УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ОБУВНОЙ КОЛОДКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЙ ПОВЫШЕННУЮ ВПОРНОСТЬ ОБУВИ
DEVICE FOR DEVELOPING A SHOE LAST THAT PROVIDES INCREASED SHOE FITLESS

Изобретение относится к обувной промышленности и, в частности, к проектированию и производству обуви повышенного качества - удобства носки, соответствия размеров стопы и обуви, научно обоснованной плотности прилегания в диапазоне допустимых давлений боковых сторон заготовки верха к сходственным участкам стопы и отсутствие таковых на стопе, испытывающих болезненные ощущения, что в целом можно характеризовать термином впорность.
Представленное устройство вполне универсально и может быть эффективно использовано в создании обуви различного вида, назначения, рода, особенно, в детской обуви, где необходимо учитывать хрящевые соединения элементов стопы, женской на высоком каблуке, где имеет место не естественное положение стопы, тела, перегрузка переднего отдела, приводящие к деформации нижних конечностей, диабетической, требующей пониженные значения контактных давления и избежание потертости стопы.
Аналогом может служить (статья Мимошковой Ю.В., Горбачика В.Е. «Анализ поперечных сечений стопы и колодки», Вестник Витебского государственного университета, 2016, №1 (30)) стопа, в которой отмечается необходимость определения параметров носочно-пучковой части необутой стопы с учетом толщины пакета материала заготовки. Недостатком исследования является использование ручного механического инструмента, отсутствие лазерной измерительной техники, повышенной точности (на 2 порядка), четкого числового критерия - допустимого диапазона контактного давления заготовки на стопу.
В качестве аналога изобретения рассматривается модифицированная форма колодки для производства обуви расширенного размерно-полнотного ассортимента с сохранением ее комфортных свойств (Семенова Л.Г., «Исследование и модификация формы колодки для производства обуви расширенного полнотного ассортимента»: диссертация к.т.н., 19.05.2006 г., Санкт-петербургский государственный университет технологии и дизайна, Санкт-Петербург, 2008, - 196 с.).
Создан ряд полезных разработок: модифицирована форма колодки, предложен межполнотный способ перехода с использованием корректирующих приспособлений и другое.
Однако, отсутствуют чувствительные критерии оценки показателей, измерителей силовых параметров взаимодействия стопы и контактирующих деталей обуви, что не позволяет достигнуть высокой комфортности стопы и нормальной работы ее кровеносных сосудов.
Наиболее близким по технической сущности является принятое за прототип устройство специального анатомического ложа для цифрового обмера голеностопа, см. патент №2596517, РФ: МПК A43D 3/00 (2006.01). В прототипе приводятся сведения, касающиеся устройства анатомического ложа, способа снятия цифровых характеристик воздействия плантарной части стопы на опору, в частности, траектории сил тяжести и инерционные.
Опоры, включенные в состав анатомического ложа, охватываются замкнутой линией, предназначенной для перемещения лазерного цифрового 3D-сканера, осуществляющего виртуальные замеры конфигурации голеностопа.
Между плантарной частью стопы и рельефной поверхностью опоры устанавливается гибкая нижняя матрица с тензометрическими датчиками, позволяющая определить центр тяжести тела испытуемого, его правильное положение при различной форме стопы.
В прототипе представлено устройство предназначенное, в основном, для улучшения состояния плантарной части стопы и поддержания равновесия тела носчика в различных фазах ходьбы. Боковые стороны стопы, находящиеся в постоянном контакте с затянутой заготовкой верха, испытывающие значительные силовые воздействия на ряде участков, например, в области пучков и при выполнении заднего толчка не рассматриваются (при нахождении тела сзади).
Создание предлагаемого устройства должно проводиться на научно-обоснованной основе с выбором значимого критерия с цифровыми (количественными) показателями, которые обеспечивают высокую точность выполняемого измерения, обработки и возможность проведения оптимизации. В прототипе отсутствуют прогрессивные методы оценка впорности обуви в зоне боковых сторон затянутой заготовки верха, что ограничивает уровень повышения качества. В прототипе не представлен инструмент для измерения силовых и деформационных параметров, возникающих в различных фазах ходьбы при взаимодействии стопы и затянутой заготовки верха в зоне боковых сторон. Также в прототипе не предложена методика расчета изменений конфигурации колодки, при которых давление в контактируемых зонах стопа - заготовка верха принимает допустимое значение.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение качества проектирования обувной колодки за счет дополнительного учета распределения давления в зонах контакта стопы с боковыми сторонами заготовки верха с последующей коррекцией размеров и формы колодки, исходя из допустимых значений давления, воздействующего на стопу, обеспечивая повышенную впорность.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в устройстве для разработки колодки, обеспечивающей повышенную впорность обуви, содержащем обувные заготовки в качестве опор для размещения измеряемой стопы на опорной поверхности измеряемой гибкой матрицы с тензометрическими датчиками, подключенными к контрольному прибору, 3-D сканер для снятия и уточнения размеров заготовок, связанный с системой автоматизированного проектирования для получения виртуальной модели стопы с переносом на модель колодки, согласно изобретению в комплект обувных заготовок включены верхняя лицевая часть обуви с прикрепляемой к ней с изнанки кожаной подкладкой, основная стелька и тензометрические датчики, причем кожаная подкладка выполнена без затяжной кромки и без крепления к основной стельке с возможностью замены упомянутой подкладки в процессе измерения давления на измерительную матрицу боковых сторон обуви, имеющую одинаковую с кожаной подкладкой форму и толщину.
