一種便攜式吸塵器數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)*

盧　鑫，謝子豪，韓　峰，武振鋒

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

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一種便攜式吸塵器數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)*

盧鑫，謝子豪，韓峰，武振鋒

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

根據(jù)便攜式吸塵器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其劃分為底座、工作裝置、輪組以及附件等四個(gè)部分。采用CATIA V5軟件所支持的NURBS建模方式，完成了便攜式吸塵器四個(gè)組成部分的三維模型設(shè)計(jì)。在虛擬環(huán)境下，采用同軸、貼合以及距離等約束方法，完成了便攜式吸塵器數(shù)字化樣機(jī)的虛擬裝配，為便攜式吸塵器后續(xù)零部件模具制造提供數(shù)據(jù)支持，也為完成其他曲面類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程提供了思路和方法。

吸塵器NURBS虛擬裝配數(shù)字化樣機(jī)

0　引言

數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)是指在制造產(chǎn)品之前，應(yīng)用計(jì)算輔助設(shè)計(jì)工具，建立產(chǎn)品的三維幾何模型和裝配模型。因?yàn)閿?shù)字化樣機(jī)技術(shù)可以用數(shù)字樣機(jī)代替原型樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能展示，所以有利于提高產(chǎn)品研發(fā)和投入市場(chǎng)的速度。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以采用產(chǎn)品的數(shù)字化樣機(jī)完成設(shè)計(jì)驗(yàn)證和仿真過程，可以達(dá)到減少甚至取代物理樣機(jī)的目的，有利于降低產(chǎn)品的開發(fā)成本[1-2]。

吸塵器是一種在家庭、賓館、商場(chǎng)、寫字樓等處已被廣泛使用的清潔裝置，其工作原理為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使集塵室內(nèi)形成局部真空，灰塵隨壓差氣流進(jìn)入到集塵室內(nèi)，通過濾塵裝置，灰塵留存在集塵室內(nèi)，清潔空氣從排氣口排出。為了使數(shù)字化樣機(jī)與后續(xù)的產(chǎn)品制造過程緊密銜接，保持?jǐn)?shù)據(jù)格式的一致性，多數(shù)的設(shè)計(jì)人員放棄了3Dmax、Rhino、C4D等創(chuàng)意類三維軟件，而是采用CATIA、Pro/E、UG等CAD/CAM一體化軟件[3]。本文采用CATIA V5軟件，著重介紹了一種便攜式吸塵器數(shù)字化樣機(jī)的設(shè)計(jì)過程，為后續(xù)的吸塵器零部件模具制造提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

1　數(shù)字化樣機(jī)數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)

CATIA V5是Dassault system公司與IBM公司聯(lián)合推出的一款集CAD/CAE/CAM為一體的專業(yè)化軟件，且其特有的曲面造型技術(shù)為高效完成復(fù)雜型面產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了諸多便捷條件，所以目前該軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車、船舶制造以及廠房設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域[4-5]。

CATIA軟件全面支持NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines，簡(jiǎn)稱非均勻有理B樣條曲線)建模方法[4-5]。NURBS方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)B樣條方法的改進(jìn)，通過調(diào)整控制點(diǎn)或權(quán)因子的數(shù)值，可以修改曲線或曲面的局部形狀，達(dá)到靈活控制產(chǎn)品表面曲線度的目的。因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布的工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)將NURBS作為定義工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學(xué)方法[6]。

1.1NURBS曲線

一條k次的NURBS曲線定義為：

(1)

式中，di(i=0，1，…，n)為曲線的控制點(diǎn)，控制點(diǎn)通常不在曲線上，但控制點(diǎn)圍成的多邊形決定的NURBS曲線的走向[7]。wi(i=0，1，…，n)是控制點(diǎn)的權(quán)因子，決定了控制點(diǎn)與曲線之間的距離，要求首末權(quán)因子w0和wn>0 (通常取w0=wn=1)，其余wi≥0，以防止出現(xiàn)分母為零或曲線因權(quán)因子退化為一點(diǎn)的情況。Ni，k(u)為k次B樣條曲線的基函數(shù)。

