多功能監(jiān)護床的抬腿機構(gòu)設計【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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Craig 著.機器人學導論（第三版）贠超等譯.北京：機械工業(yè)出版社, 2006.6 [2] 機器人控制工程 徐斌昌 [3] 李琳，李杞儀.機械原理.北京：中國輕工業(yè)出版社，2009.1 [4] 王為，汪建曉.機械設計.武漢：華中科技大學出版社，2006.8 [5] 何庭蕙，黃小清，陸麗芳.工程力學.廣州：華南理工大學出版社，2006.6 [6] 陳錦昌. 計算機工程制圖.廣州：華南理工大學出版社，2004.3 4.本畢業(yè)設計（論文）任務書于 年 月 日發(fā)出，應于 年 月 日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會進行答辯。 專業(yè)教研組（系）負責人 審核 年 月 日 指導教師（導師組負責人） 鄒焱飚 簽發(fā) 2013 年 1 月 20 日 多功能監(jiān)護床抬腿機構(gòu)設計 目錄 摘要 1 Abstract 1 第一章 緒論 3 1.1概述 3 1.2監(jiān)護床發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 5 1.3 監(jiān)護床抬腿機構(gòu)的方案分析 8 第二章 機械結(jié)構(gòu)的設計 12 2.1減速比分配及電機和減速器的選型 12 2.2 同步帶傳動設計 13 2.3傳動軸設計 14 第三章 直線導軌滑塊的設計 16 3.1導軌的設計和作用要求 16 3.2導軌結(jié)構(gòu)設計 22 第四章 結(jié)構(gòu)設計的三維建?！?3 4.1零部件的建?！?3 4.2裝配體的建?！?4 結(jié)論 25 致謝 26 參考文獻： 27 摘 要 本文介紹新型一種多功能監(jiān)護床的抬腿機構(gòu)，技術(shù)結(jié)構(gòu)上在于使用了曲柄滑塊機構(gòu)。由電機帶動曲柄轉(zhuǎn)動，這樣滑塊便可以上下反復運動。 此種多功能監(jiān)護床的抬腿機構(gòu)，其特征在于：裝有導軌和滑塊，導軌上裝一可在導軌上滑動的移動腿部，這樣整體支腿可以隨著導軌上下反復運動，實現(xiàn)運動平穩(wěn)可靠，滿足需求。 關(guān)鍵詞：監(jiān)護床；導軌滑塊；曲柄滑塊機構(gòu)。 Abstract This paper introduces the leg mechanism of a new multifunctional nursing bed, the technological structure is using slider-crank mechanism. The motor drives the crank to rotate, so that the slider can be up and down movement. The multifunctional nursing bed leg mechanism, which is characterized in that: a guide and a slider, move the leg guide is provided with a sliding on the guide rail, so that the whole leg with the lower guide rail movement, to achieve stable and reliable motion, to meet the needs of. Key word: Monitoring bed; guide; crank slider mechanism 第1章 緒 論 1.1 概述 醫(yī)用病床也可稱為醫(yī)用床、醫(yī)療床、護理床等，是病人在醫(yī)院住院時使用的病床，主要使用場合有各大醫(yī)院、鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院、社區(qū)衛(wèi)生服務中心等。 