1、第四屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽慧魚組設(shè) 計 說 明 書參賽學(xué)校：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）設(shè)計者：張步陽 王進 趙海波 畢鵬江 方程指導(dǎo)老師： 童志偉 曾小慧.目錄第一章設(shè)計背景 .2第二章創(chuàng)新構(gòu)思 .3第三章創(chuàng)新設(shè)計的功能指標 .4第四章創(chuàng)新設(shè)計的工作原理及運動分析. 4（一）運動模塊 .4（二）取沙模塊 .4（三）取袋模塊 .4（四）自動開口模塊 .6（五）自動裝沙模塊 .8（六）自動封口模塊 .9（七）自動卸袋模塊 .10第五章實用化的可能性 .11第六章創(chuàng)新設(shè)計與相近產(chǎn)品的異同與創(chuàng)新之處. 11第七章應(yīng)用前景展望 .11參考文獻. 12附頁（作品照片） .13.一設(shè)計背景自古以來，洪澇災(zāi)害

2、一直是困擾人類社會發(fā)展的自然災(zāi)害。 據(jù)統(tǒng)計，我國有洪泛區(qū)近 100 萬平方公里，全國 60%以上的工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值， 40%的人口，35%的耕地，600 多座城市，主要鐵路、公路、油田以及許多工礦企業(yè)受到洪水災(zāi)害的威脅。但是，從洪澇災(zāi)害的發(fā)生機制來看，洪澇具有明顯的季節(jié)季節(jié)性、區(qū)域性和可重復(fù)性，它仍具有可防御性。 當前政府在各地設(shè)立防汛部門，并修筑了很多水庫，堤壩，一般情況下可以防止洪澇災(zāi)害的發(fā)生。但當遇到特殊情況，如臺風(fēng)，特大暴雨或防汛工程年久失修等的情況下，堤壩也會出現(xiàn)問題， 不足以抵擋洪澇的入侵。遇到險情時，防汛部門一般會采用沙袋加固堤壩的方法。見圖1.1另外我國幅員遼闊地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害

3、頻發(fā)，地震過后房屋被毀公路路面斷裂，而泥石流可直接埋沒車站，鐵路、公路，摧毀路基、橋涵等設(shè)施，致使交通中斷。為了盡快打通救援通道，救援人員經(jīng)常采取在摧毀的道路上鋪沙袋的方法修復(fù)摧毀路基。見圖1.2無論是抗洪固堤還是鋪路， 裝沙的快慢直接影響著災(zāi)區(qū)人民的生命和財產(chǎn)安全。而到目前為止裝沙過程絕大多數(shù)采用兩人配合，一人裝沙一人撐袋的方式，耗費人力較多，且速度慢，效率低下，見圖 1.3 。在救援機械中已經(jīng)出現(xiàn)了少數(shù)裝沙機械，但仍需要很多人力， 不能實現(xiàn)自動化， 效果仍然不夠顯著， 見圖 1.4 。圖 1.1 抗洪中需要大量沙袋圖 1.2 泥石流摧毀道路和橋梁，戰(zhàn)士們用沙袋鋪路圖 1.3傳統(tǒng)的裝沙方式圖

4、 1.4 現(xiàn)有裝沙機械仍需大量人力.二、創(chuàng)新構(gòu)思1. 本全自動灌沙機可實現(xiàn)連續(xù)取沙，對沙袋的自動提取，自動開口，自動裝沙，自動封口，自動卸袋?？驁D如圖 2.1 所示2. 當沙袋機由于斷電突然停機時， 各機構(gòu)將停在斷電時的位置， 為了能使通電時機器工作，需設(shè)置初始化程序使機器各機構(gòu)位置復(fù)位。圖 2.1裝沙流程圖根據(jù)以上設(shè)計思路，本全自動灌沙機由運動模塊，取沙模塊，取袋模塊，自動開口模塊， 自動裝沙模塊， 自動封口模塊和自動卸袋模塊組成，整體照片如圖2.2 所示。圖 2.2全自動灌沙機整體照片.三、創(chuàng)新設(shè)計的功能指標接口板輸入電壓9V，輸入電流 1.5A接口板的空載電流消耗為50 毫安9 個 9V

