肖棋文 王莉 林森 肖錦繡

1西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2西南交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院；

3西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；4西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；611756

基于ADAMS的機(jī)械咀嚼系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及經(jīng)濟(jì)效益分析

肖棋文1王莉2林森3肖錦繡4

1西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2西南交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院；

3西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；4西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；611756

對(duì)于食品的評(píng)估和口腔假牙試驗(yàn)，目前尚無(wú)一種相對(duì)精確模擬的設(shè)備。機(jī)電一體的咀嚼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)顯得十分有意義，并且能帶來(lái)無(wú)限的開(kāi)發(fā)空間和經(jīng)濟(jì)效益，本文研究的咀嚼系統(tǒng)基于對(duì)口腔牙齒運(yùn)動(dòng)的精確測(cè)量，用一四連桿機(jī)構(gòu)去吻合口腔咬合和咀嚼的軌跡，利用可調(diào)的桿長(zhǎng)來(lái)獲得任意種咀嚼軌跡，另外再設(shè)計(jì)一六連桿來(lái)為四連桿機(jī)構(gòu)做導(dǎo)向。本文對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)機(jī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了ADAMS的仿真，最后利用ADAMS/cont進(jìn)rol行PID控制器的設(shè)計(jì)，以控制與實(shí)際口腔咀嚼近似的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度特性。本文同時(shí)還對(duì)該產(chǎn)品生產(chǎn)后的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，為公司企業(yè)的投資進(jìn)行了參考，讓機(jī)械咀嚼系統(tǒng)走向市場(chǎng)。

引言

人的咀嚼系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)為一個(gè)復(fù)雜的反射性活動(dòng)，咀嚼系統(tǒng)由上頜和下頜，舌頭，牙齒等組成。咀嚼時(shí)肌肉收縮，使下頜向上下，左右運(yùn)動(dòng)，這樣上下齒相互接觸將食物切割磨碎。

咀嚼機(jī)電系統(tǒng)是一可以模擬人類(lèi)咀嚼行為的機(jī)械系統(tǒng)。它能真實(shí)地浮現(xiàn)人類(lèi)的咀嚼動(dòng)作,并采集咀嚼力,振動(dòng)等咀嚼關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)該又系統(tǒng)是集估計(jì)規(guī)劃,感知系統(tǒng),實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)于一體可廣泛應(yīng)用于牙科科研,食品評(píng)估。

1 基于連桿的咀嚼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在咀嚼時(shí)每一顆下頜牙都有自己的運(yùn)動(dòng)軌跡,其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示,對(duì)該圖分析,得到該軌跡主要特征參數(shù)有:垂直開(kāi)頜距離,水平開(kāi)頜距離,水平閉頜距離,張開(kāi)傾角,閉合傾角,咀嚼周期,它們的具體數(shù)值如下表格:

齒上的咀嚼力大小基于不同事物，而且每科牙齒所受力的大小也不盡相同，在食品評(píng)估和假牙研究中，可在機(jī)械齒面上貼壓力傳感器進(jìn)行對(duì)力的測(cè)量。

根據(jù)四連桿圖集設(shè)計(jì)相應(yīng)的四連桿機(jī)構(gòu)是一非常有效率的方法?，F(xiàn)階段被廣泛地應(yīng)用在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)器人學(xué)中。Cedarville大學(xué)為本次設(shè)計(jì)提供了網(wǎng)頁(yè)形式的四連桿圖集，極其方便了本次的設(shè)計(jì)，網(wǎng)址如下：http://www.cedarville.edu/cf/engineering/kinematics/ccapdf/ccpagef.htm

設(shè)計(jì)得到的四連桿的長(zhǎng)度和軌跡如下圖：

為了使吻合曲線的大小和測(cè)量曲線的大小一致如下長(zhǎng)度。

其中長(zhǎng)度DA=6.52mm,AB=22.83mm, BC=19.57mm,CD=32.61mm。

在ADAMS中建模仿真，得到咀嚼系統(tǒng)的ADAMS模型和運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示。