醫(yī)用病床的分類有很多種，具體有以下分類方式：按材質(zhì)分，可分為ABS醫(yī)用病床、全不銹鋼醫(yī)用病床、半不銹鋼醫(yī)用病床、全鋼制噴塑醫(yī)用病床等。 　　按功能分，可分為電動醫(yī)用病床和手動醫(yī)用病床，其中電動醫(yī)用病床又可分為五功能電動醫(yī)用病床和三功能電動醫(yī)用病床等，手動醫(yī)用病床又可分為雙搖醫(yī)用病床、單搖醫(yī)用病床、平板醫(yī)用病床。 　　按可否移動分，可分為帶輪醫(yī)用病床和指直角醫(yī)用病床，其中電動醫(yī)用病床一般都是可移動帶輪的。 　　另外，還有其他一些特殊功能的病床，比如：超低三功能電動床、家居護理床、帶便盆醫(yī)用床、燙傷翻身床、搶救床、母子床、嬰兒床、兒童床、ICU監(jiān)護床、診查床等。 　　長沙華健醫(yī)療設備有限公司生產(chǎn)的監(jiān)護床采用的都是上好的材質(zhì)，用一流的工藝加工制作而成。 1.2 監(jiān)護床發(fā)展的現(xiàn)狀及趨勢 監(jiān)護床作為一種現(xiàn)代醫(yī)院新型的醫(yī)療輔助設備正被越來越多人關(guān)注，監(jiān)護床其自身的操作簡單、全電動智能化操作方式體現(xiàn)了現(xiàn)今醫(yī)院醫(yī)療技術(shù)的更新?lián)Q代和高新技術(shù)的前沿化，監(jiān)護床可以實現(xiàn)智能化精確轉(zhuǎn)換體位，可以實現(xiàn)不同體位傷患者的體位轉(zhuǎn)換，而且操作簡單，可遠程遙控，實現(xiàn)了完全自動化和智能化的醫(yī)療技術(shù)改進，成為現(xiàn)代醫(yī)院病床的代表性產(chǎn)品。 1、監(jiān)護床的取代早期手搖腳踏手術(shù)床，讓操作變得簡單易行監(jiān)護床的操作功能一般包括床面升降、前后左右傾等。早期的醫(yī)療床操為簡單的人工驅(qū)動式，純粹依靠醫(yī)務人員手搖進行，操作繁瑣，缺乏方便性與靈活性。目前有的地方使用的是腳踏液壓驅(qū)動方式。隨著電子技術(shù)的發(fā)展目前電動機驅(qū)動油泵操縱體位變化的醫(yī)療床，及電動機全機械傳動的病床，也在逐漸被無電磁干擾的直流電動機驅(qū)動油泵操縱體位變化、計算機輔助無操縱線妨礙的遠紅外遙控所取代?？偠灾O(jiān)護床的操作越來越趨向于自動化和智能化，以減輕操作者的工作量和操作復雜度，方便遠程遙控，并滿足手術(shù)及其他各方面需求。監(jiān)護床嚴格符合國家要求標準。 2、監(jiān)護床實現(xiàn)了多功能和專業(yè)化的技術(shù)突破，傷患舒適，醫(yī)生方便多功能化是手術(shù)床發(fā)展的一個重要方向。該監(jiān)護床采用醫(yī)療床標配胸橋和分離式腿板，具有平移功能，能夠進行全身拍片和導管手術(shù)。各板塊都能進行大角度運動，達到各種醫(yī)學上所需的體位，且有大量可選配件，可滿足各種?？?臨床手術(shù)體位的需要。其一般內(nèi)置大容量電池，充滿電后可滿足l周手術(shù)所需電量。這種綜合監(jiān)護床可供醫(yī)院手術(shù)室施行頭、頸、胸腹腔、會陰、四肢等外科及婦產(chǎn)科、五官科和骨科等手術(shù)。 電動平移床運用先進的科技技術(shù)制造出適合各種傷患者的多功能智能化，電動平移床，真正體現(xiàn)出了展示醫(yī)院形象以及全心全意為傷患的服務理念，不僅節(jié)省大量多余的勞動力，而且能有效針對傷患者的不同發(fā)病部位或受傷部位進行多角度觀察和實施手術(shù)，進一步提高手術(shù)精準度及縮短有效治療時間，可以說成為了現(xiàn)今醫(yī)院發(fā)展的首要發(fā)展要素。 1.3 監(jiān)護床抬腿機構(gòu)的方案分析 1.3.1機械結(jié)構(gòu)分析 本課題是設計一種多功能監(jiān)護床的抬腿機構(gòu)設計，要求抬腿自動抬腿上下反復運動。 現(xiàn)提供以下設計方案： 直線導軌+滑塊 曲柄連桿機構(gòu) 同步帶傳動 電機+減速器 圖1 多功能監(jiān)護床抬腿機構(gòu) 此種方案為基本旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的一種典型方式。