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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 I 摘 要 隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對生活質 量的要求越來越高，其中對于床的舒適度和多功用要求也越來越高。 多功能可調角度床是一種針對普通人群的自動化舒適性生活需要而 設計的，能隨意調節(jié)床的背部和腿部的角度。它既可以通過控制器來實 現家庭生活的自動化，又可以使人民的生活更加舒適更加方便，從而提 高家居生活的質量。 課題設計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）。該設計對多功能床的各項功能進行了方案 的選擇、原理分析、零件尺寸計算及強度校核，使其能夠實現預設功能 的正常運動。并采用三維數字化設計軟件 Pro ENGINEER 對其進行建模 和裝配，最后對其整體方案進行運動仿真。 關鍵詞：多功能床 原理分析 零件尺寸計算 強度校核 Pro ENGINEER運 動仿真 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 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 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 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 III 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 i 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 國內外研究狀況及發(fā)展趨勢 ...............................................................3 1.2.1 多功能床的分類 ........................................................................4 1.2.2 多功能床結構的發(fā)展 ................................................................6 1.3 本文的主要研究內容 ...........................................................................7 1.4 本章小結 ...............................................................................................8 第 2 章 多功能床結構的整體方案 ..................................................................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思 .......................................................................9 2.2.1 構思的提出 ................................................................................9 2.2.2 相關要求與標準 ......................................................................10 2.2.3 多功能床的組成 ......................................................................11 2.3 本章小結 .............................................................................................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 床板結構示意圖 ......................................................................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 床板結構示意圖 ......................................................................15 3.2.2 坐起及曲腿的方案 ...................................................................16 3.3 方案的對比和選擇 .............................................................................17 3.4 本章小結 .............................................................................................18 第 4 章 多功能床機構設計 ............................................................................19 4.1 基本參數的設計 .................................................................................19 4.2 抬背機構 .............................................................................................19 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 ii 4.2.1 抬背機構的結構和工作原理 ..................................................19 4.2.2 抬背機構的設計（圖解法） ..................................................20 4.2.3 抬背機構電動機的選擇 ..........................................................22 4.3 曲腿機構 .............................................................................................23 4.3.1 曲腿機構的結構和工作原理 ..................................................23 4.3.2 曲腿機構的設計（圖解法） ..................................................25 4.3.3 曲腿機構電動機的選擇 ..........................................................28 4.4 本章小結 .............................................................................................29 第 5 章 零件的設計和校核 ............................................................................30 5.1 絲杠的設計與校核 .............................................................................30 5.1.1 抬背絲杠尺寸的設計 ..............................................................30 5.1.2 抬背絲杠的強度校核 ..............................................................30 5.1.3 曲腿絲杠的尺寸設計 ..............................................................31 5.2 插桿軸的設計和校核 .........................................................................32 5.3 抬背機構中的零件的設計和校核 .....................................................33 5.4 曲腿機構中零件設計與校核 .............................................................35 5.5 本章小結 .............................................................................................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 .............................................................................................43 第 7 章 設計總結 ............................................................................................44 7.1 方案的評價與成本的估算 .................................................................44 7.2 多功能床的主要優(yōu)點 .........................................................................44 7.3 設計中存在的問題和改進建議 .........................................................45 致謝 ..................................................................................................................46 參考文獻 ..........................................................................................................47 附錄： ..............................................................................................................48 外文資料與中文翻譯 ...............................................................................48 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 1 前 言 隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對生活質 量的要求也越來越高，其中對于床的舒適度和多功用要求也越來越高。 所以對于多功能床的研究設計越來越多得到人們的關注和支持。 多功能床的使用現階段多用于醫(yī)療護理方面，并且在醫(yī)療護理方面 有了一定的發(fā)展。多功能護理床一般根據其完成動作的多少和完成的效 果可分為以下幾類：功能基本型護理床、功能普通型護理床和功能高級 型護理床。多功能護理床在國內的設計研究尚處于初級階段，產品的功 能、結構、造型有待進一步的完善。國外護理床的研究以德國、日本為 代表，各種護理功能正在逐步完善，成熟。但因其價格昂貴（一般售價 在 20 萬人民幣以上） ，很難為一般的消費者所接受。 然而專門針對于普通家庭用戶設計使用的多功能床并不是很多，本 文所設計的多功能床則是面對普通家庭，普通人群，所以在設計時應該 注重多功能床的實用性，舒適性，方便性和可靠性，同時應該注意控制 成本。本文所設計的多功能床通過簡單的連桿機構來完成對人體的坐起， 曲腿等動作。它既可以通過控制裝置來實現家庭生活的自動化，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量。 本課題所設計的是一種適用于普通家庭使用的多功能可調角度床， 用于解決人身體和生理方面的需要（抬背、曲退等）。該設計對多功能 床的各項功能進行了方案的選擇、原理分析、零件尺寸計算及強度校核， 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 2 使其能夠實現預設功能的正常運動。并使用三維數字化設計軟件 Pro ENGINEER 對其進行零件的建模和整體裝配，并完成對整體多功能床方案 進行運動仿真。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 3 第 1 章 緒論 1.1 課題的目的和意義 多功能床是針對普通家庭成員滿足其對生活質量和舒適度需要而設 計的，能通過控制電機的運轉來隨意調節(jié)床的背部和腿部的角度。即使 是生活不能自理的人，護理人員也可以通過床邊的控制器進行操作，減 少照顧病、殘患者的勞動強度。課題根據實際情況和現有的研究要求， 設計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量。針對市場需求開發(fā) 一種結構簡單、工作可靠、使用方便的多功能床并進行動態(tài)仿真，對于 產品的產業(yè)化具有重要的意義。 1.2 國內外研究狀況及發(fā)展趨勢 隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對生活質 量的要求也越來越高，其中對于床的舒適度和多功用要求也越來越高。 所以對于多功能床的研究設計越來越多得到人們的關注和支持。 多功能床的使用現階段多用于醫(yī)療護理方面，并且在醫(yī)療護理方面 有了一定的發(fā)展。隨著社會經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高， 人口壽命不斷延長，思想的進步，城市人口正逐步進入老齡化,人口老齡 化已成為世界范圍內的社會問題。據統(tǒng)計，歐洲發(fā)達國家和日本的老年 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 4 人獨居率已高達40%，如此之高的比例迫使社會采取措施解決老年人的護 理服務問題。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1.32 億, 占全國總人口的10%, 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致生活不能自理的老年人的家庭照 料與看護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 加強了對護理機器人的研發(fā)扶持力度。為偏癱病人或長期使用病床的病 人提供一個集護理和排泄等各功能于一體的多功能護理床?，F在家庭需 求護理床的潛力日益增加,以前是簡易的護理床,后來加上護欄,餐桌;再 后來加上大便孔,輪子;現在產生了很多集多功能為一體的多功能,電動護 理床,極大的提高了患者的康復護理水平,也為護理人員提供了極大的方 便,所以操作簡單,功能強大的護理產品越來越受到追捧。 