多功能折叠餐桌的设计与实现.doc
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三明学院2014届机械设计制造及其自动化专业毕业论文（设计）
SanmingUniversity
DiplomaWork（Project）
Title:
TheDesignandApplicationofMulti-functionalFoldedTables
Grade&Major:
Grade2010,MechanicalDesign,
ManufacturingandAutomation
Number:
20100663138
Name:
HUANGMao-sheng
Instructor:
WULong
2014-5-20
目录
摘要 III
1绪论 1
1.1背景 1
1.2国内外研究的状况 1
1.2.1国内研究的状况 1
1.2.2国外研究的状况 2
1.3研究的目的及意义 4
1.3.1目的 4
1.3.2意义 4
1.4研究内容 5
2折叠餐桌结构及其工作原理 6
2.1常见折叠餐桌的结构 6
2.2折叠餐桌的工作原理 6
2.3小结 7
3折叠餐桌改进的方案 8
3.1普通折叠餐桌的不足 8
3.2改进方案的提出 8
3.2.1市场上现有的折叠桌子 8
3.2.2可行方案的提出 9
3.3改进方案的选定 9
3.3.1各方案的分析 9
3.3.2各方案的比较 10
3.3.3改进折叠餐桌方案的确定 10
3.4建立各零件的三维模型 10
3.4.1建立桌面的模型 10
3.4.2建立桌体支撑侧板的模型 11
3.4.3建立桌体中间隔板以及后支撑板的模型 12
3.4.4建立桌体内部各个空间部分的模型 13
3.4.5建立左右两桌面的支撑翻板的模型 13
3.4.5建立拓展盛物板及支承板的模型 14
3.5零件模型的装配 14
3.6空间利用率分析 15
3.7小结 16
4多功能折叠餐桌的运动仿真 17
4.1机械仿真的作用和理念 18
4.2伺服电机的建立 20
4.3回放装配过程进行干涉检测 21
4.4运行分析 22
4.5小结 23
5ABAQUS有限元分析 24
5.1有限元法的基本原理及折叠餐桌的受力分析 24
5.1.1有限元法的简介 24
5.1.2ABAQUS有限元分析过程 24
5.2有限元建模 25
5.3约束与载荷的施加 29
5.4求解与结果的检查 34
5.5小结 37
结论 38
致谢语 39
参考文献 40
Abstract 41
III
多功能折叠餐桌的设计与实现
黄茂生
三明学院2010级机械设计制造及其自动化福建三明365004
[摘要]餐桌是日常生活中最基本的生活家具，由于餐桌占据厨房的一大块面积，房价一直上涨，为缓解住房压力，通过机械结构的重新组合，使得在有限的空间中，让其利用率达到最大化。
本文根据餐桌的功能特点，设计出多功能折叠餐桌，并利用Pro/E软件的三维建模、装配和运动仿真模块对多功能折叠餐桌进行整体设计，再通过Abaqus软件对关键部件进行有限元分析，验证机构设计的合理性。
结果表明，该套多功能折叠餐桌设计方案在保证餐桌基本功能及强度要求的同时，还具有便捷折叠以达到节省空间的目的。
[关键词]餐桌；设计；折叠；Pro/E；Abaqus
0
2014届机械设计制造及其自动化专业毕业论文（设计）
1绪论
1.1背景
随着人们生活需求的多样化，传统的桌子只有单一功能，已不能满足人们的需求，人们总是希望一件物品能够能够实现功能的多样化，且为响应“变形空间”——让我们的空间生活更美好的主题，必须对普通餐桌进行机构改进，通过机构的重新设计组合，能够对餐桌的整体结构进行翻转折叠，实现空间的变形压缩，让有限空间的利用率达到最大化。
