李 斌，耿向前，閆惠陽

(河南工程學院 機械工程學院，河南 鄭州 451191)

經濟的發(fā)展提高了人們的生活水平，家用地板清潔機器人應運而生。它可以自動規(guī)劃路線，高效清潔地板，一經問世即獲得了消費者的歡迎。但是，個性化的家庭裝修風格對地板清潔機器人提出了更多的個性化要求，在生產中實現(xiàn)“大規(guī)模+定制化”以獲得更廣闊的市場，已成為生產企業(yè)亟待實現(xiàn)的目標。

1 平臺化設計方法

1.1 產品平臺化的概念

產品平臺化的理念最初是由一些跨國汽車企業(yè)在20世紀80年代提出的[1]，汽車企業(yè)以一定的零部件組合方式構成基于相同平臺的不同車型，為設計研發(fā)帶來了極大的便利。不同于模塊化設計，平臺化設計更加注重特定產品類型中高度重合的零部件的共用設計，有規(guī)劃地開發(fā)一套產品共用結構系統(tǒng)和接口，可滿足不同批次生產并提高開發(fā)效率[2]。因此，產品平臺化具備實現(xiàn)系列產品派生及拓展的能力，是“柔性制造”的知識成果，可以滿足不同細分市場和消費者的個性化需求，有利于生產企業(yè)降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高產品性能[3]。

1.2 家用地板清潔機器人平臺化設計的意義

目前市場上有很多不同品牌的家用地板清潔機器人，但大部分只具有掃地功能而未考慮地板類型，并不能很好地滿足不同家庭的需求。同時，家用機器人行業(yè)的準入門檻并不高，行業(yè)結構分散，信息不對稱又競爭激烈，致使大部分生產企業(yè)過分注重產品的生產成本而忽略了產品的生命周期價值，無法為持有地板清潔機器人的家庭提供更多持續(xù)的個性化服務。

引入汽車行業(yè)成熟的產品平臺化設計方法，對接不同需求，配合模塊化設計，可實現(xiàn)在同一產品架構下地板清潔機器人的通用化、系列化，不僅可以幫助企業(yè)進一步縮短產品設計周期、降低設計和生產成本，還可以通過數(shù)字技術集成各個端口的數(shù)據(jù)，在工業(yè)標準下對設施的物理和功能特性進行統(tǒng)一管理，并對其相關項目的全壽命周期信息以可計算的形式表現(xiàn)[4]，為將來引入中小型產品生命周期管理(MSPLM)奠定基礎。

2 總體方案設計

家用地板清潔機器人驅動系統(tǒng)的動力一般采用驅動電機，通過聯(lián)軸器或帶傳動與行走機構相連；控制系統(tǒng)的PLC，輔助系統(tǒng)中的充電電池、充電接口等都有現(xiàn)成產品可選用，可作為功能模塊處理；清潔執(zhí)行機構需要具備掃地、拖地、吸塵、地板打蠟等不同功能，也需要作為功能模塊來設計；行走機構與外殼對于不同功能的機器人有高度共用性，可設計為系列產品的平臺。家用地板清潔機器人系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 家用地板清潔機器人系統(tǒng)架構Fig.1 The system structure for household floor cleaning robot

在網上購物平臺對家用地板清潔機器人買家評語調查發(fā)現(xiàn)，在滿足功能的前提下，消費者對此類物品的關注點往往集中在外觀、收納、價格、售后服務等方面，而從企業(yè)角度來說，則更多考慮現(xiàn)有生產設施、成型工藝、良品率等[5]。綜上考慮，本家用地板清潔機器人平臺仍采用圓柱形結構，總體方案見圖2。

圖2 家用地板清潔機器人平臺Fig.2 The platform for household floor cleaning robot

3 家用地板清潔機器人平臺建模

3.1 平臺建模

在SolidWorks軟件里建立底盤與外殼的模型(圖3)。利用三維軟件建立家用地板清潔機器人平臺模型，并組裝成虛擬樣機，可以更直觀地展現(xiàn)家用地板清潔機器人的全貌，讓設計師更加關注細節(jié)，并對設計結果進行檢驗。限于篇幅，建模過程這里不再贅述。

