自动座椅的虚拟设计及仿真

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VirtualDesignandSimulationAutomaticSeatAbstract：Thistopictellsabouthowtodesignanautomaticliftingseattohelpoldpeoplesitandstand.Thepurposeofthesisistodesignanapplicableliftchairwithwormscrewwiththeprincipleofmechanicalandelectricalintegrationofknowledge,againsttotheshortageoftraditionalmanualliftinginconvenienceandcomplexityofautomaticlifting.Thedesignprincipleofthistopiciswormrotationdrivenbyamotorwhichusingthewormgearing,andwormgearhasarectanglescrewthreadcooperatingwithscrew,wormgearrealizesautomaticliftingbydoingaxialmovementandleadingscrewdomechanismmotion.Inviewofthewormgearing,ballscrew,stepmotorandothercomponents,theauthormakesurethedemandofkeydata,calculateeachvalueofwormgearingaccordingtotheformula,look-uptabletoselectmaterial,andcheckitsstrength,stiffness.Finally,The3dmodelingandassemblysimulationwascarriedoutontheseatbySolidworks2013.Andtheauthordoanalyzeandconclusiontotheoveralleffect.Keywords:Elderlyautomaticliftchair,Solidworks2013,Wormgearscrew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.3401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，170cm，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；1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”。2“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。31.4论文主要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4225450mm2总体方案设计2.1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5800mm590mm图2.2最高点（2）受力分析由虚功原理得：(公式2.1)SFhP：载荷：升降高度差:推力：丝杠长度变化FS（公式2.2）)2sin(co(2siLL（公式2.3）)2sin(si(2LS、代入（公式2.1）得h)2sin(si(2)coLFP)2sin(si(2coLP)(ctgF4006LFN时0limctgPF图2.3剪臂受力分析剪切力受力大小4PNFQctgQ：剪切力F：丝杠拉力P：载荷F随P增大而增大时FP如图2.3所示o52.3机械传动机构本课题采用蜗轮蜗杆配合滚珠丝杠进行传动，主要是想利用蜗轮蜗杆的大传动比，同时把电机装在蜗杆一端，电机不用移动，大大节省空间。原理主要是电机带动蜗杆转动，蜗轮蜗杆的传动，能使蜗轮旋转，蜗轮有内矩形螺纹，能与矩形螺纹的丝杠配合，此时，在蜗轮旋转带动下，丝杠作轴向运动，进而与螺母副、轴承配合拉动支架在导轨上滑动，从而实现升降1。2.3.1蜗轮蜗杆的分析计算蜗轮蜗杆是螺旋式传动，两轮啮合齿面是线接触，啮合效果较好，因此它的传动也更平稳，适合本次升降座椅的传动。