改变普通桌子不能实现一个桌子具有多个功能，解决生活中的多个问题，实现一对多的效应。
本作品的基本思路和创新点就是对折叠餐桌的空间压缩变形，一把桌子具有多个功能，解决人们对节省空间的需求，给使用者带来方便。
目前市场上的桌子功能比较单一，大多数都是固定式的，无法根据自己的需要进行折叠以及空间压缩变形。
在人们的日常生活中，都会遇到这样的情况，由于个人的住房环境和空间的大大局限，一般市场上现卖的桌子无法满足人们的各种需求。
所以我们设计了这种可折叠式多功能桌子，该设计简单方便的实现桌子的折叠和变形，在功能上解决了日常生活中的一些具体问题，拓展了普通餐桌的功能，不仅解决空间上局限的问题，还解决了功能单一的问题，根据不同的情况，多功能折叠餐桌既可以做日常的桌子用也可以根据用餐人数的多少来展开桌子的大小进行使用，满足不同时候的需要，人们可以根据不同情况合理运用这张桌子，方便日常生活，非常实用。
1.2国内外研究的状况
餐桌是日常生活当中必备的家庭设备，常见的餐桌有圆形餐桌、椭圆形餐桌、矩形餐桌等等，其特点就是结构简单、易于使用，除了平时的一日三餐使用外，还可以在其余时间在桌上摆放一些剩余的食物、餐具等。
虽然他是最常用的家庭设备，但它也有一些不足，例如它在三餐使用过后还占据很大的空间，没有什么使用价值，况且随着住房压力的不断增大，使得有限的空间不能充分使用，无形的使人们的生活活动空间变小，造成了很大的不便。
而在平时许多情况下这些空间是可以重新利用的，特别是现在的套房，这样就会使得空间资源造成浪费等。
国内外对解决多功能折叠餐桌的整体结构设计及空间压缩等问题有做过相应的研究，解决的方法主要是制作相应的机械结构，通过巧妙的组合，加上自身对身边生活的观察，充分发挥自己的创新想法，将原本一层不变的餐桌进行拓展，解决生活中经常遇到的问题，并对相应的问题进行改进调整，可以保证餐桌在一日三餐能够正常使用的情况下，对其自身的结构、空间分布及功能进行拓展，使其对人们的适用性有进一步的提高。
但是在很多情况下并未对有限的空间进行机构调整，在一定的范围内使其空间使用率达到最大化，提高空间利用率，缓解现代住房压力等。
1.2.1国内研究的状况
中国专利93210781.8公开了一种升降、折叠餐桌，此款餐桌实用新型主要是在于可升降、折叠，且经济、实用的多用途家具。
展开可成为餐桌，其桌面可根据需要形成全展开、半展开和不展开三种大小不同的状态，以适应二到十人用餐的需要。
折叠降低时，即可成为茶几。
从而使一件家具较好的满足了在一间居室兼作客厅和餐厅两用情况下的多种用途需要[1]，其展开如图1-1所示。
图1-1中国专利93210781.8公开的升降、折叠多用餐桌
中国专利200720312392.0公开了一种折叠餐桌，本实用新型涉及一种餐桌技术领域。
一种折叠餐桌，包括有桌腿，桌腿顶部连接有框架体，框架体上面设置有桌面，框架体上相对的两侧内壁上设置有滑轨，桌面由两块固定在滑轨的桌面面板对合而成，面板对合处下方的框体中安装有加热装置。
加热装置可以是燃气炉具也可以是电磁炉。
对应不同的加热装置，在桌面下的框体内设置对应的支架结构。
本实用新型所提供折叠餐桌把电磁炉或燃气炉具设置在桌面面板下的框体内，而桌面面板安装在滑轨上，使用时只需把桌面面板向外侧拉开即可露出卓体中间设置的加热装置，使用方便，而且节省空间，而不使用时则可把桌面面板对合起来，使得桌面整齐，外形美观[2]，其爆炸图如图1-2所示。
图1-2中国专利200720312392.0公开的一种折叠餐桌
1.2.2国外研究的状况
韩国专利KR101207382B1公开了一种装有弹簧，可以自动把椅子折叠起来，使用时只要把椅子拉出来，沿着一定长度的半径可以旋转，只需要人的重力大于弹簧弹力即可将椅子固定在你所需的位置，且椅子的高度是可调的，方便了不同人群所需的要求，该专利如图1-3所示[3]。
