基于曲柄滑道机构驱动靠背俯仰机构的设计研究

翟志恒, 葛正浩, 李 龙, 孙技伟

(1.陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021; 2.咸阳西北医疗器械(集团)有限公司， 陕西 咸阳 712000)

0 引 言

曲柄滑道机构在牙椅中的应用，可实现牙椅靠背俯仰运动的双向转换，便于医师操作治疗过程中进行角度调节.曲柄滑轨机构是平面四杆机构的一种形式，由于连杆机构中的运动副一般为低副，其运动元素为压力较小的面接触，且承载能力较大，加工制造容易，有较高的稳定性.运动轨迹与环形槽面接触，增大运动配合表面及导向行程，提升了运动过程的平稳性；俯仰机构的动力部分采用丝杠螺母机构，可为牙椅提供平稳的直线工作速度，同时丝杠螺母机构的使用，可对曲柄滑轨机构进行有效简化；滑轨与坐垫支架间形成的平面高副，可使椅面运动与靠背运动同步进行，避免不同步运动引起的不舒适感.

图1 曲柄滑轨机构的机构简图

1 曲柄滑轨机构的设计

1.1 曲柄滑轨机构的原理分析

铰链四杆机构是平面四杆机构的基本型式.在此机构中，l4为机架，l1、l3两杆与机架相连成为连架杆，l2为连杆.在连接杆中，能做整周回转的称为曲柄，只能在一定范围内摆动的称为摇杆.铰链四杆机构的两个连接杆中，若一个为曲柄，另一个为摇杆，则称其为曲柄摇杆机构.在曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件时，可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动.曲柄滑轨机构是曲柄摇杆机构的变形.通过将摇杆改为弧形滑块，机架做成环形槽，槽的曲率半径等于摇杆机构中摇杆的长度，滑块在环形槽中运动，即构成曲柄滑轨机构.

1.2 曲柄滑轨机构的改型设计

1.2.1 急回特性的避免

曲柄滑道机构与曲柄摇杆机构类似，摇杆在运动过程中具有急回特性，由于此类机构往复运动均为低速运动，因此需避免牙椅在俯仰运动中出现急回特性.通过对驱动系统的改造，将螺旋副中的丝杠与弯板进行对接，依靠丝杠与螺母间的自锁性能，避免此曲柄滑道机构发生急回，并通过程控器控制驱动装置的传动方向实现其双向旋转，从而带动连接在牙椅上靠背组件的俯仰运动.

1.2.2 驱动系统的改造

为了简化机构，对曲柄l1及连杆l2进行了结构改造，将其转化为丝杠螺母机构，以实现曲柄向摇杆的动力传递.依图2所示，将曲柄l1及连杆l2转化为螺旋副E，螺旋副E一端在A点连接，并在A点形成转动副，连杆l2一端与螺旋副E对接，另一端l3与摇杆在C点连接并在C点形成转动副.当电机F工作时，可驱动螺旋副E内的丝杠旋转并带动螺母，实现旋转运动向直线运动的转化.从图中可知，丝杠螺母机构的引入，以螺旋副E代替原先曲柄摇杆机构的结构形式，有效简化了曲柄摇杆机构，并实现了四杆螺母机构与曲柄摇杆机构的有效对接.

1.3 曲柄滑轨机构的整机设计

根据整机设计要求，将改型后的曲柄摇杆机构引入到俯仰机构中.根据图3可知，曲柄滑道机构由机架l6、弯板l4、坐垫支架l3、导轨l2、导向块l5、传动丝杠l1等构件组成.弯板l4上安装有靠背组件，坐垫支架l3上安装有坐垫组件.此俯仰机构在a点、b点及c点均形成转动副，电机d与螺旋副e组成丝杠螺母驱动机构，电机d安装在机架l6上，通过电机d驱动螺旋副e运动，并将旋转运动转化为直线运动，传动丝杠l1与弯板l4在c点转动连接，并推动弯板l4在机架l6的滑道内运动.为保证滑动过程的平稳，在滑道与弯板l4间安装有导向块l5，通过h点与i点将其连接在弯板l4上.

图2 简化后的曲柄滑轨机构简图

图3 曲柄滑道机构的机构简图

图4 曲柄滑道机构整机装配图

根据图4曲柄滑道机构整机装配图可知，当接通整机电源，开启控制程序，丝杠螺母驱动机构开始工作，电机d带动螺旋副运动，通过螺旋副e间的螺杆与螺母间的旋合作用，将旋转运动转化为直线运动.丝杠螺母机构两端分别与机架l6及弯板l4在a点和c点铰接，丝杠螺母传动机构工作的同时，带动弯板l4在机架l6的滑道内以面接触形式弧形运动.为了实现传动机构的双向旋转，需通过程序控制使电机d的转动主轴双向旋转，从而使丝杠螺母传动机构进行往复的直线运动，并带动弯板l4在滑道内的周向运动，从而实现牙科椅靠背的俯仰运动.

2 丝杠螺母驱动机构的设计

丝杠螺母驱动机构可将旋转副转化为螺旋副，实现旋转运动向线性运动的转化.旋转电机驱动丝杠做旋转运动，丝杠与传动螺母螺纹连接，推动传动螺母做直线往复运动.如图5所示，丝杠端头处安装有内侧滑轨，内侧滑轨旋转的同时，带动外侧滑轨及传动螺母旋转，经传动螺母将旋转运动转化为横向运动并向输出端输出，带动外侧滑轨及连接头横向运动，固定座作为固定输出端与摇杆l3在C点对接，电机底座与机架在A点对接，均形成转动副，从而实现丝杠螺母机构与曲柄滑轨机构的有效对接.

2.1 升降机构推程力的确定

设最大垂直起重量(即升降机构以上部分的自重和载重的总重量)Fy=6 000 N，为使此曲柄滑轨机构机构得到所需的运动方式，丝杠螺母沿轴向的推程力F=Fy/sinθ，θ角在20°～60°范围内变化可得，曲柄滑轨机构运动过程中所需的最大推程力F=18 000 N.

2.2 丝杠尺寸参数的确定

丝杠采用梯形单头螺纹，则p=s，升降运动所需速度约在0.1～0.2 m/s内，取许用比压为[P]=7～10 N/mm2，取8.5 N/mm2.

按耐磨性计算丝杠螺纹中径：

查表取φ=1.7

设ac=0.5，经查表并推导则有，丝杠尺寸参数：

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 螺母尺寸参数的确定

经查表并推导则有，螺母尺寸参数：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 运动补偿机构的设计分析

4 结束语

作者针对口腔治疗设备牙椅俯仰机构的设计要求，设计了以曲柄滑轨机构为基础的新型牙椅俯仰机构，使牙椅俯仰机构的运行更加平稳可靠；机构的动力装置采用了以丝杠螺母机构为基础的直线驱动系统，有效简化了动力源装置及曲柄滑轨机构，使传动机构整体更加紧凑，且传动性能可根据需要进行相应调整；运动补偿机构的设计保证了椅面与靠背的同步运动，减轻了椅位转换过程中带给病患的不舒适感.对曲柄滑轨机构的有效改进，提升了机构运行的合理性，进一步提升了产品品质.

参考文献

[1] 孙 恒，陈作模，葛文杰．机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[2] 程大先．机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，1993.

[3] 华大年，华志宏．连杆机构设计与应用创新[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[4] 袁 博. 医疗器械运动学及动力学仿真分析[D]. 北京：北京化工大学，2004.