5、 直流馬達（向前，向后，停止，八級調(diào)速） ，連續(xù)運行電流 250 毫安，帶短路保護四、創(chuàng)新設(shè)計的工作原理及運動分析（一）運動模塊該模塊由一個減速比為50： 1 的電機驅(qū)動用于實現(xiàn)裝沙機移動。（二）取沙模塊該模塊由一個小電機驅(qū)動， 經(jīng)齒輪傳動從而帶動傳送帶上下移動， 再經(jīng)鏈條傳動，從而使取沙機旋轉(zhuǎn)“挖沙” 。機構(gòu)運動簡圖如圖 4.21 所示，該模塊照片如圖 4.22 所示。圖 4.21 取沙模塊機構(gòu)運動簡圖1. 取沙機 2. 齒輪 3. 傳送帶滾筒 4. 傳送帶 5. 齒輪（接電機） 6. 鏈輪 7. 鏈條 8. 鏈輪圖 4.22取沙模塊照片（三）取袋模塊本模塊為二自由度機械臂，可在水平面和豎直

6、面內(nèi)各轉(zhuǎn) 90。具有可將放在平臺上的沙袋吸起后放到漏沙口下端的功能。當和拉口機構(gòu)配合實現(xiàn)開口時，起到固定沙袋的作用。機械臂水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的實現(xiàn)：由于轉(zhuǎn)動角度（ 90）較小，若水平旋轉(zhuǎn)速度.過高，則在水平面內(nèi)機械臂可能出現(xiàn)突然啟動和突然停止， 從而導(dǎo)致沙袋的掉落，因此采用減速設(shè)計保證轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性。 又考慮到要在水平旋轉(zhuǎn)平臺上搭建豎直旋轉(zhuǎn)取袋臂，因此采用減速比為 8：1 的直流電機驅(qū)動，齒輪傳動部分采用齒數(shù)為 58 的蝸（齒）輪和與之配合的蝸桿，這樣就保證了適合的旋轉(zhuǎn)速度。機械臂豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動的實現(xiàn) ：由于豎直旋轉(zhuǎn)取袋臂自重較重， 因此其旋轉(zhuǎn)的實現(xiàn)采用減速比為 50：1 的直流電機驅(qū)動，同時采用齒數(shù)

7、為 30 和齒數(shù)為 20 的兩齒輪嚙合，從而獲得較大的轉(zhuǎn)矩。機構(gòu)運動簡圖如4.31 所示：圖 4.31機械臂機構(gòu)運動簡圖機械臂提袋設(shè)計： 抗洪救災(zāi)中大都采用塑料編織袋裝沙， 我們現(xiàn)在采用透明塑料袋代替。在工業(yè)中經(jīng)常使用真空吸盤或粘性吸附裝置將袋子吸起， 考慮到慧魚材料的限制， 現(xiàn)采用電磁鐵將兩邊貼有鐵片的袋子吸起， 從而模擬代替工業(yè)中的取袋過程。其中電磁鐵固定在豎直旋轉(zhuǎn)取袋臂上。機械臂整體照片如圖 4.32 所示：198273456圖 4.32 機械臂整體照片1. 磁傳感器 2.豎直旋轉(zhuǎn)電機3. 蝸 ( 齒) 輪（水平旋轉(zhuǎn)平臺）4. 碰觸開關(guān)5. 水平旋轉(zhuǎn)電機 6. 蝸桿 7.電磁鐵 8. 豎

8、直旋轉(zhuǎn)取袋臂 9. 磁鐵工作流程及傳感器布置 ：水平電機驅(qū)動蝸輪（ 3）順時針旋轉(zhuǎn) 90，到達指定位置后，豎直旋轉(zhuǎn)取袋臂（ 8）旋轉(zhuǎn) 90，同時電磁鐵通電，然后豎直旋轉(zhuǎn)臂反向旋轉(zhuǎn)，將袋子吸起，當其上的磁鐵（ 9）碰到磁傳感器（ 1）后停止旋轉(zhuǎn)，于此同時水平電機驅(qū)動蝸輪逆時針旋轉(zhuǎn) 90，袋子到達指定位置。程序設(shè)計如圖4.33 所示：.圖 4.33取袋模塊程序（四）自動開口模塊：自動開口模塊用于模擬人手將袋子撐開等待灌裝的過程。 撐口機構(gòu)通過電機驅(qū)動的齒輪箱與齒條的嚙合實現(xiàn)水平移動。 由上文知取袋機械臂的前部安裝電磁鐵，當電磁鐵通電時， 可以將袋子的一側(cè)吸緊， 袋子的另一側(cè)被安裝有電磁鐵的齒條吸緊

