基于3D打印技術的帶鎖蓋的電瓶車或摩托車車鎖裝置

袁 東,羅陽君,劉 彤,毛朝江,蔡忠杰,胡阿敏

(1.貴州大學 化學與化工學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學 管理學院，貴州 貴陽 550025)

隨著城市的不斷發展，人們的日常出行越來越離不開交通工具，電動車和摩托車仍然是大部分學生、工人的首要出行工具。國內外大多數鎖具公司都主要關注于鎖具的防盜特性，而忽略了使用時的便利性。當人們在晚上啟動電瓶車或摩托車的時候，常常因光線不好而無法快速將車鑰匙插入電瓶車或者摩托車鑰匙孔里面，并且時常遇見一些揚塵或雜物污染車鎖孔，造成車鎖使用不便甚至無法使用。由此可見，目前電瓶車及摩托車車鎖的研發主要針對于其安全性能，各式各樣繁瑣的車鎖都將重點放在了防盜上，在一定程度上忽略了使用的方便性，沒有關注車鎖在夜間使用時的便捷性。

3D打印技術是通過在計算機中進行三維建模以后，以塑料或者陶瓷粉末等粘合材料，利用激光束等方式將材料進行逐層打印，從而制造出需要的零件，整個過程不需要任何模具。這種新型制造模式不僅原材料容易獲得、而且制作過程簡單，對設備的依耐性大大減小。本文針對目前市場上生產的電瓶車或摩托車車鎖存在的缺陷進行調查，設計出一種帶鎖蓋的電瓶車或摩托車車鎖。該車鎖通過鎖蓋外殼下表面安裝LED燈，鎖蓋外殼內置有紐扣電池，鎖蓋外殼通過活動連接件連接車鎖主體，讓車主晚上可以在LED燈下便捷開鎖[1]。在設計與制作過程中，利用電路設計軟件設計電路，采用Auto CAD、犀牛等軟件制作車鎖的三維模型，利用3D打印技術制作帶鎖蓋的車鎖實物放大模型，完成產品實物模型的組裝，減少了制作時間和開模成本[2]。

1 帶鎖蓋的電瓶車或摩托車車鎖原理說明

一種帶鎖蓋的電瓶車或摩托車車鎖主要采用以下技術方案實現的：如圖1所示。

圖1 車鎖結構示意圖

一種帶鎖蓋的電瓶車或摩托車車鎖，包括車鎖主體和鎖蓋外殼，鎖芯部分采用彈簧彈子，LED燈安裝在鎖蓋外殼的下表面，1.5V的可充電紐扣電池安裝在鎖蓋外殼內的電池倉里面，電路開關安裝在鎖蓋外殼的側面，鎖蓋的塑料外殼通過活動連接件連接到車鎖側面。鎖蓋外殼采用圓柱狀塑料制成，與金屬相比較，耐腐蝕且價格便宜，電路開關表面有塑料防水層，保護電路在下雨天不會受潮發生短路。當用戶不使用電瓶車時，將鎖蓋翻轉到車鎖鑰匙孔上方，可以有效防止塵土堵塞鎖孔，同時可以避免雨水進入鎖孔導致車鎖生銹；當在夜間光線較暗時，用戶按動電路開關從而打開LED燈照明，可以有效避免用戶在光線較暗時不能快速準確將鑰匙插入車鎖鎖孔的問題。

如圖2所示，電源電壓用1.5V的可充電紐扣電池，其中Q1為PNP型半導體三極管，Q2為NPN型半導體三極管。電阻R1=10.0 kΩ，電阻R2=100Ω，電感L1=0.10mH,電容C1=47μF。因為白色或藍色LED燈的正常工作電壓一般為3.6V左右，紅色或黃色LED燈的正向電壓一般為2.0V左右，正向電流If都是20mA，這里我們可以采用白色或者藍色的LED燈并聯接入電路。電路圖中箭頭的指向為當正偏電壓加在發射結時，發射極電流的實際流向。當電源接通時，由電容的特性可知電容C1兩端電壓無法突變。由于Q1為PNP型三極管，此時VBE<0，VBC>0,PNP型三極管處于放大區，Q1導通。Q2的基極有電流流入，VBE>0，VBC<0,Q2也相應導通，電源對電感L1進行充電，電感L1儲存磁場能量，由電感阻礙變化的作用可知，L1上的自感電動勢為左正右負。由于電容C1對電路的反饋，Q1的VBE<0，VBC<0，因此PNP型三極管Q1處于飽和區，同時NPN型三極管Q2因為VBE>0，VBC>0也進入飽和區。C1兩端電壓在電源的充電下逐漸升高，即三極管Q1的基極電位逐漸上升，由于VBE的絕對值減小，可知IB1逐漸減小，當IB1<=IC1/β時，三極管Q1回到放大區，三極管Q2也回到放大區，對電感L1的充電電流減小。此時，電感L1阻礙電流變化產生的自感電動勢變為左負右正，由于電容C1對電路的反饋，Q1基極電位進一步上升，當PNP型三極管Q1中VBE>0，VBC>0時，Q1進入截止區，此時NPN型三極管Q2中VBE<0，VBC<0，Q2也進入截止區，L1上儲存的能量釋放，發光管上的電源電壓加到L1上產生了自感電動勢，從而達到升壓的目的[3]。

