定性和安全性要符合相關(guān)要求。 (4)床體的結(jié)構(gòu)尺寸有一定的空間范圍限制。 2.2.3 多功能床的組成 多功能床從結(jié)構(gòu)和功能上分為：床框架、平面連桿機(jī)構(gòu)、床板、控制系統(tǒng)組成。 圖2-2 多功能床系統(tǒng)框圖 床框架除了固定的機(jī)械機(jī)構(gòu)以外，還包括各個(gè)電機(jī)安裝模塊。平面連桿機(jī)構(gòu)包括：抬背機(jī)構(gòu)、抬臀機(jī)構(gòu)、曲腿機(jī)構(gòu)。床板由床板框架和床板面板組成，整臺(tái)多功能床中共有兩臺(tái)直流電機(jī)，分別完成頭部升降、腿部屈伸動(dòng)作。本課題工作重點(diǎn)在平面連桿機(jī)構(gòu)部分，包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)，整個(gè)多功能床三維模型建立，整床的裝配及運(yùn)動(dòng)仿真。 2.3 本章小結(jié) 本章圍繞多功能床的總體構(gòu)思而展開，通過論述多功能床所處的工作環(huán)境及位姿要求，指出了多功能床設(shè)計(jì)時(shí)所需的各項(xiàng)要求，以這些要求為契機(jī)，提出了多功能床的總體方案的構(gòu)思，包括整體設(shè)計(jì)的構(gòu)思思路，多功能床結(jié)構(gòu)形式的初步探討，多功能床的各個(gè)組成部分。 第3章 多功能床的方案選擇和比較 3.1 多功能床方案一 3.1.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 圖3-1 方案一：床板結(jié)構(gòu)示意圖 床板分為4塊，相互間用合葉鉸接，如圖3-1所示。工作時(shí)，坐起時(shí)1板繞Y1軸向上翻轉(zhuǎn)；抬臀時(shí)2板繞Y2軸向上翻轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)3板Y3翻轉(zhuǎn)；曲腿時(shí)3板繞Y3向下翻轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)4板繞Y3翻轉(zhuǎn)；墊腳板4通過各機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)配合作用使其放平用于墊腳。未工作時(shí)床板水平置于床架上，和普通床一樣。采用這種結(jié)構(gòu)的床板，制造簡易，且很輕松的克服了各功能件的相互干擾，滿足了各個(gè)功能協(xié)調(diào)動(dòng)作的要求。 3.1.2 坐起及曲腿方案 圖3-2 方案一：坐起及曲腿原理圖（平躺狀態(tài)） 圖3-3 方案一：坐起及曲腿原理圖（坐起及曲腿狀態(tài)） 這部分的設(shè)計(jì)，采取坐起和曲腿的功能分別驅(qū)動(dòng)的思想。如圖分別是床板平置和坐起及曲腿動(dòng)作完成之后的狀態(tài)。床板平置是，人躺在床上和普通床一樣。當(dāng)需要坐起時(shí)，由圖中左邊的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使得螺母副7向右運(yùn)動(dòng)，使得連桿6帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂5旋轉(zhuǎn)，最后轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)床板1繞G點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，從而使人坐起；當(dāng)需要曲腿時(shí)。同樣左邊的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使得螺母副8向左運(yùn)動(dòng)，使得連桿9帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂10轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)床板2繞G點(diǎn)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)臂10通過連桿11帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂12旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)床板3繞H點(diǎn)向下旋轉(zhuǎn)；床板3的帶動(dòng)床板4向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到腳步支撐時(shí)開始繞I點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，最后使得床板4處于水平狀態(tài)。其中電動(dòng)機(jī)有兩臺(tái)，床的前后各一臺(tái)，分別用于驅(qū)動(dòng)坐起和曲腿兩個(gè)運(yùn)動(dòng) 此方案主要為絲杠螺母副機(jī)構(gòu)和簡單的連桿機(jī)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，成本低廉，傳動(dòng)精確；缺點(diǎn)是承受的軸向推力大，效率低，摩擦嚴(yán)重。 3.2 多功能床方案二 3.2.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 圖3-4 方案二：床板結(jié)構(gòu)示意圖 床板分為3塊，，相互間用合葉鉸接(如圖)，坐起時(shí)床板1繞Y1軸向上翻轉(zhuǎn)；同時(shí)床板3繞Y2軸向下翻轉(zhuǎn)，達(dá)到曲腿的目的。未工作時(shí)，床板置于床架上，和普通床一樣。 