机械毕业设计（论文）-家用电动护理床设计【全套图纸】 .doc

毕业设计说明书毕业设计说明书 题题 目：目： 家用电动护理床家用电动护理床 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 号：号： 20109629332010962933 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 完成日期：完成日期： 2014.06.292014.06.29 毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 家用电动护理床设计家用电动护理床设计 学号： 2010962933 学生姓名： 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求 1、该护理床主要用于家庭病人的护理； 2、护理床具有背板升降、腿板升降以及整床升降功能； 3、背板升降角度70，腿板升降角度35，整床升降范围 300520； 4、总体设计方案的比较论证及拟定，包括升降机构，自锁机构等； 6、装配图 a0#1 张、零件图总量 a0#1 张； 7、编写设计计算说明书一份。 8、翻译外文资料，应有 3000 单词以上。 二、重点研究的问题 1、升降机构； 2、自锁与调整机构。 三、进度安排 各阶段完成的内容起止时间 1 熟悉课题与基础资料 第 1 周 2 调研、收集资料第 2 周 3 护理床总体方案设计与论证第 34 周 4 护理床总体布局设计第 56 周 5 护理床总装图设计第 79 周 6 护理床工程图设计第 10 周 7 撰写设计说明书第 11 周 8 英文文献翻译第 12 周 9 答辩第 12 周 四、应收集的资料及主要参考文献 1 孙桓，陈作模.机械原理（第六版）.高等教育出版社.2001.5. 2 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社. 2002.9 3 范钦珊，殷雅俊. 材料力学.北京，清华大学出版社.2004 4 濮良贵，纪名刚.机械设计. 高等教育出版社.2001.4 第 7 版 5 李杞仪，赵韩主编. 机械原理. 武汉：武汉理工大学出版社，2009.8 6 吴宗泽.机械零件设计手册.机械工业出版社.2004.1 7 王昆等.机械设计课程设计.高等教育出版社.1995.12 8 王文斌等.机械设计手册. 第 3 版.北京，机械工业出版社.2004.8 9 朱冬梅，胥北澜.画法几何及机械制图.第 5 版.高等教育出版社.2000.12 10 白建军，张华，刘继忠轮椅床智能座便器的设计【j】 机械设计与研究， 2010，26(1)：121-124 11 吴剑机器人化多功能护理床的研究与开发【d】 华南理工大学，2003 目目 录录 摘要1 第一章 绪论3 1.1 家用电动护理床的研究背景.3 1.2 家用电动床的发展前景.4 1.3 选择课题的目的及其意义.5 第二章 家用电动护理床结构的整体方案6 2.1 设计原则.6 2.2 功能要求及设计指标.7 2.3 家用电动护理床总体方案设计.9 2.4 护理床各功能模块构型设计.11 2.5 本章小结15 第三章 家用电动护理床的运动机构设机及相关计算15 3.1 基本参数的设定15 3.2 电动机的选择15 3.3 零件的设计与校核20 3.4 本章小结26 第四章 三个机构的运动分析及三维模型图27 结论30 参考文献31 致谢32 附录 1 外文翻译 附录 2 中文翻译 11 家用电动护理床设计家用电动护理床设计 摘要摘要 在人口老龄化快速增长的今天，对护理行业有了越来越严格的要求，不仅要求护理床的质量可 靠，还要求具有多功能化。家用电动护理床就是一款为此 需求而设计的医疗器械。 这款护理床是针对不能生活自理及行动不便的的人来设计的，该病床能够帮助病人坐起、屈膝、 调高整床的高度。解决了在护理过程中的诸多不便，并解决了我国护理行业的困难，促进了护理医 疗器械的发展。 本文首先基于人体工程学，进行了护理床总体方案的设计，根据相关标准及调研结果，制定 了护理床的设计原则，功能要求及设计指标；完成了护理床本体的总体方案设计。 然后，采用自上而下的方法完成了护理床结构详细设计并给出了全套的设计图。主要包括总 体框架、抬腿部件、抬背部件、整床升降等功能模块。 