575203499机电一体化毕业设计（论文）健康按摩系统及其产品造型.doc

编号：XH03JW037-11/0厦门海洋职业技术学院毕 业 设 计 （论 文）题目: 健康按摩系统及其产品造型 系 别： 机电工程系 班 级： 机电一体化3073 姓 名： 学 号： 指导教师： 2010年 5 月 5 日【摘要】：本文针对前期的按摩产品市场调研,通过调研结果分析，提出了按摩椅的按摩方式，根据按摩方式，设计传动零件及其产品造型。运用有关手册对各零部件的尺寸进行分析、计算、校核，并利用三维设计和EDA软件进行模拟，由此确定了该系统各个零部件的结构尺寸和方案等，通过有关校核表明了设计方案和计算方法切实可行并具有一定的实际参考价值。【关键词】：健康按摩系统 按摩传动 音乐按摩 按摩产品造型 健康按摩系统及其产品造型一、引言毕业设计是在修完所有课程之后，我们走向社会之前的一次综合性设计。在此次设计中，主要用到所学的机械设计，以及三维建模等方面的知识。着重说明了按摩椅设计的一般流程，即机械传动的分析、零件的选择及相关参数校核、产品的结构设计、产品设计的有关计算、产品总体尺寸的确定与结构草图的绘制、产品结构总装图和零件工作图的绘制、全面审核投产制造等。其中机械传动的设计和电路的设计，程序的编写既是重点又是难点，主要包括按摩方式的设计，工作零件的结构设计，传动系统的设计，电路系统设计等。通过本次毕业设计，使我更加了解新产品开发和机械设计的含义，以及懂得如何查阅相关资料和怎样解决在实际工作中遇到的实际问题，这为我们以后从事机械职业打下了良好的基础。二、正文（一） 按摩椅市场调研 健身器材市场是近一、两年新兴起来的消费品市场之一，按摩椅更是新兴之中的新兴者。据宏观预测，该市场成长曲线呈上升之势。为健康按摩系统及其产品造型的设计提供方向，评估按摩椅行销环境，制定相应的设计思路及产品造型，预先进行厦门地区健身器材市场调查大有必要。本次市场调查将围绕策划金三角的三个立足点：消费者、市场、竞争者来进行。1. 消费者 消费者统计资料(年龄、性别、收入、文化程度、家庭构成等) 消费者对健身器材的消费形态(健身方式、健身习惯、健身看法等) 消费者对健身器材购买形态(购买过什么器材、购买地点、选购标准等) 消费者理想的健身器材描述 消费者对已有的健身器材类产品的看法2. 市场 厦门地区消费者健身需求及购买力状况 厦门地区市场潜力测评 厦门地区健身器材销售通路状况3. 竞争者 厦门市场上现有健身产品的种类，品牌、产区、价格 厦门各品牌、各类型按摩椅的主要购买者描述 厦门主流产品的优势特点市场调查方法：以访谈为主：户访、售点访问。（二） 按摩的作用和原理按摩是通过手法作用于人体的肌表，以调整人体的生理、病理状态，从而达到治病和保健的作用。其作用原理与各种手法有密切关系，是依据祖国医学中的经络学说。经络贯通于人体内外、上下联络脏腑，贯通九窍，是气血运行的途径，也是津液输布的网络。经络壅阻，人体气血不畅，阴阳失调，就会产生疲劳和病变。中国医学典籍认为：按摩能调解阴阳平衡，疏通气血经络，而且还能够活血化瘀、强身壮骨、调整脏腑、增强人体抗病能力等。 西医认为按摩不但可以调整内分泌、加强胃肠蠕动、拨离组织粘连、缓拿复位等作用，而且具有调节大脑皮层、皮质功能，使大脑神经产生冲动，进而达到兴奋或抑制神经作用；我国传统中医认为，按摩能够平衡阴阳、调和脏腑、疏通经络、加强盈卫气血功能，从而达到扶正祛邪的作用。 大量科学研究实践证明，各种按摩手法是由各种动作所产生的力在机体上引起的一系列反应，人体接受按摩以后，能使大小循环系统畅通、血流丰富、改善血液循环，加速人体各器官组织的新陈代谢、消除疲劳、解除病痛，具有延年益寿之功效。图2.1 按摩产品的功效经常正确的使用电动按摩椅和按摩器，可以达到以下效果： 消除疲劳，使身心迅速得到放松； 改善失眠、神经衰落等症状； 缓解身体不适，减轻疼痛感； 加速血液循环，增加细胞供氧量，对改善贫血、血液循环不良有较好的辅助作用； 活化神经细胞，增强细胞活力及免疫力，促进大脑进行自我调节； 对许多慢性疾病，如颈椎炎、肩周炎、腰肌劳损、骨质增生、神经压迫、神经萎缩、偏瘫等有很好的辅助资料作用。 