創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計-多功能可調(diào)角度床的設(shè)計【含CAD圖紙、三維模型、說明書】

I摘 要隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對生活質(zhì)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(diào)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(shè)計的，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現(xiàn)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(zhì)量。課題設(shè)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(shè)計對多功能床的各項功能進(jìn)行了方案的選擇、原理分析、零件尺寸計算及強(qiáng)度校核，使其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)功能的正常運(yùn)動。并采用三維數(shù)字化設(shè)計軟件 Pro ENGINEER 對其進(jìn)行建模和裝配，最后對其整體方案進(jìn)行運(yùn)動仿真。關(guān)鍵詞：多功能床 原理分析 零件尺寸計算 強(qiáng)度校核 Pro ENGINEER運(yùn)動仿真IIAbstractWith 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 IIIIVVi目 錄摘 要 .IABSTRACT.II前 言 1第 1 章 緒論 31.1 課題的目的和意義 .31.2 國內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢 .31.2.1 多功能床的分類 41.2.2 多功能床結(jié)構(gòu)的發(fā)展 61.3 本文的主要研究內(nèi)容 .71.4 本章小結(jié) .8第 2 章 多功能床結(jié)構(gòu)的整體方案 92.1 多功能床的工作要求 .92.1.1 多功能床的工作環(huán)境 92.1.2 多功能床的位姿和控制要求 92.2 多功能床總體方案構(gòu)思 .92.2.1 構(gòu)思的提出 92.2.2 相關(guān)要求與標(biāo)準(zhǔn) 102.2.3 多功能床的組成 112.3 本章小結(jié) .12第 3 章 多功能床的方案選擇和比較 133.1 多功能床方案一 .133.1.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 133.1.2 坐起及曲腿方案 143.2 多功能床方案二 .153.2.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖 153.2.2 坐起及曲腿的方案 .163.3 方案的對比和選擇 .173.4 本章小結(jié) .18第 4 章 多功能床機(jī)構(gòu)設(shè)計 194.1 基本參數(shù)的設(shè)計 .194.2 抬背機(jī)構(gòu) .19ii4.2.1 抬背機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 194.2.2 抬背機(jī)構(gòu)的設(shè)計（圖解法） 204.2.3 抬背機(jī)構(gòu)電動機(jī)的選擇 224.3 曲腿機(jī)構(gòu) .234.3.1 曲腿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理 234.3.2 曲腿機(jī)構(gòu)的設(shè)計（圖解法） 254.3.3 曲腿機(jī)構(gòu)電動機(jī)的選擇 284.4 本章小結(jié) .29第 5 章 零件的設(shè)計和校核 305.1 絲杠的設(shè)計與校核 .305.1.1 抬背絲杠尺寸的設(shè)計 305.1.2 抬背絲杠的強(qiáng)度校核 305.1.3 曲腿絲杠的尺寸設(shè)計 315.2 插桿軸的設(shè)計和校核 .325.3 抬背機(jī)構(gòu)中的零件的設(shè)計和校核 .335.4 曲腿機(jī)構(gòu)中零件設(shè)計與校核 .355.5 本章小結(jié) .37第 6 章 多功能床的 PRO ENGINEER 建模與仿真 .386.1 PRO/ENGINEER 建模 .386.2 PRO/ENGINEER 仿真 .426.3 本章小結(jié) .43第 7 章 設(shè)計總結(jié) 447.1 方案的評價與成本的估算 .447.2 多功能床的主要優(yōu)點 .447.3 設(shè)計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 .481前 言隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對生活質(zhì)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(shè)計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)理床和功能高級型護(hù)理床。多功能護(hù)理床在國內(nèi)的設(shè)計研究尚處于初級階段，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。但因其價格昂貴（一般售價在 20 萬人民幣以上） ，很難為一般的消費(fèi)者所接受。然而專門針對于普通家庭用戶設(shè)計使用的多功能床并不是很多，本文所設(shè)計的多功能床則是面對普通家庭，普通人群，所以在設(shè)計時應(yīng)該注重多功能床的實用性，舒適性，方便性和可靠性，同時應(yīng)該注意控制成本。本文所設(shè)計的多功能床通過簡單的連桿機(jī)構(gòu)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(xiàn)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(zhì)量。本課題所設(shè)計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)計對多功能床的各項功能進(jìn)行了方案的選擇、原理分析、零件尺寸計算及強(qiáng)度校核，2使其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)功能的正常運(yùn)動。并使用三維數(shù)字化設(shè)計軟件 Pro ENGINEER 對其進(jìn)行零件的建模和整體裝配，并完成對整體多功能床方案進(jìn)行運(yùn)動仿真。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(zhì)量和舒適度需要而設(shè)計的，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、殘患者的勞動強(qiáng)度。課題根據(jù)實際情況和現(xiàn)有的研究要求，設(shè)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(zhì)量。針對市場需求開發(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)行動態(tài)仿真，對于產(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)展趨勢隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人民對生活質(zhì)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(shè)計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)的社會問題。據(jù)統(tǒng)計，歐洲發(fā)達(dá)國家和日本的老年4人獨居率已高達(dá)40%，如此之高的比例迫使社會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)計研究尚處于初級階段，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。