紙質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

　　摘要：目的實(shí)現(xiàn)玩具類產(chǎn)品的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jī)械產(chǎn)品制作的可行性，以及基于紙材料的機(jī)械零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。方法依據(jù)紙材料本身特性，并結(jié)合機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式，思考紙質(zhì)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式，總結(jié)出轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、齒輪等各類典型機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)紙質(zhì)化設(shè)計(jì)方法，在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的基礎(chǔ)上確保運(yùn)動(dòng)零件的力學(xué)強(qiáng)度。同時(shí)以紙質(zhì)齒輪設(shè)計(jì)為例，利用CorelDraw作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)插件，降低紙質(zhì)機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的操作難度。結(jié)論以機(jī)械玩具產(chǎn)品為案例，對(duì)紙質(zhì)材料力學(xué)特性的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了實(shí)踐，論證了低成本機(jī)械玩具創(chuàng)意設(shè)計(jì)方法的可行性，為機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)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(jì)概念。

　　關(guān)鍵詞：紙質(zhì)機(jī)構(gòu);機(jī)械機(jī)構(gòu);機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);紙材料

　　機(jī)械方向論文范文：人工智能與機(jī)械電子工程的相關(guān)性分析

　　【摘要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)人工智能技術(shù)有著很好的推動(dòng)作用。在人們?nèi)粘Ｉ�活與工作中均有著一定的應(yīng)用，諸如智能家居、自動(dòng)駕駛汽車、智能機(jī)器人等，人工智能的發(fā)展對(duì)人們有著很好的現(xiàn)意義。機(jī)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(dòng)對(duì)方實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的健康發(fā)展。本文對(duì)人工智能和機(jī)械電子工程間的相關(guān)性進(jìn)行分析，以期對(duì)兩者的發(fā)展均有推動(dòng)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(diǎn)[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(wú)需開(kāi)模、機(jī)械加工設(shè)備等優(yōu)勢(shì)，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(wèn)題，如強(qiáng)度、剛性等力學(xué)性能的欠缺。因此紙質(zhì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與金屬和塑料存在一定差異。本文主要面向該問(wèn)題探索一些通用機(jī)構(gòu)的紙質(zhì)材料設(shè)計(jì)方法，并基于機(jī)械玩具實(shí)例進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

　　1紙質(zhì)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

　　目前市場(chǎng)上的紙質(zhì)機(jī)械產(chǎn)品主要有立體書、活動(dòng)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(dòng)書、機(jī)關(guān)書以及玩具書等等[3]。早期的立體書多為翻開(kāi)書頁(yè)時(shí)可在頁(yè)面上自動(dòng)跳出三維空間造型的書籍[4]，近期的立體書則運(yùn)用了折疊、拉動(dòng)、鏤空等方式，使讀者與書籍的互動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)[5]。

　　哈佛大學(xué)WYSS研究所和麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)布了一款軟體機(jī)器人[6]，它能夠拉起超過(guò)自身重量1000倍的重量，其折紙規(guī)則的變化會(huì)使機(jī)器人產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，甚至完成三維方向的扭動(dòng)。浙江大學(xué)的《設(shè)計(jì)思維與表達(dá)》[7]課程中，學(xué)生通過(guò)紙張和電機(jī)完成一件折紙機(jī)器人作品，其不同的折紙規(guī)則產(chǎn)生不同運(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)研究方面：俞夢(mèng)杰通過(guò)對(duì)紙產(chǎn)品設(shè)計(jì)、用戶創(chuàng)新相關(guān)理論和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的研究，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)產(chǎn)品用戶創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)原型系統(tǒng)，并運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)廢紙密集切割的快速設(shè)計(jì)[9]。甘菁菁利用CorelDRAW作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)輔助完成對(duì)原型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)玩具類產(chǎn)品的紙質(zhì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置，以達(dá)到快速設(shè)計(jì)與制作的目的[10]。紙質(zhì)機(jī)構(gòu)涉及到的機(jī)械機(jī)構(gòu)類型主要包括四種：鉸鏈、滑塊、凸輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等四種。前三種已經(jīng)有了一些設(shè)計(jì)方法見(jiàn)諸文獻(xiàn)，但齒輪傳動(dòng)的紙質(zhì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)案例尚不多見(jiàn)。

