本文摘要：摘要：目的實現(xiàn)玩具類產(chǎn)品的機械運動機構(gòu)的紙質(zhì)化。結(jié)合紙材料的力學(xué)特性，探索紙材料應(yīng)用于機械產(chǎn)品制作的可行性，以及基于紙材料的機械零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。方法依據(jù)紙材料本身特性，并結(jié)合機械運動機構(gòu)的傳動方式，思考紙質(zhì)機械機構(gòu)設(shè)計的方式，總結(jié)出轉(zhuǎn)
摘要：目的實現(xiàn)玩具類產(chǎn)品的機械運動機構(gòu)的紙質(zhì)化。結(jié)合紙材料的力學(xué)特性，探索紙材料應(yīng)用于機械產(chǎn)品制作的可行性，以及基于紙材料的機械零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。方法依據(jù)紙材料本身特性，并結(jié)合機械運動機構(gòu)的傳動方式，思考紙質(zhì)機械機構(gòu)設(shè)計的方式，總結(jié)出轉(zhuǎn)動副、移動副、齒輪等各類典型機械運動機構(gòu)紙質(zhì)化設(shè)計方法，在實現(xiàn)運動功能的基礎(chǔ)上確保運動零件的力學(xué)強度。同時以紙質(zhì)齒輪設(shè)計為例，利用CorelDraw作為二次開發(fā)平臺開發(fā)插件，降低紙質(zhì)機械機構(gòu)設(shè)計的操作難度。結(jié)論以機械玩具產(chǎn)品為案例，對紙質(zhì)材料力學(xué)特性的機械機構(gòu)設(shè)計方法進(jìn)行了實踐，論證了低成本機械玩具創(chuàng)意設(shè)計方法的可行性，為機械產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計探索了新的材料選擇，也為紙產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展提供了更多的設(shè)計概念。
關(guān)鍵詞：紙質(zhì)機構(gòu);機械機構(gòu);機構(gòu)設(shè)計;紙材料
機械方向論文范文：人工智能與機械電子工程的相關(guān)性分析
【摘要】隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，對人工智能技術(shù)有著很好的推動作用。在人們?nèi)粘Ｉ钆c工作中均有著一定的應(yīng)用，諸如智能家居、自動駕駛汽車、智能機器人等，人工智能的發(fā)展對人們有著很好的現(xiàn)意義。機械電子工程作為傳統(tǒng)工業(yè)中重要組成部分，人工智能技術(shù)也逐漸應(yīng)用其中，兩者發(fā)展均能推動對方實現(xiàn)可持續(xù)的健康發(fā)展。本文對人工智能和機械電子工程間的相關(guān)性進(jìn)行分析，以期對兩者的發(fā)展均有推動作用。
紙不僅僅是作為書寫、印刷的載體，其還被用于制作各種工藝作品[1]。紙材料具有化整為零、方便棄舍、回收率高、能廢舊利用、循環(huán)再生產(chǎn)等特點[2]，可以作為用戶進(jìn)行產(chǎn)品DIY的材料。相比較于金屬和塑料材料，具有無需開模、機械加工設(shè)備等優(yōu)勢，適合用于制作玩具產(chǎn)品。紙作為產(chǎn)品制作材料也面臨著一些問題，如強度、剛性等力學(xué)性能的欠缺。因此紙質(zhì)機構(gòu)的設(shè)計方法與金屬和塑料存在一定差異。本文主要面向該問題探索一些通用機構(gòu)的紙質(zhì)材料設(shè)計方法，并基于機械玩具實例進(jìn)行設(shè)計驗證。
1紙質(zhì)機構(gòu)的研究現(xiàn)狀
目前市場上的紙質(zhì)機械產(chǎn)品主要有立體書、活動式紙玩具、產(chǎn)品包裝、家具等幾類。立體書(pop—upbook)又被稱為可動書、機關(guān)書以及玩具書等等[3]。早期的立體書多為翻開書頁時可在頁面上自動跳出三維空間造型的書籍[4]，近期的立體書則運用了折疊、拉動、鏤空等方式，使讀者與書籍的互動進(jìn)一步加強[5]。
哈佛大學(xué)WYSS研究所和麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室聯(lián)合發(fā)布了一款軟體機器人[6]，它能夠拉起超過自身重量1000倍的重量，其折紙規(guī)則的變化會使機器人產(chǎn)生不同的運動軌跡，甚至完成三維方向的扭動。浙江大學(xué)的《設(shè)計思維與表達(dá)》[7]課程中，學(xué)生通過紙張和電機完成一件折紙機器人作品，其不同的折紙規(guī)則產(chǎn)生不同運動的形式。產(chǎn)品包裝、家具、辦公用品類的紙質(zhì)產(chǎn)品則使用具有一定強度的紙板作為材料，如Amazon的紙箱玩具、Google紙盒等產(chǎn)品。
在紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計的學(xué)術(shù)研究方面：俞夢杰通過對紙產(chǎn)品設(shè)計、用戶創(chuàng)新相關(guān)理論和計算機輔助設(shè)計的研究，實現(xiàn)紙質(zhì)產(chǎn)品用戶創(chuàng)新設(shè)計原型系統(tǒng)的建立[8]。酈鈺筠建立廢紙密集切割CAD系統(tǒng)基本功能架構(gòu)，開發(fā)原型系統(tǒng)，并運用參數(shù)化技術(shù)實現(xiàn)廢紙密集切割的快速設(shè)計[9]。甘菁菁利用CorelDRAW作為二次開發(fā)平臺，通過計算機設(shè)計輔助完成對原型系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)玩具類產(chǎn)品的紙質(zhì)機械機構(gòu)的參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到快速設(shè)計與制作的目的[10]。紙質(zhì)機構(gòu)涉及到的機械機構(gòu)類型主要包括四種：鉸鏈、滑塊、凸輪傳動、齒輪傳動等四種。前三種已經(jīng)有了一些設(shè)計方法見諸文獻(xiàn)，但齒輪傳動的紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計案例尚不多見。
JamesSmithRudolph給出了制作紙質(zhì)鐘表機構(gòu)所需的所有零件刀版圖[11]，其中紙質(zhì)齒輪的制作方法模仿金屬或塑料零件的做法，用于紙質(zhì)齒輪上存在很多問題，如制作過程繁瑣、精度低等。目前紙質(zhì)機構(gòu)的相關(guān)研究和實踐主要集中在靜態(tài)產(chǎn)品，可活動的紙產(chǎn)品也只限于簡單的運動形式，利用復(fù)雜機構(gòu)原理的紙產(chǎn)品并不多見。
2紙質(zhì)機構(gòu)的設(shè)計分析與方法
紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計首先需要考慮到紙材料的選用，保證其強度且裁切方便;其次選擇相關(guān)機構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討機構(gòu)紙質(zhì)化的實現(xiàn)方法;最后基于具體應(yīng)用背景給出完整解決方案。
2.1紙材料的類型
常用的紙材料主要有新聞紙、膠版印刷紙、銅版紙、低定量涂布紙、白卡紙、白板紙、鑄涂紙、涂布白紙板、瓦楞紙等[12]�？紤]到紙質(zhì)機構(gòu)在強度、硬度方面的劣勢，不僅要保證紙材料結(jié)構(gòu)具有一定強度和硬度，以起到運動承載作用，還要保證紙材料的折疊需求。綜合考慮，可選用的紙材料為銅版紙、白卡紙、鑄涂紙、瓦楞紙等，主要分兩類，一類是具有一定厚度，例如瓦楞紙，另一類是具有一定硬度的紙材料，比如銅板紙、卡紙等。對于其他特殊情況，則根據(jù)需要靈活選用制作材料。
2.2紙質(zhì)機構(gòu)的設(shè)計分析
常見的機械傳動有帶傳動、鏈傳動、摩擦輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、螺紋傳動和齒輪傳動等方式。在傳動方式紙質(zhì)化中，其中部分傳動方式的實現(xiàn)存在一定難度。故本論文結(jié)合具體紙質(zhì)機械產(chǎn)品設(shè)計的需求，以齒輪傳動作為傳動方式，再對其他機械機構(gòu)常見的鉸鏈機構(gòu)、滑塊機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等機構(gòu)的紙質(zhì)化設(shè)計方法進(jìn)行討論。在紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計方法與設(shè)計所用材料密切相關(guān)，紙材料的選擇需要滿足強度、硬度、耐用性等方面的要求。