1.2.1 多功能床的分類 多功能床床在國內的設計研究尚處于初級階段，產品的功能、結構、 造型有待進一步的完善。國外護理床的研究以德國、日本為代表，各種 護理功能正在逐步完善，成熟。但因其價格昂貴（一般售價在20 萬人民 幣以上） ，很難為一般的消費者所接受。護理床的基本分類情況如下： 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 5 圖1-1 護理床分類狀況 表1-1護理床分類概括 名稱 優(yōu)點 存在問題 功能基礎型護理床 1、結構、生產工藝簡單， 易于制造。2、價格便宜。 1、功能比較簡單，不能 實現使用者的護理要求。 2、手動為主，操作繁瑣。 3、造型傳統(tǒng)，舒適性差。 4、應用范圍窄。 功能普通型護理床 1、一般為電動，用戶可 簡單操作控制。2、能完 成基本的護理功能。3、 增添了輔助功能接口。 4、整體造型，色彩改進， 具有一定的親和性。 1、市場售價偏高。2、功 能啟動柔性差，銜接不連 貫。3、功能一體化造成 功能浪費。4、生產技術 含量低，容易被仿制。 5、文字，圖像識別功能 差 功能高級型護理床 1、護理功能完善。2、功 能調整定位準確，連貫性 好，基本無噪音。3、結 構設計合理，安全。4、 造型新穎，有較強的親和 力。5、文字，標志容易 識別。 1、市場售價昂貴。造成 功能浪費嚴重，造成額外 的經濟成本。2、整體可 拆性差，運輸、組裝繁瑣。 3、對患者康復功能的考 慮較少。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 6 從近年來的發(fā)展來看，國內的發(fā)展迅速，各種結構、功能等等各異 的護理床層出不窮。發(fā)展方向主要向機器人模塊化的自動控制方向發(fā)展。 1.2.2 多功能床結構的發(fā)展 結構功能單一的護理床已經逐漸隱退。如今護理床床體本身的構件 要實現多種功能, 包括平躺、仰起、曲腿、左側翻、右側翻、 、潔便門開 關裝置及沖洗馬桶和沖洗身體的裝置,另外還有烘干和抽風的設備。各個 部分可以獨立的運行來完成相應的動作,同時將單個功能組合起實現復雜 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 的側翻以取得舒適的姿態(tài),護理人員對潔便池的清洗等。 如今多功能床的各種類型： 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 7 圖 1-2 多功能醫(yī)用護理床的各種類型 多功能護理床實現的各種動作： 圖 1-3 側背 圖 1-4 抬背和曲腿 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 8 1.3 本文的主要研究內容 鑒于普通人群對生活質量的要求、本身的生理條件以及國內外市場 的需求的不斷擴大，本文提出一種適用于普通家庭且身體狀況正常人群 的多功能可調角度床，提出幾種多功能床的抬背機構以及曲腿機構，通 過控制多臺直流電動機驅動整臺多功能床工作。實現床面的多種姿勢的 切換，達到滿足各種功能要求的床。主要研究內容如下： (1)設計各種多功能床的運動機構，并用圖解法的方法得到初始設計 尺寸。 (2)利用三維設計軟件Pro ENGINEER，根據初始設計數據對其建模， 進行結構設計，并對其進行裝配設計。 (3)利用Pro ENGINEER對整體機構進行運動仿真，用于檢查模型中是 否存在干涉，機構是否能夠完成預先設定的運動。 (4)對多功能床的主要零件進行受力校核，檢驗整臺多功能床使用的 安全性及穩(wěn)定性。 (5)繪制整臺多功能床的裝配圖，主要的零件圖和機構的運動簡圖。 1.4 本章小結 本章主要介紹了課題的目的和意義，目多功能床在國內外的發(fā)展趨 勢和各類多功能床的比較，在多個方面表明了當今多功能床各個模塊的 發(fā)展情況，最后根據研究分析確定了自己所需完成的設計內容。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 9 第 2 章 多功能床結構的整體方案 2.1 多功能床的工作要求 2.1.1 多功能床的工作環(huán)境 多功能可調角度床的設計應用于家庭居室，室內溫度變化不大無需 特別考慮，但是需要考慮到環(huán)境對噪聲的限制，故設計時電機類型及型 號的選取應滿足工作噪音低于 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、學習和工作等的要求，在設計時 考慮能使人在床上可以實現坐姿。同時多功能床還應該實現人的抬腿坐 姿體位，以減輕人由于盤腿坐起時的不舒適感。對多功能床的控制方式， 可以采用鍵盤按鈕操縱，方便自己或他人對其進行控制。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 10 2.2 多功能床總體方案構思 多功能床的總體構思包括機械結構設計、電機驅動以及總體位姿協(xié) 調等問題。 2.2.1 構思的提出 通過分析現有的多功能床設計，我們很容易發(fā)現，為了實現床面某 一個特定的體位姿態(tài)，傳統(tǒng)的設計方法就會設計一套特定的機構與之對 應。當位姿數目越來越多時，所需機構數目也隨之增加，同時空間體積 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 寸必須按照有關多功能床標準規(guī)定限制在某一個空間范圍之內，才能夠 既滿足人民的舒適感的要求又滿足空間限制要求。