3.2.2坐起及曲腿的方案 圖3-5 方案二：坐起及曲腿（平躺狀態(tài)） 圖3-6 方案二：坐起及曲腿（坐起狀態(tài)） 這部分的設(shè)計(jì)，采用坐起和曲腿的功能同時(shí)驅(qū)動(dòng)的思路。如圖分別是床板平置和坐起及曲腿動(dòng)作完成后的狀態(tài)。床板平置時(shí)，人平躺在床上和普通床一樣，桿4’、桿5和桿6組成的連桿機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)狀態(tài)，達(dá)到足夠的剛度和穩(wěn)定性。當(dāng)需要坐起時(shí)由圖中電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿1轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿1再驅(qū)動(dòng)蝸輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂運(yùn)動(dòng)，將床板9繞C點(diǎn)頂起，與此同時(shí)和蝸輪同步的帶輪2’帶動(dòng)小帶輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，4帶輪的旋轉(zhuǎn)使得曲柄連桿機(jī)構(gòu)中曲柄4’轉(zhuǎn)動(dòng)。擺脫死點(diǎn)狀態(tài)，搖桿6旋動(dòng)，使得床板7在重力的作用下繞D點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，最后同時(shí)滿足坐起和曲腿的功能。坐起和曲腿動(dòng)作如圖3-6所示。 該方案采用蝸輪蝸桿——帶輪傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)，沖擊載荷小，傳動(dòng)比大；缺點(diǎn)是效率低，磨損較為嚴(yán)重，且蝸輪蝸桿加工難度大，制作成本高。帶輪負(fù)載大時(shí)可以造成皮帶打滑，并且其曲腿和坐起只能同時(shí)滿足，無法獨(dú)立動(dòng)作。 3.3 方案的對(duì)比和選擇 表3-1 多功能床方案的對(duì)比 實(shí)現(xiàn)的功能 采用的機(jī)構(gòu) 實(shí)際情況 加工工藝及成本 方案一 坐起 絲杠螺母和連桿機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，效率低 加工容易，成本低 曲腿 絲杠螺母和連桿機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，效率低 加工容易，成本低 方案二 坐起 蝸輪蝸桿-帶輪組合傳動(dòng) 傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比大，效率低 加工困難，成本高 曲腿 蝸輪蝸桿-帶輪組合傳動(dòng) 傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比大，效率低 加工困難，成本高 綜合考慮各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)情況，制造的工藝以及加工成本，最終確定采用方案一。 3.4 本章小結(jié) 本章制定了多功能床的不同方案，用于實(shí)現(xiàn)多功能床的不同功能，并對(duì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的不同結(jié)構(gòu)和狀態(tài)進(jìn)行分析和研究，對(duì)各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，最終確定最優(yōu)方案。 第4章 多功能床機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 基本參數(shù)的設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)際情況確定多功能床的基本參數(shù)： 床的長度：2090mm（背部床板860mm，臀部床板400mm，腿床板445mm，腳部床板295mm及床板間間距30mm）； 床的寬度：860mm； 床的高度：650mm； 背部床板擺動(dòng)角度：0°～70°； 臀部床板擺動(dòng)角度：0°～8°； 腿板擺動(dòng)角度：0°～60°。 4.2 抬背機(jī)構(gòu) 抬背機(jī)構(gòu)是多功能床的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要的功能是實(shí)現(xiàn)人體的抬背及坐起功能。 4.2.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 多功能床的抬背機(jī)構(gòu)由絲杠螺母機(jī)構(gòu)、抬背連桿、抬背支桿、抬背滾子、背板以及部分床架組成。絲杠螺母機(jī)構(gòu)位于床架底部，螺母滑塊機(jī)構(gòu)可以在絲杠上左右運(yùn)動(dòng)，與其鉸接的是抬背連桿的一端，另一端鉸接于抬背支桿上，抬背支桿的一端鉸接于床架上，另一端通過滾子與背板連接，背部床板一端固定于床架上，使之充當(dāng)機(jī)架作用。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使位于絲杠上的螺母滑塊機(jī)構(gòu)左右運(yùn)動(dòng)，螺母滑塊機(jī)構(gòu)通過抬背連桿使得抬背支桿繞著與床架鉸接點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾子的作用，使得背板繞著它與床架的鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。簡圖如圖4-1所示。 