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摘要:本次雙穩(wěn)態(tài)液晶產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造訓(xùn)練中,我們小組決定從可折疊和曲面造型為出發(fā)點(diǎn),設(shè)計(jì)并制造了兩款手寫(xiě)板產(chǎn)品,并對(duì)其分別進(jìn)行了ansys分析,制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了許多設(shè)計(jì)與制造結(jié)合上的缺陷,收獲了很多經(jīng)驗(yàn).

 

一、方案的提出

 

項(xiàng)目啟動(dòng)前,經(jīng)我們小組討論,有兩個(gè)可行方案,其一是圍繞曲面造型,其二是圍繞折疊式手寫(xiě)板,經(jīng)過(guò)權(quán)衡,考慮到我們組有三名隊(duì)員,我們決定把兩個(gè)方案同時(shí)進(jìn)行下去,即使一個(gè)方案沒(méi)有實(shí)現(xiàn)也還能有另一個(gè)方案.

 

二、構(gòu)思與建模

 

A.曲面手寫(xiě)板

 

曲面手寫(xiě)板我們最想得到的效果是其空間立體感,即外觀上的視覺(jué)沖擊.初步設(shè)想是一個(gè)弧面(圖示)整體外觀有了便設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),首先想到的是筆的放置問(wèn)題,考慮到該手寫(xiě)板的弧形外觀會(huì)造成底部會(huì)有比較大的空間,正好可以放置手寫(xiě)筆同時(shí)不會(huì)影響到外觀.

為了有放置電池電路板的空間,我們采用夾層式設(shè)計(jì),即在這個(gè)底板上加一個(gè)蓋板,中間的部分可以放置液晶膜、電池板等電路元件.(圖示)

B.折疊式手寫(xiě)板

 

折疊式手寫(xiě)板我們的最大期望是使其最大限度的接近工業(yè)產(chǎn)品.由于時(shí)間問(wèn)題,考慮到加工的設(shè)備有限,我們沒(méi)有花太多時(shí)間在設(shè)計(jì)新奇外觀.兩塊板采用長(zhǎng)方形鏡像設(shè)計(jì),主體各由三塊板組成.第一塊是外殼,使整個(gè)產(chǎn)品可以有完好的外觀;第二塊是中間板,用以承受主要壓力以及放置電路板、液晶膜等電路元件.第三塊為蓋板,用于固定電路元件.

(圖示按順序?yàn)榈装濉⒅虚g板、蓋板)整體裝配圖、爆炸圖如下:

 

三、加工工藝的選擇

 

由于曲面造型金屬加工有較高的難度與工藝成本,我們的曲面手寫(xiě)板不考慮用金屬加工來(lái)做.考慮到3D打印的靈活性,曲面手寫(xiě)板主要采用3D打印工藝,將整個(gè)手寫(xiě)板分為三塊進(jìn)行分別打印,依靠摩擦進(jìn)行緊固.

 

而對(duì)于另一塊折疊式手寫(xiě)板,鑒于我們主要以工藝性為主要設(shè)計(jì)目的,我們采用鋁合金制作其底板和蓋板,使其整個(gè)外觀更加整潔,具有金屬質(zhì)感.中間板主要為平面加工,考慮到激光加工平面加工的方便性,中間一塊設(shè)定為亞克力板.而對(duì)于折疊鉸鏈、電池槽、筆槽等細(xì)小且形狀復(fù)雜的零件一律考慮用3D打印工藝.

 

零件細(xì)節(jié)圖示:

(從左到右依次為鉸鏈、電池槽、筆槽)

Ansys中導(dǎo)入的模型

 

之后我們將模型的四個(gè)支點(diǎn)進(jìn)行固定,然后對(duì)整個(gè)模型施加重力,重力加速度設(shè)為9.8m/,再對(duì)底座的上表面施加3000Pa的壓力,看看在模型受壓力和重力的情況下會(huì)不會(huì)發(fā)生大變形能不能承受住這么大的壓力.

設(shè)定的分析條件

可以通過(guò)最后的結(jié)果圖發(fā)現(xiàn),底座的最大位移出現(xiàn)在底座的中心處,位移量為1.86mm,數(shù)值上是比較小的;最大應(yīng)力值出現(xiàn)在底座的四個(gè)支撐點(diǎn)上,最大應(yīng)力值為19.86MPa,而工程abs塑料的許用應(yīng)力值為24.5MPa.可以看出即使在3000Pa的壓力作用在整個(gè)面下,底座仍然能承受.那么在通常在手寫(xiě)板上寫(xiě)字的時(shí)候,底座仍然能承受住壓力,不會(huì)產(chǎn)生較大變形.但是有一點(diǎn)需要注意:由于底座是靠4個(gè)支點(diǎn)支撐,所以底座上不能放置太重的物體,以免支點(diǎn)上的應(yīng)力大于abs的許用應(yīng)力,致使底座變形.