圖2 工作電路圖

2 帶鎖蓋的電瓶車或摩托車車鎖制作過程

本車鎖裝置的制作過程流程如圖3所示。

圖3 制作流程圖

2.1 工作電路的繪制

2.1．1 設計任務要求

LED驅動電路需要提供穩定升壓電壓供電，當按下鎖蓋外殼上的電路開關時，LED燈能夠可靠持續提供照明。

2.1.2 Multisim12.0介紹

Multisim12.0作為眾多電路仿真工具中的一種，在模擬電路的仿真這一塊尤為突出，使得設計工作變得更加輕松。這款軟件將模擬和數字應用的仿真完美結合，使得用戶的設計過程變得如魚得水，與原有版本相比大大節省了設計時間。Multisim12.0這款軟件包含了原理圖的圖形以及電路硬件描述語言輸入，靈敏的捕捉和快速的仿真，讓用戶的設計、仿真、分析、驗證等過程變得更加容易。在使用Multisim12.0中文版過程中，完整的電路圖以及SPICE模擬器模仿電路行為，使得用戶能夠對電路設計進行提前驗證，從而大大縮短設計產品的建模時間[4]。

2.1．3 LED燈電路設計

如圖4，使用Multisim12.0中文版進行本帶鎖蓋的車鎖中LED電路的設計以及仿真分析。其設計主要步驟如下：

第一，選擇電源：移動鼠標到放置源，點擊左鍵，在彈出的頁面選擇中選擇Power Sources,在元器件中選擇DC Power并確認。

第二，選擇半導體三極管：移動鼠標到放置晶體管，點擊左鍵選擇BJT NPN,在元器件中選擇相應型號的Q1；同樣操作點擊左鍵選擇BJT PNP，在元器件中選擇相應型號的Q2。

第三，選擇LED：移動鼠標到放置二極管，點擊左鍵在下拉列表里面選擇LED，在元器件中選擇LED燈的顏色。

第四，選擇電阻：移動鼠標到放置基本，選中以后再下拉列表里面選擇Resistor,在元器件中選擇電阻的阻值；同樣操作選擇Capacitor,Inductor,在元器件中選擇電容和電感的大小。

第五，元器件參數設置：雙擊選中需要設定參數的元件，在彈出的菜單中可以設定元器件的標簽、顯示、值、故障、管腳、變體和用戶字段等特性。

第六，導線的連接：移動鼠標并點擊左鍵將需要連接的兩個元件的端點用紅色導線連接起來，連接過程中注意導線的橫平豎直[5]。

第七，檢查電路，進行仿真并保存文件。

圖4 “Multisim12.0”軟件截圖

2.2 車鎖外殼制作

2.2．1 設計準備階段

通過將現有常見的車鎖的外觀進行對比，確定帶鎖蓋的車鎖基本形狀；考慮LED燈、紐扣電池以及電路開關的安裝位置和大小，在原有形狀的基礎上進行調整，確定出產品的形狀；根據產品的安裝環境，選擇合適的產品材料和型號。

2.2．2 車鎖的3D建模

如圖5所示，先根據方案項目繪制帶鎖蓋的車鎖的結構圖，并對結構圖進行分析，構建產品三維模型數據包。用“Auto CAD”軟件進行產品的設計，首先確定車鎖的基本形狀，車鎖的內部構造、鎖蓋以及LED燈的基本位置,得出的3D整體模型如圖6所示。當初步模型構建完后，再對初步模型進行論證，討論車鎖在使用過程中可能出現的問題。討論完后，提出改良措施及具體的實施方案，進行模型的逐步改善，之后再進行模型討論，重復進行以上步驟，確定出最后的滿意模型。確定好模型后，利用3D打印技術制作產品實物放大模型，完成產品實物模型的組裝。利用實物模型驗證產品是否可行，提出可行性報告分析。