在選擇具有一定厚度的紙材料時，例如瓦楞紙，其具有厚度的特點使得其在造型、結(jié)構(gòu)和功能上具有很大的可塑空間，同時在設(shè)計時避免其他問題，通過模擬現(xiàn)實機構(gòu)完成紙質(zhì)部件的制作、拼接、穿插等工作;而在選擇比較薄但具有一定硬度的紙材料時，紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計主要分為四步：首先完成設(shè)計作品的三維實體建模，其次根據(jù)各運動部件及各部件運動形式進(jìn)行拆分，然后繪制各部件刀版圖，刀版圖中包括外部造型部分和內(nèi)部固定部分，最后完成刀版圖的粘貼、拼接。此類設(shè)計方法中，只需保證紙質(zhì)機構(gòu)基本功能，切忌全盤照搬機械機構(gòu)的設(shè)計方式，否則可能出現(xiàn)設(shè)計方案復(fù)雜、實際動手操作難度大等問題。
在實現(xiàn)紙質(zhì)機構(gòu)運動功能的基礎(chǔ)上確保其力學(xué)強度，針對不同類型紙材料，采用方法不同。對于具有一定厚度的紙材料，通過增加紙厚度滿足強度要求，即多層紙材料疊加。對于具有一定硬度的紙材料，刀版圖中的內(nèi)部固定部分成為力學(xué)強度保障的措施，內(nèi)部固定部分在滿足機構(gòu)功能基礎(chǔ)上保證機構(gòu)強度，設(shè)計形式依據(jù)具體案例，類似于機械構(gòu)件中加強肋。除此之外，通過多次實驗確定實物模型的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)，從而確保紙材料力學(xué)強度及紙質(zhì)機構(gòu)的功能。
2.3紙質(zhì)機構(gòu)的設(shè)計方法
鉸鏈?zhǔn)沁\動機構(gòu)中最常用的結(jié)構(gòu)，從運動特征可分為兩種：一是轉(zhuǎn)動副的兩個構(gòu)件均為活動構(gòu)件的活動鉸鏈;二是轉(zhuǎn)動副的兩個構(gòu)件中一個為固定構(gòu)件的固定鉸鏈。從鉸接構(gòu)件的轉(zhuǎn)動范圍又可分為兩種：一是360°連續(xù)轉(zhuǎn)動的鉸鏈，如曲柄上的鉸鏈;二是在一定角度范圍內(nèi)擺動的鉸鏈，如搖桿上的鉸鏈。針對360°連續(xù)轉(zhuǎn)動的鉸鏈，紙質(zhì)結(jié)構(gòu)有兩種做法：1)利用材料厚度，即采用具有一定厚度的紙材料(如瓦楞紙)來制作轉(zhuǎn)動件。在設(shè)計中主要考慮鉸鏈軸的設(shè)計，通過兩片厚紙材料互相穿插形成鉸鏈軸。鉸鏈上的轉(zhuǎn)動件的設(shè)計與傳統(tǒng)機械零件相似。此方法設(shè)計的鉸鏈機構(gòu)具有制作、安裝方便的優(yōu)點，但同時也存在耐用性低、磨損大的缺點。2)通過折疊產(chǎn)生空間結(jié)構(gòu)。利用具有一定硬度的紙材料(如銅板紙、卡紙)通過折疊、拼插、粘貼等方式組合成具有空間體積的轉(zhuǎn)動件。此方法可制作形態(tài)豐富的立體形態(tài)，但其力學(xué)性能有一定限制，需要從折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法上進(jìn)行解決。
這種方式把力學(xué)性能的獲取從依靠材料本身轉(zhuǎn)移為依靠折疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提供了一種利用設(shè)計解決問題的思路。對于有限角度擺動的紙質(zhì)鉸鏈，最簡易的方法即利用折痕，可以采用同一張紙材料制造出鉸鏈及其所連接的兩個轉(zhuǎn)動件，立體書的設(shè)計基本都屬此類，且紙材料在重復(fù)折疊方面的耐用性滿足絕大部分情況下的需求。移動副以導(dǎo)軌和滑塊為主要構(gòu)件，滑塊基于導(dǎo)軌相對移動，用于直線往復(fù)運動場合。紙材料制作導(dǎo)軌滑塊有兩種做法：1)利用材料厚度，即采用具有一定厚度的紙材料制作導(dǎo)軌，模擬金屬導(dǎo)軌切槽，在紙中切割一個鏤空矩形。2)通過折疊產(chǎn)生空間結(jié)構(gòu)，折疊和粘貼紙材料的方法制作滑塊、導(dǎo)軌及其他相關(guān)構(gòu)件。
齒輪是最復(fù)雜的零件，利用紙材料制作齒輪有一定的難度，一般只制作簡單直齒圓柱齒輪，能滿足基本的傳動功能即可。首先依據(jù)設(shè)計要求得出齒輪的傳動比，然后通過傳動比確定各齒輪的齒數(shù)、半徑等參數(shù)，最后結(jié)合紙材料和設(shè)計參數(shù)確定齒輪設(shè)計方法和方案。紙質(zhì)齒輪的設(shè)計方法主要有三種：1)利用具有一定厚度的紙材料，在其上繪制平面齒輪形態(tài)并切割。若齒輪強度無法滿足要求，可根據(jù)實際情況加厚齒輪。2)同樣利用具有一定厚度的紙材料，將齒輪主體和輪齒以拼插方式完成齒輪的制作。3)利用具有一定硬度的薄紙材料，通過切割、折疊和粘貼制作上下兩半齒輪，組合后得到完整齒輪。
