基于SolidWorks的多功能自平衡護(hù)理床設(shè)計

一、前言

本文結(jié)合多功能自動平衡護(hù)理床模型和組成特點(diǎn)，基于SolidWorks三維參數(shù)化設(shè)計流程，對其參數(shù)化設(shè)計、裝配與運(yùn)動仿真、工作空間分析及運(yùn)動學(xué)分析等方面進(jìn)行深入剖析。文中完全摒棄偏重參數(shù)化設(shè)計思想，而是以多功能護(hù)理床的實際問題為核心，該方案也適用于其他類似醫(yī)療護(hù)理設(shè)備的研發(fā)。

本文將對多功能自動調(diào)平衡護(hù)理床設(shè)計過程中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行闡述，而對于目前相關(guān)文獻(xiàn)集中介紹的參數(shù)化建模等方面的內(nèi)容則不再贅述。

二、SolidWorks三維設(shè)計流程

目前關(guān)于 SolidWorks 在醫(yī)療床、護(hù)理床設(shè)計方面的文章較多，大多集中在零件建模、虛擬裝配、運(yùn)動仿真與零件的有限元分析等方面，只突出了SolidWorks軟件的特點(diǎn)，或者是某個護(hù)理床的局部功能，尚未有以多功能護(hù)理床設(shè)計為核心的系統(tǒng)性研究。SolidWorks只是一種工具，而工具必須服務(wù)于設(shè)計對象，這也是我們在設(shè)計過程中強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)。

圖1是在SolidWorks中進(jìn)行三維設(shè)計的技術(shù)流程圖，這個流程主體是一個并行設(shè)計的過程。在此過程中，首先確定設(shè)計方案，隨后進(jìn)行三維造型與建模，且主要集中在零件建模方面。建模完成后進(jìn)行裝配，并進(jìn)行靜態(tài)干涉分析與局部修改。當(dāng)確認(rèn)方案后，進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，對運(yùn)動過程中出現(xiàn)的動態(tài)干涉情況進(jìn)行修改。確認(rèn)基本尺寸后，可對關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，確定其力學(xué)特性是否滿足工作要求，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后需重新進(jìn)行有限元分析，直到確定最終方案。二維出圖和加工則為一些后續(xù)工作，在此略過。副產(chǎn)品模型分析和功能簡介#e#三、產(chǎn)品模型分析和功能簡介

多功能自動平衡護(hù)理床的總體方案如圖2所示，由床身、固定支撐桿、伺服液壓缸、電動缸、行走底架和控制系統(tǒng)等 部分構(gòu)成。

1.自動調(diào)平衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及功能

由圖2可見，平臺的上表面，即平臺的穩(wěn)定面由4個球鉸支撐。對兩自由度平臺，固定桿3與底架固定連接，電液伺服缸4、5 關(guān)于桿3對稱、與底架鉸鏈連接，三者在一條直線上。液壓伺服缸9與桿3在一條中線上，與底架也是鉸鏈連接。平臺在三個伺服缸的控制下，可做繞通過固定支撐點(diǎn)水平軸的俯仰運(yùn)動和繞固定支撐點(diǎn)與約束支撐點(diǎn)縱軸的搖擺運(yùn)動，以達(dá)到底板搖晃時穩(wěn)定面保持水平之目的。

2.體位調(diào)整功能

按照人機(jī)工程學(xué)的原理，將床身分成背板1、座板2和腿板6三部分，背板和座板通過軸鉸接，通過控制電動缸的伸縮可實現(xiàn)0°～85°背位調(diào)整，同理可實現(xiàn)腿板的角度調(diào)整。這樣就實現(xiàn)了床身坐姿與臥姿間的連續(xù)體位調(diào)整功能， 如圖3所示。

3.床身直立功能

整床的支撐桿系主要由固定桿3和電液伺服缸9兩部分組成，控制電液伺服缸9的伸縮量使床體繞固定桿3的球鉸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)床身在0°～80°范圍內(nèi)的角度調(diào)整。

四、模型裝配設(shè)計中的關(guān)鍵問題

在三維建模中，多功能護(hù)理床基本是標(biāo)準(zhǔn)的模型構(gòu)建，在復(fù)雜曲面方面應(yīng)用較少。需要考慮的問題包括參數(shù)化設(shè)計與處理、工業(yè)造型與整體處理和零件系列化的問題。