圖4-1 抬背機(jī)構(gòu) 4.2.2 抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（圖解法） 多功能床的抬背機(jī)構(gòu)采用的是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的變形機(jī)構(gòu)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)為原動(dòng)件對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中，背部床板的長度為860mm，翻轉(zhuǎn)角度為70°。 圖解法設(shè)計(jì)抬背機(jī)構(gòu)，滾子的直徑設(shè)定為50mm，絲杠螺母的位置位于床板下400mm處，背部支桿與床架的交接點(diǎn)在床板下200mm，并且距離背部床板右側(cè)為200mm處。根據(jù)設(shè)計(jì)要求背板翻轉(zhuǎn)角度為70°，在AutoCAD中用旋轉(zhuǎn)命令確定床板運(yùn)動(dòng)后的位置，通過各桿件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和位置關(guān)系確定螺母滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程為281.82mm。初步設(shè)計(jì)完成后的尺寸及各安裝點(diǎn)位置圖如圖4-2所示。 （1）抬背機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算： 式中：n=5，p1=6，ph=1，F(xiàn)'=1（F為自由度，n為構(gòu)件數(shù)，p1為低副數(shù)，ph為高副數(shù)，F(xiàn)'為虛約束數(shù)）。 該機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)為1（螺母滑塊在絲桿上的的滑動(dòng)），與自由度數(shù)相同，所以該機(jī)構(gòu)可以滿足確定的運(yùn)動(dòng)。 圖4-2 抬背機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸及安裝點(diǎn)位置圖 （2）抬背過程中各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù) 通過AutoCAD軟件的旋轉(zhuǎn)功能確定背部床板翻轉(zhuǎn)過程中的每個(gè)位置、各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及螺母的行程。 表4-1 抬背時(shí)各構(gòu)件的運(yùn)行數(shù)據(jù) 背部連桿旋轉(zhuǎn)角度 背部床板翻轉(zhuǎn)角度 螺母運(yùn)動(dòng)行程 5° 3° 14.1mm 10° 3° 16.01mm 15° 3° 17.68mm 20° 4° 19.03mm 25° 4° 20.04mm 30° 4° 20.68mm 35° 4° 20.96mm 40° 4° 20.91mm 45° 4° 20.54mm 50° 4° 19.89mm 55° 5° 19.00mm 60° 5° 17.89mm 65° 5° 16.61mm 70° 6° 15.17mm 4.2.3 抬背機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的選擇 （1） 電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算 取抬背所用總時(shí)間t1=40s，背部床板的極限旋轉(zhuǎn)角度θ=70°，抬背支桿的旋轉(zhuǎn)角度為80°，所以抬背支桿的角速度： 抬背支桿的速度： 取負(fù)載T=1000N，則背部支桿傳遞的功率（忽略背部支桿的自重）： 電動(dòng)機(jī)的需用功率（忽略軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及抬背支桿的自重）： 查表得，絲杠的傳動(dòng)效率，凸緣聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率，深溝球軸承的傳動(dòng)效率，滾子的傳動(dòng)效率，代入得 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率 查表，選用額定功率為60W的單相電容式減速電動(dòng)機(jī)。 （2）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算 由圖4-2所示，坐起時(shí)螺母滑塊的行程距離為L1=281.82mm。設(shè)定絲杠的螺紋間距P=6mm，由此可以得到電動(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速為 所以，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選用75r/min。 4.3 曲腿機(jī)構(gòu) 曲腿機(jī)構(gòu)是多功能床的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要的功能是實(shí)現(xiàn)臀部床板的向上翻轉(zhuǎn)以及腿部床板的向下彎曲。在向下彎曲的時(shí)候，腳部床板跟隨腿部床板向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)腳部床板與腳部支撐板相接觸時(shí)，腳部床板繞圖3-1所示Y3軸向上翻轉(zhuǎn)，最后停止時(shí)處于水平位置。 4.3.1 曲腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 多功能床的曲腿機(jī)構(gòu)由2、3絲杠螺母機(jī)構(gòu)、4曲腿連桿、5臀部支桿、6連桿、7腿部支桿、8滾子、9臀部床板、10腿部床板、11腳部床板、12腳部支撐板以及部分床架組成。