多機構協(xié)調的技術是 源于模仿人體的運動，人體的運動具有極大的柔性。受此啟發(fā)將多功能 床的床面進一步加以細分，成為彼此之間相互獨立的 4 個面板。如圖 2-1 所示。圖 2-1 中，床板 1 對應于人體的背部，床板 2 對應于人體的臀部， 床板 3 人體的腿部，床板 4 對應人體的腳部。通過各個床面板之間的協(xié) 調運動，采用單動或聯動方式來實現多功能床所需的各種體位位姿。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 11 圖2-1 多功能床床板圖 2.2.2 相關要求與標準 為了滿足人們在使用多功能床時的舒適程度以及有效提高床的自動 化。多功能床結構在設計時應滿足以下幾個方面的要求: (1)能夠實現多功能床所需的各種體位位姿要求。 (2)各個活動床面板的擺動角度范圍應參照有關要求以及人體的舒適 感，各床面板擺動角度及標準如下： 背部床板擺動角度：0° ～ 70° 臀部床板擺動角度：0° ～ 8° 腿部床板相對水平面擺動角度：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要求。 (4)床體的結構尺寸有一定的空間范圍限制。 2.2.3 多功能床的組成 多功能床從結構和功能上分為：床框架、平面連桿機構、床板、控 制系統(tǒng)組成。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 12 圖 2-2 多功能床系統(tǒng)框圖 床框架除了固定的機械機構以外，還包括各個電機安裝模塊。平面 連桿機構包括：抬背機構、抬臀機構、曲腿機構。床板由床板框架和床 板面板組成，整臺多功能床中共有兩臺直流電機，分別完成頭部升降、 腿部屈伸動作。本課題工作重點在平面連桿機構部分，包括機構結構的 設計，運動方案的設計，整個多功能床三維模型建立，整床的裝配及運 動仿真。 2.3 本章小結 本章圍繞多功能床的總體構思而展開，通過論述多功能床所處的工 作環(huán)境及位姿要求，指出了多功能床設計時所需的各項要求，以這些要 求為契機，提出了多功能床的總體方案的構思，包括整體設計的構思思 路，多功能床結構形式的初步探討，多功能床的各個組成部分。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 13 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 14 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 床板結構示意圖 圖 3-1 方案一：床板結構示意圖 床板分為 4 塊，相互間用合葉鉸接，如圖 3-1 所示。工作時，坐起 時 1 板繞 Y1 軸向上翻轉；抬臀時 2 板繞 Y2 軸向上翻轉，同時帶動 3 板 Y3 翻轉；曲腿時 3 板繞 Y3 向下翻轉，同時帶動 4 板繞 Y3 翻轉；墊腳板 4 通過各機構的聯動配合作用使其放平用于墊腳。未工作時床板水平置 于床架上，和普通床一樣。采用這種結構的床板，制造簡易，且很輕松 的克服了各功能件的相互干擾，滿足了各個功能協(xié)調動作的要求。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 15 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)） 這部分的設計，采取坐起和曲腿的功能分別驅動的思想。如圖分別 是床板平置和坐起及曲腿動作完成之后的狀態(tài)。床板平置是，人躺在床 上和普通床一樣。當需要坐起時，由圖中左邊的電動機驅動絲杠轉動， 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 16 使得螺母副 7 向右運動，使得連桿 6 帶動轉臂 5 旋轉，最后轉臂驅動床 板 1 繞 G 點旋轉，從而使人坐起；當需要曲腿時。同樣左邊的電動機驅 動絲杠轉動，使得螺母副 8 向左運動，使得連桿 9 帶動轉臂 10 轉動，轉 臂驅動床板 2 繞 G 點向上轉動，同時轉臂 10 通過連桿 11 帶動轉臂 12 旋 轉，轉臂驅動床板 3 繞 H 點向下旋轉；床板 3 的帶動床板 4 向下運動， 當運動到腳步支撐時開始繞 I 點旋轉，最后使得床板 4 處于水平狀態(tài)。 其中電動機有兩臺，床的前后各一臺，分別用于驅動坐起和曲腿兩個運 動 此方案主要為絲杠螺母副機構和簡單的連桿機構，優(yōu)點是結構簡單， 加工容易，成本低廉，傳動精確；缺點是承受的軸向推力大，效率低， 摩擦嚴重。 3.2 多功能床方案二 3.2.1 床板結構示意圖 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 17 圖 3-4 方案二：床板結構示意圖 床板分為 3 塊， ，相互間用合葉鉸接(如圖)，坐起時床板 1 繞 Y1 軸 向上翻轉；同時床板 3 繞 Y2 軸向下翻轉，達到曲腿的目的。未工作時， 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)） 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 18 圖 3-6 方案二：坐起及曲腿（坐起狀態(tài)） 這部分的設計，采用坐起和曲腿的功能同時驅動的思路。