1.參數(shù)化問題

在護(hù)理床的設(shè)計中，參數(shù)化主要體現(xiàn)在兩個方面，即零件建模與裝配。對于零件建模而言，參數(shù)可分為三類：

(1)相互之間存在一定約束條件，不可隨意更改參數(shù)，如電動機(jī)的外形尺寸參數(shù)就是如此，必須通過查閱相關(guān)技術(shù)參數(shù)得到。

(2)查閱相關(guān)手冊取得，但是可以根據(jù)實際情況修改。

(3)根據(jù)具體情況自行確定。

在零件設(shè)計過程中，應(yīng)該采用參數(shù)化草圖建模方法。首先根據(jù)設(shè)計要求完成較為理想的結(jié)構(gòu)形狀，然后對每一條曲線賦予尺寸約束或幾何約束，使曲線按照設(shè)計者的意圖更新交換，生成參數(shù)化特征。其中，草圖實現(xiàn)全約束繪制較為容易，實體建模則需要考慮到布爾運(yùn)算的影響。通過這種建模方式，可以方便地實現(xiàn)零件的修改及變形設(shè)計，生成其他類似零件無需重新建模，這可顯著提高設(shè)計效率。

在裝配過程中，很多零件之間存在繼承及約束關(guān)系，如液壓缸活塞頭部鉸接孔內(nèi)徑新型多功能自動平衡護(hù)理床的設(shè)計與運(yùn)動學(xué)分析等于安裝銷的外徑新型多功能自動平衡護(hù)理床的設(shè)計與運(yùn)動學(xué)分析。當(dāng)新型多功能自動平衡護(hù)理床的設(shè)計與運(yùn)動學(xué)分析改變時，新型多功能自動平衡護(hù)理床的設(shè)計與運(yùn)動學(xué)分析也隨之改變，通過表達(dá)式建立二者之間的相等關(guān)系。同時，由于二者在裝配過程中要求有匹配、對齊等約束關(guān)系，當(dāng)某個零件位置尺寸發(fā)生變化時，也可以通過這種定位關(guān)系自動更改配合零件的位置，這樣就保證了零件之間約束關(guān)系的一致性，便于產(chǎn)品設(shè)計與參數(shù)修改，或者以此為模板進(jìn)行系列化產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計。

2.零件系列化問題

在護(hù)理床設(shè)計中，參數(shù)化建模非常重要，但并不是所有的零件每次都需要經(jīng)歷參數(shù)化設(shè)計過程，而是可以建立零件庫。在SolidWorks中，對于通用標(biāo)準(zhǔn)件(如螺栓等)，建議直接建庫并調(diào)用即可。對于廠標(biāo)系列化零件(如推力軸承)，它們外形和結(jié)構(gòu)都相似，但幾何尺寸和部分次要特征有差異。此時可以首先建立一個零件模板，將其要更改的重要尺寸列入到SolidWorks提供的表格中，這樣就形成了零件族。當(dāng)需要調(diào)用時，在表格中直接更改這些尺寸則可以生成新的部件，從而縮短設(shè)計與裝配時間。

3.工業(yè)造型與整體設(shè)計

在國外，工業(yè)造型是一切設(shè)計工作的開始，在策劃中將其與總體設(shè)計結(jié)合在一起。在護(hù)理床設(shè)計中，與工業(yè)造型密切相關(guān)的就是床身的設(shè)計和渲染處理。床身的設(shè)計不但要考慮人機(jī)環(huán)境，而且要考慮材料選用和流線設(shè)計，這里采用SolidWorks的曲面造型功能完成床身設(shè)計。另外，三維實體模型建立后，還需要通過高級渲染制作出具有真實感的護(hù)理床產(chǎn)品和部件效果圖，一個好的渲染會對產(chǎn)品的推廣帶來良好的效果。

五、裝配與運(yùn)動仿真的結(jié)構(gòu)驗證

1.裝配中的關(guān)鍵問題

這里所說的裝配是指靜態(tài)裝配，在此不再介紹其裝配過程，在實際設(shè)計中需要解決的問題如下。

(1)裝配模式。在多功能護(hù)理床的裝配中，采用Top-down或者Down-top方式都可以，二者并不對立，實際上它們是一個并行過程，經(jīng)?；煊?。

(2)干涉檢查。對于護(hù)理床而言，在各個部件中，都必須進(jìn)行零件干涉分析，以避免在試生產(chǎn)中發(fā)生干涉碰撞。由于該機(jī)器產(chǎn)品復(fù)雜、零件數(shù)量多，不可能通過反復(fù)生產(chǎn)樣機(jī)解決問題，而需要在設(shè)計階段就盡量減少這種錯誤。SolidWorks裝配模塊中的干涉功能可以解決整機(jī)的靜態(tài)干涉分析，如推力軸承與軸承環(huán)之間，這是目前常采用的方式。

