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助老型全自動(dòng)“方便閱讀架”機(jī)械、控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作
1. 論文題目
助老型全自動(dòng)“方便閱讀架”機(jī)械，控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作
2. 論文結(jié)構(gòu)
2.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)想
論文的總體結(jié)構(gòu)將做如下安排：
1.綜述目前機(jī)電一體化發(fā)展和應(yīng)用的現(xiàn)狀，社會(huì)老齡化問題出來的各方面問題以及機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。
2.將服務(wù)老年人的任務(wù)和機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計(jì)出一種能夠幫助高齡老人，總結(jié)市場(chǎng)上現(xiàn)有閱讀書架的結(jié)構(gòu)特征和特點(diǎn)，將其與機(jī)械結(jié)構(gòu)巧妙結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
3.對(duì)于助老型全自動(dòng)“方便閱讀架”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作原理進(jìn)行研究及闡述。
4.對(duì)“方便閱讀架”的結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、裝配。為該方便閱讀架進(jìn)行程序的編寫及調(diào)試，使其按預(yù)定的工作狀態(tài)運(yùn)行。
2.2 選題研究的目的、意義
人口老齡化問題是當(dāng)今世界各國都要而臨的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人口老齡化的發(fā)展導(dǎo)致老年人口過多，影響人口年齡結(jié)構(gòu)，結(jié)養(yǎng)老事業(yè)造成巨大壓力。對(duì)于我國，這尤為突出，一是我國老年人曰的絕對(duì)數(shù)量很大，1996年我國65歲以上的老年人曰已達(dá)0. 86億，同年60歲以上的老人已達(dá)1. 30億;二是我國人口老齡化的發(fā)展速度快，一般西方國家從人口成年型國家進(jìn)入老年型國家要經(jīng)過50--80年，而我國大約用不了20年。[1]
目前高齡老年人閱讀是他們了解社會(huì)的一種主要渠道，但是高齡老人閱讀確實(shí)存在不小的困難，高齡老人的眼睛已經(jīng)嚴(yán)重老花，他們閱讀時(shí)不僅需要帶上高深的老花鏡，還要手拿放大鏡，這樣才能勉強(qiáng)閱讀，這種閱讀方式不僅勞累，還要隨著閱讀的部位的不同手持放大鏡不斷改變位置，增加了不少的閱讀負(fù)擔(dān)。本設(shè)計(jì)擬設(shè)計(jì)一種老年人閱讀時(shí)使用的放大鏡擱置的擺放支架，它不僅可以按照老人閱讀的速度自動(dòng)調(diào)整縱向（y）/橫向（x）的位置，實(shí)現(xiàn)類似我們利用電腦閱讀時(shí)的自動(dòng)滾屏操作，還可以按照手動(dòng)控制的方式來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制改變放大鏡的位置，以實(shí)現(xiàn)閱讀不同的區(qū)域。
2.3 主要解決的問題
目前市場(chǎng)上的閱讀架，功能比較單一，大多只單單提供了固定書籍位置的功能，并不能滿足高齡老年人閱讀的需求，本設(shè)計(jì)要解決的問題主要是為老年人閱讀看報(bào)提供一個(gè)操作簡單，方便實(shí)用的自動(dòng)化機(jī)械產(chǎn)品，以幫助老年人在視力受老花眼限制的狀況下更好地閱讀。有了既定結(jié)構(gòu)的放大鏡閱讀架能夠免去老年人手持放大鏡的不便，可以讓雙手解放出來去做其它事情，還能避免佩戴眼鏡的不適。閱讀架可以通過調(diào)節(jié)按鈕實(shí)現(xiàn)放大鏡上下左右平移，同時(shí)能夠保證移動(dòng)速度均勻，優(yōu)化老年人的讀書條件。整個(gè)控制過程使用紅外遙控實(shí)現(xiàn)，讓使用者可以通過按鍵選擇放大鏡的移動(dòng)狀態(tài)。讓產(chǎn)品充分發(fā)揮機(jī)電一體化產(chǎn)品的特點(diǎn)，使其運(yùn)行簡單可靠，結(jié)構(gòu)簡易輕便，滿足老年人的讀書看報(bào)需求。
2.4 主要工作
主要任務(wù)是利用直線電機(jī)設(shè)計(jì)一種新穎的機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制放大鏡的擺放之間能在x和y方向自如的移動(dòng)，其移動(dòng)的速度是可調(diào)的，其不僅可以實(shí)現(xiàn)不同速度自動(dòng)移動(dòng)，還可以實(shí)現(xiàn)利用手動(dòng)的控制手動(dòng)移動(dòng)。本設(shè)計(jì)要求學(xué)生能按照設(shè)計(jì)的基本要求，設(shè)計(jì)出裝配的零件圖，還應(yīng)當(dāng)對(duì)控制系統(tǒng)有一個(gè)初步的設(shè)計(jì)，同時(shí)還建議本設(shè)計(jì)最好能制作出實(shí)物。
1.繪制該“方便閱讀架”裝配圖一張
2.根據(jù)裝配圖繪制全套零件圖
