1、本科毕业论文（20 届）自动座椅虚拟设计及仿真所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其后续研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所需设计尺寸均来自实际测量，所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 自动座椅虚拟设计及仿真 1课题意义及目标1) 设计一款可供老年人使用的可自动升降的座椅，要求结构合理，可操作性强。2) 绘制其装配图和主要零件图。3) 用三维软件进行运动仿真。2设计的基本要求和内容1）查阅资料（包括教材，专著及论文） ，制定设计方案。2）利用三维软件建立三维模型3）绘制所属部
2、件的零件图及装配图。利用三维软件建立三维模型4）完成运动仿真5) 撰写毕业论文3主要参考资料1 杨可桢，程光蕴 机械设计基础M高等教育出版社；2013.062 西北工业大学机械原理及机械零件教研室 机械原理M高等教育出版社； 2013.08 3 机械设计手册 M机械工业出版社 20105 4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，完成开题报告 2014.12.01 至 2014.12.312 制定设计方案，利用三维软件建立三维模型 2015.01.01 至 2015.03.103绘制所属部件的零件图及装配图。利用三维软件建立自动座椅的三维模型2015.03.11 至 2015.04
3、.304 完成运动仿真 2015.05.01 至 2015.05.155 撰写毕业论文 2015.05.16 至 2015.06.10审核人： 年 月 日自动座椅的虚拟设计及仿真摘 要：本课题要设计的是一款帮助老年人坐、站的自动升降座椅，针对传统手动升降不便和自动升降复杂的缺点，本设计以机电一体化知识为基础结合工业设计原则，旨在设计一款经济适用的蜗轮丝杠升降椅，以期达到更好帮助老年人解决站、坐问题的目的。本课题设计原理是电机带动蜗杆转动，利用蜗轮蜗杆的传动，使蜗轮旋转，蜗轮有内矩形螺纹，与丝杆配合，蜗轮旋转带动丝杆做轴向运动进而带动剪叉机构运动，实现自动升降。针对蜗轮蜗杆，滚珠丝杠，步进电机等
4、元件，先确定所需求的关键数据，跟据公式算出蜗轮蜗杆的各个数值，查表选择材料，并对其强度，刚度等进行校核。最后利用 Solidworks2013 对座椅进行三维建模及装配仿真，并对其整体效果进行分析总结。关键词：老年自动升降椅，Solidworks2013 ，蜗轮丝杠 Virtual Design and Simulation Automatic SeatAbstract：This topic tells about how to design an automatic lifting seat to help old people sit and stand. The purpose of t
5、hesis is to design an applicable lift chair with worm screw with the principle of mechanical and electrical integration of knowledge, against to the shortage of traditional manual lifting inconvenience and complexity of automatic lifting .The design principle of this topic is worm rotation driven by
6、 a motor which using the worm gearing ,and worm gear has a rectangle screw thread cooperating with screw, worm gear realizes automatic lifting by doing axial movement and leading screw do mechanism motion.In view of the worm gearing, ball screw, step motor and other components, the author make sure
