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摘要:本次雙穩(wěn)態(tài)液晶產品設計制造訓練中,我們小組決定從可折疊和曲面造型為出發(fā)點,設計并制造了兩款手寫板產品,并對其分別進行了ansys分析,制造過程中發(fā)現(xiàn)了許多設計與制造結合上的缺陷,收獲了很多經(jīng)驗.

 

一、方案的提出

 

項目啟動前,經(jīng)我們小組討論,有兩個可行方案,其一是圍繞曲面造型,其二是圍繞折疊式手寫板,經(jīng)過權衡,考慮到我們組有三名隊員,我們決定把兩個方案同時進行下去,即使一個方案沒有實現(xiàn)也還能有另一個方案.

 

二、構思與建模

 

A.曲面手寫板

 

曲面手寫板我們最想得到的效果是其空間立體感,即外觀上的視覺沖擊.初步設想是一個弧面(圖示)整體外觀有了便設計細節(jié),首先想到的是筆的放置問題,考慮到該手寫板的弧形外觀會造成底部會有比較大的空間,正好可以放置手寫筆同時不會影響到外觀.

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

B.折疊式手寫板

 

折疊式手寫板我們的最大期望是使其最大限度的接近工業(yè)產品.由于時間問題,考慮到加工的設備有限,我們沒有花太多時間在設計新奇外觀.兩塊板采用長方形鏡像設計,主體各由三塊板組成.第一塊是外殼,使整個產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.

(圖示按順序為底板、中間板、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,我們的曲面手寫板不考慮用金屬加工來做.考慮到3D打印的靈活性,曲面手寫板主要采用3D打印工藝,將整個手寫板分為三塊進行分別打印,依靠摩擦進行緊固.

 

而對于另一塊折疊式手寫板,鑒于我們主要以工藝性為主要設計目的,我們采用鋁合金制作其底板和蓋板,使其整個外觀更加整潔,具有金屬質感.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,中間一塊設定為亞克力板.而對于折疊鉸鏈、電池槽、筆槽等細小且形狀復雜的零件一律考慮用3D打印工藝.

 

零件細節(jié)圖示:

(從左到右依次為鉸鏈、電池槽、筆槽)

Ansys中導入的模型

 

之后我們將模型的四個支點進行固定,然后對整個模型施加重力,重力加速度設為9.8m/,再對底座的上表面施加3000Pa的壓力,看看在模型受壓力和重力的情況下會不會發(fā)生大變形能不能承受住這么大的壓力.

設定的分析條件

可以通過最后的結果圖發(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;最大應力值出現(xiàn)在底座的四個支撐點上,最大應力值為19.86MPa,而工程abs塑料的許用應力值為24.5MPa.可以看出即使在3000Pa的壓力作用在整個面下,底座仍然能承受.那么在通常在手寫板上寫字的時候,底座仍然能承受住壓力,不會產生較大變形.但是有一點需要注意:由于底座是靠4個支點支撐,所以底座上不能放置太重的物體,以免支點上的應力大于abs的許用應力,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入ansys,對裝配體進行模態(tài)分析,最后用在手寫板加載1—5Hz的諧載荷來模擬寫字、畫圖狀態(tài)下,手寫板會不會出現(xiàn)松動.

 

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

 

緊固部分設計為摩擦接觸

然后對手寫板進行模態(tài)分析.

 

將模型的四個支點固定后,對整個模型進行模態(tài)分析,計算出手寫板的固有頻率,通過這個基礎,再向手寫板平面上施加頻率為1—5Hz、大小為30N的諧載荷,觀察形變.用以模擬人在手寫板上寫字的時候,手寫板的變形情況.

(整體應變云圖)

(整體位移分析)

 

五、設計亮點舉例

 

本次項目里面的折疊式手寫板主要是由我設計并加工的,因此這里主要談折疊手寫板的設計亮點.

 

(1)折疊板的閉合與展開方式. 最初我的設想是采用門閂結構,將兩塊板當作門,手寫筆當作閂,手寫板閉合,可將筆插入,完成鎖緊.后期考慮到功能實現(xiàn)所需要的制造精度與難度都相對較高,該方案未能實現(xiàn).

 

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

八、 感悟與展望

 

這次手寫板的制造過程我的收獲非常多.畢竟這是第一次從結構設計、工藝選擇到具體項目規(guī)劃都自主完成的產品制造,而且我認為我們組的成品效果都比較不錯.

 

很多細節(jié)上的東西,比如我為了提高3D打印的表面精度曾請教過老師,知道了較小零件的表面質量是可以通過調節(jié)打印速度、材料密度、結合方式等來保障的.比如設計的時候一定要留下充足的加工余量,同時也要考慮到材料強度要求.比如鋁合金加工的時候可以使用適量的筋結構減小加工的形變量.

 

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

 

板的設計有許多可改進的地方,如將鉸鏈設計為隱藏式的,將兩塊屏幕拼接在一起、板的外形新穎化和輕量化設計等等.有些設計上面的靈感我們應該多觀察網(wǎng)絡上前輩們的設計以汲取經(jīng)驗.

 

對于功能方面,手寫板的功能有待開發(fā).我們目前只能實現(xiàn)黑白的擦寫,這與一塊普通筆記本無異.未來若有條件,我會考慮加裝藍牙設備,與電子設備連接,實現(xiàn)實時儲存,同時可加一些輔助書寫的網(wǎng)格于手寫膜表面.最期待的則是對于手寫板的核心——雙穩(wěn)態(tài)液晶手寫膜的研究,實現(xiàn)手寫板的彩繪功能.

 

最后對于給與我們實習機會以及配合我們加工的全體老師表示由衷的感激.