（）蜗轮蜗杆材料的选取材料的选择要看它的适用场合，一般来讲，蜗杆要有一定的强度和良好的耐磨性，一般可选合金钢和碳钢4，通过查机械设计手册对应找到用于低俗轻载的蜗杆材料为45号钢，所以此次设计的蜗杆采用45号钢。而蜗轮的选择和丝杠螺母副材料一样为钢，7。nrWMC6058HR（）尺寸计算通过查表选合适的蜗杆的分度圆直径再通过常见配合选出。（附1dm7表）此处选。6.1,201md2zni为蜗杆头数，常见有1,2,3,4,5,6.此处设计为单头蜗杆，所以1z1z为蜗轮齿数，此处2802z302z)(1da为标准中心距为螺杆分底圆直径为蜗轮分度圆直径1d2d蜗轮蜗杆参数计算见表2.1所示。表2.1尺寸计算蜗杆蜗轮齿顶高ah6.1mha2.3)1(2mxha齿根高f92f0.f全齿高5.3.15.2分度圆直径d2048mzd齿顶圆直径a2.1aahd.22aah齿根圆直径fd61ff367ff蜗杆导程角57.4tan1dmzr蜗轮蜗旋角257.42节圆直径d2.31x8d传动中心距a6.5)(2md蜗杆轴向齿矩1aP04.51a蜗杆蜗旋线导程0z蜗轮齿宽4.175.02adb8说明：为蜗轮蜗杆传动的变位系数，一般，此处x1x=0.2一般开式蜗轮蜗杆传动中秩序校核蜗轮吃面接触疲劳强度，可按下式校核：minHLiHSSs/8.1式中为蜗轮齿面接触应力为蜗轮齿面接触疲劳极限HLim为最小安全系数，见表2.2inS表2.2最小安全系数蜗轮圆轴速度/(m/s)10107.55精度等级GB/T10089-19885678minHS1.21.61.82.0)2(2xdbYZFt4.0为蜗轮分度圆上的圆周力N2tF为系数m10d为蜗轮平均齿宽，2b)6(45.12mdbm为蜗杆齿的齿形系数，查表2.3（）ZYYX表2.3齿形系数2dTFt08.37为蜗轮轴上的转矩，即丝杠转矩，mNhPTna89020tan00.10.20.30.40.50.60.70.80.91ZY0.6950.6660.6380.6180.6000.5900.5830.5800.5760.5750.5709WnhHLimfk0097.为蜗轮与蜗杆的材料配对系数，见表2.40K为寿命系数，见表2.5，为设计的工作寿命hfhhLf12h为速度系数，见表2.6nf为载荷系数，此时W1Wf表2.4蜗轮与蜗杆的配对材料系数蜗杆材料蜗轮齿圈材料0k蜗杆材料蜗轮齿圈材料0k锡青铜7.84锡青铜4.61铜铝合金4.17铜铝合金2.45钢经淬火磨消珠光体铸铁11.76钢经调质不磨消铜锌合金1.67表2.5寿命系数10/hL0.751.53612244896190hf2.52.01.61.261.00.80.630.500.40表2.6速度系数经计算得，所以强度符合设计要求3。smsmSH/8.1/.2/102.3.2滚珠丝杠的分析计算在滚珠丝杠出现之前，传统的滑动丝杠作为丝杠传动的主要形式，滑动丝杠的方式是滑动摩擦，所以在效率、精度上有很大的限制，随着机械向着告诉、高效、自动化方向发展，各种机械产品对其驱动的速度要求不断提高，滑动丝)/(smV0.10.41.02.04.08.0121624324664nf0.9350.8150.6660.5260.3800.2680.1940.1590.1080.0950.0710.06510杠已经不能满足工作需求，为了解决这一问题，滚珠丝杠传动方式应用而生。（1）滚珠丝杠特点滚珠丝杠是机电一体化系统中的新型螺旋传动机构，在它本身具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装入传动元件滚珠，滚珠丝杠虽然结构复杂，成本也高，还不能自锁，但它的摩擦阻力矩小，传动效率高，精度高，系统刚度好，运动具有可逆性，寿命长，所以它在机电一体化中广泛使用作为传动部件。（2）滚珠丝杠的结构及滚珠循环方式滚珠丝杠传动机构的工作原理如图2.4所示，丝杠和螺母的螺纹滚道里面有滚珠，丝杠的转动，使得滚珠在螺纹道里滚动，从而产生滚动摩擦。为防止滚珠从滚道滚落，必须在螺旋槽两端设计回程装置，构成滚珠循环返回通道，滚珠每次经过一个循环就会回到开始状态，形成滚珠滚动的闭合回路2。图2.4滚珠丝杠传动机构滚珠丝杠副中的循环方式有内循环和外循环。内循环，其滚珠始终与丝杠表面接触，特点是路程短、循环流程，效率高，结构尺寸小，缺点是反向器加工困难；外循环方式中，滚珠循环反向时，有一股脱离丝杠螺旋滚道，在螺母体内或体外左循环运动，外循环方向结构工艺简单，但滚道接缝处很难做到平滑，从而会影响滚珠滚动稳定性，甚至发生卡珠现象，噪声也比较大。本设计采用的支承方式为：固定自由。