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        基于Inventor三維軟件的雙輪有桿平衡車數(shù)字化設(shè)計

        2023-10-24 06:34:10李志偉
        時代汽車 2023年20期
        關(guān)鍵詞:數(shù)字化設(shè)計技能大賽

        李志偉

        摘 要:電動平衡車可以用作短途的代步工具,由于使用方便、炫酷,節(jié)約時間等優(yōu)點,受到很多人的喜歡。本文依托全國技能大賽信息技術(shù)類“產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與開發(fā)”賽項,使用Inventor三維軟件,設(shè)計一款雙輪有桿電動平衡車。使用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)完成了核心零部件的創(chuàng)建,多實體建模使得裝配更加容易。設(shè)計表達、工程圖更符合賽項標(biāo)準(zhǔn)。Inventor Studio渲染效果圖,表明了設(shè)計造型符合現(xiàn)代風(fēng)格,外車設(shè)計元素統(tǒng)一,車體數(shù)據(jù)符合人機工程學(xué)。在安全性、舒適性和實用性上更具有優(yōu)勢。

        關(guān)鍵詞:Inventor 技能大賽 平衡車 信息技術(shù)類 數(shù)字化設(shè)計

        1 引言

        平衡車又稱體感車,其工作原理是利用車體內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器,來監(jiān)測車體姿態(tài)的變化,并利用伺服控制系統(tǒng),精確地驅(qū)動電機進行相應(yīng)的調(diào)整,以保持系統(tǒng)的平衡的一種時尚運動產(chǎn)品[1]。本文基于Inventor三維設(shè)計軟件,設(shè)計的雙輪有桿平衡車屬于技能大賽成果轉(zhuǎn)化的一部分。首先依據(jù)感性工程學(xué)的設(shè)計理念[2],通過分析人的感性、喜好來設(shè)計產(chǎn)品和制造產(chǎn)品。其次定位平衡車的設(shè)計類型,通過對比市場上已存在的平衡車類型,選擇出具有優(yōu)勢的雙輪有桿平衡車進行設(shè)計。再次,使用數(shù)字化建模的方法,借助Inventor設(shè)計軟件,綜合使用自下而上、自下而上的設(shè)計方法完成多實體零件的建模、以及零部件的裝配。最后,完成表達設(shè)計、工程圖設(shè)計、以及Inventor Studio渲染。雙輪有桿平衡車的造型設(shè)計,以流暢感和運動感的線條和曲面來描繪出具有時尚感和科技感的產(chǎn)品。

        2 設(shè)計定位

        平衡車的設(shè)計要素是多方面的,包括形態(tài)、顏色、材料和工藝、安全性、功能等。設(shè)計定位也需要結(jié)合功能要求與市場,既要滿足基本的代步功能又要滿足UL2272的國際標(biāo)準(zhǔn)[3]。我們對市場上已存在的產(chǎn)品進行一些必要的改良,在外觀造型、價格、材質(zhì)和配色上,保證設(shè)計的產(chǎn)品既酷炫又實用、安全。2020年,程東燚等人通過收集市場上最具有代表性的平衡車作為研究樣本[2],分別在材質(zhì)、顏色、時尚等22項特征描述中調(diào)查發(fā)現(xiàn),關(guān)注度最高的八項特征為;續(xù)航能力、安全性、便于攜帶、重量輕、操作方便、簡約感、舒適度等,得出5組感性詞匯,分別為“安全的—危險的”、“輕巧的-穩(wěn)重的”、“簡約的-復(fù)雜的”、“實用的-花哨的”和“舒適的-難受的”。通過對“單輪平衡車”、“雙單輪平衡車”、“雙輪無桿平衡車”和“雙輪有桿平衡車”四種造型的對比,得出結(jié)論,“雙輪有桿平衡車”在“安全性、實用性和舒適性上表現(xiàn)最優(yōu)。所以,本文的設(shè)計定位為雙輪有桿平衡車。

        3 數(shù)字化建模設(shè)計

        以下將將從基于多實體的零件造型設(shè)計、部件裝配、設(shè)計表達、工程圖設(shè)計和Inventor Studio渲染、設(shè)計驗證等幾個方面進行設(shè)計。