　　JamesSmithRudolph給出了制作紙質(zhì)鐘表機(jī)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(wèn)題，如制作過(guò)程繁瑣、精度低等。目前紙質(zhì)機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究和實(shí)踐主要集中在靜態(tài)產(chǎn)品，可活動(dòng)的紙產(chǎn)品也只限于簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)形式，利用復(fù)雜機(jī)構(gòu)原理的紙產(chǎn)品并不多見(jiàn)。

　　2紙質(zhì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析與方法

　　紙質(zhì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)首先需要考慮到紙材料的選用，保證其強(qiáng)度且裁切方便;其次選擇相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究，探討機(jī)構(gòu)紙質(zhì)化的實(shí)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]。考慮到紙質(zhì)機(jī)構(gòu)在強(qiáng)度、硬度方面的劣勢(shì)，不僅要保證紙材料結(jié)構(gòu)具有一定強(qiáng)度和硬度，以起到運(yùn)動(dòng)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(duì)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

　　常見(jiàn)的機(jī)械傳動(dòng)有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、摩擦輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、螺紋傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等方式。在傳動(dòng)方式紙質(zhì)化中，其中部分傳動(dòng)方式的實(shí)現(xiàn)存在一定難度。故本論文結(jié)合具體紙質(zhì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，以齒輪傳動(dòng)作為傳動(dòng)方式，再對(duì)其他機(jī)械機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的鉸鏈機(jī)構(gòu)、滑塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的紙質(zhì)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論。在紙質(zhì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)所用材料密切相關(guān)，紙材料的選擇需要滿足強(qiáng)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(shí)，例如瓦楞紙，其具有厚度的特點(diǎn)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(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)避免其他問(wèn)題，通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)機(jī)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(shí)，紙質(zhì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為四步：首先完成設(shè)計(jì)作品的三維實(shí)體建模，其次根據(jù)各運(yùn)動(dòng)部件及各部件運(yùn)動(dòng)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(jì)方法中，只需保證紙質(zhì)機(jī)構(gòu)基本功能，切忌全盤照搬機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，否則可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)方案復(fù)雜、實(shí)際動(dòng)手操作難度大等問(wèn)題。

　　在實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)功能的基礎(chǔ)上確保其力學(xué)強(qiáng)度，針對(duì)不同類型紙材料，采用方法不同。對(duì)于具有一定厚度的紙材料，通過(guò)增加紙厚度滿足強(qiáng)度要求，即多層紙材料疊加。對(duì)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(qiáng)度保障的措施，內(nèi)部固定部分在滿足機(jī)構(gòu)功能基礎(chǔ)上保證機(jī)構(gòu)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)形式依據(jù)具體案例，類似于機(jī)械構(gòu)件中加強(qiáng)肋。除此之外，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定實(shí)物模型的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)，從而確保紙材料力學(xué)強(qiáng)度及紙質(zhì)機(jī)構(gòu)的功能。

　　2.3紙質(zhì)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

　　鉸鏈?zhǔn)沁\(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中最常用的結(jié)構(gòu)，從運(yùn)動(dòng)特征可分為兩種：一是轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件均為活動(dòng)構(gòu)件的活動(dòng)鉸鏈;二是轉(zhuǎn)動(dòng)副的兩個(gè)構(gòu)件中一個(gè)為固定構(gòu)件的固定鉸鏈。從鉸接構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍又可分為兩種：一是360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸鏈，如曲柄上的鉸鏈;二是在一定角度范圍內(nèi)擺動(dòng)的鉸鏈，如搖桿上的鉸鏈。針對(duì)360°連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)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(lái)制作轉(zhuǎn)動(dòng)件。在設(shè)計(jì)中主要考慮鉸鏈軸的設(shè)計(jì)，通過(guò)兩片厚紙材料互相穿插形成鉸鏈軸。鉸鏈上的轉(zhuǎn)動(dòng)件的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)機(jī)械零件相似。此方法設(shè)計(jì)的鉸鏈機(jī)構(gòu)具有制作、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在耐用性低、磨損大的缺點(diǎn)。2)通過(guò)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(guò)折疊、拼插、粘貼等方式組合成具有空間體積的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)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(jì)，提供了一種利用設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的思路。對(duì)于有限角度擺動(dòng)的紙質(zhì)鉸鏈，最簡(jiǎn)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)件，立體書的設(shè)計(jì)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(dòng)副以導(dǎo)軌和滑塊為主要構(gòu)件，滑塊基于導(dǎo)軌相對(duì)移動(dòng)，用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)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(gè)鏤空矩形。2)通過(guò)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(jiǎn)單直齒圓柱齒輪，能滿足基本的傳動(dòng)功能即可。首先依據(jù)設(shè)計(jì)要求得出齒輪的傳動(dòng)比，然后通過(guò)傳動(dòng)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(jì)參數(shù)確定齒輪設(shè)計(jì)方法和方案。紙質(zhì)齒輪的設(shè)計(jì)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(qiáng)度無(wú)法滿足要求，可根據(jù)實(shí)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(guò)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作的軟硬件支持

