02-第五届全国机械创新设计大赛一等奖作品方案书

第五届全国大学生机械创新设计大赛西南交通大学全方位自适应新型擦鞋机设计计算说明书西南交通大学参赛学校：西南交通大学指导老师：张祖涛小组成员：宫华胜曹俊张涛邓晓宇 李沁芯2012年5月14日目录第1章问的出 1鞋的题景析 1鞋市调分析 1鞋相专调析 2品题出 3第2章全位构研与设计 4鞋方功定义 4周拭构 4鞋擦机方提出 4鞋擦机运解析计 51、周拭构设算要求 52、周拭构设算 5西南交通大学3、周拭构维建立 6西南交通大学4、方擦机运仿真 6鞋擦机构 7上面拭构的提出 7上面拭构学解设计 71、鞋擦机的计算求 72、鞋擦机的计算 73、鞋擦机三型建立 84、方擦机运仿真 9第3章自应构研与设计 10鞋适功定义 10适方的出 10脚板适机设计 10侧刷适机设计 10鞋后端适构的计 上面适机设计 12第4章擦机体构计与算 16拭构体构合 16全位构自机构合则 16整机装方案 16机型立 17鞋整工过程 17机作数计算 18第5章机控系的计 20电制统计 20电制统作程 20第6章整选与工作 21机要件型 216.1.1电选型 216.1.2自应簧型 226.1.3毛选型 22西南交通大学6.1.4机控硬选型 23西南交通大学员工作景 23结束语 25参考献 26附录 271、面杆构Matlab源程序 272、槽线算的VC++源程序 273《种方自应鞋机专受书专号201220060110.3 284全位适新鞋机工图纸 28第1章 问题的提出擦鞋机问题背景分析要求(3)擦拭过程中尽量减少人工操作，实现擦鞋的全自动化功能。(4)擦拭装置运行稳定，不会对鞋子产生损坏。（5）擦拭过程中，噪音小、灰尘吸收率高等。目前，擦鞋机从擦拭机构实现的方式来看，主要有手持式、滚筒式和轨道式3种基本类型。这3种类型的擦拭机构各有优缺点，下面主要从调研结果对这几种类型进行具体分析。西南交通大学擦鞋机市场调研分析西南交通大学1）图1-1手持式擦鞋机和-1---PAGE27-图1-2自动擦鞋图1-3广告牌擦鞋擦鞋机相关专利调研分析针对人们对擦鞋机的各种人性化和方便性等方面的要求，大量相关专利文献逐渐涌现，但从总体的擦拭方式来看，轨道式和全方位式擦鞋机较具代表性。1）轨道式擦鞋机西南交通大学西南交通大学图1-4 轨道式擦鞋机图1-5全方位擦鞋机2）全方位擦鞋机产品问题提出西南交通大学第2章 全方位机构的研究与设计擦鞋全方位功能定义和上鞋面擦拭包络面鞋周擦拭包络面上鞋面擦拭包络面

图2-1全方位擦拭包络面2.2.1鞋周擦拭机构方案的提出2.2.1鞋周擦拭机构方案的提出绸布在鞋面来回往复擦拭，于是本设计方案基于往复式擦拭的生活习惯，结合小组成员所学图2-2鞋周擦拭机构平面示意图1、鞋周擦拭机构的设计计算要求根据机械原理的相关知识，可算得图2-2中平面机构的自由度为：F3n2PlPH332401计算得到的自由度F1，表明该设计机构的满足擦鞋的运动条件。根据绝大部分人擦鞋的要求，规定机构设计要求如下：35—45290mm。-40mm~+40mm。标号）2、鞋周擦拭机构的设计计算西南交通大学根据已知技术要求和鞋周擦拭机构运动简图，得到部分机构的已知条件：西南交通大学图2-3鞋周擦拭机构运动简图根据实际擦鞋的尺寸要求，设定已知尺寸：l0100mm，14.26mm，A40mm，d70mm，arctanA/d0.519rad；根据四连杆机构的在极限位置的几何关系得：ll)2l2l2l

cos(/2)1 2 0 3 032 0 3 0l2l2l22llcos(/2-2 0 3 0100mm65.5mm满足且运动副B为周转副，因此该机构为曲柄摇杆机构，设计尺寸满足擦拭运动要求。3、鞋周擦拭机构三维模型建立Solidworks2-4图2-4鞋周擦拭机构三维模型4、全方位擦拭机构运动学仿真西南交通大学Solidworks模型导入ADAMS2-5至2-6西南交通大学图2-5鞋周擦拭机构ADAMS运动学模型建立图2-6侧毛刷位移、速度和加速度图际制作加工过程中，两者形状的设计上应该加以改善。上鞋面擦拭机构2-7西南交通大学图2-7上鞋面擦拭机构运动简图西南交通大学图中，曲柄带动滑杆沿着导轨运动，滑杆驱动摇杆绕点O左右摆动，从而通过连杆驱使上毛刷沿着固定轨道运动，实现上鞋面的往复擦拭。1、上鞋面擦拭机构的设计计算要求根据机械原理的相关知识，可算得图2-7中平面机构的自由度为：F3n2PlPH352701F1l鞋面高度h为：50-8070-160。。2、上鞋面擦拭机构的设计计算上鞋面擦拭机构运动简图如图2-8所示。图2-8上鞋面擦拭机构运动简图xAl1sinyAy