2.4紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計與制作的軟硬件支持
以紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計中設(shè)計二維平面刀版圖為例，選擇CorelDRAW作為開發(fā)平臺，軟件以插件的形式運行。CorelDRAW是一個具有圖形和色彩設(shè)計功能的軟件，其開發(fā)接口允許用戶為其定制開發(fā)插件[13]，通過插件將復(fù)雜操作以界面呈現(xiàn)，并快速準(zhǔn)確地設(shè)計特定產(chǎn)品。如圖8所示，以紙質(zhì)齒輪刀版圖設(shè)計為例開發(fā)的插件，用戶輸入所需數(shù)據(jù)便可獲得齒輪刀版圖。打印機、切割機等加工設(shè)備的小型化、家用化發(fā)展，為用戶個性化定制的小批量生產(chǎn)提供了便捷方式。打印機完成刀版圖從虛擬到現(xiàn)實的過程，一般可彩印A3尺寸的紙張。切割機通過軟件區(qū)分刀版圖的線類型，實現(xiàn)自動切割包裝的外輪廓線和制作內(nèi)部壓痕，節(jié)省時間又保證切割精度。為一臺切割機，其底部是吸盤裝置，保證紙張位置固定，頂部為放置紙張的平面，刀頭分為切割和壓痕刀頭，其切割壓力可控制。
3紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計——以紙質(zhì)繪圖儀玩具設(shè)計為例
本文基于一款繪圖玩具的設(shè)計對上述紙質(zhì)機構(gòu)的制作方法進(jìn)行驗證，論證其可行性。
3.1紙質(zhì)繪圖儀玩具設(shè)計說明
繪圖儀玩具是一種通過機械旋轉(zhuǎn)機構(gòu)繪制復(fù)雜軌跡曲線的玩具產(chǎn)品，市面上已有的繪圖儀玩具。本文基于紙材料制作繪圖儀玩具。設(shè)計繪圖儀玩具中各部件的刀版圖，并對部件進(jìn)行剪切粘合等紙材料處理操作，完成一件紙質(zhì)玩具的制作。拼裝完成的紙質(zhì)繪圖儀與畫筆結(jié)合，完成圖形的繪制�？商鎿Q的紙張和畫筆得以讓用戶探究其組合方式，并制作出最終滿意的作品。
3.2紙質(zhì)繪圖儀玩具的設(shè)計與制作
紙質(zhì)繪圖儀玩具采用硬卡紙作為材料，設(shè)計方法對應(yīng)為上述具有一定硬度紙材料的設(shè)計方法。本產(chǎn)品的設(shè)計點為機械結(jié)構(gòu)的紙制化呈現(xiàn)，故在前期產(chǎn)品方案設(shè)計中，需對機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行解剖分析，再用紙材料進(jìn)行替代設(shè)計。此外，在CorelDraw平臺上開發(fā)模擬繪圖儀運動的仿真插件，驗證繪圖儀最終的繪制效果，通過更改繪圖參數(shù)，觀察繪圖儀繪制曲線的結(jié)果和變化。
對機械結(jié)構(gòu)草圖進(jìn)行分析，根據(jù)紙質(zhì)化呈現(xiàn)的可行性與支撐機械結(jié)構(gòu)所需要的尺寸體積和紙部件數(shù)量綜合考慮，對機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步的深入分析、優(yōu)化處理，對其所需機構(gòu)部件進(jìn)行草圖設(shè)計分析。通過對各部件的具體紙材料替代設(shè)計分析，確定基本的紙材料搭建結(jié)構(gòu)方式，在機械結(jié)構(gòu)的原理模型草圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行形態(tài)的細(xì)化。
4結(jié)語
基于紙材料特性，探索機械機構(gòu)設(shè)計的紙質(zhì)化途徑，借助軟硬件技術(shù)支持，通過實驗的方法解決紙質(zhì)材料力學(xué)強度不足以及平面化難度大的困難，總結(jié)出轉(zhuǎn)動副、移動副、齒輪等各類典型機械運動機構(gòu)紙質(zhì)化的設(shè)計方法，并通過紙質(zhì)繪圖儀玩具案例驗證紙質(zhì)機構(gòu)制作的可行性，為紙質(zhì)機構(gòu)設(shè)計打開新的創(chuàng)意空間。
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