3.進(jìn)行閱讀架采購零件和制作全過程
4.編制該閱讀架的全部控制程序
5.對(duì)閱讀架進(jìn)行調(diào)試
2.5 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
1.該閱讀書架將傳統(tǒng)書架與放大鏡，單片機(jī)控制系統(tǒng)集成在一起，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化方式從而解放雙手，極大提升了老年人閱讀體驗(yàn)。
2.該閱讀書架結(jié)構(gòu)簡單輕便，攜帶方便，成本低廉，易于生產(chǎn)制造，適合推廣，是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用型產(chǎn)品。
3.該閱讀書架固定板與移動(dòng)板之間的距離可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同書脊厚度的放置，提高了書籍的放置平整度，書架的傾斜角度還可以根據(jù)不同的閱讀習(xí)慣進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到良好的閱讀效果。
4.結(jié)構(gòu)輕便，加工簡單方便、成本低。
3. 文獻(xiàn)綜述
3.1 步進(jìn)電機(jī)基本原理
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件.是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展.步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增.在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào).它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的力向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角’).它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量.從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度.從而達(dá)到調(diào)速的日的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī).利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn).廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR) . 永磁式步
進(jìn)電機(jī)(PM).混合式步進(jìn)電機(jī)(HB)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。[6]
3.2 機(jī)電一體化技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用與發(fā)展
機(jī)電一體化發(fā)展至今已經(jīng)成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。其基本特征可概括為:機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值，并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。
機(jī)電一體化基本結(jié)構(gòu)要素：
1.1 機(jī)械本體部分 機(jī)械本體就像人體的身軀骨架，它是系統(tǒng)所有功能元素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)包括機(jī)身框架機(jī)械連接等。
1.2 動(dòng)力部分 動(dòng)力部分與人體內(nèi)臟產(chǎn)生能量去維持生命運(yùn)動(dòng)一樣，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力功能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使系統(tǒng)按照控制要求正常運(yùn)行。
1.3 傳感部分 傳感部分就像人的眼鼻耳口等感覺器官將系統(tǒng)運(yùn)行中所需要的本身和外界環(huán)境的各種參數(shù)及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)變成可識(shí)別的信號(hào)，傳輸?shù)叫畔⑻幚韱卧?jīng)過分析處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。
1.4 驅(qū)動(dòng)部分 驅(qū)動(dòng)部分就像人體的肌肋腱接受大腦指揮驅(qū)動(dòng)四肢運(yùn)動(dòng)一樣，在控制信息作用下驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各種動(dòng)作和功能。
1.5 執(zhí)行部分 執(zhí)行部分如同人的四肢由大腦支配完成各項(xiàng)工作任務(wù)一樣，根據(jù)控制信息和指令完成各種動(dòng)作和功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件一般采用機(jī)械電磁電液等機(jī)構(gòu)。