由電機+減速器帶動同步帶傳動機構(gòu)，同步帶連同大轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上連接一連桿，連桿的一端連接在直線導軌+滑塊上，這樣隨著電機轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，連桿相應就在直線滑軌上可以上下反復運動。轉(zhuǎn)盤連同連桿即為曲柄連桿機構(gòu)的一種形式，即為曲柄滑塊機構(gòu)。 1.3.2 機械結(jié)構(gòu)總體方案和布局 確定好設計方案后我們對整體方案進行大體設計布局，整個傳動裝置由電動機帶動，電動機連同減速器，本次設計的電動機我們采用普通電動機，普通電動機連同減速器，需要分配傳動減速比，需要加減速器進行減速，經(jīng)過減速器出來后再與同步帶連接，再進行一次減速。我們再加上同步帶傳動，使得傳動更加平穩(wěn)快速，經(jīng)過傳動軸后，轉(zhuǎn)盤和傳動軸連接，連桿連接在轉(zhuǎn)盤上。連桿的另一端固定在導軌滑塊上，這樣整體布局就設計出來。 傳動軸 曲柄滑塊機構(gòu) 同步帶傳動 直線導軌+滑塊 圖3 多功能監(jiān)護床抬腿機構(gòu)大體布局圖 第2章 機械結(jié)構(gòu)的設計 2.1減速比分配及電機和減速器選型 整個裝置我們假設承受總重量為100Kg（由于考慮到人的重量），整個腿部機構(gòu)升降速度大致為1~2r/min。即： 根據(jù)本次設計由于為了監(jiān)護床的方便使用，不需要考慮外接電源，所以要需要蓄電池帶動電機，這里我們選擇直流無刷電機，直流無刷電機的型號是92BL-A類型的。具體的電機設計計算如下 2.1.1直流電機設計計算 1、確定運行時間 本次設計加速時間 負載速度（m/min） 有速度可知每秒上升50mm， 2.電機轉(zhuǎn)速 3.負載轉(zhuǎn)矩 式中： 4.負載慣量 上下垂直運動 絲桿螺母慣量 式中 總慣量 5.電機轉(zhuǎn)矩 啟動轉(zhuǎn)矩 必須轉(zhuǎn)矩 S為安全系數(shù)，這里取1.0 根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)， 我們選用直流無刷電機型號為92BL-A，此無刷直流電機廠家為南京森宇機電的產(chǎn)品。根據(jù)電機的特性曲線以及參數(shù)表如下： 根據(jù)計算和特性曲線以及電機基本參數(shù)表，我們選用直流無刷電機型號為 92BL-4030H1-LK-B， 電機額定功率為0.4KW， 額定轉(zhuǎn)矩為1.3N.m， 最大轉(zhuǎn)矩為2.6N.m， 額定轉(zhuǎn)速為 3000r/min。 電機大致圖如下： 外形尺寸92x92x86，電機輸出軸徑為14mm。 2.1.2減速器選擇 電機轉(zhuǎn)速3000r/min，抬腿運動速度2m/min， 由公式 總傳動比 已知需要減速比為1:60左右的減速器，在這里我們選用連同電機的減速器，此種減速器為一端輸出的，一頭為減速器輸入與電機輸出連接，另一頭為減速器輸出端與同步帶輪連接。 2.2同步帶傳動設計 1.設定功率 2.計算小同步帶輪轉(zhuǎn)速 3.選定同步帶帶型和節(jié)距 由同步帶選型圖可以看出，由于在本次設計中功率轉(zhuǎn)速都不大，所以帶輪的型號可以任意選取，我們選擇H型帶，此帶為輕型，節(jié)距Pb=12.7mm 5.選取主動輪齒數(shù)，即小齒輪齒數(shù)Z1 查表知道小同步帶輪最小齒數(shù)為14，本次我們選取小同步帶輪齒數(shù)為15. 6.小同步帶輪節(jié)圓直徑確定 7.大同步帶輪數(shù)據(jù)確定 本次設計我們選用的同步帶的傳動比大致為2.1，由于小同步帶輪齒數(shù)為15，則 我們選用傳動比為2.1則大同步帶輪齒數(shù)為32，實際傳動比為 大同步帶輪節(jié)圓直徑=129.36mm 8.同步帶速確定 9.確定軸間間距 根據(jù)公式 10.同步帶帶長及其齒數(shù)確定 11.帶輪嚙合齒數(shù)計算 在本次傳動設計中，嚙合齒數(shù)為帶輪齒數(shù)的一半，即小同步帶齒數(shù)的一半，為7 12.基本額定功率P0計算 查基準同步帶的許用工作壓力和單位長度的質(zhì)量可以知道 Ta=2100.85N，m=0.448kg/m 所以同步帶的基準額定功率為 13.