基于曲柄滑道機構(gòu)驅(qū)動靠背俯仰機構(gòu)的設(shè)計研究

翟志恒, 葛正浩, 李 龍, 孫技偉

(1.陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021; 2.咸陽西北醫(yī)療器械(集團)有限公司， 陜西 咸陽 712000)

0 引 言

曲柄滑道機構(gòu)在牙椅中的應(yīng)用，可實現(xiàn)牙椅靠背俯仰運動的雙向轉(zhuǎn)換，便于醫(yī)師操作治療過程中進行角度調(diào)節(jié).曲柄滑軌機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)的一種形式，由于連桿機構(gòu)中的運動副一般為低副，其運動元素為壓力較小的面接觸，且承載能力較大，加工制造容易，有較高的穩(wěn)定性.運動軌跡與環(huán)形槽面接觸，增大運動配合表面及導(dǎo)向行程，提升了運動過程的平穩(wěn)性；俯仰機構(gòu)的動力部分采用絲杠螺母機構(gòu)，可為牙椅提供平穩(wěn)的直線工作速度，同時絲杠螺母機構(gòu)的使用，可對曲柄滑軌機構(gòu)進行有效簡化；滑軌與坐墊支架間形成的平面高副，可使椅面運動與靠背運動同步進行，避免不同步運動引起的不舒適感.

圖1 曲柄滑軌機構(gòu)的機構(gòu)簡圖

1 曲柄滑軌機構(gòu)的設(shè)計

1.1 曲柄滑軌機構(gòu)的原理分析

鉸鏈四桿機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)的基本型式.在此機構(gòu)中，l4為機架，l1、l3兩桿與機架相連成為連架桿，l2為連桿.在連接桿中，能做整周回轉(zhuǎn)的稱為曲柄，只能在一定范圍內(nèi)擺動的稱為搖桿.鉸鏈四桿機構(gòu)的兩個連接桿中，若一個為曲柄，另一個為搖桿，則稱其為曲柄搖桿機構(gòu).在曲柄搖桿機構(gòu)中，若以曲柄為原動件時，可將曲柄的連續(xù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的往復(fù)擺動.曲柄滑軌機構(gòu)是曲柄搖桿機構(gòu)的變形.通過將搖桿改為弧形滑塊，機架做成環(huán)形槽，槽的曲率半徑等于搖桿機構(gòu)中搖桿的長度，滑塊在環(huán)形槽中運動，即構(gòu)成曲柄滑軌機構(gòu).

1.2 曲柄滑軌機構(gòu)的改型設(shè)計

1.2.1 急回特性的避免

曲柄滑道機構(gòu)與曲柄搖桿機構(gòu)類似，搖桿在運動過程中具有急回特性，由于此類機構(gòu)往復(fù)運動均為低速運動，因此需避免牙椅在俯仰運動中出現(xiàn)急回特性.通過對驅(qū)動系統(tǒng)的改造，將螺旋副中的絲杠與彎板進行對接，依靠絲杠與螺母間的自鎖性能，避免此曲柄滑道機構(gòu)發(fā)生急回，并通過程控器控制驅(qū)動裝置的傳動方向?qū)崿F(xiàn)其雙向旋轉(zhuǎn)，從而帶動連接在牙椅上靠背組件的俯仰運動.

1.2.2 驅(qū)動系統(tǒng)的改造

為了簡化機構(gòu)，對曲柄l1及連桿l2進行了結(jié)構(gòu)改造，將其轉(zhuǎn)化為絲杠螺母機構(gòu)，以實現(xiàn)曲柄向搖桿的動力傳遞.依圖2所示，將曲柄l1及連桿l2轉(zhuǎn)化為螺旋副E，螺旋副E一端在A點連接，并在A點形成轉(zhuǎn)動副，連桿l2一端與螺旋副E對接，另一端l3與搖桿在C點連接并在C點形成轉(zhuǎn)動副.當(dāng)電機F工作時，可驅(qū)動螺旋副E內(nèi)的絲杠旋轉(zhuǎn)并帶動螺母，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動向直線運動的轉(zhuǎn)化.從圖中可知，絲杠螺母機構(gòu)的引入，以螺旋副E代替原先曲柄搖桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，有效簡化了曲柄搖桿機構(gòu)，并實現(xiàn)了四桿螺母機構(gòu)與曲柄搖桿機構(gòu)的有效對接.

1.3 曲柄滑軌機構(gòu)的整機設(shè)計

根據(jù)整機設(shè)計要求，將改型后的曲柄搖桿機構(gòu)引入到俯仰機構(gòu)中.根據(jù)圖3可知，曲柄滑道機構(gòu)由機架l6、彎板l4、坐墊支架l3、導(dǎo)軌l2、導(dǎo)向塊l5、傳動絲杠l1等構(gòu)件組成.彎板l4上安裝有靠背組件，坐墊支架l3上安裝有坐墊組件.此俯仰機構(gòu)在a點、b點及c點均形成轉(zhuǎn)動副，電機d與螺旋副e組成絲杠螺母驅(qū)動機構(gòu)，電機d安裝在機架l6上，通過電機d驅(qū)動螺旋副e運動，并將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，傳動絲杠l1與彎板l4在c點轉(zhuǎn)動連接，并推動彎板l4在機架l6的滑道內(nèi)運動.為保證滑動過程的平穩(wěn)，在滑道與彎板l4間安裝有導(dǎo)向塊l5，通過h點與i點將其連接在彎板l4上.