На решение поставленной технической задачи направлено также то, что дополнительно на открытые поверхности тензометрических датчиков измерительной матрицы со стороны стопы прикреплена пленка с использованием клеевого состава, что позволяет получить сглаженную картину деформаций, контактируемых участков стопы.
На решение поставленной инженерной задачи направлено и то, что устройство снабжено технической оснасткой для настройки на размер обуви и высоту каблука, а также для регулирования расстояния между опорами.
Для обеспечения изобретением технического результата - создание устройства, способного внести существенный вклад в изготовлении обуви повышенного уровня впорности, предлагается критерий оценки уровня качества - давление, передающееся заготовкой верха поверхности стопы в области боковых сторон.
При давлении в контактируемых парах «стопа-заготовка», превышающем допустимое, находится смещение по нормали проблемной зоны затянутой заготовки верха на величину, определяемую по представленной ниже методике или экспериментально. В дальнейшем найденная величина смещения переносится на колодку, где производится наращивание материала на соответствующем участке.
Применение матрицы с тензометрическими датчиками позволяет определить распределение давления по всему корпусу обуви, построить в автоматическом режиме пространственную эпюру нагрузок по всей верхней части обуви, выявить зоны экстремального напряжения, что предоставляет возможность дать рекомендации по повышению надежности особенно для военной, спортивной и производственной обуви.
Задача построения на боковых сторонах затянутой заготовки верха обуви и соответственно на стопе пространственной эпюры напряжений направлена на входящую в желательные рекомендуемые пределы, заявленные в изобретении, так как это важно для надежности заготовки и гигиены стопы (впорности).
Использование в изобретении матрицы с тензометрическими датчиками дает возможность оперировать при проведении и анализе измерений числовыми критериями, существенно повысить точность обработки результатов расчета и эксперимента, применять методы математического программирования. Лазерное числовое 3D-сканирование, MathCAD программы, используемые при работе предлагаемого устройства, производят трансформацию виртуальных, дискретных, числовых промежуточных форм поверхностей колодки в их изображение гладкими функциями.
Имеющиеся в устройстве две опоры для правой и левой стопы снабжены техоснасткой для настройки на размер обуви и высоту каблука, а также для осуществления регулирования расстояния между опорами, что расширяет размерный ряд измеряемой обуви, постановку и проведение эксперимента, способствует повышению точности результатов.
В комплект заготовки верха обуви входит кожаная подкладка, отличная от стандартной тем, что у нее отсутствует затяжная кромка. Кожаная подкладка временно прикрепляется к верхней части заготовки со стороны изнанки без соединения с основной стелькой, что делает их разъемными. Кожаная подкладка подбирается равной по толщине матрице с тензометрическими датчиками, что снижает систематические погрешности при измерениях, а временное крепление матрицы с тензометрическими датчиками к верху основной части заготовки дает возможность без особых затруднений разъединить матрицу от заготовки верха после проведения измерений.
Для расширения вариантов конструкций корректируемых заготовок верха обуви в области боковых сторон, применяемые в изобретении опоры снабжены техоснасткой, обеспечивающей измерения увеличенного размерного и полнотного рядов обуви, а также опоры, соединены с механизмом устройства, регулирующим расстояние между ними.
Аналогичным образом определяются участки колодки, где требуется повысить давление во избежание соскальзывания обуви со стопы, что вызывает необходимость произвести снятие избыточного слоя материала, определенного расчетной величиной.
Изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлено сечение края заготовки верха обуви;
- на фиг. 2 изображено сечение матрицы с тензометрическими датчиками;
- на фиг. 3 приведено сечение измерительного узла;
- на фиг. 4 даны этапы создания конструкции колодки;
- на фиг. 5 – устройство для изготовления колодки, обеспечивающей допустимое давление стопы.