因为是座椅，出于稳定性及要求较低考虑，螺母副的最大移动速度为30mm/s，电机最高转速为600r/min，滚珠丝杠及螺母副的几何参数计算如下：公程直径d0：由Ca的值来估选，普通运动时FW取1.411NLfFCwa62010384.96其中Fa为轴向载荷，L为回转寿命额定动载荷查表知合适的公称直径d0=20mm。C62导程mInVP310/max0I为转动比取1，Vmax为螺母副最大移动速度，nmax为电机最高转速。此处为了安全考虑，选5mm。0螺杆外径，db为钢球直径d)25.(螺杆内径Re01偏心距sin)(be螺纹滚道法向半径bd52.螺杆接触直径cos02Bd螺母螺纹外径ReD螺母内径（外循环）bd)25.0(01初步选择丝杠和螺母材料：钢，导程5mm，型号nrWMC608H，通过计算得出下表2.7数据：520CM表2.7丝杠螺母配合参数额度载荷公称直径导程丝杠外径底径循环周数动载荷静载荷螺母安装尺寸d0Pn0d1d3nCoCouRCDLBD1D4Q1Q2h丝杠代号52C20519.516.765142053824473070621145565.8106选取滚珠丝杠转动系统为：磨制丝杠右旋12FWFN轴承到螺母距离（临界长度）Ln=550mm设计后丝杠总长1000mm最大行程750mm寿命设为24000小时摩擦系数1.0定位精度：最大行程内误差0.035mm30mm内行程误差0.02mm失位量0.045mm（极限体重+座椅面重量和连杆重）kgW203g取9.8m/sI=1（电机至丝杠的转动比）图2.5受力示意图此时因为两组“X”形，所以取计算，如图2.5所示。21NWgFoNa8.60928.916028.9160245csFa：轴向载荷FN：竖直方向压力（1）寿命计算45o1315满足寿命要求)(62045aanLHFeoCNKC：轴向载荷a：寿命系数，n1072.3)5/(/nL：工作寿命，取=24000L:载荷系数，取=1.2FKFK:动载荷硬度影响系数，取=1.0HH:短行程系数，取=1.0LL：转速系数，取=0.5107nKnK（2）验算临界转速7210CcLdff：与支撑形式有关的系数d2：丝杠底径LC2：临界转速计算长度查表知f=21.9，d2=20，LC2=L1-L0得nc=4028nmax=600Fao=Fmax/3=203.2NFao：预警载荷Fmax：最大轴向工作载荷（3）容许轴向载荷丝杠理论容许轴向载荷，容许轴向载荷也称危险轴向载荷在轴方向施加的最大拉伸压缩负荷。为了保证丝杠的传动精度，在设计时必须考虑不使丝杠发生变形的轴径尺寸（丝杠螺纹底径）。1642410/KZFKLdf14：丝杠理论容许轴向载荷（N）KF：丝杠螺纹底径（mm）Zd：支承系数KFf：轴承与螺母之间的距离L（此时支承方式为固定自由，）6.2KFf2/KZULF：丝杠工作容许轴向载荷（N）轴向总刚度：滚珠丝杠传统系统的刚度收到所有与其相连部件（如轴承、螺母底）的影响。aLnustoRR/1/1/：传动系统轴向总刚度（）tumN/：支承轴承刚度aL：丝杠刚度s：螺母刚度nuRtoaF/：轴向弹性变量（um）aLaLR/：支承轴承弹性变量（um）查表：支承刚度aL31).0(8anuCF初始条件：矢位量=0.045mm滚珠丝杠系统之间各元部件（丝杠、螺母、支承轴承），此处设为0.04mm，此时滚珠丝杠各部件弹性变量为0.02mm，此时的轴向载荷为609.8N丝杠刚度：当，为最小，一般情况下计算最小刚度值10。KsL1sR15umNLDdRsWs/5.3)482106()7.(3120RFsa4.1./69螺母刚度：umNCFRanu/7.469)4821.036(28.3110RFnanu3.1./8支承刚度：（查表可知）umRFaLFRaLaL28.304/.69/umNRaL/8.304轴向总刚度：umNRtoaLnusto/32.461/8.04/17.9/5./总弹性变量（单边）1.4327.0,tsnalm合格162.3.3轴承的选择滚动轴承是现代机械中的重要部件，它依靠主要元件之间的滚动接触来支承传动零件。滚动轴承大多已经标准化，它具有摩擦小，功耗小，启动容易等优点。选用轴承时，首先是选择轴承类型，不同类型轴承由于结构特性不同，可适应于不同的使用条件，通常选择轴承类型时应综合考虑以下主要因素：（1）轴承的载荷轴承受到的载荷大小、方向及性质是选择轴承重要要的依据，通常应根据载荷的大小、方向和性质选择轴承。根据载荷大小选择，滚子轴承主要元件是线接触，承载能力大，适用于承受较大载荷；球轴承是点接触，承载能力小，适用于轻、中等载荷。各种轴承载荷能力一般以额定载荷比表示。