李志偉

摘 要：電動(dòng)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(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)與開發(fā)”賽項(xiàng)，使用Inventor三維軟件，設(shè)計(jì)一款雙輪有桿電動(dòng)平衡車。使用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)完成了核心零部件的創(chuàng)建，多實(shí)體建模使得裝配更加容易。設(shè)計(jì)表達(dá)、工程圖更符合賽項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。Inventor Studio渲染效果圖，表明了設(shè)計(jì)造型符合現(xiàn)代風(fēng)格，外車設(shè)計(jì)元素統(tǒng)一，車體數(shù)據(jù)符合人機(jī)工程學(xué)。在安全性、舒適性和實(shí)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(jì)

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(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持系統(tǒng)的平衡的一種時(shí)尚運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品[1]。本文基于Inventor三維設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)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(jì)理念[2]，通過分析人的感性、喜好來設(shè)計(jì)產(chǎn)品和制造產(chǎn)品。其次定位平衡車的設(shè)計(jì)類型，通過對(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)。再次，使用數(shù)字化建模的方法，借助Inventor設(shè)計(jì)軟件，綜合使用自下而上、自下而上的設(shè)計(jì)方法完成多實(shí)體零件的建模、以及零部件的裝配。最后，完成表達(dá)設(shè)計(jì)、工程圖設(shè)計(jì)、以及Inventor Studio渲染。雙輪有桿平衡車的造型設(shè)計(jì)，以流暢感和運(yùn)動(dòng)感的線條和曲面來描繪出具有時(shí)尚感和科技感的產(chǎn)品。

2 設(shè)計(jì)定位

平衡車的設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)市場上已存在的產(chǎn)品進(jìn)行一些必要的改良，在外觀造型、價(jià)格、材質(zhì)和配色上，保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品既酷炫又實(shí)用、安全。2020年，程?hào)|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(shí)尚等22項(xiàng)特征描述中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，關(guān)注度最高的八項(xiàng)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(xiǎn)的”、“輕巧的-穩(wěn)重的”、“簡約的-復(fù)雜的”、“實(shí)用的-花哨的”和“舒適的-難受的”。通過對(duì)“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(duì)比，得出結(jié)論，“雙輪有桿平衡車”在“安全性、實(shí)用性和舒適性上表現(xiàn)最優(yōu)。所以，本文的設(shè)計(jì)定位為雙輪有桿平衡車。

3 數(shù)字化建模設(shè)計(jì)

以下將將從基于多實(shí)體的零件造型設(shè)計(jì)、部件裝配、設(shè)計(jì)表達(dá)、工程圖設(shè)計(jì)和Inventor Studio渲染、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 基于多實(shí)體的零件造型設(shè)計(jì)

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(jì)數(shù)據(jù)，這為裝配、表達(dá)視圖、工程圖、渲染等提供重要的數(shù)據(jù)[4]?；诙鄬?shí)體的零件設(shè)計(jì)是一種自上而下的設(shè)計(jì)方法。多實(shí)體生成的方法有四種，分別是：通過創(chuàng)建實(shí)體類的特征、通過衍生、通過復(fù)制對(duì)象、編輯零件中已有的實(shí)體類特征[5]。在雙輪有桿電動(dòng)平衡車設(shè)計(jì)過程中，主要采用這種設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，如果零件比較復(fù)雜，分割實(shí)體建模會(huì)比較方便，完成后再將其合并為一個(gè)實(shí)體。

在外形的設(shè)計(jì)上，要突出設(shè)計(jì)感和科技感、時(shí)尚、簡約的特點(diǎn)，也可以綜合考慮舒適性和實(shí)用型。多實(shí)體零件建模如圖1所示。圖中框住的區(qū)域?yàn)槎鄬?shí)體零件，包含了“車身上蓋”、“車身下蓋”、“電源”等35個(gè)實(shí)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(qiáng)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(shí)體、邊界嵌片、縫合曲面、拉伸曲面。設(shè)計(jì)造型上多以流暢、運(yùn)動(dòng)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(gè)零件組成的，而是包含多個(gè)零件。在Inventor中我們將組合在一起的多個(gè)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(dòng)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(yùn)動(dòng)關(guān)系約束等。將3.1中所創(chuàng)建的35個(gè)實(shí)體，生成零件后可得到35個(gè)零件，這些零件是按設(shè)計(jì)時(shí)各零件的位置擺放的。所以，由零件組裝成部件時(shí)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(jì)表達(dá)

4.1 表達(dá)視圖設(shè)計(jì)

Inventor表達(dá)視圖是用來表現(xiàn)部件中各個(gè)零件之間裝配關(guān)系的，我們可以用表達(dá)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(hào)和零件明細(xì)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(dá)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(dòng)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(gè)零件的代號(hào)、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(dá)到無圖化生產(chǎn)加工的條件，因此工程圖仍然是表達(dá)產(chǎn)品信息的主要媒介，是表達(dá)零部件信息的重要方式，是設(shè)計(jì)者與生產(chǎn)者交流的載體。繪制工程圖是機(jī)械設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)二維工程圖與三維實(shí)體零件模型之間的關(guān)聯(lián)更新，方便了設(shè)計(jì)過程的修改。為了更好地創(chuàng)建工程圖，往往需要對(duì)工程圖環(huán)境進(jìn)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(shí)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(jìn)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(gè)零件都有對(duì)應(yīng)的工程圖，工程圖符合產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與開發(fā)賽項(xiàng)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(jìn)行渲染和動(dòng)畫制作，生成具有真實(shí)效果的渲染圖片，以及生成裝配動(dòng)畫效果的多媒體文件。也就是說通過Inventor Studio能直接在設(shè)計(jì)環(huán)境中生成較為真實(shí)的圖像和動(dòng)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(duì)模型進(jìn)行渲染處理，得到具有真實(shí)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(shí)在圖形區(qū)將模型調(diào)整到合適大小，渲染測試時(shí)，請(qǐng)選擇低質(zhì)量的反走樣設(shè)置，盡可能節(jié)省時(shí)間，對(duì)于最終渲染，請(qǐng)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(duì)零部件進(jìn)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(qiáng)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(fèi)者追求獨(dú)特的個(gè)性化需求。圖5-圖7分別為電動(dòng)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(jì)驗(yàn)證

根據(jù)所設(shè)計(jì)的零件模型和二維零件圖，進(jìn)步一步完善、驗(yàn)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(jì)的重點(diǎn)，不在表中）。

5 總結(jié)

基于Inventor三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的雙輪有桿平衡車，突破了原有電動(dòng)平衡車存在的一些比較生硬的造型。用流暢感和運(yùn)動(dòng)感的曲面造型來描繪出具有時(shí)尚感和科技感的產(chǎn)品，滿足主要人群對(duì)于產(chǎn)品的個(gè)性需求和心理需求。本設(shè)計(jì)在安全性、實(shí)用性和舒適性、造型和價(jià)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(yàn)。

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