        3.1 基于多實體的零件造型設(shè)計

        按照數(shù)字化建模的思想,數(shù)字化模型應(yīng)包含產(chǎn)品零部件的形狀、尺寸、材料等信息,建模中得到的參數(shù)信息往往是后續(xù)環(huán)節(jié)(如加工工藝、工程分析等)所需要的設(shè)計數(shù)據(jù),這為裝配、表達視圖、工程圖、渲染等提供重要的數(shù)據(jù)[4]?;诙鄬嶓w的零件設(shè)計是一種自上而下的設(shè)計方法。多實體生成的方法有四種,分別是:通過創(chuàng)建實體類的特征、通過衍生、通過復(fù)制對象、編輯零件中已有的實體類特征[5]。在雙輪有桿電動平衡車設(shè)計過程中,主要采用這種設(shè)計方法,而在調(diào)用螺栓、螺釘、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件上,可使用自下而上的方法。創(chuàng)建實體類的特征有拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略、螺旋掃掠、放樣、加厚/偏移、灌注等特征。在零件建模時,如果零件比較復(fù)雜,分割實體建模會比較方便,完成后再將其合并為一個實體。

        在外形的設(shè)計上,要突出設(shè)計感和科技感、時尚、簡約的特點,也可以綜合考慮舒適性和實用型。多實體零件建模如圖1所示。圖中框住的區(qū)域為多實體零件,包含了“車身上蓋”、“車身下蓋”、“電源”等35個實體。在建模中除了使用常規(guī)的拉伸、圓角、打孔、凸柱、分割/合并、加厚、旋轉(zhuǎn)、凸雕、加強筋、鏡像等操作外,還綜合使用了高階的曲面工具,如掃掠曲面、面片、灌注、延伸、修剪、修復(fù)實體、邊界嵌片、縫合曲面、拉伸曲面。設(shè)計造型上多以流暢、運動感的曲面為主。

        3.2 部件裝配

        絕大多數(shù)的產(chǎn)品都不是由一個零件組成的,而是包含多個零件。在Inventor中我們將組合在一起的多個零件稱為部件。部件環(huán)境下的基本操作有:裝入零部件、移動和旋轉(zhuǎn)零部件、可見/隱藏零部件。零部件的約束有:位置關(guān)系的約束、運動關(guān)系約束等。將3.1中所創(chuàng)建的35個實體,生成零件后可得到35個零件,這些零件是按設(shè)計時各零件的位置擺放的。所以,由零件組裝成部件時很十分容易的,只需要添加相應(yīng)的約束即可完成。圖2所示為零部件裝配圖(不包括標(biāo)準(zhǔn)件)。

        4 設(shè)計表達

        4.1 表達視圖設(shè)計

        Inventor表達視圖是用來表現(xiàn)部件中各個零件之間裝配關(guān)系的,我們可以用表達視圖文件創(chuàng)建部件的分解視圖,利用分解視圖可以創(chuàng)建帶有引出序號和零件明細欄的工程視圖,即平常我們說的爆炸圖[5]。根據(jù)所創(chuàng)建的表達視圖(后綴名為ipn)文件,創(chuàng)建該文件的工程圖,即可得到爆炸工程圖。電動平衡車的爆炸工程圖如圖3所示。從圖中可以清楚地看到各個零件的代號、名稱、數(shù)量、材料、以及重量信息。在材質(zhì)的選擇上以橡膠、塑料、金屬為主,外殼的選擇上以塑料為主要的材質(zhì),這樣可以降低產(chǎn)品的整體重量,輪胎是使用橡膠材質(zhì),輪轂和轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)以金屬為主,安全可靠。