如圖分別 是床板平置和坐起及曲腿動作完成后的狀態(tài)。床板平置時，人平躺在床 上和普通床一樣，桿 4’、桿 5 和桿 6 組成的連桿機構處于死點狀態(tài)，達 到足夠的剛度和穩(wěn)定性。當需要坐起時由圖中電動機驅動蝸桿 1 轉動， 蝸桿 1 再驅動蝸輪 2 轉動，從而帶動轉臂運動，將床板 9 繞 C 點頂起， 與此同時和蝸輪同步的帶輪 2’帶動小帶輪 4 轉動，4 帶輪的旋轉使得曲 柄連桿機構中曲柄 4’轉動。擺脫死點狀態(tài)，搖桿 6 旋動，使得床板 7 在重力的作用下繞 D 點旋轉，最后同時滿足坐起和曲腿的功能。坐起和 曲腿動作如圖 3-6 所示。 該方案采用蝸輪蝸桿——帶輪傳動，其優(yōu)點是傳動平穩(wěn)，沖擊載荷 小，傳動比大；缺點是效率低，磨損較為嚴重，且蝸輪蝸桿加工難度大， 制作成本高。帶輪負載大時可以造成皮帶打滑，并且其曲腿和坐起只能 同時滿足，無法獨立動作。 3.3 方案的對比和選擇 表 3-1 多功能床方案的對比 實現的功能 采用的機構 實際情況 加工工藝及成本 方案一 坐起 絲杠螺母和 連桿機構 結構簡單， 傳動平穩(wěn)， 效率低 加工容易，成本 低 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 19 曲腿 絲杠螺母和 連桿機構 結構簡單， 傳動平穩(wěn)， 效率低 加工容易，成本 低 坐起 蝸輪蝸桿-帶 輪組合傳動 傳動平穩(wěn)， 傳動比大， 效率低 加工困難，成本 高 方案二 曲腿 蝸輪蝸桿-帶 輪組合傳動 傳動平穩(wěn)， 傳動比大， 效率低 加工困難，成本 高 綜合考慮各個功能的實現情況，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 本章制定了多功能床的不同方案，用于實現多功能床的不同功能， 并對實現各個功能的不同結構和狀態(tài)進行分析和研究，對各個方案的優(yōu) 缺點進行比較，最終確定最優(yōu)方案。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 20 第 4 章 多功能床機構設計 4.1 基本參數的設計 根據實際情況確定多功能床的基本參數： 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； 背部床板擺動角度：0° ～ 70°； 臀部床板擺動角度：0° ～ 8°； 腿板擺動角度：0° ～60° 。 4.2 抬背機構 抬背機構是多功能床的一個關鍵機構，其主要的功能是實現人體的 抬背及坐起功能。 4.2.1 抬背機構的結構和工作原理 多功能床的抬背機構由絲杠螺母機構、抬背連桿、抬背支桿、抬背 滾子、背板以及部分床架組成。絲杠螺母機構位于床架底部，螺母滑塊 機構可以在絲杠上左右運動，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，使之充當機架作用。電動機的轉 動通過聯軸器帶動絲杠旋轉，從而使位于絲杠上的螺母滑塊機構左右運 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 21 動，螺母滑塊機構通過抬背連桿使得抬背支桿繞著與床架鉸接點發(fā)生轉 動，通過滾子的作用，使得背板繞著它與床架的鉸接點為轉軸發(fā)生轉動。 簡圖如圖 4-1 所示。 圖 4-1 抬背機構 4.2.2 抬背機構的設計（圖解法） 多功能床的抬背機構采用的是曲柄滑塊機構的變形機構，絲杠螺母 機構為原動件對整體機構進行驅動。其中，背部床板的長度為 860mm， 翻轉角度為 70°。 圖解法設計抬背機構，滾子的直徑設定為 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在床板下 200mm，并且距 離背部床板右側為 200mm 處。根據設計要求背板翻轉角度為 70°，在 AutoCAD 中用旋轉命令確定床板運動后的位置，通過各桿件間的運動關 系和位置關系確定螺母滑塊機構的運動行程為 281.82mm。初步設計完成 后的尺寸及各安裝點位置圖如圖 4-2 所示。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 22 （1）抬背機構的自由度計算： FpnFh????)2(31 式中：n=5，p 1=6，p h=1，F '=1（F 為自由度，n 為構件數，p 1為低副 數，p h為高副數，F '為虛約束數） 。 )162(53)2(31 ?????????nh 該機構的原動件數為 1（螺母滑塊在絲桿上的的滑動） ，與自由度數 相同，所以該機構可以滿足確定的運動。 圖 4-2 抬背機構設計尺寸及安裝點位置圖 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 23 （2）抬背過程中各機構的運行數據 通過 AutoCAD 軟件的旋轉功能確定背部床板翻轉過程中的每個位置、 各構件的轉動角度以及螺母的行程。 表 4-1 抬背時各構件的運行數據 背部連桿旋轉角度 背部床板翻轉角度 螺母運動行程 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 抬背機構電動機的選擇 （1）電動機的功率計算 取抬背所用總時間 t1=40s，背部床板的極限旋轉角度 θ=70°，抬 背支桿的旋轉角度為 80°，所以抬背支桿的角速度： sradt /0349.91????? 抬背支桿的速度： smrv /16...1? 