1.6 控制及信息處理部分 控制及信息處理部分猶如人的大腦指揮和控制全身運(yùn)動(dòng)并能記憶思考和判斷問題一樣，將來自各傳感器的檢測(cè)信息集中存儲(chǔ)分析加工并根據(jù)信息處理的結(jié)果按照一定的程序和節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令控制整個(gè)系統(tǒng)。有目的的運(yùn)行它一般由計(jì)算機(jī)可編程序控制器數(shù)控裝置以及邏輯電路A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換I/O 輸入輸出接口和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等組成。[2]
3.6 同步齒形帶的相關(guān)應(yīng)用與發(fā)展
帶傳動(dòng)按功能可分為摩擦傳動(dòng)和嚙合傳動(dòng)。摩擦傳動(dòng)包括:平帶傳動(dòng)、V帶傳動(dòng)、多楔帶傳動(dòng)等;嚙合傳動(dòng)有同步齒形帶(簡稱同步帶或齒形帶)傳動(dòng)。20世紀(jì)70年代以前，平帶傳動(dòng)在動(dòng)力帶傳動(dòng)中占有一定地位，但70年代后期開始，平帶傳動(dòng)的生產(chǎn)急速下降，到了80年代，同步帶傳動(dòng)的生產(chǎn)和應(yīng)用逐漸增加，同步帶傳動(dòng)從以往統(tǒng)計(jì)上被列在“其它帶傳動(dòng)”里，單獨(dú)分類出來。
與傳統(tǒng)的帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)相比較，同步齒形帶傳動(dòng)中，同步帶的工作面有齒，帶輪的輪緣表面也制有相應(yīng)的齒槽，依靠帶與帶輪之間的嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，無滑動(dòng)，能保證恒定的傳動(dòng)比，預(yù)緊力小。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為承載層，氯丁橡膠或聚氨醋為機(jī)體，帶薄而且輕，故可用于高速度，傳動(dòng)時(shí)效率可達(dá)98%，使用方便，用途廣泛，集帶、鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)于一體。故在機(jī)械、儀器儀表、化工、生物醫(yī)療器械、辦公自動(dòng)化設(shè)備、紡織機(jī)械等方面有廣泛的應(yīng)用前景。[3]
3.7 同步齒形帶功能和應(yīng)用
同步齒形帶按功能來分有以下兒種:
(1>動(dòng)力傳動(dòng):這種以傳遞動(dòng)力(能量)為主，傳遞運(yùn)動(dòng)(信息)為輔的傳動(dòng)裝置，一般要求傳動(dòng)的承載能力高，抗疲勞性能好、壽命長，所以對(duì)齒帶的骨架材料要求強(qiáng)度高，曲撓疲勞性好。常用的傳動(dòng)方式為轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)動(dòng)，在這種傳動(dòng)方式中，帶呈封閉狀，主從動(dòng)軸傳動(dòng)比恒定。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上曲軸與凸輪軸之間的傳動(dòng)，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)裝置，均為動(dòng)力傳動(dòng)，通過齒形帶傳動(dòng)將原動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到各運(yùn)動(dòng)部件。
(2>運(yùn)動(dòng)傳遞:這種傳動(dòng)以傳遞運(yùn)動(dòng)(信息)為主，傳遞動(dòng)力(能量)為輔，傳動(dòng)過程中，外載荷較小，但要求運(yùn)動(dòng)精確。所以對(duì)齒帶的材料要求在力的作用下帶的變形量小。這種傳動(dòng)常用的傳動(dòng)方式為轉(zhuǎn)動(dòng)一移動(dòng)或步進(jìn)式移動(dòng)。通常又有二種結(jié)構(gòu)形式:(d>直線機(jī)頭:同步帶與被驅(qū)動(dòng)的機(jī)頭固聯(lián)時(shí)，同步帶夾持在移動(dòng)機(jī)頭上，組成一個(gè)閉環(huán)(如圖la); Cb)直線工作臺(tái):同步帶的兩端與工作臺(tái)固定在一起，主動(dòng)輪的回轉(zhuǎn)軸線固定并通過兩個(gè)滾子保證輪與帶的嚙合，輪轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)齒帶與工作臺(tái)一起移動(dòng)(圖1b); Cc)直線臺(tái)車:齒帶的兩端固定在機(jī)架上，而主動(dòng)輪則配置在托架上，由兩個(gè)彎曲的滾子來保證輪與帶的嚙合，輪轉(zhuǎn)動(dòng)后，使與主動(dòng)輪聯(lián)接在一起的托架一起作直線移動(dòng)(圖c)(見Breco公司產(chǎn)品說明(1),(2), (3))。圖2為德國Stoll公司的CMS系列電腦控制高性能釗一織橫機(jī)機(jī)頭運(yùn)動(dòng)小意圖，機(jī)頭與同步齒形帶固聯(lián)，齒帶輪由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使帶作來回直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)頭在有實(shí)際作用的織釗一上來回作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，最高線速度可達(dá)3米每秒橫機(jī)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)確保機(jī)頭的定位精度。