 

既然底座在一般狀況下是可以使用的,那么我們將裝配體導(dǎo)入ansys,對(duì)裝配體進(jìn)行模態(tài)分析,最后用在手寫(xiě)板加載1—5Hz的諧載荷來(lái)模擬寫(xiě)字、畫(huà)圖狀態(tài)下,手寫(xiě)板會(huì)不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng).

 

將裝配體導(dǎo)入后,我們首先將蓋板和底座的接觸設(shè)為摩擦接觸,摩擦系數(shù)設(shè)為0.3.其它地方的接觸由于不是關(guān)鍵部位,所以就直接設(shè)為主體接觸,不設(shè)置摩擦.

 

緊固部分設(shè)計(jì)為摩擦接觸

然后對(duì)手寫(xiě)板進(jìn)行模態(tài)分析.

 

將模型的四個(gè)支點(diǎn)固定后,對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行模態(tài)分析,計(jì)算出手寫(xiě)板的固有頻率,通過(guò)這個(gè)基礎(chǔ),再向手寫(xiě)板平面上施加頻率為1—5Hz、大小為30N的諧載荷,觀察形變.用以模擬人在手寫(xiě)板上寫(xiě)字的時(shí)候,手寫(xiě)板的變形情況.

(整體應(yīng)變?cè)茍D)

(整體位移分析)

 

五、設(shè)計(jì)亮點(diǎn)舉例

 

本次項(xiàng)目里面的折疊式手寫(xiě)板主要是由我設(shè)計(jì)并加工的,因此這里主要談?wù)郫B手寫(xiě)板的設(shè)計(jì)亮點(diǎn).

 

(1)折疊板的閉合與展開(kāi)方式. 最初我的設(shè)想是采用門(mén)閂結(jié)構(gòu),將兩塊板當(dāng)作門(mén),手寫(xiě)筆當(dāng)作閂,手寫(xiě)板閉合,可將筆插入,完成鎖緊.后期考慮到功能實(shí)現(xiàn)所需要的制造精度與難度都相對(duì)較高,該方案未能實(shí)現(xiàn).

 

最后采用的是磁鐵吸附的方式,模型中板兩側(cè)的圓形沉孔用于放置磁鐵,磁鐵吸附的優(yōu)點(diǎn)在于可重復(fù)使用率高,且操作方便,該功能得以完美實(shí)現(xiàn).

八、 感悟與展望

 

這次手寫(xiě)板的制造過(guò)程我的收獲非常多.畢竟這是第一次從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝選擇到具體項(xiàng)目規(guī)劃都自主完成的產(chǎn)品制造,而且我認(rèn)為我們組的成品效果都比較不錯(cuò).

 

很多細(xì)節(jié)上的東西,比如我為了提高3D打印的表面精度曾請(qǐng)教過(guò)老師,知道了較小零件的表面質(zhì)量是可以通過(guò)調(diào)節(jié)打印速度、材料密度、結(jié)合方式等來(lái)保障的.比如設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要留下充足的加工余量,同時(shí)也要考慮到材料強(qiáng)度要求.比如鋁合金加工的時(shí)候可以使用適量的筋結(jié)構(gòu)減小加工的形變量.

 

看到了3D打印技術(shù)存在的不足,比如打印效率以及加工精度,這也是未來(lái)打印機(jī)的可發(fā)展方向.

 

板的設(shè)計(jì)有許多可改進(jìn)的地方,如將鉸鏈設(shè)計(jì)為隱藏式的,將兩塊屏幕拼接在一起、板的外形新穎化和輕量化設(shè)計(jì)等等.有些設(shè)計(jì)上面的靈感我們應(yīng)該多觀察網(wǎng)絡(luò)上前輩們的設(shè)計(jì)以汲取經(jīng)驗(yàn).

 

對(duì)于功能方面,手寫(xiě)板的功能有待開(kāi)發(fā).我們目前只能實(shí)現(xiàn)黑白的擦寫(xiě),這與一塊普通筆記本無(wú)異.未來(lái)若有條件,我會(huì)考慮加裝藍(lán)牙設(shè)備,與電子設(shè)備連接,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存,同時(shí)可加一些輔助書(shū)寫(xiě)的網(wǎng)格于手寫(xiě)膜表面.最期待的則是對(duì)于手寫(xiě)板的核心——雙穩(wěn)態(tài)液晶手寫(xiě)膜的研究,實(shí)現(xiàn)手寫(xiě)板的彩繪功能.

 

最后對(duì)于給與我們實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)以及配合我們加工的全體老師表示由衷的感激.