1.2NURBS曲面

k×l冪次的NURBS曲面可以表示為：

(2)

式中，di，j(i=0，1，…，n，j=0，1，…，m)為NURBS曲面的空間網(wǎng)格控制點(diǎn)，wi，j(i=0，1，…，n，j=0，1，…，m)是與控制點(diǎn)di，j相關(guān)聯(lián)的權(quán)因子，規(guī)定四角頂點(diǎn)處用正因子，即w0，0，wm，0，w0，n和wm，n表示，其余wi，j≥0。Ni，k(u)(i=0，1，…，n)和Nj，l(v)(j=0，1，…，m)分別是u向k次和v向l次的B樣條基函數(shù)。

2　便攜式吸塵器數(shù)字化建模

便攜式吸塵器通常主要采用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)工程塑料制作而成，具有外形美觀、重量輕等特點(diǎn)。根據(jù)便攜式吸塵器的結(jié)構(gòu)組成與功能，可以將其分為底座、工作裝置、輪組以及附件四個(gè)部分。數(shù)字化建模方法主要包括面向幾何的數(shù)字建模、基于特征的數(shù)字建模和基于知識(shí)的數(shù)字建模等，本文采用基于特征的數(shù)字建模方法。

2.1底座建模

為了使便攜式吸塵器具有美觀的外部形狀，底座的兩側(cè)面采用凹面，上部挖槽用來放置吸塵器的工作裝置。首先在CATIA“創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)”工作臺(tái)中采用逐點(diǎn)輸入的方式，分別創(chuàng)建空間曲線1、曲線2和曲線3，然后分別用橋接曲線4和5連接曲線1和曲線2，連續(xù)級(jí)別設(shè)置為曲率連續(xù)，最后將以上五條曲線進(jìn)行光順處理，最大誤差值設(shè)為0.001 mm。五條曲線的走向與形狀如圖1所示。

首先以曲線1為截面線，曲線2、4、5組合后的曲線為引導(dǎo)線，掃略生成底座的正視曲面，再以曲線3為截面線，其余四條曲線為引導(dǎo)線，掃略生成底座的兩側(cè)視曲面。底座上部的凹形區(qū)域用于放置吸塵器的工作裝置，該區(qū)域采用“移除多截面實(shí)體”的方法完成，創(chuàng)建完成后的底座外形如圖2所示。

2.2工作裝置建模

便攜式吸塵器的工作裝置主要包括集塵器、濾塵器、風(fēng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)以及附屬的外罩和把手等。以上零部件除把手外都屬于實(shí)體類零件，可以采用“零件設(shè)計(jì)”工作臺(tái)中的“草圖”、“凸臺(tái)”、“旋轉(zhuǎn)體”等功能完成設(shè)計(jì)過程。工作裝置的把手屬于曲面零件，采用掃略的方法生成，其截面線設(shè)為平面橢圓曲線，引導(dǎo)線為空間曲線。此外，為了清楚地表示工作裝置的每一部分，將外罩設(shè)置成一定的透明度，裝配完成后的吸塵器工作裝置如圖3所示。

圖3　吸塵器工作裝置

2.3輪組建模

圖4　吸塵器后輪

吸塵器的輪組是支撐底座和工作裝置的旋轉(zhuǎn)零件，分為前輪和后輪，其中前輪為單輪，后輪為一對(duì)車輪。前輪的設(shè)計(jì)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，通過旋轉(zhuǎn)即可完成。后輪包括輪轂、輪輻和輪緣三部分，其中輪轂和輪軸采用一體化設(shè)計(jì)，輪輻為五等分放射狀排列的變截面桿件，輪緣為繞輪軸旋轉(zhuǎn)形成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)完成后的吸塵器后輪如圖4所示。