Предлагаемое изобретение включает ряд узлов, как положительно зарекомендовавших себя на практике, так и новых, обеспечивающих реализацию заявленных функций. К первой группе относится измерительное устройство характеристик плантарной части стопы - пяточной, геленочной и носочно-пучковой. Во вторую группу входят измерительные узлы боковых сторон верха обуви и соответствующих частей стопы.
Измерительный узел второй группы, непосредственно снимающий показания давления заготовки верха обуви на боковую часть стопы, принятые как критерий оценки впорности обуви, поэтапно преобразовывается из заготовки верха обуви на фиг. 1, где l - лицевая часть заготовки верха, 2 - подкладочная часть заготовки верха. В качестве материала подкладочной части предлагается для уменьшения погрешности измерения натуральная кожа толщиной равной высоте тензометрического датчика 3 (фиг. 2), прикрепленная к поверхности измерительной матрицы 4 (фиг. 2). Кожаная подкладка 2 соединяется с лицевой частью заготовки верха по бахтармяной стороне временным клеевым составом, что обусловлено последующей заменой кожаной подкладки матрицей 4 (фиг. 3) с тензометрическими датчиками 3 (фиг. 3).
Учитывая, что контакт стопы во внутри обувном пространстве происходит с затянутой и отформованной заготовкой обуви, аналогичные затяжные операции проводятся с определенным изменением - кожаная подкладка временно прикрепляется к заготовке верха без ее соединения с основной стелькой.
Прикрепленная к бахтармяной стороне лицевой части 1 затянутой заготовки верха матрица 4 (фиг. 3) с тензометрическими датчиками 3 образует измерительный узел, вмонтированный во внутри обувное пространство, способный фиксировать давление и деформацию каждым тензометрическим датчиком, соединенным с питающими и печатными устройствами.
Большое количество единичных измерений (по числу тензометрических датчиков и замеров) обрабатывается контрольным устройством по программе сравнения с допустимыми значениями искомых переменных, результатом которой является пространственная эпюра давлений с переменными, удовлетворяющими диапазону допустимых значений переменных, трансформированных в единицы перемещения формованной затянутой заготовки верха и модели колодки.
Базовые формы стопы определяются для типовых фаз ходьбы носчика обуви - передний и задний толчок, полная опора стопы и др. Для отражения формы стопы в графическом или виртуальном представлении в устройстве служит лазерный цифровой 3D-сканер. На базовые формы и размеры стопы накладываются величины давлений, полученные при деформации тензометрических датчиков.
Сравнение, экспериментально определенных показателей давления, с нормированными значениями, осуществляется программным способом, для фиксации выбранных размерных характеристик используется виртуальная модель стопы. В скорректированной виртуальной модели стопы на отдельных участках возникают заметные перепады высот, что нарушает эстетическое восприятие обуви, построенной по этой модели стопы.
Для предотвращения такой ситуации в предлагаемом изобретении закладывается программа MathCAD, которая преобразовывает дискретные значения размеров в гладкие функции, отображающиеся на виртуальной цифровой модели стопы с последующим переносом на модель колодки. Скорректированная модель колодки, представленная в цифровом виде, передается на фрезерный станок с ЧПУ для изготовления колодки из дерева или пластмассы.
Устройство функционирует следующим образом.
Настройка устройства заключается в выполнении регулировки опор на размер измеряемой стопы, положения опор на заданную высоту каблука, длину шага носчика, которая осуществляется с помощью предусмотренной для этого технической оснастки. Следующая настройка связана с расстановкой отметок положения для лазерного цифрового 3D-сканера относительно фиксируемых позиций стопы, подключение питающей, записывающей и переносной аппаратуры.
Для создания устройства, способствующего изготовлению обуви повышенной впорности, предлагается измерительный узел, работающий следующим образом. Предварительно измерительный узел формируется из заготовки верха обуви, включающей ее лицевую часть 1 (фиг. 1) и приклеенную к ней с изнанки кожаную подкладочную часть 2 без затяжной кромки. Измерительный узел затягивается и формуется на колодке-прототипе, затяжная кромка лицевой части прикрепляется к основной стельке. Формование кожаной подкладочной части заготовки верха происходит за счет временно соединяющего клеевого состава, передающего деформацию лицевой части заготовки верха.
Предварительный вариант узла, затянутый и отформованный с кожаной подкладочной частью, претерпевает следующие преобразования - временно прикрепленная кожаная подкладка 2 заменяется на матрицу 4 (фиг. 2) с тензометрическими датчиками 3. Собранный измерительный узел включает: лицевую часть 1 (фиг. 3) заготовки верха обуви, матрицу 4 с тензометрическими датчиками 3, которая располагается во внутри обувном пространстве и готовая к снятию показателей.