但因其價格昂貴（一般售價在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：5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 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、價格便宜。1、功能比較簡單，不能實現(xiàn)使用者的護(hù)理要求。2、手動為主，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，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(fèi)。4、生產(chǎn)技術(shù)含量低，容易被仿制。5、文字，圖像識別功能差功能高級型護(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)志容易識別。1、市場售價昂貴。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、對患者康復(fù)功能的考慮較少。6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。各個部分可以獨立的運(yùn)行來完成相應(yīng)的動作,同時將單個功能組合起實現(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)理人員對潔便池的清洗等。如今多功能床的各種類型：7圖 1-2 多功能醫(yī)用護(hù)理床的各種類型多功能護(hù)理床實現(xiàn)的各種動作：圖 1-3 側(cè)背圖 1-4 抬背和曲腿81.3 本文的主要研究內(nèi)容鑒于普通人群對生活質(zhì)量的要求、本身的生理條件以及國內(nèi)外市場的需求的不斷擴(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)，通過控制多臺直流電動機(jī)驅(qū)動整臺多功能床工作。實現(xiàn)床面的多種姿勢的切換，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)計各種多功能床的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，并用圖解法的方法得到初始設(shè)計尺寸。(2)利用三維設(shè)計軟件Pro ENGINEER，根據(jù)初始設(shè)計數(shù)據(jù)對其建模，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對其進(jìn)行裝配設(shè)計。(3)利用Pro ENGINEER對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真，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。(4)對多功能床的主要零件進(jìn)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動簡圖。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)展趨勢和各類多功能床的比較，在多個方面表明了當(dāng)今多功能床各個模塊的發(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)計內(nèi)容。9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)境對噪聲的限制，故設(shè)計時電機(jī)類型及型號的選取應(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)計時考慮能使人在床上可以實現(xiàn)坐姿。同時多功能床還應(yīng)該實現(xiàn)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(jìn)行控制。102.2 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、電機(jī)驅(qū)動以及總體位姿協(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，我們很容易發(fā)現(xiàn)，為了實現(xiàn)床面某一個特定的體位姿態(tài)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法就會設(shè)計一套特定的機(jī)構(gòu)與之對應(yīng)。當(dāng)位姿數(shù)目越來越多時，所需機(jī)構(gòu)數(shù)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(guān)多功能床標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制在某一個空間范圍之內(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，人體的運(yùn)動具有極大的柔性。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立的 4 個面板。如圖 2-1所示。圖 2-1 中，床板 1 對應(yīng)于人體的背部，床板 2 對應(yīng)于人體的臀部，床板 3 人體的腿部，床板 4 對應(yīng)人體的腳部。通過各個床面板之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動，采用單動或聯(lián)動方式來實現(xiàn)多功能床所需的各種體位位姿。11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(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)滿足以下幾個方面的要求:(1)能夠?qū)崿F(xiàn)多功能床所需的各種體位位姿要求。(2)各個活動床面板的擺動角度范圍應(yīng)參照有關(guān)要求以及人體的舒適感，各床面板擺動角度及標(biāo)準(zhǔn)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(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。12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，整臺多功能床中共有兩臺直流電機(jī)，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(jī)構(gòu)部分，包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，運(yùn)動方案的設(shè)計，整個多功能床三維模型建立，整床的裝配及運(yùn)動仿真。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)計時所需的各項要求，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，多功能床的各個組成部分。1314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，坐起時 1 板繞 Y1 軸向上翻轉(zhuǎn)；抬臀時 2 板繞 Y2 軸向上翻轉(zhuǎn)，同時帶動 3 板Y3 翻轉(zhuǎn)；曲腿時 3 板繞 Y3 向下翻轉(zhuǎn)，同時帶動 4 板繞 Y3 翻轉(zhuǎn)；墊腳板4 通過各機(jī)構(gòu)的聯(lián)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(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，滿足了各個功能協(xié)調(diào)動作的要求。