分別分析三幅圖的軌跡，可發(fā)現(xiàn)，它們的軌跡幾乎一致，達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的精度。

2 對(duì)曲柄的轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)

連桿咀嚼系統(tǒng)的軌跡可以由機(jī)構(gòu)產(chǎn)生得到，但是在不同節(jié)點(diǎn)上的速度和真實(shí)的咀嚼速度不盡相同，因此對(duì)連桿曲柄的轉(zhuǎn)速控制是相當(dāng)有必要的。

因此提出利用PID算法對(duì)曲柄進(jìn)行反饋控制，反饋信號(hào)為軌跡產(chǎn)生點(diǎn)的速度值。

ADAMS內(nèi)含有控制模塊，可以與MATLAB/simulink,聯(lián)合仿真。其控制框圖如下：

模型對(duì)值為16的階越的響應(yīng)曲線為：

分析上圖，在0.05 s的時(shí)候到達(dá)穩(wěn)態(tài)，0.05s占咀嚼周期0.8s的1/40。達(dá)到了目前的設(shè)計(jì)要求。

PID控制器的參數(shù)為：

本文還依據(jù)上系統(tǒng)地?cái)?shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了咀嚼模型的solidworks模型，可用于實(shí)際加工制造。Solidworks咀嚼系統(tǒng)如圖所示：

3對(duì)該咀嚼系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)成本分析: 預(yù)計(jì)每臺(tái)生產(chǎn)成本:300 每臺(tái)分擔(dān)期間費(fèi)用100,總成本400；

(2)售價(jià)分析;通過(guò)對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格彈性分析,預(yù)計(jì)可接受價(jià)格最高為每臺(tái)650；

(3)銷(xiāo)售分析:考慮到該產(chǎn)品的需求方使用情況與產(chǎn)品使用年限, 預(yù)計(jì)產(chǎn)品在一省的每年需求量可達(dá)14000臺(tái),其中口腔科研機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)年購(gòu)入1000臺(tái),教育機(jī)構(gòu)購(gòu)入用于教育示范演示年購(gòu)入約2500臺(tái),食品制造加工生產(chǎn)商年需約8000臺(tái),假牙設(shè)計(jì)制造與相關(guān)牙具生產(chǎn)機(jī)構(gòu)年購(gòu)入約2500臺(tái).由于該產(chǎn)品在市場(chǎng)上暫無(wú)同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品,以85%的需求滿足率來(lái)計(jì)算,銷(xiāo)量可達(dá)12000臺(tái)；

(4)生產(chǎn)能力分析:假設(shè)車(chē)間每月產(chǎn)量可以達(dá)到1000臺(tái),則可以滿足銷(xiāo)量；

(5)利潤(rùn)分析:一臺(tái)咀嚼系統(tǒng)機(jī)器毛利保守估計(jì)約200元,在生產(chǎn)可以滿足銷(xiāo)量的情況下,以每年銷(xiāo)量12000臺(tái)計(jì)算,生產(chǎn)該產(chǎn)品將會(huì)給公司每年帶來(lái)240萬(wàn)元；

(6)整體預(yù)測(cè):估計(jì)產(chǎn)品在未來(lái)5年內(nèi)可以保持銷(xiāo)量,中期內(nèi)將保持較為穩(wěn)定的收益,并且由于固定設(shè)備投入占用資金少,資金回收期短,回收快,風(fēng)險(xiǎn)底,極具投資價(jià)值。并且若生產(chǎn)車(chē)間產(chǎn)能滿足,則可以考慮向全國(guó)的市場(chǎng)進(jìn)軍,并向國(guó)外的一些需求方推薦使用,前景光明。

[1]謝進(jìn).機(jī)械原理.第一版.高等教育出版社.2004年

[2]WL.XU Mechanism design and motion control of a linkage chewing device for food evaluation ,Science Direct,Mechanism and Machine Theory43 (2008)376-389

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.029