关键词关键词：医疗器械，家用电动护理床，机构设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 22 household electric nursing bed design abstract in the rapidly growing aging population today, the nursing industry has increasingly stringent requirements, not only requires reliable quality care beds, but also requires a multifunctional. household electric care bed is a demand for this purpose designed medical devices. this care bed can not take care of themselves and for mobility of people to design, the bed can help patients sit, knees, raise the whole bed height. solved in the nursing process a lot of inconvenience, and solve the problems of the nursing profession, and promote the development of nursing medical devices. firstly, based on ergonomics, conducted a nursing bed overall program design, according to the relevant standards and research results, developed a nursing bed design principles, functional requirements and design specifications; complete body care bed overall design. then, using the top-down approach to complete the detailed design of the nursing bed structure and gives a full set of design drawings. includes general framework leg parts, lift the back piece, the whole bed lifting and other functional modules. keywords: medical equipment, home electric nursing bed, mechanism design. 33 第一章第一章 绪论绪论 1.1 家用电动护理床的研究背景家用电动护理床的研究背景 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20w 人民币以上)，很难为一般的消费者能接受这很 44 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(按动了分)手动护理床和电动护理床;护理床的类型二(按功能分)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：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 家用电动床的发展前景家用电动床的发展前景 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家用电动护理床协助自 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 55 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。 家用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。 目前市面上常见的家用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。 1.3 选择课题的目的及其意义选择课题的目的及其意义 本文主要研究目的是为了解决老年人，不能自理的病人、残疾人、瘫痪病人、产 妇等这一类人的痛苦。让他（她）在没有他人一直照顾时能够自理。 改革开放的发展使中国的经济稳步增长，人们的生活水平日益提高，城市人的生 活节奏也越来越快，但是中国的老龄化却在一步步加剧，再加上计划生育的实施，越 来越多的家庭变成“4+2+1”的模式，年轻人要生活，要工作，根本没有足够的时间照 顾老人，家用电动护理床的设计，可以在很大程度上减轻年轻人的负担，方便老人的 饮食起居，让老人在床上可以自由的翻身、坐起、屈膝、排便、洗漱，通过调整合适 的坐姿或卧姿，顺利地完成吃饭、移动、看书、写字、娱乐等日常活动。 综合现在的市场需求，家用电动护理床是遵循人体护理需求和人体工程学原理而 设计，实现了生活不能自理的患者所需要的几大功能。 66 1.整床升降功能，根据使用者的需要能够把整床的高度进行调整，让使用者感到 舒服。 2.坐起功能，根据使用者的需要可以把背部的床板调整到之间的任意位置。700 能够实现使用者睡累的情况下坐起，这有利益患者的康复，能够促进患者血液循环， 对患者的身体健康有着良好的影响。 3.