計算作用在軸上力Fr 根據(jù)我們這里選用的梯形同步帶，型號為H，節(jié)距12.7mm，齒形角為40度，齒根厚為6.12mm，齒高4.3mm，齒根圓角半徑為1.02mm，齒頂圓角半徑1.02mm。 2.3傳動軸的設計 傳動軸的材料選擇、熱處理方式，許用應力的確定。選擇45鋼正火。硬度達到170~217HBS,抗拉強度=600MPa，屈服強度=355MPa。[]=55MPa 計算d1，按下列公式初步計算出軸的直徑，輸出軸的功率P和扭矩T 最小直徑計算（查《機械設計基礎(chǔ)》教材表15—3 取 c=110） 考慮鍵槽 與齒輪嚙合的傳動軸軸徑我們?nèi)?0mm。 根據(jù)與大同步帶輪相配合，本次設計中，取=30mm； 由于本次傳動軸設計較為簡單，軸的大致形式如下： 中間軸段軸徑為30mm，兩端軸徑為20mm。 傳動軸的校核 作用在傳動軸上的圓周力： 徑向力： 求垂直面的支反力 計算垂直彎矩： 求水平面的支承力： 計算、繪制水平面彎矩圖： 求危險截面當量彎矩： 從圖可見，m-m,n-n處截面最危險，其當量彎矩為：（取折合系數(shù)） 計算危險截面處軸的直徑： n-n截面: m-m截面: 由于，所以該軸是安全的。 ④彎矩及軸的受力分析圖如下 傳動軸的彎矩簡圖 第3章 直線導軌滑塊的設計 3.1導軌的作用和設計要求 當運動件沿著承導件作直線運動時，承導件上的導軌起支承和導向的作用，即支承運動件和保證運動件在外力（載荷及運動件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進行直線運動。對導軌的要求如下： 1.一定的導向精度。導向精度是指運動件沿導軌移動的直線性，以及它與有關(guān)基面間的相互位置的準確性。 2.運動輕便平穩(wěn)。工作時，應輕便省力，速度均勻，低速時應無爬行現(xiàn)象。 3.良好的耐磨性。導軌的耐磨性是指導軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導軌在使用過程中要磨損，但應使磨損量小，且磨損后能自動補償或便于調(diào)整。 4.足夠的剛度。運動件所受的外力，是由導軌面承受的，故導軌應有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導軌面寬度，以降低導軌面比壓；設置輔助導軌，以承受外載。 5.溫度變化影響小。應保證導軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。 6.結(jié)構(gòu)工藝性好。在保證導軌其它要求的前提下，應使導軌結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、測量、裝配和調(diào)整，降低成本。 不同設備的導軌，必須作具體分析，對其提出相應的設計要求。必須指出，上述六點要求是相互影響的。 設計導軌應包括下列幾方面內(nèi)容： 1.根據(jù)工作條件，選擇合適的導軌類型。 2.選擇導軌的截面形狀，以保證導向精度? 3.選擇適當?shù)膶к壗Y(jié)構(gòu)及尺寸，使其在給定的載荷及工作溫度范圍內(nèi)，有足夠的剛度，良好的耐磨性，以及運動輕便和平穩(wěn)。 4.選擇導軌的補償及調(diào)整裝置，經(jīng)長期使用后，通過調(diào)整能保持需要的導向精度。 5.選擇合理的潤滑方法和防護裝置，使導軌有良好的工作條件，以減少摩擦和磨損。 6.制訂保證導軌所必須的技術(shù)條件，如選擇適當?shù)牟牧?，以及熱處理、精加工和測量方法等。 3.2導軌的結(jié)構(gòu)設計 直線導軌的結(jié)構(gòu)形式有以下： 三角形導軌：該導軌磨損后能自動補償，故導向精度高。它的截面角度由載荷大小及導向要求而定，一般為90°。為增加承載面積，減小比壓，在導軌高度不變的條件下，采用較大的頂角（110°～120°）；為提高導向性，采用較小的頂角（60°）。如果導軌上所受的力，在兩個方向上的分力相差很大，應采用不對稱三角形，以使力的作用方向盡可能垂直于導軌面。 矩形導軌：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗和修理方便；導軌面較寬，承載力較大，剛度高，故應用廣泛。但它的導向精度沒有三角形導軌高；導軌間隙需用壓板或鑲條調(diào)整，且磨損后需重新調(diào)整。 