絲杠螺母機(jī)構(gòu)位于床架底部，螺母滑塊機(jī)構(gòu)可以在絲杠上左右運(yùn)動(dòng)，與其鉸接的是曲腿連桿的一端，另一端鉸接于臀部支桿上，臀部支桿的一端鉸接于床架上，另一端通過滾子與背板連接，背部床板一端固定于床架上，使之充當(dāng)機(jī)架作用，連桿的兩端分別于臀部支桿和腿部支桿相鉸接，從而使得臀部支桿的擺動(dòng)通過連桿帶動(dòng)腿部支桿的擺動(dòng)，腿部支桿一端鉸接與床架上，另一端通過滾子于腿部床板相接處。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使位于絲杠上的螺母滑塊機(jī)構(gòu)左右運(yùn)動(dòng)，螺母滑塊機(jī)構(gòu)通過曲腿連桿使得背部支桿繞著床架上的交接點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾子的作用，使得臀部床板繞著它與床架的鉸接點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸向上翻轉(zhuǎn)；臀部支桿通過連桿帶動(dòng)腳部支桿繞著床架的鉸接點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾子的作用，使腿部床板繞著它與臀部床板的鉸接點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸向下翻轉(zhuǎn)。簡圖如圖4-3所示。 圖4-3 曲腿機(jī)構(gòu) 1——電動(dòng)機(jī)；2——絲杠；3——螺母滑塊；4——曲腿連桿；5——臀部支桿；6——連桿；7——腿部支桿；8——滾子；9——臀部床板；10——腿部床板；11——腳部床板；12——腳部支撐板 4.3.2 曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（圖解法） 多功能床的曲腿機(jī)構(gòu)采用的是曲柄滑塊和四連桿的組合機(jī)構(gòu)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)作為原動(dòng)件對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中，臀部床板的長度為400mm，向上翻轉(zhuǎn)角度為8°，腿部床板的長度為445mm，向下翻轉(zhuǎn)的角度為60°，腳部床板的長度為295mm。 圖解法設(shè)計(jì)曲腿機(jī)構(gòu)：滾子的直徑設(shè)定為50mm；絲杠螺母的位置位于床板下400mm處：臀部支桿與床架的交接點(diǎn)在床板下200mm，并且距離臀部床板左側(cè)為200mm處；腿部支桿與床架的鉸接點(diǎn)在床板下200mm，并且距離腿部床板左側(cè)為21.29mm處。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了提高人體曲腿時(shí)的舒適度，臀部床板向上翻轉(zhuǎn)角度為8°，腿部床板相對(duì)水平位置向下翻轉(zhuǎn)60°，而腳部床板通過腳部支撐板的作用需向上翻轉(zhuǎn)120°，最后處于水平位置。在AutoCAD中用旋轉(zhuǎn)命令確定各個(gè)床板運(yùn)動(dòng)后的位置，通過各桿件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和位置關(guān)系確定螺母滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行程為141.08mm。初步設(shè)計(jì)完成后的尺寸及各安裝點(diǎn)位置圖如圖4-4所示。 圖4-4 抬背機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸及安裝點(diǎn)位置圖 （1）曲腿機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算： 式中：n=9，p1=11，ph=2，F(xiàn)'=2（F為自由度，n為構(gòu)件數(shù)，p1為低副數(shù)，ph為高副數(shù)，F(xiàn)'為虛約束數(shù)）。 該機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)為1（螺母滑塊在絲桿上的的滑動(dòng)），與自由度數(shù)相同，所以該機(jī)構(gòu)可以滿足確定的運(yùn)動(dòng)。 （2） 曲腿機(jī)構(gòu)的拆分 如將機(jī)構(gòu)的機(jī)架及與機(jī)架相連的原動(dòng)件從機(jī)構(gòu)中拆分出來，則由其余構(gòu)件構(gòu)成的構(gòu)件組必然是一個(gè)自由度為零的構(gòu)件組。把最后不能再拆分的最簡單的自由度為零的構(gòu)件組稱為基本桿組或阿蘇爾桿組，簡稱桿組。根據(jù)上面的分析可知，任何機(jī)構(gòu)都可以看作是由若干基本桿組依次連接于原動(dòng)件和機(jī)架上而構(gòu)成的。 對(duì)曲腿機(jī)構(gòu)簡圖（如圖4-5所示）進(jìn)行基本桿組的拆分。 圖4-5 曲腿機(jī)構(gòu)簡圖 對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行高副低代，并進(jìn)行基本桿組的拆分。由圖4-6曲腿機(jī)構(gòu)高副低代簡圖和圖4-7機(jī)構(gòu)分拆圖所示，最簡單的基本桿組是由2個(gè)構(gòu)件和3個(gè)低副構(gòu)成的，所以該機(jī)構(gòu)稱為Ⅱ級(jí)桿組。 圖4-6 曲腿機(jī)構(gòu)高副低代簡圖 圖4-7 機(jī)構(gòu)分拆圖 （3）曲腿機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中各構(gòu)件的數(shù)據(jù) 通過AutoCAD軟件的旋轉(zhuǎn)功能確定各個(gè)床板翻轉(zhuǎn)過程中的每個(gè)位置、各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及螺母的行程。 