促进新陈代谢，改善消化不良。 促进人体内分泌，协助排出体内及皮肤中的垃圾，增强皮肤弹性，达到美容效果。 局部按摩能消耗多余的脂肪，达到减肥美体等等，如图2.1所示。（三） 按摩椅的设计 根据调研，确定健康按摩产品首推按摩椅。据厦门市场上已有的按摩椅产品，设计以下按摩系统及其产品造型。1. 支架设计根据调研结果分析，各个厂商生产的按摩椅外形，颜色，材质等均有很大出入，基本上一种型号一个外貌，甚至同一系列的不同型号的产品设计风格都有很大差别。所以，本文对按摩椅外形不进行单独设计，只设计支架。如图3.1 所示。 图3.1 市场上较为普遍的按摩椅 图3.2 的按摩椅支架根据调研分析的结果，设计如图3.2 的按摩椅支架。本设计的特点： 支架简单，易加工，材质无特殊要求，甚至可用木材加工； 按摩系统为一个或几个模块组合而成，均可单独存在，对支架无具体要求； 按摩椅的靠背和腿部的支架由左右两边的把手控制，弹性也集中于把手； 按摩椅的下面部分由一个球体和底座组成，球的上方为按摩模块和椅子行走系统，球本身无特殊材质要求，亦可用木材加工，球的下方可垫一个底座，不同的底座有不同的功能，无底座时加两个支撑轮后，按摩椅便可自由行走。具体分析如下：按摩系统模块，如图3.3 。此模块可单独存在，靠背一个，底座一个，小腿处一个，脚踏处一个，模块具体功能、具体传动见下文分解。 图3.3 图3.4A 图3.4B 把手。如图3.4，此把手功能如下： 扶手功能； 可按档位调节按摩椅倾斜的角度； 弯曲部分由弹性钢板组成，中间竖直部分由弹簧和伸缩杆组成，构成减震系统，使人体倍感舒适。 按摩椅行走系统如图3.5 ，即滚球上部分，该部分上接臀部按摩模块，下接行走系统。行走原理参考机械鼠标的滚球传感系统，如图1.7 ，只是把X-Y滚动轴连接动力系统和控制系统，便可带动滚球自由滚动。 图3.5A 图3.5B注意：此行走系统只有一个支点，重心不好控制，需在按摩椅后面加两个轮子。底座。底座也是独立存在，不同底座拥有不同功能，但底座不可过于光滑，要有一定的摩擦系数，保证和滚球接触时不至于滑动。 底座一，和滚球完全接触的，如图3.6A。功能：固定按摩椅，使椅子固定在一个地方，一个角度； 底座二，一个走向（X轴或Y轴）上可滚动，另一方向与滚球接触，不可滚动，如图3.6B。功能：使椅子可前后或左右摆动，但不可行走。 底座三，只有一个点和滚球接触，可360度自由滚动，如图3.6C。功能：使椅子360度自由摆动，但不可行走。 图3.6A 图3.6B 图3.6C2. 按摩系统设计。本设计思路是：设计成模块形式，不受支架限制，可自由装配，如图3.7。图3.7 所需的主要零件有： YDK55-4马达： 主轴： 电磁离合器： 四头蜗杆： 涡轮： 齿轮轴套： 主动齿轮： 从动齿轮： 从动转轴： 7度偏心轴套： 6201轴承： 三抓按摩盘： 按摩盘外套： 按摩头： 其中：主轴是连接蜗杆的，蜗杆可在轴上轴向滑动，且主轴既是传动轴，又是丝杆，连接电磁离合器电磁离合器，如图所示，绿色部分和丝杆配合，且和外部构成一个离合系统；红色部分是电磁吸合的，可由电路系统控制离合器的离合。 传动系统分析 传动总成：图3.8该传动系统设计思路较为新颖，只由一个马达来完成四个动作：按摩头的捶打动作、按摩头的回转动作、三抓盘外套回转滚动按摩动作、整个工作台主轴轴向往复移动动作。其中按摩头的敲打动作最为复杂，建立在其他动作的基础上。系统运动分析：动力由马达经弹性联轴器转到主轴，主轴带动蜗杆转动，蜗杆带动涡轮，涡轮经由毛毡片将大部分扭矩传到主动齿轮和齿轮轴套，齿轮轴套带动三抓盘外套回转，三抓盘外套上的按摩轮鼓便做滚动按摩动作，同时三抓盘外套使得三抓盘上的按摩头回转，做回转按摩动作，如图3.9；于此同时，主动齿轮带动从动齿轮，从动齿轮由三抓片带动从动转轴，从动转轴带动7度偏心轴套，再带动6201轴承内圈转动，由于与轴承外圈固定的三抓盘被三抓盘外套同步带动着做回转运动，且两轴轴线偏差7度，在转速的差别下，三抓盘便做震动动作，三抓盘上的按摩头也就此起彼伏地做捶打动作，如图3.10。