但是此专利并未对桌子的压缩变形进行改进，因此不能满足人们对空间压缩变形的充分利用所需要的改进方法。
图1-3韩国专利KR101207382B1公开的餐桌
美国专利USD668884S1公开了一种结构最为简单，运用最常见的交叉型支架进行支撑，构成三角形的稳定结构，其主要优点是折叠后，其空间压缩比非常大，但是除了一日三餐的正常使用以外，其并不能储藏一些饭后的食物或餐具等，该专利如图1.4所示[4]。
日常生活当中我们通常都需要一些辅料作为食物饭菜的调味品，引导我们开胃等，但是这款桌子对于平时用餐所需的物品的收拾带来不便，饭后必须把桌上的东西都收拾到特定的地方，桌子才能折叠起来，并未真正意义上解决餐桌空间压缩变形的问题。
图1.4美国专利USD668884S1公开的折叠餐桌
美国专利US2013160681A1公开了一种类似于帐篷那样撑开的支撑结构的折叠餐桌，其桌面是可以独立提取出来的，该专利如图1-5所示[5]。
本专利主要是通过利用折叠机构撑开后可以达到自锁的状态，然后把桌面给安装到支撑结构上，顶着四根桌腿，使其达到稳定状态，即可进行使用，使用结束后，把桌面取下来，折叠支架即可以进行折叠收缩，其空间收缩比也是比较大，但是没有从真正意义上去解决空间压缩变形，把剩余空间进行充分利用等方面进行设计，因此只能满足一小部分的人群需要。
图1-5美国专利US2013160681A1公开的折叠餐桌
1.3研究的目的及意义
1.3.1目的
为响应“变形空间”——让我们的空间生活更美好”的主题，突出厨房用具——餐桌的空间压缩变形，对有限的空间进行充分利用，有效缓解人们的住房压力。
通过Pro/E三维软件建模对改进的折叠餐桌进行虚拟仿真构思，分析其结构的合理性，并通过Abaqus有限元分析对其关键零部件进行受力分析，观察其应力和应变情况，通过对其优化，分析得出最佳效果，最终制作实物模型。
1.3.2意义
根据我国现阶段住房紧张，住房价格高，人均住房面积狭小的特点，节约有效使用可利用空间对于人们显得尤其重要。
日常生活中人们对于餐厅需要的是简洁通畅，在小小的空间中要能容下足够多的常用物品，同时要方便取和放，不影响日常生活。
另一方面现今我国的经济高速发展，物价水平也随之水涨船高，而我国大部分人的收入水平还属于中下游水平，一套经济又实惠的家具对于大部分人来说是最优选择。
为此，以方便实用、经济实惠为设计出发点，为了减少占地面积与摆放物品的方便，减少人们的生活负担，使家居环境更加舒适，更加干净整洁，更加宽阔的要求。
故设计此可折叠多功能一体化餐桌。
1.4研究内容
分析日常生活当中常见的餐桌的结构特点、工作原理；查阅相关的专著、期刊、专利等文献资料，了解国内外对多功能折叠餐桌的空间利用率及使用情况些问题或相似问题的解决方法；学习常用的机械创新设计方法，改进折叠餐桌的结构，针对折叠餐桌空间变形压缩的原因，列举可行的方案，并进行比较和选择；通过学习了解Pro/E5.0软件的功能、特点及其具体使用方法，应用Pro/E5.0建立设计的折叠餐桌中各零件的实体模型，并进行虚拟装配；应用Pro/E5.0的机构运动仿真模块对改进的多功能折叠餐桌进行运动仿真，即对多功能折叠餐桌的装配模型进行运动仿真，然后进行轨迹检查、干涉检查等工作，根据分析结果对不符合设计要求之处进行改进；应用Abaqus软件进行有限元分析模块的静力分析功能，对多功能折叠餐桌的重要零件进行应力分析，对不满足使用要求的零件进行优化，保证各零件工作时的可靠性。
本文重点解决的问题：
多功能折叠餐桌结构方案的提出，机构的运动仿真，关键零件的有限元分析。
2折叠餐桌结构及其工作原理
2.1常见折叠餐桌的结构