表4-2 曲腿過程中各構(gòu)件的運(yùn)行數(shù)據(jù) 臀部支桿旋轉(zhuǎn)角度 臀部床板翻轉(zhuǎn)角度 腿部支桿旋轉(zhuǎn)角度 腿部床板翻轉(zhuǎn)角度 腳部床板翻轉(zhuǎn)角度 螺母運(yùn)動(dòng)行程 5° 2° 5° 2° 0° 14.1mm 10° 1° 5° 3° 0° 16.1mm 15° 1° 5° 5° 0° 17.68mm 20° 1° 5° 7° 0° 19.03mm 25° 1° 5° 9° 0° 20.04mm 30° 1° 5° 11° 11° 20.68mm 35° 0.7° 5° 14° 42° 20.96mm 38° 0.3° 3° 9° 67° 12.57mm 4.3.3 曲腿機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的選擇 （1）電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算 取曲腿所用總時(shí)間t2=15s，臀部床板的極限旋轉(zhuǎn)角度θ=8°，臀部支桿的旋轉(zhuǎn)角度為38°，所以曲腿支桿的角速度： 曲腿支桿的速度： 取負(fù)載T=1000N，則曲腿支桿傳遞的功率（忽略背部支桿的自重）： 電動(dòng)機(jī)的需用功率（忽略軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及抬背支桿的自重）： 查表得，絲杠的傳動(dòng)效率，凸緣聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率，深溝球軸承的傳動(dòng)效率，滾子的傳動(dòng)效率，代入得 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際功率 查表，選用額定功率為40W的單相電容式減速電動(dòng)機(jī)。 （2）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算 由圖4-4所示，曲腿時(shí)螺母滑塊的行程距離為L2=141.08mm。設(shè)定絲杠的螺紋間距P=6mm，由此可以得到電動(dòng)機(jī)的最低轉(zhuǎn)速為 所以，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速選用100r/min。 4.4 本章小結(jié) 本章對(duì)抬背機(jī)構(gòu)和曲腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了基本尺寸的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了自由度計(jì)算，確認(rèn)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)滿足自由度的要求。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)行中的每個(gè)位置進(jìn)行了計(jì)算，確定各個(gè)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行位置。最后選出與本機(jī)構(gòu)相適應(yīng)的電動(dòng)機(jī)。 第5章 零件的設(shè)計(jì)和校核 5.1 絲杠的設(shè)計(jì)與校核 因?yàn)樵谑谷梭w坐起的支背絲杠與使人體曲腿的曲腿絲杠二者中，支背絲杠受力最大，故只需對(duì)該絲杠進(jìn)行校核即可。 5.1.1 抬背絲杠尺寸的設(shè)計(jì) 為了保證絲杠具有足夠的強(qiáng)度用于完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，查表1-3梯形螺紋基本尺寸得，確定絲杠直徑選定為d=38mm，螺距P=6mm的梯形螺紋；由于絲杠承受較大的軸向載荷，故選用角接觸球軸承，查表15-5角接觸軸承確定軸承的型號(hào)的7005C；聯(lián)軸器選用凸緣聯(lián)軸器，查表14-43凸緣聯(lián)軸器確定其型號(hào)為YLD4。為使人體完成整個(gè)抬背動(dòng)作，螺母滑塊機(jī)構(gòu)在絲杠上的行程為281.82mm。 由以上零件的基本尺寸，初步確定絲杠的長度L1=526mm，螺紋長度選370mm，材料選用45鋼。 5.1.2 抬背絲杠的強(qiáng)度校核 （1）絲杠的傳動(dòng)校核 假設(shè)多功能床的負(fù)載為T=1000N，絲杠的軸向最大為1000N，根據(jù)絲杠螺母副的傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算公式 （李國軍，王成金.多功能病床） 式中，Q——軸向載荷1000N； 螺紋伸角，當(dāng)量摩擦角； d2——螺紋中徑，查表得d2=33mm； dm——支撐面平均直徑，dm=d2=33mm； f——摩擦系數(shù)，取f=0.1 由此得出螺紋最小扭曲為4.6N·m時(shí)即可將1000N負(fù)載支起。 電動(dòng)機(jī)提供給絲杠的轉(zhuǎn)矩為 故符合要求。 （2）絲杠強(qiáng)度校核 (機(jī)械設(shè)計(jì)5.49) 式中，F(xiàn)軸向壓力； A為螺紋段的危險(xiǎn)截面，（d1為螺紋小徑）； WT為絲杠螺紋抗扭截面系數(shù)，； T為絲杠所受扭矩，T=4.6N·m。 經(jīng)計(jì)算得，前面已選定45鋼，經(jīng)查表等，因此，故安全。 