根据载荷方向选择，纯轻径向载荷，宜选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，也可考虑选用调心轴承。纯轴向载荷，一般选用推力轴承，较小轴向载荷用推力球轴承，较大轴向载荷用推力滚子轴承。径向载荷和轴向载荷同时作用时，一般选用角接触球轴承，或者是圆锥滚子轴承，这两种轴承随接触角增大承受轴向载荷能力也提高。若径向载荷较大而轴向载荷较小时，也可选用深沟球轴承和内、外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承。根据载荷性质，有冲击载荷时，宜选用滚子轴承。（2）轴承的转速一般转速较小时，转速不会对轴承选择产生影响，只有高速时才会有显著作用。通常来讲，摩擦力矩小、发热量小的轴承高速性能好。球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。径向载荷小时，选用深沟球轴承；径向载荷大时，选用圆柱滚子轴承。对联合载荷，载荷小时，选用角接触球轴承；载荷大时，选用圆锥滚子轴承，或者是圆柱滚子轴承与角接触球轴承组合。在相同内径时，外径越小，滚动体越轻越小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适于较高转速下工作。推力轴承的极限转速都很低。在一定条件下，工作转速较高时，宜选用直径系列为8，9，0，1的轴承。保持架的材料与结构对轴承转速影响很大。实体保持架比冲压保持架允许的转速高。高速重载的轴承需验算其极限转速。17（3）轴向游动性能一般机械工作时，因机械摩擦，或者是工作介质的关系而使轴发热，从而有热胀冷缩产生。在选择轴承结构类型时，应使其轴有铀向游动的可能性。因此，常在轴的某一端选用一个内圈或者一个外圈无挡边的圆柱滚子轴承或者滚针轴承，来适应由热胀冷缩引起轴的伸长或缩短。当轴两端轴承孔同轴性差（制造误差或安装误差所致）或轴的刚度小，变形较大，以及多支点轴，均要求轴承调心性好，这时应选用调心球轴承，或者是调心滚子轴承。（4）安装与拆卸轴承使用寿命通常不会是主机使用寿命，在实际使用中，轴承作为易损部件要经常装拆。因此，在选用轴承结构类型时应要求装拆方便。可分离型的角接触球轴承、圆柱滚子轴承。圆锥滚子轴承、推力轴承和内圈为锥孔、带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承等均具有装拆方便性能5。根据以上的选用要求，此次设计对丝杠末端的支承选用圆锥滚子轴承和推力圆柱轴承按照国家标准，选择30302、51101轴承。其实对轴承的选择，在蜗轮蜗杆确定完后，轴承就已经确定下来而且此次设计是低速较轻载荷的场合，对轴承要求不是很高。轴承是标准件，选取通过查表选择适合的尺寸就可以，本章对轴承的种类、用途有个概括性的描述，以便了解及选取。2.4驱动电机步进电动机是把脉冲信号变为相应的角位移或者线位移的控制电动机，这种电动机每输入一个脉冲就动一步，所以又叫做脉冲电动机。步进电动机在自动控制中作为执行元件，多用于数字控制系统中，精度高，运行可靠，例如用位置检测和速度反馈，也可作闭环控制。步进电动机广泛用于数控机械行业。数控设备的性能好坏，很大程度上与电机和驱动电源的配合有关，高精度的配合将大幅度提高它的性能。步进电机主要优点：（1）位移和输入的脉冲数保持严格的线性关系，没有累计误差，位移与速度控制较容易。（2）动态响应较快，能够很容易地进行起停、变速和正反转。18（3）适用于微机控制，系统廉价。（4）电机没有电刷，部件少。（5）停止时自带自锁功能。（6）低速运动时仍能获得较大的转矩，所以不用减速器驱动。主要缺点：（1）带动惯性负载能力较弱。（2）加减速控制较复杂。（3）只能由脉冲电源驱动。本次要设计的是自动升降椅，它对负载要求不是很高，对速度变化要求也比较低，所以综合来说选择步进电机当做主动力源是非常合适的。2.4.2步进电机的工作原理及控制步进电机的驱动可以形象描述为“开关”控制直流电源的“开”和“关”，形成的脉冲信号，使电源通过脉冲形式加到步进电机各个绕组，绕组通断电就能驱动电机的转动。电流流过定子绕组时，会产生一个矢量磁场，这个词场会带动转子转过一个角度，使转子磁场方向和定子磁场方向相同。定子矢量磁场转一个角度，对应的转子随该磁场也转过一个角度。输入一个脉冲，电动机转过一个角度，即前进一步。它输出的角位移与输入脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。当改变绕组的通电顺序时，电机就会反转。