2.4附件建模

圖5　吸塵器附件模型

吸塵器的附件主要包括吸塵管和吸嘴，其中吸塵管部分主要采用“零件設(shè)計(jì)”工作臺(tái)中的“掃略”、“凸臺(tái)”以及“多截面實(shí)體”等功能完成，吸嘴部分主要采用“凸臺(tái)”功能完成。設(shè)計(jì)完成后的吸塵器附件如圖5所示。

3　吸塵器零部件裝配

圖6　吸塵器虛擬裝配模型

便攜式吸塵器的主要組成部分，包括底座、工作裝置、輪組以及附件設(shè)計(jì)完畢后，在虛擬環(huán)境下，可以完成以上零部件的裝配。其中底座與工作裝置采用面貼合約束，底座與輪組采用同軸和距離約束，底座和附件采用同軸和面貼合約束。裝配完成后吸塵器外形如圖6所示。

4　結(jié)論

為了迎合廣大消費(fèi)者審美能力的提高， 曲面形態(tài)的產(chǎn)品在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。平面類產(chǎn)品通常給消費(fèi)者的印象是挺拔與剛直，而

曲面外形的產(chǎn)品則更多體現(xiàn)了柔和與親切之美。應(yīng)用CAD軟件進(jìn)行三維造型是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，而曲面造型則是三維造型中的難點(diǎn)內(nèi)容之一。利用CATIA V5所提供的混合建模方式，設(shè)計(jì)人員可以反復(fù)使用多個(gè)工作臺(tái)所提供的具體設(shè)計(jì)工具，為完成復(fù)雜型面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了便捷的條件。

便攜式吸塵器數(shù)字化樣機(jī)對(duì)于后續(xù)產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)具有重要意義。根據(jù)吸塵器部件的數(shù)字化模型，在充分考慮澆口位置與數(shù)量、分模面位置、型腔結(jié)構(gòu)、材料溫度與澆注速度以及脫模機(jī)構(gòu)等問題的基礎(chǔ)上，可以制造出產(chǎn)品的注塑模具。本文只側(cè)重研究了便攜式吸塵器的數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)過程，而對(duì)后續(xù)的模具設(shè)計(jì)仍有待于做進(jìn)一步研究和探討。

[1]歐陽波，賀赟．工業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計(jì)流程[J]．包裝工程，2011，32(16)：70-72.

[2]李蘇紅，潘志剛，孟祥寶，等. CATIA V5實(shí)體造型與工程圖設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2008.

[3]陳華偉，吳祿慎，袁小翠．CATIA開發(fā)環(huán)境下NURBS曲線面計(jì)算模型[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2015，36(10)：2781-2786.

[4]劉國(guó)田，宋瑞東，李松，等．基于 CATIA 的葉片曲面造型技術(shù)研究[J]．現(xiàn)代機(jī)械，2015(2)：43-46.

[5]陳周鋒，武振鋒．基于NURBS理論的列車曲面優(yōu)化方法[J]．鐵道機(jī)車車輛，2014，34(1)：23-27.

[6]武振鋒，陳周鋒．基于CATIA的CRH380AL動(dòng)車組頭車三維曲面設(shè)計(jì)[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2013，46(5)：635-639.

[7]武振鋒，馬寧波，楊欣翥，等．基于CATIA的A級(jí)曲面定義及其評(píng)價(jià)方法研究[J]．現(xiàn)代制造工程，2012(5)：60-62.

Digital prototype design of a portable vacuum cleaner

LU Xin, XIE Zihao, HAN Feng, WU Zhenfeng

Considering the structural features of the portable vacuum cleaner, we divided it into four parts, including base, working device, wheels and accessories. We established the 3D models of the four parts using CATIA V5 which supported NURBS method. Then the digital prototype of the portable vacuum cleaner was assembled in a virtual environment by coaxial constraint, mate constraint and distance constraint. This study not only provided data support for subsequent mould manufacturing of portable vacuum cleaner parts, but also provided methods for the design of other surface products.

vacuum cleaner，NURBS，virtual assembly，digital prototype

TH128

A

1002-6886(2016)04-0067-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11462011)；蘭州交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目(201619)。

盧鑫 (1991-)，男，漢族，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜型面產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)。

2016-02-24