机械工程实验机械式自动鞋套机 机自72机械工程实验机械式自动鞋套机 班级： 机自72班 指导老师：蔡书萍 2009年12月24日小组成员组长：0701045 温晓荣组员：07011028 蒋会明 07011029 杨 帆 07011031 白淳驿 07011033 高方明 07011043 潘厚雄 07014027 蒋梦龙组员分工：蒋会明：计算、建模及论文撰写杨 帆： 计算、建模及论文撰写白淳驿：计算、使用参数确定、ppt和机构优化高方明：计算、机构优化及Adams运动仿真潘厚雄：建模、应力分析及强度校核、动画制作温晓荣：计算、装配及PPT制作蒋梦龙：建模及Solid works运动仿真姓名蒋会明杨帆白淳驿高方明潘厚雄温晓荣蒋梦龙成绩目录一、 方案的确定（1）二、 自动鞋套机的优点（1）三、 总体设计要求的确定 （2）四、 机构的确定 （2）五、 主要设计计算过程（11）六、 Solidworks计算机建模（14）七、 对踏板的应力应变静态分析（18）八、 对部分机构的优化（19）九、 任务分工（22）十、 小组及个人总结（23）十一、 附录（36）一、方案的确定在我们小组初定题目时，大家都有很多非常有想法的建议，比如说捶背机、发泄机、运动器械等等，大家进行了非常活跃的讨论。我们大学生临近考试压力大，捶背机在锻炼身体的同时可以捶捶背；大家考试紧张，情绪没处发泄或是遇上让人极其郁闷的事情，这时发泄机将大有用途。然而恰逢当时雨天不断，有人提醒说，注意到进商店时店员会给顾客的伞套上塑料袋子，以防雨伞上的水滴落在地板上，造成地面湿滑且影响美观，但是结果往往不是很理想，因为大家脚上沾有泥水，一样很难保持地面清洁。于是我们想是不是他们更需要一台鞋套机呢？同时大家提到学校机房要求大家上机前先套上鞋套，由于人多而且大家都要手动套，所以常常造成大家排队等候的现象；在其他一些高级实验室或手术房，大家也常见到相关人员要带鞋套的现象。既然这么多地方都需要它的存在，我们深入研究一下也是值得的，于是大家最终敲定机械式鞋套机机构。大家意见统一后，也得到了老师的认可，当我们各自回去之后，通过上网，发现网上已经有鞋套机的相关产品，于是我们大家就有进行了讨论题目的更换的问题。我们通过阅读网上有关鞋套的介绍，发现现在市场上流通的大多都是电子式鞋套机，于是我们想能不能大家齐心协力做一个机械式的鞋套机呢？这时我们的目标已经从发明一个新产品转移到研究一个机构，用自己的力量做出来模型。于是题目就这么定下来了。而且我们发现网上做鞋套机的厂家很多，这也说明这个产品很有市场，题目很值得我们研究，它之所以经过这么多代的更新说明机构还存在问题，这也正是我们研究的空间所在。二、自动鞋套机的优点 自动鞋套机越来越多的出现在人们的生活之中。它的最大优点就是能够有效的保持室内地面清洁，解决了人们进屋换鞋的烦恼，是居家生活的必备品。同时也越来越广泛地适用于医院、实验室、机房室等场所。现在随着国家经济的快速发展，人们在不断追求高质量的生活，而一个干净清洁的生活环境成了人们对生活的第一要求。但是有时候面对进门换鞋这个看似平常的情况，却常常让人伤透脑筋。尤其对于老年人来说，每次进门都要弯腰换鞋，这其实对他们的身体存在一定的危险隐患。因为人们弯腰时，腰部承受的压力是站立时的好几倍，如果太快直起腰，不仅会产生头晕的感觉，严重时甚至可能会拉伤腰部肌肉，产生难以预想的后果。