餐桌是日常生活当中必备的家庭设备，常见的餐桌主要由桌面、桌腿和桌身三部分组成，桌面通常呈圆形、方形、矩形、椭圆形等；桌腿大部分是由四条腿组成，通过合页或者铰链及其它机械机构连接在一起，形成稳定的支架结构，使用时可以方便展开，使用完以后，可以通过这些机械结构折叠起来，节省空间位置，既实用又方便；桌身通常是对其展开后的剩余空间进行拓展，增加其可使用性等。
常见的折叠餐桌外形如下图2-1所示。
图2-1常见的折叠餐桌的结构
折叠餐桌使用时可以随时随地任意展开，使用时十分方便，不使用时也可以轻松的把它折叠好，收起来操作简单，占地面积小、体积小，成为人们日常生活中不可或缺的家用设备之一，尤其是房子面积比较小的家庭，更显出其重要性及可使用性等。
2.2折叠餐桌的工作原理
通过对折叠餐桌展开过程的分析可以得知：
使用者通过双手对其进行展开，一只手扶着桌体，另一只手对其桌脚进行展开，顺着桌脚的展开方向展开，直至桌脚全部展开完毕，桌子就摆放稳了，调整桌子的位置后即可进行就餐使用。
折叠桌子的展开如图2-2所示。
图2-2折叠桌子通过展开桌腿进行摆放
2.3小结
本章对折叠餐桌的结构特征进行了认识和分析，在折叠餐桌的工作及使用情况进行研究的基础上，了解了折叠餐桌的基本使用原理，掌握折叠餐桌的受力情况，有利于之后对折叠餐桌的设计及其受力分析运用，为之后对折叠餐桌的优化设计打下基础。
3折叠餐桌改进的方案
3.1普通折叠餐桌的不足
日常生活中，我们在使用普通折叠桌子的过程中会发现，桌子展开后只有桌面这个表面可以供我们使用，经过长期使用后，我们会发现单单只有一个桌面供我们使用是不够的，也十分麻烦，当你要就餐时需要把所有想食用的东西从其它地方搬到餐桌上面来，短期的情况下，也许还不会发现一直重复着这个动作比较繁琐，若是长期的使用，都会觉得对其使用存在许多不便之处，人们总是希望那些不用每餐都重新炒的菜或者其它配料能放在餐桌里面，想要食用时可直接在餐桌上取用，特别是就餐完以后，总是觉得特别疲惫，特别是生活在一些有工作压力、生活节奏比较快的人们，对他们来说，这些繁琐之事，特别不想去碰。
若是有一款折叠餐桌能够改变这些现状的话，那么这些问题将迎刃而解，就会得到人们的亲睐。
3.2改进方案的提出
3.2.1市场上现有的折叠桌子
折叠餐桌的种类非常多样，根据不同人群的需要，就会有不同的桌子产生，其主体功能就是方便人们的一日三餐的用餐，除了实现这个功能以外，我们还希望让它能够有更多的附加功能，能够给我们的日常生活带来方便。
折叠餐桌的种类很多，如图3-1、3-2所示为一种比较新型的现代化折叠餐桌，其结构特点为桌面可以折叠，整个桌面分割成三块，其中，中间的那块主体桌面比较小，这样有利于餐桌在不使用情况下的折叠与空间的压缩，这样的折叠桌子，其空间压缩比适合，在折叠后有剩余的空间可以放置一些食物等物品，用餐前后比较使用方便。
由于在其展开后的桌体两侧的空间没有被利用，因此而浪费了许多可以利用的空间资源。
图3-1折叠桌子的类型1
图3-2折叠桌子的类型2
3.2.2可行方案的提出
根据采用机构改进改进折叠餐桌的思路，结合《机械原理》和《机械设计》课程的基础知识，提出可行的方案。
由折叠餐桌需要将桌子在不使用时将桌子折叠起来，使其空间压缩变形的需求可知，目标机构的功能是要能够把餐桌的各个零部件进行翻转折叠，转换成立体空间的压缩变形等执行机构的运动[6]。
查阅机构的基本功能表可知，能实现折叠、转动或移动相互转换的机构有转动机构、滑动机构等[7]。
3.3改进方案的选定
折叠餐桌应是结构简单轻巧且能在承受一定重物下可靠工作的厨房使用设备，所以将其改进后的结构不能太复杂，外形不能太丑，功能不能过于单一。
在能保证折叠餐桌简单轻巧和在承受一定物品重量的条件下的工作可靠性，且产品的整体或部分的受力必须处于平衡状态，保证整体框架的稳定性。