9、，這樣當齒條水平后移時，就可以將袋子拉開了。當沙子裝滿時，電磁鐵斷電，袋子由于重力作用落到已經(jīng)停在下面的小車上， 然后小車開動將袋子運走。機構(gòu)運動簡圖如圖 4.41 所示，整體照片如圖 4.42 所示。1 袋口未開2袋口被拉開圖 4.41 自動開口模塊機構(gòu)運動簡圖.1234圖 4.42自動開口模塊照片1.2. 電磁鐵 3. 齒輪箱 4. 齒條 5. 碰觸開關(guān).5工作流程及傳感器布置：當沙袋到達指定位置后，電機帶動齒輪箱(3) 使齒條 (4) 移動一定距離，齒條（ 3）上的電磁鐵（ 1）吸附住袋子后反向移動，當電機碰到碰觸開關(guān)（ 5）時，電機停止運動，撐開的袋子等待灌沙。當沙子裝滿時，兩電磁鐵斷

10、電， 袋子由于重力作用落到已經(jīng)停在下面的小車上， 然后小車開動將袋子運走。程序設(shè)計如圖 4.43 所示：圖 4.43 自動開口模塊程序圖.（五）自動裝沙模塊：自動裝沙模塊由傳送帶、沙箱、擋沙門、漏沙槽組成，可實現(xiàn)對多個沙袋的定量灌裝。傳送帶將挖好的沙子運到沙箱中以備取用， 沙箱為一邊高一邊低的結(jié)構(gòu)。 在沙箱上開有一漏沙口， 漏沙口的下端有一擋沙門， 當擋沙門打開時， 沙子從沙箱漏到呈傾斜狀的漏沙槽中， 然后漏到沙袋中， 一段時間后擋沙門關(guān)閉， 從而停止灌沙。其中擋沙門與齒條固連， 齒條與齒輪嚙合實現(xiàn)擋板的水平運動。 機構(gòu)運動簡圖如圖 4.51 所示，整體照片如圖 4.52 所示。1 擋沙門關(guān)閉

11、2擋沙門打開圖 4.51擋沙門機構(gòu)運動簡圖165243圖 4.52 擋沙門機構(gòu)整體照片1. 直流電機 2. 擋沙門 3. 碰觸開關(guān) 4. 齒條 5. 碰觸開關(guān) 6. 齒輪擋沙門工作流程及傳感器布置： 當擋沙門接到開啟指令時，電機轉(zhuǎn)動，齒條（ 4）向左運動，當碰到碰觸開關(guān)（ 5）后電機停止轉(zhuǎn)動 3 秒鐘，然后電機反轉(zhuǎn)，當齒條（ 4）碰到碰觸開關(guān)（ 3）時電機停止轉(zhuǎn)動。程序設(shè)計如圖 4.53 所示：圖 4.53擋沙門程序.（六）自動封口模塊在裝滿沙子之后，由小車托運沙袋到滾子處進行封口，滾子設(shè)計為由齒輪組帶動的車輪，由于滾子的速度有一定的要求，速度太快則滾子的擠壓力不夠，容易造成封口不嚴，太慢了又

12、浪費了時間， 同時還要保證滾子的線速度與小車速度基本相同。經(jīng)過多次試驗， 我們選擇了用減速比為 50： 1 的直流電機，齒數(shù)為 30 和齒數(shù)為 10 的齒輪組及蝸桿來獲得合適的傳動比。車輪設(shè)計為雙層輪疊加封口， 這樣可以保證即使袋子有一定的高度差異或袋子在行進過程中發(fā)生了一定的傾斜也可以滿足封口要求。機構(gòu)運動簡圖4.61 所示，整體照片如圖4.62所示。沙袋即將封口沙袋正在被封口沙袋封口完成123圖 4.61自動封口模塊機構(gòu)運動簡圖4321圖 4.62 自動封口模塊機構(gòu)運動簡圖1. 蝸桿 2. 滾子 3. 小齒輪 4. 大齒輪（蝸輪）工作流程及傳感器布置： 當接到指令時， 電機旋轉(zhuǎn) 3 秒鐘，