这时候，就显示出拥有一台自动套鞋机的必要性。仔细一留意，你会发现生活中因为换鞋导致的问题还有不少。比如说，同事登门拜访时，你要为换拖鞋易发生脚气交叉传染而担心，以至于经常失去与同事联络感情的机会；从家乡远道而来的老乡来访，因为你过分的“讲究”而误认为你忘本，而使得你挂上了“脱离乡亲”的罪名。孩子的朋友要来你家玩耍聚会，你却得考虑到家中拖鞋不够，换鞋麻烦而苦恼，拒绝做客，孩子因此失去许多小朋友。这对孩子来说，可算是一个大损失，因为在孩子的成长过程中，朋友对他们来说是很重要的一部分。还有些个子有些矮的女孩子，为了身材显得高一点而穿高跟鞋，她们经常会因为在一些特殊情况下不得不换鞋，导致“低人一等”而心里纠结。这次的设计最重要的就是要做到鞋套机的使用要很方便，只须在客人进门后把穿着鞋的脚往鞋套机里轻轻一踏，就会有一只可爱的鞋套套在你的脚上，既卫生又美观，同时还要考虑到价格的问题，尽量做到实惠。最重要的是它的出现，使我们彻底解除了进门脱鞋换鞋的烦恼与不便，也消除了脱鞋时带来的脚气传播隐患，同时还避免了朋友登门时因袜子穿孔或脚臭而带来的拘束与尴尬。我们设计的最终目的，就是能够应用我们所学知识，设计出一个机械式的自动鞋套机，使它能够解决人们生活中的实际问题。真正做到学有所用！三、总体设计要求的确定我们要做的是家用机械式自动鞋套机，首先为了不占太大空间尺寸应该尽量取小，为了便于搬动质量应该尽量取轻，材料未经说明为铝合金。还要考虑到耐用性等方面的要求，这些使用方面的要求成为了机构设计中的种种约束。其次是机构要实现的运动要求，要满足每当有人给予机构一个向下的力时便可以实现对鞋的自动套袋功能，这就包括要实现动力的传递，鞋套的选择，鞋套的释放和机构恢复。我们设定一些初始参数设定如下：所使用的鞋套的橡皮筋直径为3mm，由于对于鞋套的控制主要是对上面橡皮筋的控制，橡皮筋适当取粗可以便于机构的实现，并且鞋套机一次最多可以容纳3050个鞋套机。人的质量取为30kg80kg之间，并且为单脚套袋机，及每次只对一只脚进行套袋，这样一来即可以简化机构又可以减少对机构强度和硬度的要求。四、机构的确定（1）鞋套的放置机构的确定最开始我们面对的问题就是鞋套怎么放。因为，鞋套机的最基本的运动就是每踩一下就释放一个鞋套，可是塑料袋子本身没有固定的形状想要把它们一个个区别开的确是个难题。我们试着提出了很多的解决方案。首先，我们想到的是将所有塑料袋撑起来，在两边各抽出一角，这样用带钩的齿轮可以每次钩住一个使其套在脚上。如下图所示。那么皮筋需固定在一个辐板上，塑料袋的皮筋被一个个夹在辐板的右板和左板之间，右板被连接在辐板上的弹簧施以向左的力。在辐板的最左边开槽，齿轮每转一圈，就从辐板上钩住一个皮筋。左边的辐板如右图所示。不过这个方案很快被我们否定了，因为辐板需要横放，齿轮也在横向上，会使机构庞大，浪费材料而且也不美观。 然后，我们大家觉得，既然塑料袋这么难以控制，不妨用纸袋吧。但是纸袋其实更 不容易控制，因为塑料袋虽然形状难以控制，但是它的韧性好，易变形，不易破坏，纸袋则不同。我们开始时只觉得纸袋比塑料袋形状固定，而且环保，于是在纸袋的研究上浪费了很长一段时间，不过最终没有得到很好的解决方案，所以纸袋的想法终于被放弃了。 于是，我们又回到了方案一的改良上，既然横着板子占地大，那么将板子斜放不就可以了么？于是我们设想到如下机构。于是我们设想到如右图机构。