7、the demand of key data, calculate each value of worm gearing according to the formula , look-up table to select material, and check its strength, stiffness.Finally, The 3d modeling and assembly simulation was carried out on the seat by Solidworks2013. And the author do analyze and conclusion to the
8、overall effect.Keywords: Elderly automatic lift chair, Solidworks2013, Worm gear screw目 录1 绪论 .11.1 研究目的及意义 .11.2 国内外研究进展 .21.3 设计的可行性分析 .31.4 论文主要内容 .42 总体方案设计 .52.1 座椅底座及上部设计 .52.2 座椅升降机构 .52.3 机械传动机构 .72.3.1 蜗轮蜗杆的分析计算 .72.3.2 滚珠丝杠的分析计算 .102.3.3 轴承的选择 .172.4 驱动电机 .182.4.1 步进电机的工作原理及控制 .192.4.2 步进电
9、动机驱动器的选则 .193 自动座椅的三维建模及运动仿真 .223.1 关于 Solidwork 三维软件 .223.1.1 特点 .223.1.2 配置管理及协同工作 .223.1.3 装配设计 .233.1.4 工程图 .233.2 座椅零件的建模及装配 .243.3 运动仿真 .284 总结及展望 .314.1 总结 .314.2 展望 .32参考文献 .33致谢 .3411 绪论1.1 研究目的及意义随着经济的发展，人们的生活条件及医疗条件越来越好，人口老龄化趋势愈加严重，老年人的日常生活问题也越来越多，怎样在现有条件下，为老年人提供一些生活辅助产品，使他们能够像普通人一样享受简单的生
10、活，这是一个非常值得研究的问题。早些年，随着一个新的名词“无障碍设计” 11的出现，全世界范围都在运用现代科技改变人类周围的环境，改善人们的生活条件，为行动不便的人提供更方便的空间。老年人是弱势群体中的主力军，在中国，60岁以上的老年人大约有1.32亿，80岁以上的老人有1200万之多。而到了65岁以上，人们的生理机能就开始下降，他们的行动变得缓慢，身体柔韧性变差，长时间保持一个姿态时很容易僵持在那里，这些人都需要无障碍设计。社会应该关爱老年人，应该通过科技改善他们的生活质量。本课题主要是设计一款供老年人使用的辅助升降椅。家里有老人的一般经常会出现这样一种情况：当老人坐久了想要站起来或者老人想
11、要很舒服地从站立变为坐下，是非常困难的，他们的下肢肌肉力量退化，已经不能随意地帮助他们完成这些动作。而这款升降椅就能够很好地解决这些问题。老人只需按下开关坤只座椅的上升或者下降即可，在家中使用非常方便 12。本次设计的座椅主要是开关的开和闭控制电机的正反转，从而实现升降功能，为了满足广大老年群体的使用，本设计还对座椅做出如下使用条件：（1）承载重量：不超过 150kg。150kg 作为上限已经满足了很大一部分老年人的体重，而且这个上限也不会对座椅的设计产生更高的要求。（2）升降极限：下降极限不低于 40cm；上升极限不超过 80cm。为了设计更合理，我用尺子测量了身高分别为 160cm，170
12、cm，185cm 的人在座椅上坐下和站立的临界高度，而这个高度刚好是他们身体感觉最舒服的高度，所以上下极限的数据选择还是能满足大多数人的使用及身体条件。（3）其他要求：开关应设在方便老人按到的地方；座椅的重量及尺寸设计应该合理；2座椅设计应该满足人机工程学的要求。最初拿到这个题目的时候，本人最先想到的就是理发店的脚蹬的升降椅，后来又胡思乱想到千斤顶，还有机器人的折叠腿，此时能想到的，可以设计椅子的思路有两种。一种是采用液压升降，液压系统的优点就是平稳，也就是说非常的安全，但它的缺点也很多，比如启动慢，液压缸和液压油泵的送取设计比较复杂，因此，液压系统不再作为设计考虑范围。二就是想办法把螺旋千斤
13、顶的设计转换到座椅的设计理念中，螺旋千斤顶的好处在于承重比较大，但是把它做成自动控制，我暂时还没想到很好的办法，而且螺旋千斤顶的传动效率地，返程慢，不适合用在座椅升降椅。此时，我的思路一度陷入僵局。后来经过和导师探讨本课题的设计理念，并说明了此次设计最初的思路，导师指出不妨用滚珠丝杠作传动，我个人也觉得或许丝杠在此处会有大用，后来在网上看到了丝杠驱动的剪叉式升降机的理念，而且为了节省空间，最终采用了电机带动蜗轮丝杠并驱动两幅二层“” 形剪叉升降结构，这也是此次设计的自动升降椅最重要的部分。并且此次设计采用自动控制，改变了传统模式的手动控制，逐渐向未来生活自动化的新理念靠拢。目前，老年辅助座椅在
