基于ADAMS的機械咀嚼系統的開發及經濟效益分析

肖棋文 王莉 林森 肖錦繡

1西南交通大學機械工程學院；2西南交通大學經濟管理學院；

3西南交通大學材料科學與工程學院；4西南交通大學信息科學與技術學院；611756

基于ADAMS的機械咀嚼系統的開發及經濟效益分析

肖棋文1王莉2林森3肖錦繡4

1西南交通大學機械工程學院；2西南交通大學經濟管理學院；

3西南交通大學材料科學與工程學院；4西南交通大學信息科學與技術學院；611756

對于食品的評估和口腔假牙試驗，目前尚無一種相對精確模擬的設備。機電一體的咀嚼系統的設計和開發顯得十分有意義，并且能帶來無限的開發空間和經濟效益，本文研究的咀嚼系統基于對口腔牙齒運動的精確測量，用一四連桿機構去吻合口腔咬合和咀嚼的軌跡，利用可調的桿長來獲得任意種咀嚼軌跡，另外再設計一六連桿來為四連桿機構做導向。本文對機構的動機學和運動學進行了ADAMS的仿真，最后利用ADAMS/cont進rol行PID控制器的設計，以控制與實際口腔咀嚼近似的運動軌跡和速度特性。本文同時還對該產品生產后的經濟效益進行分析，為公司企業的投資進行了參考，讓機械咀嚼系統走向市場。

引言

人的咀嚼系統是一個復雜的系統，其運動為一個復雜的反射性活動，咀嚼系統由上頜和下頜，舌頭，牙齒等組成。咀嚼時肌肉收縮，使下頜向上下，左右運動，這樣上下齒相互接觸將食物切割磨碎。

咀嚼機電系統是一可以模擬人類咀嚼行為的機械系統。它能真實地浮現人類的咀嚼動作,并采集咀嚼力,振動等咀嚼關鍵參數。同時該又系統是集估計規劃,感知系統,實時控制系統于一體可廣泛應用于牙科科研,食品評估。

1 基于連桿的咀嚼系統的設計

在咀嚼時每一顆下頜牙都有自己的運動軌跡,其運動軌跡如圖所示,對該圖分析,得到該軌跡主要特征參數有:垂直開頜距離,水平開頜距離,水平閉頜距離,張開傾角,閉合傾角,咀嚼周期,它們的具體數值如下表格:

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，在食品評估和假牙研究中，可在機械齒面上貼壓力傳感器進行對力的測量。

根據四連桿圖集設計相應的四連桿機構是一非常有效率的方法。現階段被廣泛地應用在機構設計和機器人學中。Cedarville大學為本次設計提供了網頁形式的四連桿圖集，極其方便了本次的設計，網址如下：http://www.cedarville.edu/cf/engineering/kinematics/ccapdf/ccpagef.htm

設計得到的四連桿的長度和軌跡如下圖：

為了使吻合曲線的大小和測量曲線的大小一致如下長度。

其中長度DA=6.52mm,AB=22.83mm, BC=19.57mm,CD=32.61mm。

在ADAMS中建模仿真，得到咀嚼系統的ADAMS模型和運動軌跡如圖所示。

分別分析三幅圖的軌跡，可發現，它們的軌跡幾乎一致，達到了設計所要求的精度。

2 對曲柄的轉速控制器的設計

連桿咀嚼系統的軌跡可以由機構產生得到，但是在不同節點上的速度和真實的咀嚼速度不盡相同，因此對連桿曲柄的轉速控制是相當有必要的。

因此提出利用PID算法對曲柄進行反饋控制，反饋信號為軌跡產生點的速度值。

ADAMS內含有控制模塊，可以與MATLAB/simulink,聯合仿真。其控制框圖如下：

模型對值為16的階越的響應曲線為：

分析上圖，在0.05 s的時候到達穩態，0.05s占咀嚼周期0.8s的1/40。達到了目前的設計要求。

PID控制器的參數為：

本文還依據上系統地數據，設計了咀嚼模型的solidworks模型，可用于實際加工制造。Solidworks咀嚼系統如圖所示：

3對該咀嚼系統的經濟效益分析

(1)成本分析: 預計每臺生產成本:300 每臺分擔期間費用100,總成本400；

(2)售價分析;通過對相關產品的市場價格彈性分析,預計可接受價格最高為每臺650；

(3)銷售分析:考慮到該產品的需求方使用情況與產品使用年限, 預計產品在一省的每年需求量可達14000臺,其中口腔科研機構預計年購入1000臺,教育機構購入用于教育示范演示年購入約2500臺,食品制造加工生產商年需約8000臺,假牙設計制造與相關牙具生產機構年購入約2500臺.由于該產品在市場上暫無同類競爭產品,以85%的需求滿足率來計算,銷量可達12000臺；

(4)生產能力分析:假設車間每月產量可以達到1000臺,則可以滿足銷量；

(5)利潤分析:一臺咀嚼系統機器毛利保守估計約200元,在生產可以滿足銷量的情況下,以每年銷量12000臺計算,生產該產品將會給公司每年帶來240萬元；

(6)整體預測:估計產品在未來5年內可以保持銷量,中期內將保持較為穩定的收益,并且由于固定設備投入占用資金少,資金回收期短,回收快,風險底,極具投資價值。并且若生產車間產能滿足,則可以考慮向全國的市場進軍,并向國外的一些需求方推薦使用,前景光明。

[1]謝進.機械原理.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