我们可以再把齿轮做小一些，就可以解决占地空间大的问题了，但是先前的问题并未完全解决，我们该怎么将一个个塑料袋套在辐板上，并保证它们可以方便地释放呢？于是我们初步确定了这个方案，但是改良还在进行中，最核心的就是塑料袋在辐板上的放置。主要是两个观点：是将塑料袋整个套上还是仅仅抽出皮筋。首先，我们讨论了不将塑料袋与皮筋分离开的方案。经过多次试验，我们发现此方案可行，模拟结果如左图所示。蓝色和灰色模拟塑料袋，只截取了左半边的机构示意图，齿轮未画出，仅表示出了齿轮钩。如图中所示。我们试图将所有的塑料袋的皮筋卡在辐板上，最外面塑料袋的皮筋卡在最左边，保证每次被钩出即被释放的都是最上面即最外面的塑料袋。图中仅仅表示出了左半边的示意图，在整个机构中，在箱体中的四个方向上都各有一个图中机构。多次讨论后，我们发现该结构可行。终于，我们的鞋套机有了初步的进展。很显然，不分离橡皮筋我们也可以完成机构运动，但是，假如将橡皮筋与塑料袋分离是不是会有更好的机构呢？虽然现在的机构可以满足我们的基本要求，但是我们总觉得还不够完美，于是大家又进入新的头脑风暴期。 分离皮筋会给现在的机构带来什么变化呢？首先，分离皮筋后我们就不能用现在的辐板了。分离皮筋，我们只可能是从塑料袋的四个角分别抽出皮筋，这样的话我们就可以把辐板做小，做窄。如右图所示，显然这个机构比上面的要节省材料和空间，于是我们很快就接受了这个新的改良。 至此为止，皮筋的安放问题就告一段落了，现在的解决方案大家基本上都达到了共识。（2）皮筋的释放与安装通过上一步，我们基本上确定了皮筋的放置，然而回过头来才发现，其实机构还存在问题。如上图所示，由于皮筋的收缩，它不会自己向下移动，导致在没有齿轮钩的情况下出现释放现象，然而弹簧的弹力使皮筋有向下运动的趋势，此时我们就难以保证皮筋不会自己释放了。由于在皮筋的放置我们大家都达到了共识，所以此阶段我们决定从释放机构上改良，暂时保留皮筋放置机构。那么接下来，我们需要一个机构 ，它要满足每周期的运动中，将一个皮筋与其他皮筋分离，且是其他皮筋不得释放。有了目标，我们就开始在我们学过的机构中寻找满足要求的机构。经过多次讨论后，凹槽的小圆柱体进入了我们的视线，经过多此试验，我们初步肯定了它的作用。如上图，左图是释放前，右图是释放后，很显然，带凹槽的圆柱体正是我们一直寻找的机构。在每个运动周期中，小圆柱体的凹槽里都有一个皮筋被抓住，运动开始后小圆柱体转过90，将一个皮筋转出皮筋轨道，同时将其他皮筋挡在轨道中，皮筋一旦被旋出轨道就没有了弹簧的推力，但是皮筋的收缩力仍然存在，于是皮筋得以释放。而且将塑料袋装进轨道时，我们可以将塑料袋的皮筋卡在圆柱槽内，将其旋紧轨道，由于轨道下面圆周大，上面圆周小，在弹力的作用下，皮筋自己会向轨道内部移动，因此我们在解决皮筋的释放问题时，也一并解决了皮筋的安装问题。 虽然带凹槽的小圆柱体满足了我们的运动要求，但是各个组员都希望能得到更好的方案，因为我们对以释放机构的研究并未就此结束，在接下来的几天里我们讨论了各种其他的机构。首先，我们试图不用弹簧，因为在模型搭接时弹簧难以模拟。经讨论后得到以下机构。如左图所示，去掉弹簧后，皮筋导轨需要倒置，皮筋的收缩力可以代替弹簧的弹力，所以去掉它后机构仍能满足既定的运动要求 ，而且与先前的机构相比，它更方便简单。当时我们大家都认为这个机构更好，于是打算换掉之前的机构，可是当我们讨论到怎样将皮筋装进轨道时，发现这个机构存在着问题，皮筋的