02-第五屆全國機械創(chuàng)新設計大賽一等獎作品方案書

第五屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽西南交通大學全方位自適應新型擦鞋機設計計算說明書西南交通大學參賽學校：西南交通大學指導老師：張祖濤小組成員：宮華勝曹俊張濤鄧曉宇 李沁芯2012年5月14日目錄第1章問的出 1鞋的題景析 1鞋市調分析 1鞋相專調析 2品題出 3第2章全位構研與設計 4鞋方功定義 4周拭構 4鞋擦機方提出 4鞋擦機運解析計 51、周拭構設算要求 52、周拭構設算 5西南交通大學3、周拭構維建立 6西南交通大學4、方擦機運仿真 6鞋擦機構 7上面拭構的提出 7上面拭構學解設計 71、鞋擦機的計算求 72、鞋擦機的計算 73、鞋擦機三型建立 84、方擦機運仿真 9第3章自應構研與設計 10鞋適功定義 10適方的出 10腳板適機設計 10側刷適機設計 10鞋后端適構的計 上面適機設計 12第4章擦機體構計與算 16拭構體構合 16全位構自機構合則 16整機裝方案 16機型立 17鞋整工過程 17機作數(shù)計算 18第5章機控系的計 20電制統(tǒng)計 20電制統(tǒng)作程 20第6章整選與工作 21機要件型 216.1.1電選型 216.1.2自應簧型 226.1.3毛選型 22西南交通大學6.1.4機控硬選型 23西南交通大學員工作景 23結束語 25參考獻 26附錄 271、面桿構Matlab源程序 272、槽線算的VC++源程序 273《種方自應鞋機專受書專號201220060110.3 284全位適新鞋機工圖紙 28第1章 問題的提出擦鞋機問題背景分析要求(3)擦拭過程中盡量減少人工操作，實現(xiàn)擦鞋的全自動化功能。(4)擦拭裝置運行穩(wěn)定，不會對鞋子產生損壞。（5）擦拭過程中，噪音小、灰塵吸收率高等。目前，擦鞋機從擦拭機構實現(xiàn)的方式來看，主要有手持式、滾筒式和軌道式3種基本類型。這3種類型的擦拭機構各有優(yōu)缺點，下面主要從調研結果對這幾種類型進行具體分析。西南交通大學擦鞋機市場調研分析西南交通大學1）圖1-1手持式擦鞋機和-1---PAGE27-圖1-2自動擦鞋圖1-3廣告牌擦鞋擦鞋機相關專利調研分析針對人們對擦鞋機的各種人性化和方便性等方面的要求，大量相關專利文獻逐漸涌現(xiàn)，但從總體的擦拭方式來看，軌道式和全方位式擦鞋機較具代表性。1）軌道式擦鞋機西南交通大學西南交通大學圖1-4 軌道式擦鞋機圖1-5全方位擦鞋機2）全方位擦鞋機產品問題提出西南交通大學第2章 全方位機構的研究與設計擦鞋全方位功能定義和上鞋面擦拭包絡面鞋周擦拭包絡面上鞋面擦拭包絡面

圖2-1全方位擦拭包絡面2.2.1鞋周擦拭機構方案的提出2.2.1鞋周擦拭機構方案的提出綢布在鞋面來回往復擦拭，于是本設計方案基于往復式擦拭的生活習慣，結合小組成員所學圖2-2鞋周擦拭機構平面示意圖1、鞋周擦拭機構的設計計算要求根據(jù)機械原理的相關知識，可算得圖2-2中平面機構的自由度為：F3n2PlPH332401計算得到的自由度F1，表明該設計機構的滿足擦鞋的運動條件。根據(jù)絕大部分人擦鞋的要求，規(guī)定機構設計要求如下：35—45290mm。-40mm~+40mm。標號）2、鞋周擦拭機構的設計計算西南交通大學根據(jù)已知技術要求和鞋周擦拭機構運動簡圖，得到部分機構的已知條件：西南交通大學圖2-3鞋周擦拭機構運動簡圖根據(jù)實際擦鞋的尺寸要求，設定已知尺寸：l0100mm，14.26mm，A40mm，d70mm，arctanA/d0.519rad；根據(jù)四連桿機構的在極限位置的幾何關系得：ll)2l2l2l