曲腿功能，能够让使用者在坐起时腿感觉到舒服，防止腿一直处于一种状态而 导致麻木。 为实现上述功能，设计护理床的主要任务： 1、家用电动护理床运动结构的设计 2、家用电动护理床的机构的设计 3、家用电动护理床的零件的设计 4、家用电动护理床的运动分析及其三维建模 第二章第二章 家用电动护理床结构的整体方案家用电动护理床结构的整体方案 2.1 设计原则设计原则 家用电动护理床的设计应该遵循以下几个原则： 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、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，因此家用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。 77 3、功能多样化原则 在家用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。 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。 5、轻量化原则 由于家用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功能要求及设计指标 2.2.1 功能要求 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 家用电动护理床设计了以下几种功能：1.平躺;2.整床升降;3 抬背;4 曲/伸腿.。 2.2.2 设计指标 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。 1、外形尺寸 家用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。 88 按照中华人民共和国行业标准病床标准，家用电动护理床的外形尺寸最终 取为： 长宽=2000mm1000mm 高=300520mm 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（如图 2.1 所示） ，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 2.1 床面各板块人体重量分布 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 2.2 中 a）应能从 085o（或更大）可调。 2) 大腿板与水平面间夹角（图 2.2 中 b）应能从 050o（或更大）可调。 3) 小腿板与水平面间夹角（图 2.2 中 c）应能从 050o（或更大）可调。 99 4) 大腿板与小腿板间夹角（图 2.2 中 d）应能调至 180o（平面） 。 图 2.2 床面各板的推荐调节范围 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 2.1） 。 表表 2.1 体位调整类指标体位调整类指标 运动指标具体数值 背升角度070o 大腿床板 翻转角度 035o 整床升降 高度范围 300520mm 注：以上各项动作均可以在设定范围内的任意角度随时停止。 2.3 家用电动护理床总体方案家用电动护理床总体方案设计设计 2.3.1 整体布局 按照床的整体分布，家用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； 1010 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。 2.3.2 床面设计 家用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（如图 2.3 所示)。 图 2.3 床面结构示意图 其中，床板 14 为下层板，58 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（参见表 2.2） 。 表 2.2 各床板 x 向尺寸 尺寸项 具体数值 背板 760mm 1111 各床板的尺寸基于 gb10000-88 常用人体测量数据确定【9】。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 2.3。 表表 2.3 家用电动家用电动护理床实现功能所需的床板联动护理床实现功能所需的床板联动 功能项相关参数备注 各床板均水平 背板与水平面夹 角为 070o 5、6 床板组合联 动，绕 y1 轴翻转 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 臀部板230mm 大腿板400mm 小腿板610mm 平躺 抬背 曲/伸腿 1212 注:上述表述中“水平“以护理床处于水平地面上为参考状态。 2.4 护理床各功能模块构型设计护理床各功能模块构型设计 2.4.1 抬背构型设计 抬背机构运动的实现较为简单，有以下几种构型可供选择。 （如图 2.4 所示） 图 2.4 抬背机构的 3 种备选构型 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=4*3-2*5-1=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=3*3-2*4=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 1313 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=3*3-2*4=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。 2.4.2 曲腿机构的设计 曲腿机构的设计与抬背机构的相同。 2.4.3 整床升降机构的设计 整床机构的设计有以下两种方案选择 第一种方案是采用联动的两个平面四杆机构，简图如下： 第二种方案采用四个相同的电动推杆分别支撑床的四边，简图如下： 1414 第一种方案 该机构为四杆机构，有 3 个活动件，四个转动副，自由度为 f=3*3-2*4=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。 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。 2.4.4 抬背、腿机构的设计 抬腿机构的构型相对来讲和抬背机构是相同的，抬背机构和抬腿机构总体的简图 如图 2.6，图 2.7 所示。 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 7 转动，使得螺帽 6 向右运动，再由连杆 5 驱动床板 1 旋转，从而使人坐起。 需要曲膝时，同样右边的电动机工作，通过螺杆 10 转动，使螺帽 9 向左运动，再由连 杆 8 驱动床板 3 旋转。坐起和曲膝动作如图“坐起状态”。 图 2.6 运动之前机构简图 1515 图 2.7 运动之后机构简图 2.5 本章小结本章小结 本章完成了多功能护理床总体方案的设计。 1、制定了该护理床设计应该遵循个几个原则，提出了所要达到的各项功能，明确 了应该达到的各项技术指标。 2、对护理床的总体方案进行了设计。首先提出了护理床的总体布局，然后确定了 床面结构形式、具体尺寸，最后在分析比较基础上，确定了各功能模块的机构构型。 第三章第三章 家用电动护理床的运动机构设机及相关计算家用电动护理床的运动机构设机及相关计算 1616 3.1 基本参数的设定基本参数的设定 在第二章的设计指标中已经给出了基本参数，由于本章着眼于计算，方便我们可 以直观地获得数据，我们再一次给出护理床的基本参数值。 床的基本尺寸为 长宽=2000mm1000mm,高=300520mm 抬背角度为 070o 大腿翻转角度为 035o 3.2 电动机的选择电动机的选择 3.2.1 整床升降电动机的选择 1）功率： 时间 t=35s ， 上升高度 h=220mm ，极限夹角，转臂角速度为 90 srad s 0449 . 0 35 2 1 转臂速度： s m s m h0099 . 0 22 . 0 0449 . 0 111 负载,转臂所传递的功率为（忽略转臂自重）nt3000 1 wwtp300099 . 0 3000 111 电 动 机 的 许 用 功 率： p许忽略轴的转动惯量及连杆自重） 1 w p 78 99 . 0 98 . 0 4 . 0 30 22 1 轴承联轴器螺杆 电动机实际功率： wwp942 . 178 实 由以上结果知，选定额定功率为 100w 的单向电容式减速电动机。其相关参数如下 1717 2)电机转速 由图 3.2 可知螺杆导程 1 最短约为 220mm。那么由屈膝的抬腿时间，螺杆st35 导程间距，可以得出电动机的最低转速约：mmd2 min 3.2.2 坐起电动机 1）功率 取 t=30s，极限角度 =70o，转臂角速度： 1818 srad s 0407 . 0 30 18070 2 转臂速度： sml01140 . 0 28 . 0 0407 . 0 222 负载，则转臂传递的功率：nt1000 2 （忽略转臂自重）wtp 4 . 11 222 电 动 机 的 许 用 功 率： p许 2 =（忽略轴的转动惯量及连杆自重）w p 30 99 . 0 98 . 0 4 . 0 4 . 11 22 2 轴承 联轴器螺杆 电动机实际功率： p许 2 1.2=36w 2 p 由以上结果知，选用额定功率为 40w 的单相电容式减速电动机。相关参数如下 2）转速 由图 3.1 可知坐起螺杆行程最短约为 365m。那么由上身坐起的时间 t=30s，螺杆螺纹间 距 d=2mm，可以得出电动机的最低转速： n=36523060r/min=365r/min 1919 图 3.1 坐起螺杆的导程示意图 3.2.3 曲腿电动机的选择 1）功率： ，极限角度，转臂角速度：st35 o 35 srad s 0174. 0 35 18035 3 转臂速度： sml0035 . 0 2 . 00174 . 