5.1.3 曲腿絲杠的尺寸設(shè)計(jì) 為了保證絲杠具有足夠的強(qiáng)度用于完成機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，查表1-3梯形螺紋基本尺寸得，確定絲杠直徑選定為d=26mm，螺距P=6mm的梯形螺紋；由于絲杠承受較大的軸向載荷，故選用軸承時(shí)，應(yīng)選擇可以承受軸向力的角接觸球軸承，查表15-5角接觸軸承確定軸承的型號(hào)的7005C；聯(lián)軸器選用凸緣聯(lián)軸器，查表14-43凸緣聯(lián)軸器確定其型號(hào)為YLD4。為了使人體完成整個(gè)曲腿動(dòng)作，螺母滑塊機(jī)構(gòu)在絲杠上的行程為141.08mm。 由以上零件的基本尺寸，初步確定絲杠的長度L2=336mm，螺紋長度選180mm，材料選用45鋼。 5.2 插桿軸的設(shè)計(jì)和校核 （1） 插桿軸的設(shè)計(jì) ?初步確定插桿軸的材料 根據(jù)床板之間的運(yùn)動(dòng)情況和床板之間的空間要求，初步確定插桿軸的長度為890mm。 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及查找相關(guān)資料確定插桿軸為直徑為d1=10mm的45號(hào)鋼質(zhì)材料。 ?插桿軸的強(qiáng)度校核 由于多功能床在剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的力最大，所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)該選擇這一時(shí)刻進(jìn)行插桿軸的強(qiáng)度校核。設(shè)床板受到的最大的載荷為1000N，插桿軸的受力分析圖如5-1所示。 圖5-1 插桿軸的受力分析圖 其中，F(xiàn)載荷=1000N，L1=875mm，L2=630mm。 計(jì)算得： 插桿軸的最大拉應(yīng)力為 （機(jī)械設(shè)計(jì)5-35） 查表得，插桿軸的許用應(yīng)力,因?yàn)椋栽摍C(jī)構(gòu)安全。 5.3 抬背機(jī)構(gòu)中的零件的設(shè)計(jì)和校核 （1） 抬背連桿的設(shè)計(jì) ?初步確定抬背連桿材料 根據(jù)傳動(dòng)角度范圍及整個(gè)機(jī)構(gòu)的空間要求，初步確定抬背連桿的長度為400mm。 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及查找相關(guān)資料確定連桿為寬為30mm厚為20mm的矩形鋼材，調(diào)制處理。 ?抬背連桿強(qiáng)度校核 由于抬背連桿在抬背機(jī)構(gòu)剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)受力最大，如圖5-2所示，所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)選擇這一時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算。 圖5-2 抬背連桿受力圖 抬背連桿的強(qiáng)度計(jì)算： 式中，，抬背連桿所受彎矩最大為。材料的需用應(yīng)力。 因?yàn)?，故安全? (2)抬背支桿的設(shè)計(jì) ?初步確定抬背支桿材料 根據(jù)抬背支桿支點(diǎn)的位置及床整體結(jié)構(gòu)，確定抬背支桿的尺寸如圖5-3所示。材料的機(jī)構(gòu)為冷彎矩形空心型鋼，寬度B=30mm，壁厚為5mm。 圖5-3 抬背支桿 ?抬背支桿強(qiáng)度校核 由于抬背支桿在抬背機(jī)構(gòu)剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)受力最大，如圖5-1所示，所以在計(jì)算時(shí)應(yīng)選擇這一時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算。 抬背連桿的強(qiáng)度計(jì)算： 式中，，抬背連桿所受彎矩最大為。材料的需用應(yīng)力。 因?yàn)?，故安全? 5.4 曲腿機(jī)構(gòu)中零件設(shè)計(jì)與校核 （1）曲腿連桿的設(shè)計(jì) ①初步確定曲腿連桿的尺寸和材料 根據(jù)傳動(dòng)角度范圍及整個(gè)機(jī)構(gòu)的空間要求，初步確定曲腿連桿的長度為400mm，連桿的長度為245mm。 根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及查找相關(guān)資料確定曲腿連桿與連桿為寬為30mm厚為20mm的矩形鋼材，調(diào)制處理。 ②曲腿連桿強(qiáng)度校核 因本機(jī)構(gòu)中連桿與抬背機(jī)構(gòu)中的連桿相同，但受力較前者小，故無需強(qiáng)度校核。 （2） 臀部支桿的設(shè)計(jì) ?初步確定抬背支桿材料 根據(jù)臀部支桿支點(diǎn)的位置及床整體結(jié)構(gòu)，確定臀部支桿的尺寸如圖5-3所示。材料的機(jī)構(gòu)為冷彎矩形空心型鋼，寬度B=30mm，壁厚為5mm。 ②臀部連桿的強(qiáng)度校核 因本機(jī)構(gòu)中臀部支桿所受的彎矩較坐起機(jī)構(gòu)中小得多，故也無需強(qiáng)度校核。 圖5-4 臀部支桿 （3） 腿部支桿的設(shè)計(jì) ?初步確定腿背支桿材料 根據(jù)腿部支桿支點(diǎn)的位置及床整體結(jié)構(gòu)，確定腿部支桿的尺寸如圖5-3所示。材料的機(jī)構(gòu)為冷彎矩形空心型鋼，寬度B=30mm，壁厚為5mm。 ②腿部支桿強(qiáng)度校核 因本機(jī)構(gòu)中臀部支桿所受的彎矩較坐起機(jī)構(gòu)中小得多，故也無需強(qiáng)度校核。 圖5-5 腿部支桿 5.5 本章小結(jié) 本章主要針對(duì)多功能床的抬背機(jī)構(gòu)和曲腿機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，確保機(jī)構(gòu)中的各個(gè)零件在完成設(shè)定運(yùn)動(dòng)的過程中具有足夠的強(qiáng)度。 