此时如果合上离合器，离合器压紧丝杆上的丝轮，整个工作台便在底座上滑动，当移动至一端时，触动行程开关或者触片，马达反转，工作台向另一端移动，如此往复运动，达到按摩效果。 图3.9 图3.10以上设计的具体零件参数、计算等请祥见附件。3. 电路系统设计 PIC单片机与直流电机连接1) 直流电动机控制在现代工业生产中，电动机的应用是非常广泛的。如在机械加工工业中，它是各种机床的动力源，在轧钢生产中，它是控制轧钢机的传动装置，而在其他工业生产中，用电机带动水泵、风机及控制阀门等。因此，在单片机控制系统中，如何控制电动机的转向和速度，便是经常遇到的问题。2) 小功率直流电动机调速原理对于小功率直流电动机调速系统来说，使用单片机是极为方便的，其方法是改变电动机定子电压接通和断开时间的比值（即占空比）来控制电动机速度，这种方法称为脉冲宽度调速。在这种方法中，当电动机通电时，速度增加；当电动机断电时，则速度逐渐减少。只要按一定周期改变通、断电时间，即可使电动机速度到达一定的稳定值。设电动机永远接通电源时，其转速为最大V max，占空比D=t/（如图7.28所示），则电动机的平均速度为：V d=V max·D式中，V d-电动机的平均速度； V max-电动机全接通时的最大速度； D=t/-占空比。 V d与占空比的函数曲线如图7.28所示，V d与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），但可以把它们近似地看成线性关系（如图3.11中虚线所示）。 图3.11占空比及占空比与转速的关系3) 开环脉冲调速系统开环脉冲调速系统的原来如图3.12所示。图3.12开环脉冲调速系统的原理开环脉冲调速系统由五部分组成： 占空比D的设定：可由脉冲调速系统给定开关K设定； 调宽脉冲波形发生器：由CPU根据给定的占空比，用软件编程方法来实线； 驱动器：将脉冲宽度波形进行放大，以便用来提供控制电动机定子电压接通或断开的开关信号； 开关器件：用来接通和断开定子电源，可由晶体管或晶闸管开关组成； 电动机：被控对象。若N为占空比给定值，改变N值可改变所加脉冲电压的占空比，从而改变电动机的速度，即：V d = D·V max = N/225·V max式中，N为0FFH给定值。当N=0时，D=0，N=225（即FFH）时，则D=225/225=1。因此，只要根据所期望的平均速度求出给定值N，数值N由计算机软件来实现占空比D=N/255的脉冲调宽波形，即可达到控制直流电动机速度的目的。4) 带方向控制的脉冲调速系统上面讲的是单向控制，在某些控制系统中，有时要求电动机不仅能正转，而且能正反转其控制原理图如图4.3所示。从图3.13可以看出，当开关SW1和SW2闭合时，电动机全速正转。而当开关SW2和SW3闭合时，电动机全速反转。当SW2和SW4闭合时，电机绕组被短路电动机处于刹车工作状态。所有的开关全部打开，电动机将自由滑行，其工作状态真值表如表3.14所示图3.13 带方向控制的直流电动机控制原理图状 态SW1SW2SW3SW4正转1001反转0110刹车0101滑行0000表3.14双向控制电动机工作状态真值表现在电容运转式电动机（如图3.15所示）在家用电器中应用很广，如洗衣机、电风扇等。其控制原理是，当S置“1”时，W1作工作绕组。电容C与绕组W2串联，电动机正转。当S置“2”时，W2作工作绕组，电容C与绕组W1串联，电动机反转。以上电路通过PLC单片机很容易控制，只要将单片机的接口，如RD口，通过晶闸管和光电耦合器连接图4.5的S-1、S-2就能达到弱电控制强电。图3.15 电容运转式电动机原理图5) 闭环电动机控制系统在电动机控制系统中，除了开环控制系统外，常常需要对其进行闭环控制，以便使它稳定在恒定的速度上，其原理图如图3.16所示。图3.16 闭环脉冲调速系统原理图在图3.16中，当给定速度N R（由开关设定）与电动机的实际转速NC（由传感器测定），进行比较后，若NR>NC，则e=“1”，电动机电源接通；若NR<NC时，e=”0”，电动机电源断开。