圖5 3D打印建模流程

圖6 3D整體模型

2．2．3 3D打印方式的選擇

圖7 SLA工藝原理圖

本設計產品采用的3D打印技術是光固化立體造型技術(SLA)，SLA技術是目前為止3D打印技術中工藝相對成熟、成型精度高、材料利用率高、操作較簡單的一種快速成型工藝。此外SLA技術在工作時采用光聚合反應，只需功率較低的激光源就可以制作傳統機床難以加工的空心零件等結構復雜的產品，制作出的產品不僅表面整潔，而且后處理簡單。在計算機三維建模完成以后，控制激光束逐點掃描原材料為光敏樹脂的外表，被掃描區域的樹脂薄層( 約十分之幾毫米) 在激光束的作用下產生光聚合反應，從而固化形成零件的部分薄層。接著工作臺向下移動一個層厚的間距，將新的液態樹脂噴在前面已經固化好的樹脂表面，然后進行下一層的掃描加工，這樣逐層重復加工，直到完成整個零件的制作[6]。其工藝過程如圖7所示。

2．2．4 3D打印所需軟件的準備

制作時需將3D模型在計算機中進行切片處理，需要用到軟件CURA。CURA這款智能的軟件不僅切片速度快，而且具有對3D模型結構容錯率高，打印效果好，設置簡單等特點。

本次制作使用CURA15.02.1版本，界面如圖8。

圖8 CURA15.02.1軟件截圖

2.2．5 3D打印過程

a．構建3D打印數據包

使用Auto CAD、犀牛等軟件將3D圖形構建成3D打印所需要的數據包。

b．對三維對象進行切片

將數據包用CURA軟件打開，然后進行切片，切片的過程就是將3D模型轉化為一堆機器指令，這些機器指令就是機器可以按照指定線路進行逐層加工的的代碼[7]。其具體操作步驟如下：

第一步，將目標文件載入，至3D對象完全呈現在畫面中。

第二步，對參數進行設置，主要設置的參數有填充密度，頂層以及底層的厚度，以及支撐類型。其界面如圖9。

圖9 設置參數界面

第三步，點擊切片按鈕，計算機開始切片工作。

c．產品后處理過程

第一步，取出產品后，首先需清理多余粉末，使用風吹的方法將表面粉末吹去，該過程主要在打印機自帶的吹掃室內進行，操作過程中一邊用風機吹，一邊用毛刷掃。吹落的粉末還可以回收使用。

第二步，此時產品的強度較低，需要用膠水進行加固，可采用浸泡的方式加固。將產品完全浸入膠水中，2s內迅速取出。加固過程完成。

第三步，將產品放置在陰涼通風處進行風干，根據經驗，風干時間應保持1h以上，得到實物模型。

3 結束語

這種采用3D打印技術的帶鎖蓋的電瓶車或摩托車車鎖裝置是在對傳統電瓶車車鎖進行了大量調查的基礎上設計而來的，不使用車時鎖蓋可以防止垃圾堵塞鎖孔，防止雨水進入鎖孔導致車鎖生銹；晚上使用時車主可以在LED燈下便捷開鎖，實用性強。本設計注重產品在使用過程中的實用性和便捷性，是在電瓶車車鎖領域內進行的一次嘗試。隨著人們對電瓶車車鎖的頻繁使用以及科技的不斷發展，該類產品會在使用中不斷得以完善，趨于智能化。

[1] 劉 彤，羅陽君.帶鎖蓋的電瓶車或摩托車車鎖:CN,201620287477.7[P].2016-08-10.

[2] 馬馳原，劉 彤，盛 健，等.一種基于3D打印技術的鎖孔防盜聲光報警裝置設計[J].山東化工，2016,45(9)：106-110.

[3] 汪世文. 兩種簡單易做的LED臺燈電路[J].電源技術應用,2012(8)：27-28．

[4] 電路仿真軟件multisim12下載.[2018-1-07].http://www.kuaihou.com/soft/320365.html.

[5] 路俊智.Multisim仿真軟件在教學中的應用研究[J]．科技風，2011(2)：206,213.

[6] 柏 祥，王宜懷，姚 鳳.基于ARM處理器的SLA快速成型控制系統設計[J]．測控技術，2015,34(11)：56-59,63.

[7] 席 駿.3D打印技術及產品簡介[J]．數碼應刷，2015(2)：27-29.