第6章 多功能床的Pro ENGINEER建模與仿真 Pro/ENGINEER是美國技術(shù)參數(shù)公司（簡稱PTC）的產(chǎn)品。PTC公司推出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征以及全相關(guān)的概念改變了機(jī)械CAD/CAE/CAM的傳統(tǒng)概念，這種全新的概念已經(jīng)成為了當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的主要標(biāo)準(zhǔn)。Pro/ENGNEER能將設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的全過程集成到一起，使所有的用戶能夠同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工作，即實(shí)現(xiàn)并行工程。 本設(shè)計(jì)所使用的是Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版。Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版軟件與之前的版本相比，該軟件增加了很多的新功能，如草圖的繪制、自動(dòng)倒角、快速裝配、快速鈑金以及快速CAM等，可以幫助用戶更快、更輕松的完成設(shè)計(jì)工作。 通過圖解的方法得到多功能床的初始數(shù)據(jù)，這些都是多功能床進(jìn)行建模的基礎(chǔ)，根據(jù)上述初始設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，通過Pro/ENGINEER軟件對(duì)其進(jìn)行建模、裝配，并對(duì)多功能床進(jìn)行整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。 6.1 Pro/ENGINEER建模 用Pro/ENGINEER對(duì)多功能床的各部分零部件進(jìn)行建模零，主要零部件的建模圖如下6-1所示。 a 抬背連桿 b 抬背絲杠 c 抬背支桿 d 臀部支桿 e 曲腿支桿 f 床架 g 多功能床的裝配圖 h 多功能床坐起圖 圖6-1 Pro/ENGINEER模型 6.2 Pro/ENGINEER仿真 在Pro/E 4.0中，可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置，并能將其結(jié)果輸入到Pro/MECHANICA模塊中，以便進(jìn)一步進(jìn)行力學(xué)分析，也可以將機(jī)構(gòu)帶入“設(shè)計(jì)動(dòng)畫”中創(chuàng)造一個(gè)動(dòng)畫序列。設(shè)計(jì)人員可以模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，觀察設(shè)計(jì)是否可行！ 運(yùn)動(dòng)仿真是產(chǎn)生制造釬的一種檢查過程和方法。為了達(dá)到高效和有力的生產(chǎn)，所以運(yùn)動(dòng)仿真是設(shè)計(jì)制造前的重要操作環(huán)節(jié)。 對(duì)多功能床進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)仿真之前，要對(duì)其進(jìn)行零部件的裝配，裝配過程中對(duì)運(yùn)動(dòng)配合部分施加合適的約束，如絲桿與螺母滑塊之間使用滑塊約束，背部支桿與床架上的鉸鏈?zhǔn)褂娩N釘約束等。約束完成后，進(jìn)入Pro/E的仿真頁面，對(duì)各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)約束添加電機(jī)，并設(shè)置合適的運(yùn)動(dòng)速度，接著對(duì)該多功能床機(jī)械機(jī)構(gòu)分析，設(shè)置各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的先后順序和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，完成后點(diǎn)擊確定，并運(yùn)行查看多功能床的運(yùn)動(dòng)仿真。多功能床的運(yùn)動(dòng)仿真見附件。 6.3 本章小結(jié) 本章總結(jié)和整理上文多功能床的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，應(yīng)用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Pro/ENGINEER Wildfire 4.0對(duì)多功能床的各個(gè)零部件進(jìn)行建模、裝配，并進(jìn)行多功能床的運(yùn)動(dòng)仿真，檢查多功能床是否可以完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，以及檢查整個(gè)機(jī)構(gòu)是否在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生干涉。 第7章 設(shè)計(jì)總結(jié) 7.1 方案的評(píng)價(jià)與成本的估算 本文所設(shè)計(jì)的多功能床的主體傳動(dòng)裝置采用的是絲杠螺母與連桿機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)，簡單實(shí)用的傳動(dòng)方式與靈活的連接形式使其輕松的克服了各項(xiàng)功能相互干涉的弊端。