0 333 负载 t3=1000n，则转臂所传递的功率：（忽略转臂自重）wtp5 . 3 333 p许 3=(忽略轴的转动惯量及连杆量）w p 1 . 9 99 . 0 98 . 0 4 . 0 5 . 3 22 3 轴承 联轴器螺杆 电动机实际功率：p3=p许 31.2=10.9w 由以上结果知，选定额定功率为 25w 的单相电容式减速电动机。相关参数如下 2020 2）转速： 由图 3.2 可知屈膝螺杆行程最短约为 121mm。那么由屈膝的抬腿时间，螺st35 杆导程间距，可以得出电动机的最低转速约：mmd2 min10460352121rn 图 3.2 屈膝时螺杆的行程示意图 3.3 零件的设计与校核零件的设计与校核 3.3.1 横轴的设计与校核 1、求轴上的功率 p2、p3转速 n1、n2及转矩 t2、t3。 p2 p2 电机螺杆轴承 （忽略连杆重量）w2399 . 0 4 . 0 7 200 2 p3 p3 电机螺杆轴承 w1099 . 0 4 . 025 2 2121 min389. 0 2 60 2 2 rn min166 . 0 2 60 3 3 rn mnmn n p t565 389 . 0 23 55 . 9 55 . 9 2 2 2 mnmn n p t575 166 . 0 10 55 . 9 55 . 9 3 3 3 将轴设计为实心光轴。 初步确定轴的直径 mm n p ad38 389 . 0 023 . 0 9733 2 2 02 因计算比较保守，先选用直径为 25mm 的 40cr 待后面校核。 mm n p ad38 166 . 0 010 . 0 9733 3 3 03 同以上选择一样。 1、轴的结构设计 根据轴向和周向定位要求将轴与转臂套筒用螺栓固定，同时考虑到传动角的范围 将连杆在轴上的固定孔偏离转臂套筒固定孔 40o。 2、 初步选定滚动轴承 因轴承所受轴向力可忽略，认为只受径向力，选用深沟球轴承即可。 3、轴的强度校核 因这轴所受弯矩很小，可忽略，认为只受扭转作用，故只考虑扭转强度校核。 轴的计算应力 mpampampa w t 181 252 . 0 565000 3 3 2 2 mpampampa w t 184 252 . 0 575000 3 3 3 3 其中是抗扭截面系数，=w3w3 3 16 d 由以上计算确定轴的材料为 40cr，经调质处理。 2222 查机械设计手册得。因此。故，轴安全 mpa275 1 1 3 2 ca ca 3.3.2 螺杆的设计与校核 1、螺杆的确定 （1）自锁性；由于在升降过程中要求能在任意一个角度停止，故对其自锁性能有很高 的要求，于是选用小导程角的单头螺纹，螺纹形式为梯形螺纹，在本机构中对自锁性 有很大要求，故对其进行校核： 其中,梯形螺纹92 . 1 )tan( 2d p acr 9 . 5 cos tan f acr1 . 0f ，螺距 p=2mm，d2为螺纹中径，查找相关资料取 d2=19mm。由于 15 2 ，故其自锁性很好。 （2） 螺杆的扭矩 ；因三根螺杆中使病人坐起的机构中螺杆受力最大，故先设 计该机构中的螺杆。负载 t2=1000n，螺杆轴向力最大为 1000n。 其中螺杆所受扭矩： 。mndft 34. 110219)62tan(10002)tan( 3 2 由此得出螺纹最小扭矩为 1.2nm 时即可将 1000n 负载支起。而电动机提供给螺 杆的转矩为，故符合要求。mnmnt34 . 1 57. 1 365 60 55 . 9 2、螺纹长度的确定 由前面电动机选择过程中求电动机转速时算出的数据： 整床升降螺杆行程为 220mm，螺杆螺纹长度选 250mm，据床的整体机构确定螺杆 总长度 360mm，梯形螺纹，螺距为 2，公称直径为 20mm，材料选用 40cr 钢。 坐起螺杆行程为 365mm，螺杆螺纹长度选 400mm，据床的整体机构确定螺杆总 长度 520mm，梯形螺纹，螺距为 2，公称直径为 20mm，材料选用 40cr 钢。 屈膝螺杆行程为 121mm，螺杆螺纹长度选 150mm，据床的整体机构确定螺杆总长 度 270mm，梯形螺纹，螺距为 2，公称直径为 20mm 材料选用 40cr 钢。 3、螺杆强度校核：在升降过程中，螺杆受轴向压力 f 和转矩 t 的作用，应根据第四强 度理论对其强度进行校核，强度校核公式参阅教材： 2323 2 3 1 2 2 1 16 3 4 d t d f ca 式中为螺杆材料的许用应力（mpa） ，。 53 s 电动机提供给螺杆的扭矩： 。mnt57 . 1 365 60 55 . 9 , 其中 f 为轴向压力： 。n d tgtf v 1176 2 2 , d1为螺纹小径。 经计算得。查机械手册得，因此，故安全。mpa ca 7 . 6mpa69 1 1 ca 4、抗弯曲强度校核：每圈螺纹承受的平均作用力 f/z 作用在中径的圆周上，则螺纹 2 d 牙根部危险剖面的变曲强度为： 2 . 1189 . 0 3 2 1 zbd fl b 其中 b=0.634p(梯形螺纹，p 为螺距)，f 为轴向力，l 为螺纹工作高度，取 z=8 为组合 圈数（无量纲） 。 