13、當接到停止命令時停止轉(zhuǎn)動。（七）自動卸袋模塊本模塊可將小車上的沙袋卸倒在平地上以供取用。當小車從擋塊下面經(jīng)過后， 擋塊下移， 小車反向移動， 裝滿沙子的袋子因為受到阻擋而從小車上落下， 然后擋塊上移的初始位置。 擋塊的豎直運動采用絲杠傳動，由于絲杠傳動速度慢， 而又希望擋塊快速下落， 因此驅(qū)動絲杠的電機采用減速比最?。?8：1）的大功率直流電機，并經(jīng)齒數(shù)為 30 和齒數(shù)為 20 的兩齒輪的增速傳動來進一步提高速度。 與電機相連的齒數(shù)為 30 的齒輪位于齒數(shù)為 20 的兩齒輪的中間，從而實現(xiàn)一個電機驅(qū)動兩絲杠的作用。機構(gòu)運動簡圖如圖 4.71 所示，整體照片如圖 4.72 所示。.沙袋到達指定位

14、置擋塊下移123 小車反向移動沙袋被擋塊擋落圖 4.71 自動卸袋模塊機構(gòu)運動簡圖1253647圖 4.72 卸袋模塊整體照片1. 碰觸開關(guān) 2. 絲杠 3. 擋塊 4. 碰觸開關(guān) 5. 直流電機 6. 小齒輪 7. 大齒輪工作流程及傳感器布置： 擋塊（ 3）在絲杠（ 2）的傳動下向下移，當碰到碰觸開關(guān)（ 4）后直流電機（ 5）反向轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)擋塊（ 3）上移，當碰到碰觸開關(guān)（ 1）后，電機停止轉(zhuǎn)動。程序設(shè)計如圖 4.73 所示：圖 4.73卸袋模塊程序.五、實用化的可能性在裝置設(shè)計的過程中， 我們充分考慮了裝置實用化的可能性， 做到用慧魚材料盡量模擬實物的工作原理。 對于取沙可通過專門的取

15、沙機實現(xiàn)， 如圖 5.1 所示。電磁鐵吸附過程可以通過現(xiàn)在工業(yè)上使用的真空吸附實現(xiàn)， 該吸附動作在面粉灌裝、水泥灌裝中都有應(yīng)用，技術(shù)相對比較成熟，如圖 5.2 所示；滾子封口部分可通過現(xiàn)有的線封口機封口，封口機圖如圖 5.3 所示。圖 5.1沙場中的取沙機圖 5.2真空吸盤圖 5.3線封口機在整個過程中起傳送作用的小車則可以通過普通的傳送帶實現(xiàn)， 通過將傳送帶的末端傾斜可使裝好的沙袋自動滑落， 從而代替了現(xiàn)有的卸袋機構(gòu)。 通過以上分析該裝置完全可以實現(xiàn)實用。六、創(chuàng)新設(shè)計與相近產(chǎn)品的異同與創(chuàng)新之處現(xiàn)有的抗洪救援機械中的螺旋式裝沙機功能單一，只是將沙子取上，流到出口，出口的袋子是人工放置，整個裝沙

16、過程都要有人工協(xié)助才可以完成。與之相比，我們的設(shè)計就顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢其創(chuàng)新點如下：1. 本全自動灌沙機具有機動性，能在第一時間到達受災(zāi)現(xiàn)場。2. 實現(xiàn)了在受災(zāi)現(xiàn)場對沙袋的全自動連續(xù)灌裝，節(jié)省了大量的時間和人力資源。3. 本模型所涉及的機械機構(gòu)與電路控制部分，在現(xiàn)有工業(yè)水平下完全可以轉(zhuǎn)化成實物，實用性高。七、應(yīng)用前景展望與現(xiàn)行的依靠人力裝沙和一些其他的裝沙機械相比，我們設(shè)計的自動沙帶機實現(xiàn)了從取袋到最后的整袋下機器的全自動化， 大大提高了工作效率和可操作性，能夠做到及時有效的灌裝沙袋，為防汛、治汛、救援鋪路工作爭取寶貴的時間。由于本機器具有機動性、體積較小、質(zhì)量較輕適合于多種復(fù)雜地形的工作，大大提高了適應(yīng)能力，給防汛、治汛工作帶來了極大地便利。由于市場尚未出現(xiàn)這樣的裝置，因此該裝置的