153.1.2 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，采取坐起和曲腿的功能分別驅(qū)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(dāng)需要坐起時，由圖中左邊的電動機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，16使得螺母副 7 向右運(yùn)動，使得連桿 6 帶動轉(zhuǎn)臂 5 旋轉(zhuǎn)，最后轉(zhuǎn)臂驅(qū)動床板 1 繞 G 點旋轉(zhuǎn)，從而使人坐起；當(dāng)需要曲腿時。同樣左邊的電動機(jī)驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，使得螺母副 8 向左運(yùn)動，使得連桿 9 帶動轉(zhuǎn)臂 10 轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臂驅(qū)動床板 2 繞 G 點向上轉(zhuǎn)動，同時轉(zhuǎn)臂 10 通過連桿 11 帶動轉(zhuǎn)臂 12 旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臂驅(qū)動床板 3 繞 H 點向下旋轉(zhuǎn)；床板 3 的帶動床板 4 向下運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動到腳步支撐時開始繞 I 點旋轉(zhuǎn)，最后使得床板 4 處于水平狀態(tài)。其中電動機(jī)有兩臺，床的前后各一臺，分別用于驅(qū)動坐起和曲腿兩個運(yùn)動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)點是結(jié)構(gòu)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(yán)重。3.2 多功能床方案二3.2.1 床板結(jié)構(gòu)示意圖17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)，坐起時床板 1 繞 Y1 軸向上翻轉(zhuǎn)；同時床板 3 繞 Y2 軸向下翻轉(zhuǎn)，達(dá)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)）18圖 3-6 方案二：坐起及曲腿（坐起狀態(tài)）這部分的設(shè)計，采用坐起和曲腿的功能同時驅(qū)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(jī)構(gòu)處于死點狀態(tài)，達(dá)到足夠的剛度和穩(wěn)定性。當(dāng)需要坐起時由圖中電動機(jī)驅(qū)動蝸桿 1 轉(zhuǎn)動，蝸桿 1 再驅(qū)動蝸輪 2 轉(zhuǎn)動，從而帶動轉(zhuǎn)臂運(yùn)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(zhuǎn)動，4 帶輪的旋轉(zhuǎn)使得曲柄連桿機(jī)構(gòu)中曲柄 4’轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(yán)重，且蝸輪蝸桿加工難度大，制作成本高。帶輪負(fù)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(xiàn)的功能 采用的機(jī)構(gòu) 實際情況 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，傳動平穩(wěn)，效率低加工容易，成本低19曲腿 絲杠螺母和連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(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，用于實現(xiàn)多功能床的不同功能，并對實現(xiàn)各個功能的不同結(jié)構(gòu)和狀態(tài)進(jìn)行分析和研究，對各個方案的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，最終確定最優(yōu)方案。20第 4 章 多功能床機(jī)構(gòu)設(shè)計4.1 基本參數(shù)的設(shè)計根據(jù)實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(jī)構(gòu)抬背機(jī)構(gòu)是多功能床的一個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其主要的功能是實現(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，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。電動機(jī)的轉(zhuǎn)動通過聯(lián)軸器帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使位于絲杠上的螺母滑塊機(jī)構(gòu)左右運(yùn)21動，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發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過滾子的作用，使得背板繞著它與床架的鉸接點為轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。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（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)為原動件對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動。其中，背部床板的長度為 860mm，翻轉(zhuǎn)角度為 70°。圖解法設(shè)計抬背機(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)動后的位置，通過各桿件間的運(yùn)動關(guān)系和位置關(guān)系確定螺母滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動行程為 281.82mm。初步設(shè)計完成后的尺寸及各安裝點位置圖如圖 4-2 所示。22（1）抬背機(jī)構(gòu)的自由度計算： FpnFh????)2(31式中：n=5，p 1=6，p h=1，F(xiàn) '=1（F 為自由度，n 為構(gòu)件數(shù)，p 1為低副數(shù)，p h為高副數(shù)，F(xiàn) '為虛約束數(shù)） 。 )162(53)2(31 ?????????nh該機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)為 1（螺母滑塊在絲桿上的的滑動） ，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。圖 4-2 抬背機(jī)構(gòu)設(shè)計尺寸及安裝點位置圖23（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)過程中的每個位置、各構(gòu)件的轉(zhuǎn)動角度以及螺母的行程。表 4-1 抬背時各構(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)動行程5° 3° 14.1mm10° 3° 16.01mm15° 3° 17.68mm20° 4° 19.03mm25° 4° 20.04mm30° 4° 20.68mm35° 4° 20.96mm40° 4° 20.91mm45° 4° 20.54mm50° 4° 19.89mm55° 5° 19.00mm60° 5° 17.89mm65° 5° 16.61mm70° 6° 15.17mm4.2.3 抬背機(jī)構(gòu)電動機(jī)的選擇（1）電動機(jī)的功率計算取抬背所用總時間 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： sradt /0349.91?????抬背支桿的速度： smrv /16.1?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）： WTvP1.60.11???