5、螺杆稳定性校核：细长的螺杆工作时受到较大的轴向压力可能导致失稳，为此应按 照螺杆的稳定性条件来验算螺杆的稳定性。 1.坐起螺杆 查教材，u 取 0.5（两端固定） 螺杆的柔度： i ul s 得： 4 1 d i )(4050需要校核 s 根据欧拉公式计算： n ut ei fcr8 .18057 4555 . 0 64 5 . 17 1006 . 2 )( 2 4 52 2 2 2424 nf1176 36.161176/ 8 . 18057 f f s cr sc 稳定性安全系数取（传力螺旋） ，故认为螺杆稳定。0 . 55 . 3 s s ssc ss 2.整床升降螺杆 （不需要校核）4033 i ul s 3.曲腿螺杆 。 （不需要校核）4021 i ul s 3.3.3 坐起机构中零件的设计与校核 1、连杆的设计 a.初步确定连杆材料和长度 假设坐起机构升降到 70 度时螺帽的行程的最终位置与背部床板旋转点的水平距离为 mm,连杆与背部床板连接点到其旋转点的距离为=280mm,螺帽运动轴线到240 1ll2 旋转点的垂直距离为 e=30mm,其图如下，故可以算出连杆的长度，由三角函数： l3 9 .10)70tan( ea 9 . 31)70sin( ebmma ll . 9 .250 11 mmb ll 9 . 311 22 )70cos(2 21 2 2 2 1 2 3 lllll 得mm l 326 3 2525 故连杆为 326mm，宽和高都为 40mm,材料为 40cr 调质处理。 l3 b.连杆强度校核 mmnfm l /35443470sin3261157sin 3 连杆所受的轴向力可忽略。 因.故安全。.33 6/40 354434 3 mpa w m ca mpa ca 70 1 3.3.4 曲腿机构中零件设计与校核 1、连杆的设计 a.连杆的设计 2626 按照坐起机构的算法可以得出=164mm，选择连杆的长度为 1604mm,宽和高都 l3 为 40mm。材料为 40cr 经调质处理。 b.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。 3.3.5 整床升降中的零件设计与校核 a.连杆的设计 由于整床上升的距离为 220mm,故其连杆 l1 设计为 220mm。l2 为 80mm ,宽和高 分别为 20mm,30mm。材料为 40cr 经调质处理。 b.连杆强度校核 因其所受的平均力较小，故不用校核。 3.4 本章小结本章小结 本章承接上文的总体设计方案，以科学的方法和数据，完成了家用电动护理床的 详细设计。 1、完成了基本参数的设计。 2、完成了三个运动机构的设计。 3、完成了零件的设计。 2727 第四章第四章 三个机构的运动分析及三维模型图三个机构的运动分析及三维模型图 4.1 设计仿真应用软件概述 ug 是 unigraphics 的缩写，这是一个交互式 cad/cam(计算机辅助设计与计算机 辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之 初主要基于工作站，但随着 pc 硬件的发展和个人用户的迅速增长，在 pc 上的应用取 得了迅猛的增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。 ug 的开发始于1969年，它是基于 c 语言开发实现的。ug nx 是一个在二和三维 空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的 软件工具。其设计思想足够灵活地支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用 再利用。 一个给定过程的有效模拟需要来自于应用领域(自然科学或工程)、数学(分析和数值 数学)及计算机科学的知识。然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。 这是因为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件的实现变 得越来越复杂，以致于超出了一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程 的技术，特别是自适应网格加密（adaptivemeshrefinement）和多重网格方法在过去 的十年中已被数学家研究，同时随着计算机技术的巨大进展，特别是大型并行计算机 的开发带来了许多新的可能。ug 的目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、 多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可再使用的软件基础。 来自 siemensplm 的 nx 使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全 生