На фиг. 4 даны этапы создания конструкции колодки, обеспечивающей допустимый уровень давления на стопу и впорность обуви:  4.1 - сборка тензометрической матрицы (ТМ); 4.2 - замена подкладки на тензометрическую матрицу, соединенную с заготовкой верха (ЗВ); 4.3 - точечный замер давления заготовки верха на стопу; 4.4 - перевод карты давления на геометрические параметры колодки; 4.5 - изготовление колодки, обеспечивающей допустимое давление стопы.
Выполняется обмер необутой стопы в различных фазах ходьбы с привлечением лазерного цифрового 3D-сканера, используя правила расстановки опор и имитируя шаг, создавая тем самым размерную базу конфигураций стопы.
На стопу надевается экспериментальный образец обуви с установленным измерительным узлом и деталями низа (подошва, каблук), также с лицевой частью 1 (фиг. 1) затянутой заготовки верха из материала, идентичного используемому в планируемой обуви. Питательная и измерительная аппаратура подключается к измерительной матрице 3 (фиг. 2) с тензометрическими датчиками 4 (фиг. 2).
На участках, соответствующих типовым фазам ходьбы, у испытуемого в экспериментальном образце обуви производится измерение давления, оказываемого затянутой заготовкой верха через тензометрические датчики 4 (фиг. 3), на боковые стороны стопы, которое сравнивается с допустимым диапазоном значений.
В случае расхождения фактических значений давления с нормированным, используя приведенную методику, определяется разность между ними, которая переводится в линейные величины, увеличивающие или уменьшающие размеры соответствующего участка колодки.
Дискретная форма скорректированных участков колодки обрабатывается в программе MathCAD перевода в гладкие функции, что обеспечивает плавную конфигурацию боковых поверхностей колодки в виртуальном виде.
Полученный массив данных передается на фрезерный станок с ЧПУ для изготовления пластмассовой или деревянной колодки, обеспечивающей повышенную впорность обуви.
Рассмотрим ряд примеров расчета улучшения параметров качества при использовании устройства.
Первый случай.
Тензометрические датчики могут быть тарированы как на усилие, так и на давление и связаны формулой p=F/A, где р - давление, F - усилие, А - площадь.
изм
доп
изм
доп
В случае, когда измеренное давление р выше допустимого Р, то находится разница давлений Δ р=р-Р, а затем определяется расстояние, на которое нужно виртуально переместить (углубить) тензометрический датчик от контактируемой поверхности стопы Δl=Δpl/Е, где l - длина оси тензометрического датчика, Е-модуль упругости материала тензометрического датчика.
Переход от системы верх затянутой заготовки плюс тензометрический датчик к системе верх затянутой заготовки плюс кожаная подкладка менее трудоемко оценить по коэффициенту пропорциональности жесткостей, что позволяет с достаточной точностью получить конечный результат.
Анализ реальной колодки показывает, что соответствующий участок, создающий увеличенное давление, необходимо нарастить, что увеличит внутри обувной объем и снизит давление заготовки верха на стопу на расчетную величину.
Второй случай.
2изм
min
Тензометрический датчик показывает давление меньше минимально допустимого р≤P.
2
2доп
2изм
2
2
2
2доп
2изм
2
Находится разность давлений Δр=р-p, а затем величина приближения тензометрического датчика к стопе Δl=Δрl/Е=(р-p)l/Е.
Измененное положение тензометрического датчика отражается на виртуальной модели.
2
При переходе к реальной колодке рассматриваемый участок на ней уменьшается по направлению нормали на расчетную величину Δl. Затянутая на этой колодке заготовка верха соответственно уменьшается в размерах, что увеличивает давление со стороны заготовки на стопу.
Условие удержания обуви на стопе в фазе переноса можно записать следующим выражением для давления заготовки на стопу p>mg/2Aμ, где μ - коэффициент трения, А-площадь контакта заготовки и стопы с боковой стороны.
Таким образом, изобретение позволяет повысить качество проектирования колодки за счет дополнительного учета распределения давления в зонах контакта стопы с боковыми сторонами заготовки верха с последующей коррекцией размеров и формы колодки, исходя из допустимых значений давления, воздействующего на стопу, точность индивидуальных измерений но сочно-пучковой зоны обуви на стопе носчика с учетом допустимого значения испытываемого стопой давления в области боковых сторон заготовки, обеспечивая необходимую впорность.