取負載 T=1000N，則背部支桿傳遞的功率（忽略背部支桿的自重）： WTvP1.60.11??? 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 24 電動機的需用功率（忽略軸的轉動慣量及抬背支桿的自重）： 211][ 滾 子軸 承聯 軸 器絲 杠許 ????PP 查表得，絲杠的傳動效率 ，凸緣聯軸器的傳動效率4.0絲 杠 ，深溝球軸承的傳動效率 ，滾子的傳動效率98.0?聯 軸 器? 9.?軸 承 ，代入得滾 子 W76.42.0.804.16][ 2211 ???滾 子軸 承聯 軸 器絲 杠許 ?PP 電動機的實際功率 31.5.76.][1??許 查表，選用額定功率為 60W 的單相電容式減速電動機。 （2）電動機的轉速計算 由圖 4-2 所示，坐起時螺母滑塊的行程距離為 L1=281.82mm。設定絲 杠的螺紋間距 P=6mm，由此可以得到電動機的最低轉速為 min/46.7064082.11 rPtLn???? 所以，電動機的轉速選用 75r/min。 4.3 曲腿機構 曲腿機構是多功能床的一個關鍵機構，其主要的功能是實現臀部床 板的向上翻轉以及腿部床板的向下彎曲。在向下彎曲的時候，腳部床板 跟隨腿部床板向下運動，當腳部床板與腳部支撐板相接觸時，腳部床板 繞圖 3-1 所示 Y3 軸向上翻轉，最后停止時處于水平位置。 4.3.1 曲腿機構的結構和工作原理 多功能床的曲腿機構由 2、3 絲杠螺母機構、4 曲腿連桿、5 臀部支 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 25 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。絲杠螺母機構位于床架底部，螺 母滑塊機構可以在絲杠上左右運動，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，使之充當機架作用，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通 過連桿帶動腿部支桿的擺動，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。電動機的轉動通過聯軸器帶動絲杠旋轉，從而 使位于絲杠上的螺母滑塊機構左右運動，螺母滑塊機構通過曲腿連桿使 得背部支桿繞著床架上的交接點發(fā)生轉動，通過滾子的作用，使得臀部 床板繞著它與床架的鉸接點為旋轉軸向上翻轉；臀部支桿通過連桿帶動 腳部支桿繞著床架的鉸接點發(fā)生轉動，通過滾子的作用，使腿部床板繞 著它與臀部床板的鉸接點的旋轉軸向下翻轉。簡圖如圖 4-3 所示。 圖 4-3 曲腿機構 1——電動機；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 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 26 4.3.2 曲腿機構的設計（圖解法） 多功能床的曲腿機構采用的是曲柄滑塊和四連桿的組合機構，絲杠 螺母機構作為原動件對整個機構進行驅動。其中，臀部床板的長度為 400mm，向上翻轉角度為 8°，腿部床板的長度為 445mm，向下翻轉的角 度為 60°，腳部床板的長度為 295mm。 圖解法設計曲腿機構：滾子的直徑設定為 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在床板下 200mm，并且距 離臀部床板左側為 200mm 處；腿部支桿與床架的鉸接點在床板下 200mm，并且距離腿部床板左側為 21.29mm 處。根據設計要求，為了提高 人體曲腿時的舒適度，臀部床板向上翻轉角度為 8°，腿部床板相對水 平位置向下翻轉 60°，而腳部床板通過腳部支撐板的作用需向上翻轉 120°，最后處于水平位置。在 AutoCAD 中用旋轉命令確定各個床板運動 后的位置，通過各桿件間的運動關系和位置關系確定螺母滑塊機構的運 動行程為 141.08mm。初步設計完成后的尺寸及各安裝點位置圖如圖 4-4 所示。 圖 4-4 抬背機構設計尺寸及安裝點位置圖 （1）曲腿機構的自由度計算： 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 27 FpnFh????)2(31 式中：n=9，p 1=11，p h=2，F '=2（F 為自由度，n 為構件數，p 1為低 副數，p h為高副數，F '為虛約束數） 。 2)1(93)2(31 ?????????nh 該機構的原動件數為 1（螺母滑塊在絲桿上的的滑動） ，與自由度數 相同，所以該機構可以滿足確定的運動。 （2）曲腿機構的拆分 如將機構的機架及與機架相連的原動件從機構中拆分出來，則由其 余構件構成的構件組必然是一個自由度為零的構件組。把最后不能再拆 分的最簡單的自由度為零的構件組稱為基本桿組或阿蘇爾桿組，簡稱桿 組。根據上面的分析可知，任何機構都可以看作是由若干基本桿組依次 連接于原動件和機架上而構成的。 對曲腿機構簡圖（如圖 4-5 所示）進行基本桿組的拆分。 圖 4-5 曲腿機構簡圖 對該機構進行高副低代，并進行基本桿組的拆分。由圖 4-6 曲腿機 構高副低代簡圖和圖 4-7 機構分拆圖所示，最簡單的基本桿組是由 2 個 構件和 3 個低副構成的，所以該機構稱為Ⅱ級桿組。