保證織物質(zhì)量(見St011公司產(chǎn)品說明(德))。除此以外，利用同步齒形帶傳遞運(yùn)動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用還有很多，如機(jī)器人的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制、繪圖儀中筆尖的運(yùn)動(dòng)控制、噴墨打印機(jī)中噴墨頭的位置控制、數(shù)控機(jī)床中的進(jìn)給裝置都屬于這類運(yùn)動(dòng)。
(3)特殊功能:在這類傳動(dòng)中，通常在齒形帶的背而鑄造一些特別外形，如在帶背后做成輸送帶等，完成特殊功能。圖3中(a)為輸送帶，(b)為牽引帶，(c)為存儲(chǔ)帶。
3.8 老年人情感產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則
老年人讀報(bào)器的設(shè)計(jì)采用情感設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法，老年人的情感體驗(yàn)作為整個(gè)
產(chǎn)品設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和最終落腳點(diǎn)。將老年人讀報(bào)的每一個(gè)細(xì)節(jié)需求點(diǎn)和每一個(gè)設(shè)
計(jì)策略相結(jié)合，把他們的意識(shí)到的和他們下意識(shí)的情感需求放到首位。所以整個(gè)
產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)遵循以下五點(diǎn)基本原則:
1.安全性原則
我們都知道，老年人的身體機(jī)能逐漸衰退，對(duì)產(chǎn)品的使用能力和反應(yīng)都不如從前。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)要考慮到老年人使用時(shí)的各種不便和危險(xiǎn)情況事先做出預(yù)防，根據(jù)他們的生理特征和使用的環(huán)境場(chǎng)所避免不利的因素發(fā)生。產(chǎn)品的材質(zhì)上要盡可能運(yùn)用防滑，耐摩系數(shù)較高的材料方便拿握，即使摔也不易損壞。材料的環(huán)保性上要安全綠色，以防他們較低的免疫系統(tǒng)易受到侵襲。屏幕的光亮度要適中，太亮?xí)?duì)老年人的眼睛產(chǎn)生刺激，太暗則對(duì)他們的眼睛造成負(fù)擔(dān)，容易出現(xiàn)疲勞。
2.易用作原則
易用強(qiáng)調(diào)的是在不看任何說明書，無人指導(dǎo)的情況下，就可以自然的適應(yīng)和
使用。使用的方法應(yīng)當(dāng)是十分自然的，采用多渠道的設(shè)計(jì)提示方法，輸入和提示
語言不僅從視覺上還將從聽覺、肢體語言等多方面進(jìn)行引導(dǎo)，從產(chǎn)品形態(tài)就能理
解使用方法。在他們年輕的時(shí)候沒有太多使用電器的經(jīng)歷，上網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)更少，這一點(diǎn)尤其重要。
3.合理性原則
合理性原則是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須遵守的一點(diǎn)，它是既是最基本的也是很必要的。老年人產(chǎn)品的合理性就要求產(chǎn)品符合老年的年齡特點(diǎn)、老年人的人體工程學(xué)、行為習(xí)慣等要素，以這些為參考標(biāo)準(zhǔn)開展設(shè)計(jì)方案，修改設(shè)一計(jì)細(xì)節(jié)，在形態(tài)、材料、顏色、結(jié)構(gòu)、功能等方功}做出相對(duì)應(yīng)的調(diào)整來完善產(chǎn)品。
4. 實(shí)效性原則
老年人都有著勤儉節(jié)約的美德，他們不習(xí)慣鋪張浪費(fèi)，堅(jiān)守著務(wù)實(shí)的生活態(tài)
度和樸素的消費(fèi)理念。在功能設(shè)置上不要畫蛇添足應(yīng)以實(shí)用為主，形態(tài)和界面設(shè)
計(jì)上也不必過于花哨，復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)和華而不實(shí)的形態(tài)界面不僅增加了產(chǎn)品的
售價(jià)更加大了產(chǎn)品的操作難度。老年人產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)在耐用性、可靠性和穩(wěn)定性上
多下功夫。
5.適當(dāng)性原則
適當(dāng)設(shè)計(jì)理論實(shí)際上是一種適度設(shè)計(jì)的理論，它主張為滿足消費(fèi)者合理的、
適度的消費(fèi)需求，讓產(chǎn)品引導(dǎo)消費(fèi)者正確的消費(fèi)觀念。老年人產(chǎn)品功能上的適當(dāng)
J勝體現(xiàn)在功能實(shí)用、簡便，減少使用頻率低的附加功能設(shè)置。形態(tài)上的適當(dāng)性體
現(xiàn)在清晰而明確的按鍵設(shè)計(jì)及樸素大方的造型特點(diǎn)。
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