本方案避免了以往設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)床的多項(xiàng)功能而不斷添加單一機(jī)構(gòu)使多功能床機(jī)構(gòu)越來越多，體積越來越笨重的缺點(diǎn)，以簡單的傳動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)功能。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性上考慮，由于絲杠螺母副和連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、容易加工，使得多功能床的成本較低。另外，該多功能床適用范圍廣，包括普通人群，老人以及患者等都可以使用。 成本估算： 電動(dòng)機(jī)（兩臺(tái)）：約800元； 標(biāo)準(zhǔn)件（螺栓、軸承、聯(lián)軸器等）：約200元； 各種鋼材：約1000元； 加工費(fèi)（零件加工較為簡單）：約300元； 表面處理：約100元； 合計(jì)：2600元。 7.2 多功能床的主要優(yōu)點(diǎn) 本文所設(shè)計(jì)的多功能床機(jī)構(gòu)簡單，制造容易，且可以實(shí)現(xiàn)各功能的自動(dòng)化控制，很好的解決了市面上許多多功能床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴的確定。 （1）該多功能床將床板分為4塊，用合葉相連接，置于床架上，使得使用者可以安全可靠的平躺、坐起和曲腿。 （2）床板與傳動(dòng)裝置的支桿使用滾子進(jìn)行接觸連接，而不是二者鉸接在一起，可接觸可分離，避免了各功能在運(yùn)行中發(fā)生干涉，并且使得床板可以拆卸方便。 （3）各功能之間采用獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在電路設(shè)計(jì)上根據(jù)動(dòng)作的需要，可以設(shè)置相應(yīng)的自鎖和互鎖機(jī)構(gòu)，并用行程開關(guān)限位。使用者可以根據(jù)自己的需要來自由設(shè)定體位，可以得到最舒適的位姿。 7.3 設(shè)計(jì)中存在的問題和改進(jìn)建議 雖然本設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)較為簡單，并且可以的完成預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)，但是還是存在一定的問題，具體問題如下 （1）本文所設(shè)計(jì)的多功能床的功能還是較為簡單，只有抬背、抬臀和曲腿功能。為了能夠使人們?cè)谑褂弥懈鼮榉奖?，?yīng)該在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上添加書桌功能、翻背功能等。 （2）本文所設(shè)計(jì)的多功能床未進(jìn)行床體控制方面的設(shè)計(jì)。為了多功能床更方便，更具自動(dòng)化，應(yīng)該為多功能床添加自動(dòng)控制功能，最好是使用無線遙控。 （3）本文應(yīng)用Pro/ENGINEER對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零件進(jìn)行建模，并將各個(gè)零部件進(jìn)行裝配，組裝成為一個(gè)整體。最后度多功能床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在進(jìn)行仿真的過程中，由于本人對(duì)能力有限，所以有些約束在仿真中并沒有完全實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)情況不太理想。應(yīng)該在以后的學(xué)習(xí)中更加注重這方面的訓(xùn)練。 致謝 首先，我要感謝河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院，感謝機(jī)械與動(dòng)力工程系對(duì)我四年的培養(yǎng)，讓我學(xué)到了許許多多的知識(shí)，感謝各位老師在這些年里對(duì)我的關(guān)懷與照顧，在此致以我深深的謝意。 本論文從選題到最后定稿成文，指導(dǎo)老師呂鯤教授一直給予了悉心指導(dǎo)，呂老師那種嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的作風(fēng)，廣博深邃的洞察力，孜孜不倦的開拓精神和敬業(yè)精神令我深受啟迪和教益，謹(jǐn)向我的指導(dǎo)老師呂鯤教授致以深深的謝意。 本課題的題目為多功能床的可調(diào)角度設(shè)計(jì)，通過對(duì)現(xiàn)有多功能床的分析和研究，提出了自己的一套完整的多功能床解決方案，對(duì)其進(jìn)行了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，各機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)，并對(duì)各主要零部件進(jìn)行了校核，最后運(yùn)用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行零部件的建模和運(yùn)動(dòng)仿真。但是，由于筆者水平有限，在理論的描述、資料的運(yùn)用等方面難免有不當(dāng)、不深，不周之處，有些觀點(diǎn)和計(jì)算也尚欠成熟，敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 最后，我還要向所有曾經(jīng)幫助過我的同學(xué)和朋友們致敬。你們的鼓勵(lì)和幫助永遠(yuǎn)是我前進(jìn)的動(dòng)力。 參考文獻(xiàn) [1]孫恒，陳作模.機(jī)械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006. 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