cos(/2)1 2 0 3 032 0 3 0l2l2l22llcos(/2-2 0 3 0100mm65.5mm滿足且運動副B為周轉副，因此該機構為曲柄搖桿機構，設計尺寸滿足擦拭運動要求。3、鞋周擦拭機構三維模型建立Solidworks2-4圖2-4鞋周擦拭機構三維模型4、全方位擦拭機構運動學仿真西南交通大學Solidworks模型導入ADAMS2-5至2-6西南交通大學圖2-5鞋周擦拭機構ADAMS運動學模型建立圖2-6側毛刷位移、速度和加速度圖際制作加工過程中，兩者形狀的設計上應該加以改善。上鞋面擦拭機構2-7西南交通大學圖2-7上鞋面擦拭機構運動簡圖西南交通大學圖中，曲柄帶動滑桿沿著導軌運動，滑桿驅動搖桿繞點O左右擺動，從而通過連桿驅使上毛刷沿著固定軌道運動，實現(xiàn)上鞋面的往復擦拭。1、上鞋面擦拭機構的設計計算要求根據(jù)機械原理的相關知識，可算得圖2-7中平面機構的自由度為：F3n2PlPH352701F1l鞋面高度h為：50-8070-160。。2、上鞋面擦拭機構的設計計算上鞋面擦拭機構運動簡圖如圖2-8所示。圖2-8上鞋面擦拭機構運動簡圖xAl1sinyAy

Al1cosxll')os鉸鏈點B位：B y(ll')sinB 鉸鏈點A到鉸鏈點B的距離保持不變，得：(xx)2(yy)2l2A B A A B A 252130mml2100mm。中，取動過程中存在等于3、上鞋面擦拭機構三維模型建立Solidworks2-9圖2-9上鞋面擦拭機構三維模型4、全方位擦拭機構運動學仿真SolidworksADAMS2-10西南交通大學圖2-10上鞋面擦拭機構ADAMS運動學模型建立西南交通大學圖2-11上毛刷位移、速度和加速度圖第3章 自適應機構的研究與設計擦鞋自適應功能定義自適應方案的提出南交通西 大學南交通圖3-1鞋周擦拭機構初始狀態(tài)圖3-2圖3-2側毛刷彈簧自適應示意圖利用Solidworks3-3。南交通大西 學南交通大圖3-3側毛刷自適應機構三維圖方案一：圖3-4鞋前后兩端自適應機構簡化圖3-51）圖3-6鞋前后兩端自適應效果圖（2）（1）上鞋面自適應機構3-7圖3-7上毛刷彈簧自適應三維圖3-8圖3-8上毛刷鉸接自適應機構西南交通大學（2）上毛刷擦拭范圍的控制設計西南交通大學2.2.2圖3-9有鞋帶的皮鞋 圖3-10無帶的皮鞋圖3-11上毛刷機構運動示意圖建立如上圖所示的直角坐標系，由圖示機構的幾何關系，可得如下關系式：tan(a-x)b根據(jù)BC的長度不變條件以及C點的位置關系可得：(xx)2(yy)2l2 C B C B BCCtnCh可得C B C B (x)2nhC B C B

)2l2即l2BC[(tan(tanl2BC[(tan(tanxChy]2B根據(jù)圖示的幾何關系，B點的坐標可以表示為：l2BC[(tan(tanl2BC[(tan(tanxChy]2BxBarsinsinyB bryB代入上式即可得出固定點A（a，b）與上毛刷擦拭范圍xC的關系式：l2BC[(tan(tanl2BC[(tan(tanxChbrss2（AAA使AA圖3-12擦拭范圍調節(jié)機構三維模型圖因此，通過點A位置與上毛刷擦拭范圍xC的一一對應關系，可以由擦拭范圍即上鞋面西南交通大學長度70-160mm范圍，得到一系列A點坐標，將一系列點平滑連接得到一個使上毛刷擦鞋范圍在70-160mm內滑軌，因此通過調整A點在滑軌中的位置來調整上毛刷的擦拭范圍，進而可以擦拭有鞋帶或無鞋帶的任何鞋。西南交通大學第4章 擦鞋機整體機構設計與計算擦拭機構整體機構結合整機只使用一個電機的優(yōu)勢有：用兩個電機時的能量損耗少，能量的傳遞效率更高，消耗相同的電能能得到更多的