14、国外已有研究并出现各种产品，国内也有少量的产品问世，但大都缺乏人性化考虑，国外产品技术相对成熟但价格贵，多数人们难以接受，因此，设计这款简单实用的自动座椅具有重要意义。1.2 国内外研究进展目前，市面上流行的升降椅采用的升降装置大致分为以下三类：油压、机械式和气压。液压（此处泛指油压）升降椅成本高，结构复杂，高度调节不灵敏，在国内市场占有率低 13。而气压升降椅成本低，结构简单，操作简单，因此非常受欢迎，但是气压式结构升降椅造成很多的人员伤亡事故，让我们不得不重新考虑它的价值，来看一下例子：“2007 年 4 月 20 日晚，浙江省 舟山市定海区，一位娄女士坐的椅子发生爆炸，座椅被炸穿，娄女士
15、穿的裤子被炸了个大洞，硬塑料、木屑、海绵、布料、密封圈等大量碎片崩进娄女士体内达十公分”。3“2009 年 1 月 14 日，山东胶州 14 岁少年小刚（化名）独自在家上网，在调节气压椅升降时，突然发生爆炸，顶杆从臀部顶进小刚体内，伤及多条血管，后因失血过多，抢救无效死亡”。可见气压式升降椅不是一个很好的选择，再来看下国内外对座椅要求的标准。国内标准：我国在 1996 年制定了针对金属座椅的 QB/T转椅标准，而96 版标准中并没有对升降自动标准零件进行明确规定，所以无法校验。2007 年，国家发改委又发布了 QB/T办公椅标准，但并没有解决全动杆问题的安全隐患。国外标准：国外机构在办公及家用
16、座椅的标准更为严格，如进入德国的办公家具一般要通过安全认证，若出事故，则制造商受产品安全法的约束，这对确保产品安全有重大意义。而且市面上多数安全系数高的座椅都很笨重不适合老年人方便使用，例如美国 Pride 公司生产的老年辅助椅，如图 1.1 所示 。图 1.1 老年辅助椅1.3 设计的可行性分析老年自动升降椅是机电一体化产品，该产品涉及机械、控制等技术，设计中我们要用到电动机、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠等，在结构上采用类似滚珠丝杠升降机的结构，而步进电动机是纯数字控制，没有累计误差，它的动态响应快，起停正反转可以很容易转换，而且廉价，性能稳定，因此这款升降椅完全可以实现所需功能。 41.4 论文主要
17、内容针对老年人坐下、站立的不便，本课题旨在设计一款简单实用的自动升降椅，它的特点是安全、轻便、廉价。随着我国经济水平提高，有关部门对老年人的生活及行动问题高度重视，所以提出设计一款方便老年人使用的自动升降椅。本章在分析了国内外有关自动升降椅的研究发展现状后，形成了自己的设计思路，初步规划了论文的主要内容，明确了要达到的目的。主要研究内容如图1.2所示：图 1.2 主要研究内容框图自动升降座椅制定设计方案 三维建模及运动仿真 传动机构的设计 总结展望查阅资料市场调查分析对比确定方案建模 运动仿真尺寸设计零件图装配图电机轴承滚珠丝杠蜗轮蜗杆受力分析计算精度元件5225 450mm2 总体方案设计2
18、.1 座椅底座及上部设计座椅的上部和普通的座椅差别不大，唯一的不同在于此次设计在座椅扶手处加上开关，方便控制。座椅底座起一个承载作用，此次设计的底座作用比较突出，螺母副，轴承都要设计在底座上，为了配合剪叉式升降，还在它的两侧设计了两条导轨，而且最后箱体，电机都要安装在底座上，因此，本设计的座椅底座也是比较重要的一部分。2.2 座椅升降机构此设计采用的升降机构是剪叉式升降机构，剪叉式机构的基本单元是 X 形连杆，通过串、并联可以形成一级或多级剪叉机构。在 X 的下端铰链处给一个向内的力（如图 2.1、2.2 所示）时，X 形由宽变窄，即它的各铰链向上运动，它把水平力变为竖直向上的运动。它有较高的稳定性，可以通过增加“” 形，构成二层或多层剪叉升降机构，在此我采用固定式检查升降，它可以根据要求，配置附属装置，任意组合，例如可以加入安全防护；电气控制方式；动力形式；行走驱动机构等。不同辅助配置的搭配，能实现不同的功能，这就增加了这种机构的可利用率及可选择性，同时也为下一步工作的展开打下良好基础 14。（1）满足工作需求的几何关系人正常坐下时，椅面距离地面的高度大约是450mm，能正常站起时大约距地面800mm，此处采用两组二层的“X”形剪叉机构能够较好得达到几何要求，此时每个“X”的剪力臂长度也比较合适为590mm。图2.1 最低点