3.3.1各方案的分析
折叠餐桌主要是为了使用餐桌前后都能够方便人们使用其有限的空间，充分利用有限的空间资源。
市场上现有的折叠餐桌主要分为两大类，一类是对空间的极限压缩，最大化的节省使用过后的占地空间，空间压缩比比较高；另一类是在有限的空间当中，合理的布置其空间结构，主要使用折叠机构，通过折叠来使得可使用的表面积增大，充分利用其有效面积，增大摆放空间，折叠后还留有一定的空间来收拾平时所需的食用物品，或者饭后剩余的饭菜等，虽然其压缩后的空间没有达到理想的压缩值，但其方便人们的使用。
3.3.2各方案的比较
通过以上两个方案的优缺点进行比较，我们可以综合现实生活中的实际情况，对具体问题具体分析，既要保留可折叠的结构，也要充分利用其有限的空间，通过机构的优化，取这两种类型的优点，使得两方面都得到最优化的结果。
若通过检查核对后，发现其基本原理及结构不满足要求，则我们可以对不满足的部分进行重新定义求解，直至符合要求[8]。
3.3.3改进折叠餐桌方案的确定
综合各方面的分析，对折叠餐桌的优化后，其结构保留有一定体积的主体桌身，然后对展开的桌子的各个地方的空余空间进行拓展延伸，最终确定改进后的折叠餐桌的方案，如图3-3所示。
图3-3折叠桌子结构的确定
3.4建立各零件的三维模型
本章将上述提出的改进方案与常用的折叠餐桌相结合，以改变普通折叠餐桌的不足为出发点，同时保持常用折叠餐桌的优点，来构造新的折叠餐桌的结构。
通过应用Pro/E5.0软件的零件建模模块，构建各零件的三维模型，为后续的整体装配模型建立做好准备。
其中各零部件的设计需要根据零件的使用要求，选择零件的类型和机构，再根据零件的工作要求计算作用在零件上的载荷，最后根据零件的类型、结构和所受载荷，分析零件的失效形式，从而确定零件的设计[9]。
3.4.1建立桌面的模型
在常用的折叠餐桌中，桌面通常会是由多块组成，也有由一个整体部分组成的。
由于折叠以及空间压缩变形的需要，一般桌面由多个部分组成，一方面可以在用餐时作为桌面承受饭菜物品的承受面，另一方面在餐桌不使用时可以进行方便的折叠及变形等，按照上述选定的改进方案，桌面部分是通过合页连接在一起的平面翻转机构的机架。
综合考虑，桌面可以分为三块，左中右各一块，中间那块位桌面桌提的固定保持架，用于桌面与桌身的固定，左右两侧还各有一块桌面板，用于折叠翻转，可以根据用餐人数多少的需要来决定桌面展开的宽度。
由于桌面需要用螺栓相对固定于桌面及固定左右两侧的桌面板。
根据以上的构思，绘制出桌面的三维模型，如图3.4所示。
铰接处用合页进行连接，再用自攻螺钉锁紧的方式确保连接的可靠性。
对合页螺钉的顶部进行拧紧，保证合页连接处不在使用的过程中脱离开来，同时不应让连接处的螺钉过于紧密，以保证铰接处的桌面不至于由于螺钉太大、太紧而破坏了桌面本身。
合页的三维模型如图3.5所示。
图3-4桌面的三维模型图3-5合页的三维模型
3.4.2建立桌体支撑侧板的模型
折叠桌子在使用时或者使用完以后折叠起来都离不开桌体的支撑，因此整个折叠桌子对桌体的要求相对比较高、比较严格，要求桌体要在能够承受一定载荷的情况下，其变形量相对比较小，不能有严重的弯曲变形或者摆动等现象出现。
因此桌体的支撑板不能太小，也不中空得太厉害，否则不能满足基本的强度要求。
考虑到桌体折叠后的空间有限，为了充分利用其空间，因此桌体的侧板为桌子整体侧板的一半。
根据以上的构思，绘制出桌体支撑侧板的三维模型，如图3.6所示。
图3-6桌体支撑侧板的三维模型
3.4.3建立桌体中间隔板以及后支撑板的模型