根据电动机的电源通断即可达到控制速度的目的。根据上述原理可知，闭环控制系统主要由两个部分组成：A.测速系统；B.控制系统。6) TA7257P芯片 功能特性TA7257P为全桥式结构的直流电动机旋转控制器，具有正转、反转、停止及刹车等功能；驱动电压018V；输出平均电流可达1.5A，峰值电流可达4.5A；内建电流过载保护装置及过热保护电路；工作电源电压引脚与电动机电源电压引脚是独立的，故可用于伺服控制； 方块图片与外观引脚图3.17示出TA7257P的外观引脚与内部方块图，4种工作模式由2个逻辑信号控制，如表3.18所示。图3.17 TA7257P外观引脚与内部方块图表3.18 TA7257P工作模式工作模式IN1IN2OUT1OUT2刹车11LL正转/反转01LH反转/正转10HL停止00高阻抗应用范例图3.18所示为实际应用范例，说明如下：图3.18直流电动机控制应用电路R、C值由电动机固有的常数及电路寄生值决定，正常使用时R=33、C=0.1F。若刹车太松、可在输出端与GND间连接二极管，如D1、D2。若输出端反电动势脉冲太强，可能导致内建二极管烧毁，可在输出端与V cc间外加二极管，如D3、D4。7) 单片机与直流电动机连接程序设计思路：如图3.19所示，使用CCP1模块的PWM信号驱动小型直流有刷电机实现电机的正转，Q1与Q2构成一个复合三极管作为电机的驱动电路，S1与S2按钮（实验板上的INT与RTCC按钮）分别为电机的加速与减速按钮。若要停机，按RESET（复位）按钮。当加速到最大速度时LED发光管亮（报警）。图3.19单片机与直流电机连接电路图8) 程序设计思路： RC2引脚上输出PWM信号，信号的周期设为1KHZ，定时器TMR2分频比设为1:16，系统时钟为4MHZ，那么根据PWM周期计算公式得出PWM信号的周期寄存器PR2值为3DH，脉宽寄存器最大值为3DH。单片机与直流电机连接电路如图3.19所示。单片机与直流电机连接程序流程图如图3.20所示。图3.20单片机与直流电机连接程序流程图9) 源程序如下:Include “P16F877.INC” ；设置定义文件org 0000H ；设置复位入口地址goto Startorg 0004H ；设置中断服务程序入口地址goto Zd；*；主程序Start bsf STATUS,RP0 ；设置文件寄存器存储体为1 bcf TRISC,2 ；I/O端口状态的设置bsf TRISB,0bsf TRISA,4clrf PORTDmovlw 3DH ；设置PWM的周期寄存器的值movwf PR2 ；PWM输出频率为1KHZbsf PIE1,TMR21E ；开TMR2中断bcf STATUS,RP0 ；设置文件寄存器存储体为0bsf INTCON,PEIE ；允许外设中断bsf INTCON,GIE ；允许全局中断movlw OFH ；设定CCP1为PWM模式movwf CCP1CON ；脉宽寄存器低2位清0clrf CCPR1L ；脉宽寄存器低8位清0movlw B00000111movwf T2CON ；设TMR2的分频比为1:16并启动clrf PORTD ；RD端口输出低电平发光管不亮LOP nop ；等待相应中断 goto Loop；*；中断程序bZd bcf P1R1,TMR21F ；清TMR2中断标志位 call Ys ；调按键延时子程序 btfss PORTB,0 ；判断加速键INT是否按下 goto Zd1 ；是，跳减速处理 btfss PORTA,4 ；判断减速键RTCC是否按下 goto Zd2 ；是，跳减速处理 retfie ；否！