        4.2 工程圖

        目前國內(nèi)的加工制造還不能夠完全達到無圖化生產(chǎn)加工的條件,因此工程圖仍然是表達產(chǎn)品信息的主要媒介,是表達零部件信息的重要方式,是設(shè)計者與生產(chǎn)者交流的載體。繪制工程圖是機械設(shè)計的最后一步,Inventor為用戶提供了比較成熟和完善的工程圖處理功能,可以實現(xiàn)二維工程圖與三維實體零件模型之間的關(guān)聯(lián)更新,方便了設(shè)計過程的修改。為了更好地創(chuàng)建工程圖,往往需要對工程圖環(huán)境進行設(shè)置。在Inventor2024中創(chuàng)建的視圖可分為兩大類,一類是由三維實體零件或者已有的工程視圖創(chuàng)建的新視圖,例如,基礎(chǔ)視圖、投影視圖、斜視圖、剖視圖等;另一類是在已有的工圖視圖上進行修改而得到的視圖,例如,斷裂視圖、局部剖視圖、斷面圖等。工程圖的尺寸標(biāo)注有兩種類型,分別是模型尺寸和工程圖尺寸。每個零件都有對應(yīng)的工程圖,工程圖符合產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與開發(fā)賽項技能大賽要求的標(biāo)準(zhǔn)。這里只給出一張工程圖,如圖4所示為車架的工程圖。

        4.3 Inventor Studio 渲染

        Inventor Studio能夠?qū)?chuàng)建的零件及裝配進行渲染和動畫制作,生成具有真實效果的渲染圖片,以及生成裝配動畫效果的多媒體文件。也就是說通過Inventor Studio能直接在設(shè)計環(huán)境中生成較為真實的圖像和動畫,讓客戶看到最終的效果。靜態(tài)渲染可以通過表面材質(zhì)、燈光、場景以及視角的設(shè)置對模型進行渲染處理,得到具有真實效果的圖片,渲染特征包含3種樣式,分別是:“表面樣式”、“光源樣式”和“場景樣式”。渲染時在圖形區(qū)將模型調(diào)整到合適大小,渲染測試時,請選擇低質(zhì)量的反走樣設(shè)置,盡可能節(jié)省時間,對于最終渲染,請使用高質(zhì)量的反走樣設(shè)置,以提高渲染質(zhì)量。渲染之前需要對零部件進行配色,我們選擇大眾較為喜歡的黑、灰兩種顏色作為了主體顏色,燈光則采用警示作用較強的紅色作為尾燈,前面的燈則是使用白色的白熾燈作為大燈使用。顏色的選擇上以鮮明而多樣化為主,這樣既突出了產(chǎn)品的現(xiàn)代感,又能滿足消費者追求獨特的個性化需求。圖5-圖7分別為電動平衡車前視渲染圖,后視圖渲染圖和局部渲染圖。

        4.4 設(shè)計驗證

        根據(jù)所設(shè)計的零件模型和二維零件圖,進步一步完善、驗證。雙輪有桿平衡車的核心零部件等文件如表1所示。(標(biāo)準(zhǔn)件等可在Inventor軟件資源中心庫中調(diào)用,不屬于本設(shè)計的重點,不在表中)。

        5 總結(jié)

        基于Inventor三維設(shè)計軟件設(shè)計的雙輪有桿平衡車,突破了原有電動平衡車存在的一些比較生硬的造型。用流暢感和運動感的曲面造型來描繪出具有時尚感和科技感的產(chǎn)品,滿足主要人群對于產(chǎn)品的個性需求和心理需求。本設(shè)計在安全性、實用性和舒適性、造型和價格、材質(zhì)和配色上更具有優(yōu)勢。智能系統(tǒng)和照明功能,使得人與產(chǎn)品之間產(chǎn)生更好的交互體驗。

        參考文獻:

        [1]孫旭亞,孫路陽,趙志斌. 一種無線充電的平衡車[P]. 廣東:CN205365892U,2016-07-06.

        [2]程東燚,鄭剛強,易梓寒.基于感性工學(xué)的電動平衡車外觀設(shè)計研究[J].藝術(shù)與設(shè)計(理論),2020,2(10):101-103.

        [3]王野,杜超,丁志磊,等. 電動平衡車產(chǎn)業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀[J]. 機器人技術(shù)與應(yīng)用,2016(5):20-23.

        [4]許睦旬,肖堯.數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2021.

        [5]陳道斌,殷海麗. 工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(Inventor2012)[M].北京:電子工業(yè)出版,2018.

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