圖3 底盤與外殼Fig.3 Chassis and shell

3.2 平臺參數(shù)化設計

家用地板清潔機器人平臺參數(shù)化設計的意義在于快速、方便、高效地進行該產品系列型號的設計。把外殼直徑定為該機器人平臺唯一的全局變量進行參數(shù)化設計，通過方程式關系完成各個零件間的尺寸驅動，可以很方便地生成一系列外觀相似但大小不同的地板清潔機器人，大大縮短了新產品開發(fā)的時間。

3.2.1底盤參數(shù)化設計

首先在繪圖區(qū)域單擊鼠標右鍵，選中“顯示特征尺寸”，系統(tǒng)便自動顯示出底盤模型的所有特征尺寸(圖4)；然后在“工具”菜單中找到“方程式”選項并打開，彈出“方程式、整體變量及尺寸”對話框(圖5)。選擇底座直徑為全局變量，激活“方程式”下面的空格，選擇底盤上4個小孔距底盤中心的尺寸，系統(tǒng)會自動出現(xiàn)“D8@草圖5”，這是該尺寸在系統(tǒng)中存儲的代號，接著在“數(shù)值/方程式”下的空格點選“底盤直徑”并輸入“/8”，建立兩尺寸間的關系，系統(tǒng)會自動計算出該尺寸為48.75 mm。采用同樣的方法，找出所有關聯(lián)尺寸與全局變量的方程式關系并一一添加。

圖4 底盤參數(shù)化設計(單位：mm)Fig.4 Parametric design of the chassis(unit：mm)

圖5 方程式、整體變量及尺寸對話框Fig.5 Equations, integral variables and size dialogue box

3.2.2產品平臺模型重建

依照以上方法，分別對外殼、控制模塊箱體進行參數(shù)化設計，并添加各零件間尺寸關聯(lián)，只保留“外殼直徑”這個全局變量，通過方程式關系來完成各個零件間的尺寸驅動。整體結構設計界面如圖6所示。

輸出方程式關系如下：

"外殼直徑"= "D1@草圖1@外殼<1>.Part"

"D1@草圖1@底座<1>.Part"= "D1@草圖1@外殼<1>.Part" * 1

"D1@草圖1@箱體<1>.Part"= "D3@草圖5@底座<1>.Part" * 2 - 118

其中，"D1@草圖1@底座<1>.Part"是底座直徑，它與外殼直徑相同，"D1@草圖1@箱體<1>.Part"是箱體底面長度，通過方程式驅動使其與全局變量相關聯(lián)。此時改變全局變量的值，打開方程式對話框，點擊“重建模型”，就會自動生成新的模型。

4 平臺的應用

基于平臺設計的家用地板清潔機器人基本型見圖7。在此產品平臺的支持下，設計師可以依據(jù)不同顧客的需求完成執(zhí)行模塊的詳細設計，與產品平臺對接即可生成不同系列的產品。打蠟機器人、清掃機器人和拖地機器人的執(zhí)行模塊如圖8所示。

圖6 整體結構參數(shù)化設計Fig.6 The overall structural parametric design

圖7 基于平臺設計的家用地板清潔機器人基本型Fig.7 The basic floor waxing robot designed base on the platform

圖8 家用地板清潔機器人功能模塊Fig.8 The function module for household floor cleaning robot

5 結語

產品平臺化、功能模塊化是平臺化設計的基本指導思想。將此思想引入家用地板清潔機器人的設計中，可使產品的基本結構與功能模塊化，進而提取出可高度共享的模塊，以確定家用地板清潔機器人產品平臺。在平臺的基礎上依據(jù)顧客需求開發(fā)不同的功能模塊進而形成系列產品，可以極大縮短地板清潔機器人新產品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高企業(yè)對市場的快速響應能力。