返回Zd1 ；加速处理 movef CCPR1L,0 ；判断脉宽寄存器的值是否等于周期值 bcf STATUS,Z sublw 3DH btfss STATUS,Z goto Dz ；不相等，跳Dzmowlw 0FFH ；相等movwf PORTD ；报警输出retfie ；返回Dz incf CCPR1 ；将脉宽值加1（加速） clrf PORTD ；禁止报警输出 retfie ；返回Zd2 clrf PORTD ；减速处理 bcf STATUS,Z ；判断脉宽寄存器的值是否等于0 movf CCPR1L,1 btfsc STATUS,Z retfie ；相等，返回 decf CCPR1L ；将脉宽值减1（减速） retfie ；返回；*； 延时程序Ys movlw 03FH ；按键延时子程序 movwf 21HZm2 movlw 0FFH movwf 22HZm1 decfsz 21H goto Zm2 return end 音乐振动按摩控制器随着人们生活水平的提高,医疗保健已是人们重要的生活环节,按摩理疗是最常用又轻易取得的保健用具,可用一个单片机设计几款音乐控制的按摩器控制电路,按摩节奏可随着音乐的强弱起伏而波动,既可享受美妙的音乐又可得到理疗保健目的,更重要的可以调动人的热情。需要将音乐信号(模拟信号)转换为可控制的脉冲信号,最易实现的是使用带A/D转换器的单片机,这里选用了HOLTEK公司的HT46R47芯片.此芯片性价比极高,用作消费类电子产品再合适不过,其内部带有9位分辨率的A/D转换器,非常容易实现模拟信号的采集,外围电路也及其简单,可有效地降低产品成本.图3.21是控制器电路框图.图3.21电机输出的强弱,可采用脉宽调制的方法实现,可驱动按摩器上的电机转动,达到振动按摩目的.电机需输出较弱振动时,我们可改变它的占空比来实现即增加停的脉冲宽度而减少开的脉宽。如需增强振动，则刚好相反，增加开的脉宽而减少停的脉宽，当持续输出时，电机的振动力最大，振动最强。程序中我们不断采集音乐信号的幅度，根据信号的幅度来驱动电机的脉宽，就很容易实现音乐振动功能，同时可设置多个LED(例如浪漫的紫色)同步闪烁，给人一种新颖的按摩模式，既可享受又很刺激。HT46R47单片机的资源丰富，除了使用A/D采样输入口和极少数端口外。还有十来个I/O端口，可扩展其功能，例如增加按钮开关，也来选择振动按摩模式，HT46R47有2k的ROM,可通过扩展程序实现很多功能的按摩模式，做到一机多用。图3.22是一款控制电路板,仅使用了单声道音频输入插座,外部需要立体声转换为单声道转换线,另一个插孔为电机输出插座,可驱动电流小于1A(3V)的振动电机。图3.23则为另外两个控制电路板,板上置为立体声音频输入插座,不需转换线,同时其中一个电路板还可提供可外接两个立体声耳机的插座,供两个人同时监听.一同享受音乐和按摩带来的快乐.电路板可置于塑料外壳内,电机可焊接于电力的输出端子上.实际实践证明,振动效果不错. 图3.22 图3.23A 图3.23BHT46R47有两种封装形式,可根据不同的电路板外观要求或安装工艺要求灵活选择,DIP-18(双列直插式)适合于单面板插件波峰焊接,而SOP-18(SMD表面贴装元件)则适合于大规模自动贴装工艺。致谢在此感谢帮助我的同学和老师，这次毕业设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。通过这次的毕业设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。近三年的学习就要告一段落，感谢那些爱我的人真诚的陪伴参考文献1) （美）帕拉苏拉曼·市场调研（第二版）·中国市场出版社·20092) 东方教育研究院·图解经络穴位按摩速查手册·沈阳出版社·20093) 尹志强·机电一体化系统课程设计指导书·机械工业出版社·20074) 陈荷娟·机电一体化系统设计·北京理工大学出版社·20085) 孙志礼·机械设计·东北大学出版社·20006) 成大先·机械设计手册（第五版）·化学工业出版社·20087) 杨晓琦·胡仁喜UG NX 6.0中文版标准教程·清华大学出版社·20088) 唐人科技·Auto CAD 2009中文版从入门到精通·中国青年出版社·20099) 焦学辉·单片机及接口技术实训·中国电力出版社·200910) 恒盛杰资讯·protel 电路板设计从入门到精通中国青年出版社·200611) 王林·Microsoft Office Visio 2007使用与设计秘笈·北京航空航天大学出版社·2008