控制绕组通电情况就能控制步进电机的变换过程。具体分为以下几种：（1）控制换相顺序：即脉冲分配。（2）控制电动机转向：正序通电正转，逆序通电反转。（3）控制转速：通过控制脉冲来调速转速。2.4.3步进电动机驱动器的选则步进电动机想要工作，必须要有步进电动机驱动器，因为它不能直接连接电源，步进电机驱动器主要由信号处理器、环形分配器、推动驱动器等组成。此次设计选用两相步进电动机驱动芯片TB650，该芯片能耗低、集成高、对环境要求低、稳定可靠、外围电路简单。19pFN此次设计用到一个步进电机，要用一片TB650来控制电机，考虑到口的效率，一片TB650的M1与M2，DCY1与DCY2，TQ2与TQ1三组状态，设置使用一组开关控制，简单、易操作，并且因为开始运行时负载较大，所以用16细分的方式来启动。因为=45o时，即椅面位于最低位置时所需的启动转矩最大，所以，只需计算此时的电动机功率即可。图2.6负载作用下剪叉架受力分析因为是两组剪叉机构所以只需的P，又因为“X”形构件在此处是二力杆件，21所以此时加速在滚珠丝杠上的轴转向力即为F。而且要受一个水平的摩擦力如图2.6所示。n下面计算驱动扭矩T0：丝杠进给的正效率：滚珠丝杠导程（牛）：正向压力牛转轴负载驱动扭矩1010nm)(:4.32/(INFkgfTnIa此处用步进电动机驱动，2005滚珠丝杠转动，25滚珠直线导轨承重和导向。设，.094.120mNnIFTN698.032.5/)14.()8700查表知电动机功率是，是，所以选用W0mN64.W0mN27.1电机。W4步进电动机是一种优秀的动力源主要是在此设计中它本身就解决了丝杠自锁的问题，不需再额外加入抱闸机构，这使得设计变得简单。本章详细的了解了它的工作原理及功能，为后续的工作做足准备，同时也能进一步深入体机电一体化的优势及整体概念，并通过计算选择功能的电动机，步距角为W401.8o，搭载TB650芯片作为自动升降椅的核心动力机构6。213自动座椅的三维建模及运动仿真3.1关于Solidwork三维软件3.1.1特点Solidworks软件模块划分清楚，指令调用简单，绘图层次分明，修改容易。是一款非常适合初学者设计三维模型的软件，就我个人而言，设计之初我在Proe和Solidworks之间我毅然决然地选择了后者，因为它清晰的层次划分让我能下得了手，而且使用后感觉上手特别快。SolidWorks2013，不但改善了传统机械设计的模式，而且有强大的建模功能、参数设计功能。在创新性、使用的方便性以及界面的人性化设计等方面都得到了增强。大大缩短了产品设计时间，提高了产品设计的效率。Solidworks采用了大家熟悉的MicrosoftWindows图形用户界面，使用者能快速按照自己思路绘出草图，并运用特征与尺寸，绘出模型实体，装配体及工程图。（1）只有SolidWorks才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。（2）属性管理功能可以高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员涵盖所有模型设计参数，使用、查找、修改都非常方便。（3）用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。（4）特征模版为标准件和标准特征，用户可以直接点开特征模版，选取合适的标的零件和特征，。（5）SolidWorks可以使用CAD模拟功能作图，对于有CAD绘图基础的使用者可以很好得从二维建模向三维实体过度，不会感觉很陌生9。223.1.2配置管理及协同工作SolidWorks软件的配置管理非常独特，它包括零件、装配体和工程图。配置管理使得你能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。（1）SolidWorks提供了先进的设计工具，可以较好地利用互联网帮助设计。（2）通过三维托管网站展示生动的实体模型。三维托管网站是SolidWorks提供的一种服务，你可以在任何时间、任何地点，快速地查看产品结构。（3）SolidWorks支持Web目录，使得你将设计数据存放在互联网的文件夹中，就象存本地硬盘一样方便。（4）用3DMeeting通过互联网协同工作。3DMeeting是在微软NetMeeting技术基础上开发的专门为SolidWorks使用者提供的协同工作环境。3.1.3装配设计（1）在SolidWorks中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks的性能得到极大的提高。