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我們的案例
2021-01-08
雙穩(wěn)態(tài)液晶膜產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造KAPI實(shí)踐項(xiàng)目
(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:
底座的位移云圖
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)
四、成品展示
(曲面造型手寫(xiě)板)
(折疊式手寫(xiě)板 折疊狀)
(折疊式手寫(xiě)板 展開(kāi)狀)
五、仿真分析
首先對(duì)于我們組第一塊手寫(xiě)板來(lái)講,由于曲面的存在,金屬加工的難度較大,所以我們組成員決定用3D打印來(lái)制造第一塊手寫(xiě)板的基體、按鈕以及蓋板.
我們從網(wǎng)上找到3D打印材料的楊氏模量、泊松比和密度,自定義到材料庫(kù)中,方便我們之后對(duì)手寫(xiě)板進(jìn)行受力分析.
ABS材料屬性
之后我們將用SOLIDWORKS建好的模型另存為x_t文件,讓后將模型導(dǎo)入到ansys中,在ansys的建模軟件中對(duì)模型進(jìn)行細(xì)微的修改,簡(jiǎn)化一下模型,縮短之后的有限元分析時(shí)間.
首先我們先對(duì)手寫(xiě)板的基體進(jìn)行受力分析,看看在不加其它物體的情況下,自身是否能承受一定的力而保持變形量很小,試驗(yàn)一下在底座的哪個(gè)地方是變形比較嚴(yán)重的點(diǎn)、應(yīng)力比較大的點(diǎn).
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
底座的位移云圖
底座的應(yīng)力云圖
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.
諧載荷分析模型
手寫(xiě)板的固有頻率
5Hz諧載荷響應(yīng)表 5Hz諧載荷響應(yīng)圖
從上面的諧載荷分析結(jié)果可以看出,在30N的諧載荷作用下,手寫(xiě)板平面的變形時(shí)很小的,最大只有0.00412mm,在平時(shí)的使用中,基本不會(huì)影響使用者的體驗(yàn).
對(duì)于折疊式手寫(xiě)板所材料屬性也都大同小異,所加載荷為底板固定,上面給一個(gè)壓力載荷.從結(jié)果可見(jiàn)手寫(xiě)板完全承受在正常使用情況下所受的力.
(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).
2)可更換電池設(shè)計(jì). 在兩塊板的內(nèi)側(cè)設(shè)有電池槽,電池槽的孔位結(jié)構(gòu)如圖:
,電池槽上半部分有一個(gè)V形槽,允許一定量的形變,頂端有一個(gè)圓形突出,用于將電池槽固定于板內(nèi),需要更換電池的時(shí)候只需要按壓V形槽,使其發(fā)生形變,就能將電池槽取出.
(3)筆架設(shè)計(jì) 這塊折疊式手寫(xiě)板我們并沒(méi)有沿用形變式卡槽設(shè)計(jì),而是利用其蓋合特性設(shè)計(jì)了一個(gè)筆槽,兩塊板閉合的時(shí)候能夠把筆牢牢卡住.同時(shí)展開(kāi)手寫(xiě)的時(shí)候筆槽也能暫時(shí)放筆.
七、遇到的困難與不足
這兩塊板的加工過(guò)程也并不是一帆風(fēng)順的,相反,我們?cè)诩庸ぶ圃熘杏龅搅撕芏嗟睦щy.
第一大困難是加工精度問(wèn)題.最為明顯的是3D打印,所打印的產(chǎn)品表面精度難以達(dá)到預(yù)期需求,激光加工也存在較大誤差.這些存在的精度問(wèn)題最終導(dǎo)致了裝配過(guò)程中的配合問(wèn)題,在solidwork裝配圖里面可以實(shí)現(xiàn)完美配合的尺寸實(shí)際制造出來(lái)后根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)配合,這是由于考慮的余量不夠,特別是對(duì)于零部件比較多的折疊式手寫(xiě)板,尺寸修改了多次才成功配合.對(duì)于曲面手寫(xiě)板,更是經(jīng)過(guò)多次磨削才使表面質(zhì)量勉強(qiáng)過(guò)得去.
第二大困難是電路板的連接問(wèn)題.由于我們需要把電路板和電池舒適地放置在槽中,我們把電路板進(jìn)行了稍微的改造,用導(dǎo)電帶實(shí)現(xiàn)正負(fù)極連接,使電池得以平放.然而由于電路板與液晶膜極其敏感脆弱,研究如何連接才能使其正常工作花了我們較長(zhǎng)時(shí)間,甚至燒壞了不止一塊電路板.
第一個(gè)不足在于電池槽的設(shè)計(jì)由于最終配合時(shí)電池與電路板出現(xiàn)一點(diǎn)擾動(dòng)都會(huì)失靈,最終放棄了電池槽的裝配,沒(méi)能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)更換電池的功能.
二是由于沒(méi)有時(shí)間讓我們?nèi)プ鲫?yáng)極氧化,我們只得用絕緣膠帶進(jìn)行絕緣處理.
三是設(shè)計(jì)上不夠完美和新穎.比如鉸鏈的設(shè)計(jì),比較的常規(guī),膜的形狀比較單一,兩塊板加在一起會(huì)比較的重,也即輕量化設(shè)計(jì)方面我們?nèi)杂休^大未考慮到的余量.
(電路板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖)
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.
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