圖2 簡化后的曲柄滑軌機構(gòu)簡圖

圖3 曲柄滑道機構(gòu)的機構(gòu)簡圖

圖4 曲柄滑道機構(gòu)整機裝配圖

根據(jù)圖4曲柄滑道機構(gòu)整機裝配圖可知，當(dāng)接通整機電源，開啟控制程序，絲杠螺母驅(qū)動機構(gòu)開始工作，電機d帶動螺旋副運動，通過螺旋副e間的螺桿與螺母間的旋合作用，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動.絲杠螺母機構(gòu)兩端分別與機架l6及彎板l4在a點和c點鉸接，絲杠螺母傳動機構(gòu)工作的同時，帶動彎板l4在機架l6的滑道內(nèi)以面接觸形式弧形運動.為了實現(xiàn)傳動機構(gòu)的雙向旋轉(zhuǎn)，需通過程序控制使電機d的轉(zhuǎn)動主軸雙向旋轉(zhuǎn)，從而使絲杠螺母傳動機構(gòu)進行往復(fù)的直線運動，并帶動彎板l4在滑道內(nèi)的周向運動，從而實現(xiàn)牙科椅靠背的俯仰運動.

2 絲杠螺母驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計

絲杠螺母驅(qū)動機構(gòu)可將旋轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)化為螺旋副，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動向線性運動的轉(zhuǎn)化.旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動絲杠做旋轉(zhuǎn)運動，絲杠與傳動螺母螺紋連接，推動傳動螺母做直線往復(fù)運動.如圖5所示，絲杠端頭處安裝有內(nèi)側(cè)滑軌，內(nèi)側(cè)滑軌旋轉(zhuǎn)的同時，帶動外側(cè)滑軌及傳動螺母旋轉(zhuǎn)，經(jīng)傳動螺母將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為橫向運動并向輸出端輸出，帶動外側(cè)滑軌及連接頭橫向運動，固定座作為固定輸出端與搖桿l3在C點對接，電機底座與機架在A點對接，均形成轉(zhuǎn)動副，從而實現(xiàn)絲杠螺母機構(gòu)與曲柄滑軌機構(gòu)的有效對接.

2.1 升降機構(gòu)推程力的確定

設(shè)最大垂直起重量(即升降機構(gòu)以上部分的自重和載重的總重量)Fy=6 000 N，為使此曲柄滑軌機構(gòu)機構(gòu)得到所需的運動方式，絲杠螺母沿軸向的推程力F=Fy/sinθ，θ角在20°～60°范圍內(nèi)變化可得，曲柄滑軌機構(gòu)運動過程中所需的最大推程力F=18 000 N.

2.2 絲杠尺寸參數(shù)的確定

絲杠采用梯形單頭螺紋，則p=s，升降運動所需速度約在0.1～0.2 m/s內(nèi)，取許用比壓為[P]=7～10 N/mm2，取8.5 N/mm2.

按耐磨性計算絲杠螺紋中徑：

查表取φ=1.7

設(shè)ac=0.5，經(jīng)查表并推導(dǎo)則有，絲杠尺寸參數(shù)：

d=30、p=s=3、ac=0.5、H1=0.5P=1.5、h3=H1+ac=0.5p+ac=2、a=0.25P=H1/2=0.75、d2=d-2z=d-0.5P=28.5、d3=d-2h3=26、R1=r1max=0.5ac=0.25、R2=R2max=ac=0.5

2.3 螺母尺寸參數(shù)的確定

經(jīng)查表并推導(dǎo)則有，螺母尺寸參數(shù)：D1=d-2H1=d-p=27，D2=d-2z=d-0.5p=28.5，D4=d+2ac=31，H4=H1+ac=0.5P+ac=2.

3 運動補償機構(gòu)的設(shè)計分析

4 結(jié)束語

作者針對口腔治療設(shè)備牙椅俯仰機構(gòu)的設(shè)計要求，設(shè)計了以曲柄滑軌機構(gòu)為基礎(chǔ)的新型牙椅俯仰機構(gòu)，使牙椅俯仰機構(gòu)的運行更加平穩(wěn)可靠；機構(gòu)的動力裝置采用了以絲杠螺母機構(gòu)為基礎(chǔ)的直線驅(qū)動系統(tǒng)，有效簡化了動力源裝置及曲柄滑軌機構(gòu)，使傳動機構(gòu)整體更加緊湊，且傳動性能可根據(jù)需要進行相應(yīng)調(diào)整；運動補償機構(gòu)的設(shè)計保證了椅面與靠背的同步運動，減輕了椅位轉(zhuǎn)換過程中帶給病患的不舒適感.對曲柄滑軌機構(gòu)的有效改進，提升了機構(gòu)運行的合理性，進一步提升了產(chǎn)品品質(zhì).

參考文獻

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