牙科诊断治疗仪座椅的设计

郭 静

（西安铁路职业技术学院，陕西西安710000）

0 引言

从医学保健的角度来看，身体健康与牙齿的状况有着直接联系，许多疾病都是由口腔问题引起的。面对当今牙科诊疗的巨大需求，研发与设计良好的牙科医疗设备就显得刻不容缓。当前，牙科诊断治疗仪座椅已经从最简单的操作器械台发展成为机械一体化的集成装备，从低速钻牙、自然光到高速钻牙、光纤照明等技术都得到了发展。

1 牙科诊断治疗仪座椅的构成与工作原理

牙科诊断治疗仪座椅主要由电源插头、底板、升降装置、俯仰装置、辅助装置、靠背、头枕、扶手、坐垫等结构构成。其主要依靠电动机将电能转化为机械能，依靠机械能来给四连杆、三连杆机构一个驱动力，从而使四连杆、三连杆机构按照设计的方式运动，以此实现我们要求的运动方式。同时，其采用自动控制方式，只需要在控制面板上按动按钮选择需要的运动，即可完成升降、俯仰动作。

1.1 升降、俯仰装置

主要是由电动机、简单的机械装置如四连杆、三连杆等构成。在整个操作过程中，根据医生的需要按动操作键盘上的按钮，利用机械自动控制系统的过程控制来实现电动机控制，依靠直流电动机的往复工作来带动四连杆机构，通过四连杆机构的运动来实现座椅的升降。同样，俯仰过程控制也是由电动机带动靠背实现，同时三连杆机构起到了很好的调整作用。

1.2 辅助装置

为了使座椅起落的全部进程活动安稳，坐卧安宁，在坐椅下安装气弹簧。它是一种能够省力并且起落的弹簧，可以分成可自锁气弹簧、不可自锁气弹簧。气弹簧由套筒、活塞和活塞杆等构成，在套筒内加入高压空气或高压氮气，因为活塞两头面积不等发生压差，来使得活塞及活塞杆挪动、支撑人或重物。

2 座椅升降装置

一台直流电动机既可作为发电机利用，也可作为电动机利用，用作直流发电机可以获得直流电源，而作为直流电动机，因为其具备杰出的调速机能，在很多调速机能请求比力高的场所获得了普遍利用。牙科诊断治疗仪座椅下方用来节制座椅起落的电动机选择24 V DC永磁直流电机OK628，它的最大推力为6 000 N，最大拉力为4 000 N，结构布局紧凑，安装尺寸较小，内置限位开关（不可调），采用直径30 mm的铝制连接管、直径24 mm的铝制拉伸管。

此次设计采用的是平行四连杆机构，两端铰接，两端固定，在两端铰接处给一个驱动力来使其运动。连架杆不转动整周，在给其中一个连架杆驱动力时，此杆绕着固定的支点顺时针旋转，在旋转时带连杆运动，连杆平动，同时另一连架杆也开始运动，两连架杆的旋转使得连杆与地面的距离变近，实现了降；反之则升。当平行四边形机构的四个杆处于一直线位置时，从动件的活动不确定，为防止产生这类问题，平行四边形机构中常连杆做成平行杆。

3 机构强度校核

在设计时，一般在相同的强度下可以减少材料用量，优化机构设计，但材料在机构中会发生拉伸或压缩、弯曲、剪切、扭转及其组合等变形，所以要用简化计算法、平衡法、叠加法、变形协调分析法等来判定强度是否符合要求。许用应力是机械设计中许可零件或构件所承受的最大应力值，在受力中我们要求使用的材质在工作情况下所承受最大载荷的工作应力要小于许用应力，这样这个零件或构件在运转中才是安全的，否则就是不安全的。

此次四连杆采用45钢制材料，45钢制材料的屈服极限是360 MPa，安全系数一般为1.5～2即可，取2，则许用应力[σ]=360÷2=180 MPa。假设该座椅能承受的最大载荷F=400 N，杆长L=250 mm，杆的直径d=15 mm，则杆件能否承受最大载荷，是否存在发生弯曲变形或者断裂的可能，需要进行校核，看杆件的最大应力是否小于许用应力。

由计算可知结构安全，能承受要求的最大载荷。

4 座椅俯仰装置

在此次俯仰装置设计中，采用了三连杆机构，三连杆机构运动灵活，应用范围广，设计简便。在俯仰装置中，电动机带动连杆两端，电动机的伸缩可使三连杆机构随之伸缩来完成座椅靠背的俯仰，这一方面保证了俯仰的实现，另一方面也使人在伸缩过程中不会发生滑移。

5 其他装置

头枕设计分为固定式和活动式两种。在高靠背座椅中，头枕与靠背做成一体，头枕不能拆卸；在低靠背座椅中，头枕与靠背是可分离的，头枕是一个独立的构件，用单插销或双插销插入座椅靠背的插座，牢牢固定在靠背上。低靠背座椅的头枕分为可调节式和固定式，可调节式又分为手动调节和电动调节，用以调整头枕的上下高度和左右角度。

从患者就诊时的舒适性和便利性出发，本设计选择采用可调节式头枕，调节头枕可以使其与患者颈背外形更加贴合，以顺应不同身高患者的需求。为使头枕能够达到各个位置，在设计时将头枕与靠背分开设计，在靠背的上端设计可以调节头枕高度和角度的装置，按下靠背上端的头枕按钮，头枕锁紧即松开，将头枕调节到合适的高度后，松开头枕按钮，头枕即自动锁紧固定。用手调松头枕调节手柄，即可调节头枕到合适的角度，再调紧手柄，则头枕锁死。扶手设计考虑到了便于患者上、下牙科椅，右扶手为活动扶手，患者上、下牙科椅时，可将右扶手顺时针旋转到极限位置，待患者坐好后，再将右扶手逆时针旋转到使用位置。

6 结语

本文所述座椅是基于当下牙科疾病越来越普遍，人们对就医设备要求越来越高的前提设计的，它可以在牙科治疗或保健时减轻病人痛苦，使得患者更加舒适，也使得医生操作起来更加便捷。

本文首先对牙科诊断治疗仪座椅的构成、工作原理进行了描述，然后以机械设计中的四连杆机构为原型对升降装置进行了设计，升降装置与电动机的配合实现了座椅的升降，设计完成后通过校核来检验设计的合理性。升降装置设计完成后又进行了俯仰装置的设计，过程如同升降装置的设计过程，通过对主要装置的设计，大体完成了座椅的框架。此次只对机器结构、传动方面做了一些设计，并未考虑斟酌控制以及材料选择等方面的问题。

[1]阎治安，苏少平，崔新艺.电机学[M].3版.西安：西安交通大学出版社，2016.

[2]马履中.机械原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]诸文俊.机械原理及机械设计[M].西安：西北大学出版社，2009.

[4]任金泉.机械设计课程设计[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[5]朱龙英.机械原理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[6]YE Z H,LAN Z H,SMITH M R.Mechanisms and Machine Theory[M].Beijing:Higher Education Press,2010.