　　以紙質(zhì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)二維平面刀版圖為例，選擇CorelDRAW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，軟件以插件的形式運(yùn)行。CorelDRAW是一個(gè)具有圖形和色彩設(shè)計(jì)功能的軟件，其開(kāi)發(fā)接口允許用戶為其定制開(kāi)發(fā)插件[13]，通過(guò)插件將復(fù)雜操作以界面呈現(xiàn)，并快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)特定產(chǎn)品。如圖8所示，以紙質(zhì)齒輪刀版圖設(shè)計(jì)為例開(kāi)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(jī)、切割機(jī)等加工設(shè)備的小型化、家用化發(fā)展，為用戶個(gè)性化定制的小批量生產(chǎn)提供了便捷方式。打印機(jī)完成刀版圖從虛擬到現(xiàn)實(shí)的過(guò)程，一般可彩印A3尺寸的紙張。切割機(jī)通過(guò)軟件區(qū)分刀版圖的線類型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割包裝的外輪廓線和制作內(nèi)部壓痕，節(jié)省時(shí)間又保證切割精度。為一臺(tái)切割機(jī)，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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)——以紙質(zhì)繪圖儀玩具設(shè)計(jì)為例

　　本文基于一款繪圖玩具的設(shè)計(jì)對(duì)上述紙質(zhì)機(jī)構(gòu)的制作方法進(jìn)行驗(yàn)證，論證其可行性。

　　3.1紙質(zhì)繪圖儀玩具設(shè)計(jì)說(shuō)明

　　繪圖儀玩具是一種通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)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(jì)繪圖儀玩具中各部件的刀版圖，并對(duì)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。可替換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(jì)與制作

　　紙質(zhì)繪圖儀玩具采用硬卡紙作為材料，設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)為上述具有一定硬度紙材料的設(shè)計(jì)方法。本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)點(diǎn)為機(jī)械結(jié)構(gòu)的紙制化呈現(xiàn)，故在前期產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)中，需對(duì)機(jī)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(jì)。此外，在CorelDraw平臺(tái)上開(kāi)發(fā)模擬繪圖儀運(yùn)動(dòng)的仿真插件，驗(yàn)證繪圖儀最終的繪制效果，通過(guò)更改繪圖參數(shù)，觀察繪圖儀繪制曲線的結(jié)果和變化。

　　對(duì)機(jī)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(jī)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步的深入分析、優(yōu)化處理，對(duì)其所需機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)分析。通過(guò)對(duì)各部件的具體紙材料替代設(shè)計(jì)分析，確定基本的紙材料搭建結(jié)構(gòu)方式，在機(jī)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(yǔ)

　　基于紙材料特性，探索機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的紙質(zhì)化途徑，借助軟硬件技術(shù)支持，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法解決紙質(zhì)材料力學(xué)強(qiáng)度不足以及平面化難度大的困難，總結(jié)出轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、齒輪等各類典型機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)紙質(zhì)化的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)紙質(zhì)繪圖儀玩具案例驗(yàn)證紙質(zhì)機(jī)構(gòu)制作的可行性，為紙質(zhì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)打開(kāi)新的創(chuàng)意空間。

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