（2）SolidWorks可以根据装配体的动态影像，对运动的零部件进实时体积干涉检查和间隙配合检测。（3）用智能零件装配技术，可以完成例如把一个设计好的丝杠装入轴承中，而同时按照正确的顺序完成卡簧和轴承的装配。它能够自动定义装配关系，大大加快了装配速度，提供了设计效率。（4）镜像功能是SolidWorks的一大技术革新。镜像能在已有零件基础上产生新的零件，即使在装配过程中要增加新的对称部件，也可以直接使用镜像，而不是再单独画一个零件。3.1.4工程图23（1）SolidWorks提供了生成详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改设计图时，三维模型，视图，装配体都会自动更新。（2）从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。（3）工程图视图。SolidWorks提供了三种创建工程图的必要的图纸格式，能更方便的生成局部图、辅助视图、投影图等。（4）图层管理素材的方法。图层可以看作重叠在一起的透明塑料纸，如果某一图层上没有任何内容，就可以透过该层看到下一层的图像用户可以在每个图层上生成新的实体，然后指定实体的颜色、线型，还可以将图注放在单独的一个图层上，避免与工程实体图之间的干涉。（5）SolidWorks可以从不同位置交替观看视图，这样能够方便观察运动顺序，非常有利于有运动关系的装配体的设计8。3.2座椅零件的建模及装配图3.1底座模型图24图3.2座椅面三维模型图图3.3剪叉架连杆25图3.4滑块图3.5蜗轮26图3.6蜗杆图3.7轴承27图3.8座椅整体外观模型图28图3.9座椅内部整体三维模型图图3.10驱动机构放大图293.3运动仿真图3.11升前示意图图3.12上升过程中30图3.13升至最高点本章主要是对座椅零件进行建模及装配，用到的软件是Solidworks，这款软件的优缺点已经在本章列出。首先根据第二章设计计算的尺寸生成零件，然后进行组装，具体尺寸还进行了精确修改，最后完成模拟运动。314总结及展望4.1总结毕业设计临近尾声了，再回过头想想自己做毕业设计的过程，可以说是笑声与汗水共同伴随。我觉得我做的自动座椅的设计是个很有意思的课题，它不枯燥，它对人们的生活条件改善会产生直接影响，尽管现在我做的不是实物，但是我相信将来这种构思一定会在实际生产中体现。而且此次设计让我把大学四年里学到的东西基本上都用了一遍，期间每一次运算，每一次绘图，每一次构思，我都觉得是我四年里学习的片段，感谢有这次毕业设计能让我把我大学学到的东西再总结一次。通过此次毕业设计我学习了一种新的三维绘图软件Solidworks，从中体会到了这种绘图软件的实用性。同时也感觉到，绘图在机械设计行业的重要性。显然这次大量运用计算机绘图以及分析的过程对于我们来说,.为我们将来为从事设计打下了坚实的基础。这次毕业设计，可以说把我大学四年的学习经历又总结了一次，而且通过每一次亲自解决困难，或者和别人配合完成一个项目甚至一个小小的计算，都会让我得到很大的收获，对我以后出身社会的处事能力也有提高，下面我简单谈一下我的感受：（1）坚持，这段时间，尽管每天都要查资料，画图，计算等等，没有固定的休息时间，但如果不能坚持，我的工作可能就停滞不前，短时间也不会有很大收获，所以说坚持是做好任何事的前提。（2）要有一定自学能力。在接触一门新的课程或者一个新的知识时，不要害怕，我们可以利用书籍或者互联网来深入了解学习它，进而运用到我们的设计或者学习中。大学里，很多东西都是靠自己解决的，没有自学能力只会退步。（3）触类旁通，积累知识。不要怕你学习的东西眼前用不到，有可能下一步就用到了。在学Solidworks的过程中，要不断的学习其它相关联的知识，只有这样做你才能有所进步，看看CAD/CAM原理方面的书，看了此书，不但Solidworks进步很快，其它同类软件也能很快上手，因为此时我已经有一定的理论知识，知道它的原理与实质，很多软件的原理都是互通的。32（4）最后我个人认为交流对学习很重要，碰到不会的问题，可以请教同学，可以咨询老师，问是最好学习的方式之一。多看看别人的人是怎么设计的，你也可以问一问其他人拿到这个题目有什么想法，一个人的想法也许不会对你有帮助，但是一百个人的想法中，一定会有一个是你想不到的。4.2展望Solidworks在机械设计中的应用已经很广泛了。但随着中国机械行业的飞速发展，Solidworks也许会在机械行业应用中显得不足。一定要学习一款新的功能更加强大的软件来应对高速发展的机械设计行业，A