基于ADAMS的机械咀嚼系统的开发及经济效益分析

肖棋文 王莉 林森 肖锦绣

1西南交通大学机械工程学院；2西南交通大学经济管理学院；

3西南交通大学材料科学与工程学院；4西南交通大学信息科学与技术学院；611756

基于ADAMS的机械咀嚼系统的开发及经济效益分析

肖棋文1王莉2林森3肖锦绣4

1西南交通大学机械工程学院；2西南交通大学经济管理学院；

3西南交通大学材料科学与工程学院；4西南交通大学信息科学与技术学院；611756

对于食品的评估和口腔假牙试验，目前尚无一种相对精确模拟的设备。机电一体的咀嚼系统的设计和开发显得十分有意义，并且能带来无限的开发空间和经济效益，本文研究的咀嚼系统基于对口腔牙齿运动的精确测量，用一四连杆机构去吻合口腔咬合和咀嚼的轨迹，利用可调的杆长来获得任意种咀嚼轨迹，另外再设计一六连杆来为四连杆机构做导向。本文对机构的动机学和运动学进行了ADAMS的仿真，最后利用ADAMS/cont进rol行PID控制器的设计，以控制与实际口腔咀嚼近似的运动轨迹和速度特性。本文同时还对该产品生产后的经济效益进行分析，为公司企业的投资进行了参考，让机械咀嚼系统走向市场。

引言

人的咀嚼系统是一个复杂的系统，其运动为一个复杂的反射性活动，咀嚼系统由上颌和下颌，舌头，牙齿等组成。咀嚼时肌肉收缩，使下颌向上下，左右运动，这样上下齿相互接触将食物切割磨碎。

咀嚼机电系统是一可以模拟人类咀嚼行为的机械系统。它能真实地浮现人类的咀嚼动作,并采集咀嚼力,振动等咀嚼关键参数。同时该又系统是集估计规划,感知系统,实时控制系统于一体可广泛应用于牙科科研,食品评估。

1 基于连杆的咀嚼系统的设计

在咀嚼时每一颗下颌牙都有自己的运动轨迹,其运动轨迹如图所示,对该图分析,得到该轨迹主要特征参数有:垂直开颌距离,水平开颌距离,水平闭颌距离,张开倾角,闭合倾角,咀嚼周期,它们的具体数值如下表格:

齿上的咀嚼力大小基于不同事物，而且每科牙齿所受力的大小也不尽相同，在食品评估和假牙研究中，可在机械齿面上贴压力传感器进行对力的测量。

根据四连杆图集设计相应的四连杆机构是一非常有效率的方法。现阶段被广泛地应用在机构设计和机器人学中。Cedarville大学为本次设计提供了网页形式的四连杆图集，极其方便了本次的设计，网址如下：http://www.cedarville.edu/cf/engineering/kinematics/ccapdf/ccpagef.htm

设计得到的四连杆的长度和轨迹如下图：

为了使吻合曲线的大小和测量曲线的大小一致如下长度。

其中长度DA=6.52mm,AB=22.83mm, BC=19.57mm,CD=32.61mm。

在ADAMS中建模仿真，得到咀嚼系统的ADAMS模型和运动轨迹如图所示。

分别分析三幅图的轨迹，可发现，它们的轨迹几乎一致，达到了设计所要求的精度。

2 对曲柄的转速控制器的设计

连杆咀嚼系统的轨迹可以由机构产生得到，但是在不同节点上的速度和真实的咀嚼速度不尽相同，因此对连杆曲柄的转速控制是相当有必要的。

因此提出利用PID算法对曲柄进行反馈控制，反馈信号为轨迹产生点的速度值。

ADAMS内含有控制模块，可以与MATLAB/simulink,联合仿真。其控制框图如下：

模型对值为16的阶越的响应曲线为：

分析上图，在0.05 s的时候到达稳态，0.05s占咀嚼周期0.8s的1/40。达到了目前的设计要求。

PID控制器的参数为：

本文还依据上系统地数据，设计了咀嚼模型的solidworks模型，可用于实际加工制造。Solidworks咀嚼系统如图所示：

3对该咀嚼系统的经济效益分析

(1)成本分析: 预计每台生产成本:300 每台分担期间费用100,总成本400；

(2)售价分析;通过对相关产品的市场价格弹性分析,预计可接受价格最高为每台650；

(3)销售分析:考虑到该产品的需求方使用情况与产品使用年限, 预计产品在一省的每年需求量可达14000台,其中口腔科研机构预计年购入1000台,教育机构购入用于教育示范演示年购入约2500台,食品制造加工生产商年需约8000台,假牙设计制造与相关牙具生产机构年购入约2500台.由于该产品在市场上暂无同类竞争产品,以85%的需求满足率来计算,销量可达12000台；

(4)生产能力分析:假设车间每月产量可以达到1000台,则可以满足销量；

(5)利润分析:一台咀嚼系统机器毛利保守估计约200元,在生产可以满足销量的情况下,以每年销量12000台计算,生产该产品将会给公司每年带来240万元；

(6)整体预测:估计产品在未来5年内可以保持销量,中期内将保持较为稳定的收益,并且由于固定设备投入占用资金少,资金回收期短,回收快,风险底,极具投资价值。并且若生产车间产能满足,则可以考虑向全国的市场进军,并向国外的一些需求方推荐使用,前景光明。

[1]谢进.机械原理.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