Al1cosxll')os铰链点B位：B y(ll')sinB 铰链点A到铰链点B的距离保持不变，得：(xx)2(yy)2l2A B A A B A 252130mml2100mm。中，取动过程中存在等于3、上鞋面擦拭机构三维模型建立Solidworks2-9图2-9上鞋面擦拭机构三维模型4、全方位擦拭机构运动学仿真SolidworksADAMS2-10西南交通大学图2-10上鞋面擦拭机构ADAMS运动学模型建立西南交通大学图2-11上毛刷位移、速度和加速度图第3章 自适应机构的研究与设计擦鞋自适应功能定义自适应方案的提出南交通西 大学南交通图3-1鞋周擦拭机构初始状态图3-2图3-2侧毛刷弹簧自适应示意图利用Solidworks3-3。南交通大西 学南交通大图3-3侧毛刷自适应机构三维图方案一：图3-4鞋前后两端自适应机构简化图3-51）图3-6鞋前后两端自适应效果图（2）（1）上鞋面自适应机构3-7图3-7上毛刷弹簧自适应三维图3-8图3-8上毛刷铰接自适应机构西南交通大学（2）上毛刷擦拭范围的控制设计西南交通大学2.2.2图3-9有鞋带的皮鞋 图3-10无带的皮鞋图3-11上毛刷机构运动示意图建立如上图所示的直角坐标系，由图示机构的几何关系，可得如下关系式：tan(a-x)b根据BC的长度不变条件以及C点的位置关系可得：(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根据图示的几何关系，B点的坐标可以表示为：l2BC[(tan(tanl2BC[(tan(tanxChy]2BxBarsinsinyB bryB代入上式即可得出固定点A（a，b）与上毛刷擦拭范围xC的关系式：l2BC[(tan(tanl2BC[(tan(tanxChbrss2（AAA使AA图3-12擦拭范围调节机构三维模型图因此，通过点A位置与上毛刷擦拭范围xC的一一对应关系，可以由擦拭范围即上鞋面西南交通大学长度70-160mm范围，得到一系列A点坐标，将一系列点平滑连接得到一个使上毛刷擦鞋范围在70-160mm内滑轨，因此通过调整A点在滑轨中的位置来调整上毛刷的擦拭范围，进而可以擦拭有鞋带或无鞋带的任何鞋。西南交通大学第4章 擦鞋机整体机构设计与计算擦拭机构整体机构结合整机只使用一个电机的优势有：用两个电机时的能量损耗少，能量的传递效率更高，消耗相同的电能能得到更多的

南交通大学图4-1全方位机构运动示意图整机模型建立

图4-2全方位机构三维装配图维建模软件4-3。南交通大学西南交通大学擦鞋机整机工作过程

图4-3擦鞋机整机模型4-44-6。图4-4整机工作前状态图西图4-5脚后工作态图 学整机工作参数设计与计算

图4-6脚离开踏板整机状态图经实验和查阅大量有关擦鞋机资料文献，项目小组对本擦鞋机工作参数设定如下：1在=0.5；2

1.5次/s；3、侧毛刷最大行程A180mm，上毛刷最大行程A180mm；4、经多次擦鞋试验，发现鞋周与侧毛刷的单侧正压力FN120N和上鞋面与上毛刷的正压力FN210N时擦拭效果最佳；综上，可计算得到整机其它工作参数：12

1f*2104s；f*；3、机速 n=f*4、电机功率侧毛刷工作所需功率P1上毛刷工作所需功率P2

2FN1v120.5200.244.8W；fFN2v20.5100.241.2W；经实验和计算，整机摩擦消耗功率

P32.0W。因此，电机总输出功率因此，电机总输出功率4.81.2。第5章机电控制系统的设计机电控制系统设计51

图5-1擦鞋控制系统框图123图5-2控制系统运行流程图第6章整机选型与加工制作整机主要部件选型4.4

8.0W,综合机内装配空间对电机型号进行了选择，如图6-1。图6-1选型电机实物图电机参数如下：西南交通大学型号：37GB555电压：DC12V西南交通大学空载转速:150r/min负载转速：120r/min输出扭矩：4.5kg.cm重量：0.35kg电机外形尺寸：图6-237GB555型号电机外形图鞋周与侧毛刷的最大正压力

FN120N

以及最大摩擦力10.56-3图6-3侧毛刷自适应机构选型图南交通大西 南交通大西 图6-4侧毛刷自适应机构实际装配图毛刷6-5。图6-5毛刷实物图（1）51单片机作为微控制器控制电机的运转，实物选型如图6-6。图6-651单片机控制板电机驱动模块采用BTS79606-7南交通大西 学南交通大图6-7BTS7960电机驱动模块6-8成员加工制作场景

图6-8无线遥控和接收装置（X5113实验室加工方法。 图6-9小组成员在西南交大实验室加工制作场景经小组成员的努力，最终成功完成了产品实物的加工制作，实现了预期方案的所有功能并成功进行擦鞋实验，发现擦拭效果比市面上的擦鞋机擦拭效果更佳！通西南交大学图6-10产品实际图图6-11产品实际工作图西南交大学结束语收获与体会：幸福生活今天和明天西南交通大学SolidworksADAMSAnsysVC++西南交通大学致谢：本次机械创新大赛首先感谢指导老师张祖涛和谢进老师，我们得到了他们的悉心指导，同时他们给了小组成员莫大的支持和帮助，并提出了很多宝贵的建议。同时，还得到了很多参考文献[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]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2010.10-118.西南交通大学附录1、平面连杆机构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、滑槽曲线计算的VC++源程序#include<iostream>#include<cmath>usingnamespacestd;voidmain()西南交通大学{西南交通大学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由求决定 为目标运动范围x1=38.35;//x2=66.71;//Lbc100;Lab=150;h=71.26;for(a=0;a<=200;a+=0.1)//a参考值33.51for(b=0;b<=200;b+