桌子的中间隔板以及后支撑板，通常情况下都是为固定不动的，后支撑板起主要的支撑作用，中间的隔板有两个作用，其一是起到隔开空间，使其在使用情况下，互不影响，给人们在日常情况下东西的分类存放带来了很大的方便；其二的作用也是非常关键的，有了中间板，整个桌体的结构就形成了工字结构，整体稳定，不容易变形等，对桌体的整体框架的强度起到加强作用，由于桌体的宽度跨越比较大，通常情况下在桌子不使用事又会在桌体里面存放许多物品，若没有这个中间板的加强作用，那么桌子的整体强度及稳定度有可能会达不到要求，因此对桌子的中间板是不能忽略的。
根据以上的构思，绘制出z桌体的后板及中间板的三维模型，分别如图3-7、3-8所示所示。
图3-7桌体后板的三维模型图3-8桌体中间板的三维模型
3.4.4建立桌体内部各个空间部分的模型
为了使桌子的整体外观结构能够给使用的人们感觉到舒适好用，并且提升到一定的档次，那么桌子的整天框架就不能没有特色，由于方正的模型是最容易加工实现的，加工方法简单、成本低、材料多，本设计折叠餐桌的桌体引用了具有中国风的结构，有古代的建筑风格，特别是以前的门和窗户等这些木质建筑，都有一定的格子框架结构，让人感觉到其不但简单不复杂，而且富有美感，使用时也不失风度等优点。
除此之外，还在桌体的另一侧设有抽屉和柜子，这样就可以根据不同物品所需的空间大小、高低等特点，来分类存放物品，存取方便，分类明确、直观明了等。
根据以上的构思，绘制出桌体内部的三维模型，分别如图3-9、3-10所示。
图3-9格子的三维模型图3-10抽屉的三维模型
3.4.5建立左右两桌面的支撑翻板的模型
折叠餐桌的主要优点就是能够空间压缩变形，使用时能够根据现实需要的不同展开桌子的大小，不使用时可以折叠起来，方便物品的摆放以及有限空间的充分利用，缓解住房压力，改善人们的生活活动空间，使其住的更加舒适美好。
由于侧面支撑板展开后，只充当支撑作用，比较浪费空间及材料的利用率，根据折叠机构及创新的想法相融合，侧面支撑板只需要达到有足够的支撑强度即可，其余的部分即是多余的部分，欲想充分利用此空间结构，就必须对其进行分割，只要给支撑部分留足够的余量外，其余的部分就把它切割下来，通过合页将其铰接在一起，要使用时可以将其展开，不使用时可以将其合起来。
这样既可以充分利用空间，其材料也得到充分利用，两全其美。
根据以上的构思，绘制出连杆的三维模型，如图3-11所示。
图3-11支撑翻板的三维模型
3.4.5建立拓展承物板及支承板的模型
承物板是从桌面左右两侧的桌面支撑翻板中拓展出来的，根据合页的可转动性，可以使拓展承物板在需要拓展使用时可以将其从支撑翻板中旋转下来，与此同时还需要支承板的辅组作用，才能正确使用该承物板，在拓展承物板向下翻转90°时，将其没有连接合页的另一端靠在支撑板上，并加以固定，这样就可以正确使用该功能。
拓展承物板具有表面积大，空间大，摆放方便等特点，其可以摆放一下临时或者比较大的物品。
根据以上的构思，绘制出连杆的三维模型，分别如图3-12、3-13所示。
图3-12拓展承物板的三维模型图3-13支承板的三维模型
3.5零件模型的装配
在构建好的各个零件模型的基础上，对其进行零件模型的装配，通过各零件之间的装配关系将零部件组装成多功能折叠餐桌整体。
在Pro/E的装配模块中进行虚拟装配，首先需要把已经建模完毕的一个零部件导入到工作界面中，可以把这个零件作为基础部件，之后需要装配的零部件就以它为基础，通过装配约束关系将其它零部件组装到基准零部件上，最终完成多功能折叠餐桌的完整装配体。
零部件的装配约束关系有配对、对齐、插入、缺省、自动和坐标系相切等。
我们可以根据装配的需要，调用各种装配约束关系，最终将各个零部件组装到一起[10]。
多功能折叠餐桌的装配过程中先将桌体下底板以缺省的定位方式导入，之后再通
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