燕尾形導軌：燕尾形導軌的調(diào)整及夾緊較簡便，用一根鑲條可調(diào)節(jié)各面的間隙，且高度小，結(jié)構(gòu)緊湊；但制造檢驗不方便，摩擦力較大，剛度較差。用于運動速度不高，受力不大，高度尺寸受限制的場合。 圓形導軌：制造方便，外圓采用磨削，內(nèi)孔珩磨可達精密的配合，但磨損后不能調(diào)整間隙。為防止轉(zhuǎn)動，可在圓柱表面開鍵槽或加工出平面，但不能承受大的扭矩。宜用于承受軸向載荷的場合。 為保證導軌正常工作，導軌滑動表面之間應保持適當?shù)拈g隙。間隙過小，會增加摩擦阻力；間隙過大，會降低導向精度。導軌的間隙如依靠刮研來保證，要廢很大的勞動量，而且導軌經(jīng)過長期使用后，會因磨損而增大間隙，需要及時調(diào)整，故導軌應有間隙調(diào)整裝置。 矩形導軌需要在垂直和水平兩個方向上調(diào)整間隙。在垂直方向上，一般采用下壓板調(diào)整它的低面間隙，其方法有：a）刮研或配磨下壓板的結(jié)合面；b）用螺釘調(diào)整鑲條位置；c）改變墊片的片數(shù)或厚度。 在水平方向上，常用平鑲條或斜鑲條調(diào)整它的側(cè)面間隙。 導軌的使用壽命取決于導軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法，以及使用與維護。提高導軌的耐磨性，使其在較長的時間內(nèi)保持一定的導向精度，就能延長設備的使用壽命。提高導軌耐磨性的措施有： 1)選擇合理的比壓 單位面積上的壓力成為比壓，即 p=P/S（公斤/厘米2） 本次壓力P=0.5公斤/平方 式中 P-作用在導軌上的力（公斤） S-導軌的支承面積（厘米2） 由上式可知，要減小導軌的比壓，應減輕運動部件的重量和增大導軌支承面的面積。減小兩導軌面之間的中心距，可以減小外形尺寸和減輕運動部件的重量。但減小中心距受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制，同時中心距太小，將導致運動不穩(wěn)定。 降低導軌比壓的另一辦法，是采用卸荷裝置，即在導軌載荷的相反方向，增加彈簧或液壓作用力，以抵消導軌所承受的部分載荷。 本次設計的導軌選用上銀公司的導軌滑塊型號為HGR20型，具體型號圖如下： 圖3-1 直線導軌型號 第4章 結(jié)構(gòu)設計及三維建模 4.1傳動結(jié)構(gòu)設計及建模 我們本次設計完結(jié)構(gòu)圖后，在CAD中二維圖的繪制好零件圖和裝配圖，要對本次設計進行三維建模。我們使用的是SOLIDWORKS軟件。 在傳動結(jié)構(gòu)中，主要零件有同步帶輪、連桿、轉(zhuǎn)盤、導軌滑塊、直流電機和減速器等，通過對SOLIDWROKS軟件的建模，將傳動部件的三維建模如下： 小同步帶輪的建模 大同步帶輪的建模 連桿的建模 直線導軌的建模 4.2總裝配圖的建模 整個抬腿機構(gòu)的總裝配圖如上所示，建好整體模型后可以對此機構(gòu)進行仿真效果，具體效果參見SOLIDWORKS中的仿真效果。 結(jié) 論 通過本次設計多功能監(jiān)護床的抬腿設計，從中深刻掌握到抬腿機構(gòu)中的曲柄連桿結(jié)構(gòu)，并對該結(jié)構(gòu)進行設計計算，并繪制出裝配圖和零件圖。然后在通過三維軟件SOLIDWORKS軟件進行零件的三維建模和裝配圖的建模。 綜上所述得到一下結(jié)論： (1)本設計適應了抬腿機構(gòu)的重要性，可以在上下反復運動。 (2)曲柄連桿的應用得到了認可； (3)充分查找資料根據(jù)計算結(jié)果和設計的需要，選用合適的零部件，并對其進行校核；精度驗算； (4)機械系統(tǒng)中各個傳動系統(tǒng)的設計，方案合理，能適應實際的情況。 參 考 文 獻 [1] Zhang Guoxiong，Liu Shugui，Qiu Zurong，Yu Fusheng，NaYonglin，Leng Changlin.NON-CONTACT MEASUREMENT OF SCULPTURED SURFACE OF ROTATION［J］.CHINESE JOURNAL OF M ECHANICAL ENGIN EERING.Vo1，17，No．4，2004. 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