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 28 圖 4-6 曲腿機構高副低代簡圖 圖 4-7 機構分拆圖 （3）曲腿機構運行過程中各構件的數據 通過 AutoCAD 軟件的旋轉功能確定各個床板翻轉過程中的每個位置、 各構件的轉動角度以及螺母的行程。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 29 表 4-2 曲腿過程中各構件的運行數據 臀部支桿旋轉 角度 臀部床板翻轉 角度 腿部支桿旋轉 角度 腿部床板翻轉 角度 腳部床板翻轉 角度 螺母運動行程 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 曲腿機構電動機的選擇 （1）電動機的功率計算 取曲腿所用總時間 t2=15s，臀部床板的極限旋轉角度 θ=8°，臀部 支桿的旋轉角度為 38°，所以曲腿支桿的角速度： sradt /042.1592????? 曲腿支桿的速度： smrv /9.8..02? 取負載 T=1000N，則曲腿支桿傳遞的功率（忽略背部支桿的自重）： WTvP9.0.12??? 電動機的需用功率（忽略軸的轉動慣量及抬背支桿的自重）： 211][ 滾 子軸 承聯 軸 器絲 杠許 ??P 查表得，絲杠的傳動效率 ，凸緣聯軸器的傳動效率4.0?絲 杠 ，深溝球軸承的傳動效率 ，滾子的傳動效率98.0?聯 軸 器? 9.軸 承 ，代入得滾 子 W29.6.0.804.][ 2222 ????滾 子軸 承聯 軸 器絲 杠許 ?PP 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 30 電動機的實際功率 WP5.312.96.1][2???許 查表，選用額定功率為 40W 的單相電容式減速電動機。 （2）電動機的轉速計算 由圖 4-4 所示，曲腿時螺母滑塊的行程距離為 L2=141.08mm。設定絲 杠的螺紋間距 P=6mm，由此可以得到電動機的最低轉速為 min/05.946158.4602 rPtLn???? 所以，電動機的轉速選用 100r/min。 4.4 本章小結 本章對抬背機構和曲腿機構進行了基本尺寸的設計，并對其進行了 自由度計算，確認所設計的機構滿足自由度的要求。在設計過程中，對 機構運行中的每個位置進行了計算，確定各個機構在運行中的運行狀態(tài) 和運行位置。最后選出與本機構相適應的電動機。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 31 第 5 章 零件的設計和校核 5.1 絲杠的設計與校核 因為在使人體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，故只需對該絲杠進行校核即可。 5.1.1 抬背絲杠尺寸的設計 為了保證絲杠具有足夠的強度用于完成機構的運動，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的 7005C；聯軸器選用凸緣聯軸器，查表 14-43 凸 緣聯軸器確定其型號為 YLD4。為使人體完成整個抬背動作，螺母滑塊機 構在絲杠上的行程為 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 抬背絲杠的強度校核 （1）絲杠的傳動校核 假設多功能床的負載為 T=1000N，絲杠的軸向最大為 1000N，根據絲 杠螺母副的傳動設計計算公式 （李國軍，王成金.多功能病床）2/32)tan(mVQfdT??? 式中，Q——軸向載荷 1000N； 螺紋伸角 ，當量摩擦角 ；?5??5V? d2——螺紋中徑，查表得 d2=33mm； dm——支撐面平均直徑，d m=d2=33mm； f——摩擦系數，取 f=0.1 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 32 mNQfdTmV???????6.4203.1203.)5tan(102? 由此得出螺紋最小扭曲為 4.6N·m 時即可將 1000N 負載支起。 電動機提供給絲杠的轉矩為 mNnPT ??????6.4.7560.95.1 故符合要求。 （2）絲杠強度校核 (機械設計 5.49)22)3)(TcaWAF??? 式中，F 軸向壓力 ；NdV08.152)tn(??? A 為螺紋段的危險截面， （d 1為螺紋小徑） ；4A? WT為絲杠螺紋抗扭截面系數， ；316WT? T 為絲杠所受扭矩，T=4.6N·m。 經計算得 ，前面已選定 45 鋼，經查表等 ，Mpaca4?? Mpa5][1??? 因此 ，故安全。][1??ca 5.1.3 曲腿絲杠的尺寸設計 為了保證絲杠具有足夠的強度用于完成機構的運動，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，應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的 7005C；聯軸 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 33 器選用凸緣聯軸器，查表 14-43 凸緣聯軸器確定其型號為 YLD4。為了使 人體完成整個曲腿動作，螺母滑塊機構在絲杠上的行程為 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 插桿軸的設計和校核 （1）插桿軸的設計 ?初步確定插桿軸的材料 根據床板之間的運動情況和床板之間的空間要求，初步確定插桿軸 的長度