(3)公差問題。靜態(tài)裝配的三維模型都是處于理想狀態(tài)下，也就是無公差模型，這在實際工作環(huán)境中參考價值不大，因為加工出來的零件都是帶有偏差的。因此，還需要考慮不同公差情況對零件裝配的影響。相比之下，干涉檢查只是檢查理想尺寸與碰撞情況。

采用SolidWorks模塊對零件和裝配的全過程進(jìn)行公差分析與綜合，從而分析零件公差對產(chǎn)品精度造成的影響，以及裝配模型是否符合精度要求。確定影響裝配關(guān)系和裝配精度的關(guān)鍵尺寸公差的約束及其敏感度，通過改變個別關(guān)鍵尺寸的公差約束降低制造成本。在滿足產(chǎn)品精度、性能和技術(shù)指標(biāo)要求的前提下放寬公差指標(biāo)，使尺寸在較寬松的公差范圍內(nèi)滿足產(chǎn)品的預(yù)期精度要求，降低制造成本。

2.運(yùn)動仿真

對于運(yùn)動仿真而言，作用有兩個：即動態(tài)干涉分析和分析運(yùn)動規(guī)律。SolidWorks中的Simulation模塊可以進(jìn)行運(yùn)動仿真分析(圖4)，從而觀察在運(yùn)動過程中構(gòu)件之間的干涉關(guān)系，如液壓缸與床身之間可能發(fā)生的碰撞干涉。在運(yùn)動分析中，可以通過位移、速度及加速度曲線觀察運(yùn)動規(guī)律是否符合設(shè)計要求，如圖5所示。

機(jī)器人的工作空間是機(jī)器人操作器的工作區(qū)域，它是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)。根據(jù)操作器工作時的位姿特點(diǎn)，工作空間又可分為可達(dá)工作空間和靈活工作空間?？蛇_(dá)工作空間是指操作器上某一參考點(diǎn)可以到達(dá)的所有點(diǎn)的集合，這種工作空間不考慮操作器的姿勢。靈活工作空間是指操作器上某一參考點(diǎn)可以從任何方向到達(dá)的點(diǎn)的集合。

1.影響護(hù)理床平臺工作空間的因素

(1)桿長的限制。桿件長度變化時受到其結(jié)構(gòu)的限制，每一根桿件的長度必須滿足：，其中和分別表示第i桿的最短值和最長值。當(dāng)某桿長度達(dá)到其極限值時，運(yùn)動平臺上的參考點(diǎn)也就達(dá)到了工作空間的邊界。

(2)轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)角的限制。各種鉸鏈，包括球鉸鏈和萬向鉸鏈的轉(zhuǎn)角都會受到結(jié)構(gòu)限制，每一鉸鏈的轉(zhuǎn)角，其中是第i個鉸鏈的球面副和萬向鉸鏈的最大轉(zhuǎn)角，其大小由運(yùn)動副的具體結(jié)構(gòu)確定。

(3)桿件的尺寸干涉。連接動平臺和固定平臺的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿件之間在運(yùn)動過程中可能發(fā)生相互干涉。設(shè)桿件直徑為的圓柱體，若兩相鄰桿件軸線之間的距離為，則。

2.護(hù)理床穩(wěn)定平臺工作空間的確定

上平臺的面積是1500×1000()，每個液壓缸的最小長度為1000mm，最大伸長量為800mm，每個胡克鉸的擺角為±45°，每個球鉸的擺角為±45°。滿足：

用MATLAB仿真得到工作空間，如圖6所示。對結(jié)果進(jìn)行分析：綠色區(qū)域是穩(wěn)定平臺的安全工作區(qū)，紅色區(qū)域為穩(wěn)定平臺的危險工作區(qū)域。根據(jù)工程實際，穩(wěn)定平臺的調(diào)整范圍一般在綠色區(qū)域。

七、結(jié)束語

三維設(shè)計仿真技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療護(hù)理設(shè)備的最大的優(yōu)勢在于其集成化，而不是單純集中在參數(shù)化建模上。本文采用的是基于SolidWorks 的多功能自平衡護(hù)理床的設(shè)計，在實體裝配、運(yùn)動仿真和工作空間等多個方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，其基本功能為自動調(diào)平衡、床與輪椅轉(zhuǎn)換和床身直立等，適用于醫(yī)院、家用、救護(hù)車和大型船只等。

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