南交通大學圖4-1全方位機構運動示意圖整機模型建立

圖4-2全方位機構三維裝配圖維建模軟件4-3。南交通大學西南交通大學擦鞋機整機工作過程

圖4-3擦鞋機整機模型4-44-6。圖4-4整機工作前狀態(tài)圖西圖4-5腳后工作態(tài)圖 學整機工作參數(shù)設計與計算

圖4-6腳離開踏板整機狀態(tài)圖經實驗和查閱大量有關擦鞋機資料文獻，項目小組對本擦鞋機工作參數(shù)設定如下：1在=0.5；2

1.5次/s；3、側毛刷最大行程A180mm，上毛刷最大行程A180mm；4、經多次擦鞋試驗，發(fā)現(xiàn)鞋周與側毛刷的單側正壓力FN120N和上鞋面與上毛刷的正壓力FN210N時擦拭效果最佳；綜上，可計算得到整機其它工作參數(shù)：12

1f*2104s；f*；3、機速 n=f*4、電機功率側毛刷工作所需功率P1上毛刷工作所需功率P2

2FN1v120.5200.244.8W；fFN2v20.5100.241.2W；經實驗和計算，整機摩擦消耗功率

P32.0W。因此，電機總輸出功率因此，電機總輸出功率4.81.2。第5章機電控制系統(tǒng)的設計機電控制系統(tǒng)設計51

圖5-1擦鞋控制系統(tǒng)框圖123圖5-2控制系統(tǒng)運行流程圖第6章整機選型與加工制作整機主要部件選型4.4

8.0W,綜合機內裝配空間對電機型號進行了選擇，如圖6-1。圖6-1選型電機實物圖電機參數(shù)如下：西南交通大學型號：37GB555電壓：DC12V西南交通大學空載轉速:150r/min負載轉速：120r/min輸出扭矩：4.5kg.cm重量：0.35kg電機外形尺寸：圖6-237GB555型號電機外形圖鞋周與側毛刷的最大正壓力

FN120N

以及最大摩擦力10.56-3圖6-3側毛刷自適應機構選型圖南交通大西 南交通大西 圖6-4側毛刷自適應機構實際裝配圖毛刷6-5。圖6-5毛刷實物圖（1）51單片機作為微控制器控制電機的運轉，實物選型如圖6-6。圖6-651單片機控制板電機驅動模塊采用BTS79606-7南交通大西 學南交通大圖6-7BTS7960電機驅動模塊6-8成員加工制作場景

圖6-8無線遙控和接收裝置（X5113實驗室加工方法。 圖6-9小組成員在西南交大實驗室加工制作場景經小組成員的努力，最終成功完成了產品實物的加工制作，實現(xiàn)了預期方案的所有功能并成功進行擦鞋實驗，發(fā)現(xiàn)擦拭效果比市面上的擦鞋機擦拭效果更佳！通西南交大學圖6-10產品實際圖圖6-11產品實際工作圖西南交大學結束語收獲與體會：幸福生活今天和明天西南交通大學SolidworksADAMSAnsysVC++西南交通大學致謝：本次機械創(chuàng)新大賽首先感謝指導老師張祖濤和謝進老師，我們得到了他們的悉心指導，同時他們給了小組成員莫大的支持和幫助，并提出了很多寶貴的建議。同時，還得到了很多參考文獻[M]．22010.6．1997．[3]200720012083.1[P]．2008.6.25．[4]201020193987.0[P]．2011.01.12．[5]00264640.4[P]．2001.11.21．[6]200620114056.0P]．2007.8.1．[7]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.10-118.西南交通大學附錄1、平面連桿機構Matlab源程序程序1：a1=4*109.1*109.1;a2=4*74.4*74.4;a3=16*74.4*74.4*109.1*109.1;a4=74.4*74.4-100*100;a5=109.1*109.1-120*120;a=[(a1+a2)0(2*a1*a4+2*a2*a5-a3)0(a1*a4*a4+a2*a5*a5)];roots(a)程序2：theta=acos((74.4*74.4+148.6195*148.6195-10000)/(2*74.4*148.6195));2、滑槽曲線計算的VC++源程序#include<iostream>#include<cmath>usingnamespacestd;voidmain()西南交通大學{西南交通大學doublea,b,x1,x2,xc1,xc2,alpha,Lab,Lbc,h,can=0;doublef1,f2,f3,f4;doublepi=3.1415926;alpha=(15.0/180.0)*pi;xc1=-0;xc2=-50;//xc1,xc2由求決定 為目標運動范圍x1=38.35;//x2=66.71;//Lbc100;Lab=150;h=71.26;for(a=0;a<=200;a+=0.1)//a參考值33.51for(b=0;b<=200;b+