基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的車(chē)載吸塵器優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造*

莫文鋒，李伍強(qiáng)，韋欽南

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006）

虛擬樣機(jī)技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代，是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、CAX、DFX一種新型的設(shè)計(jì)方法。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中發(fā)揮重要作用，其通過(guò)建立數(shù)字化模型、虛擬裝配、仿真，極大提高了設(shè)計(jì)過(guò)程的直觀性和可視化，能夠有效檢驗(yàn)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度，快速查出干涉的裝配結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)，從而確保機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配的合理性和有效性。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，研究了車(chē)載吸塵器虛擬樣機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

1 車(chē)載吸塵器工作原理

車(chē)載吸塵器接通電源后，電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪將葉輪中的空氣從吸塵器排氣倉(cāng)口高速排出，此時(shí)吸塵倉(cāng)內(nèi)空氣不斷地補(bǔ)充進(jìn)風(fēng)機(jī)，吸塵倉(cāng)內(nèi)氣壓極低，與外界形成很高的壓力差，產(chǎn)生較強(qiáng)的空氣吸力。塵埃、雜物通過(guò)吸嘴隨空氣被吸入吸塵倉(cāng)，并經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾，將塵埃、雜物收集在塵筒倉(cāng)內(nèi)。

2 車(chē)載吸塵器的設(shè)計(jì)

2.1 基于Rhino軟件的車(chē)載吸塵器外觀三維造型設(shè)計(jì)

手繪創(chuàng)意設(shè)計(jì)：根據(jù)市場(chǎng)主體消費(fèi)人群的需求，將該款吸塵器設(shè)計(jì)成整體造型圓潤(rùn)、光滑流暢、簡(jiǎn)潔大方的流線形態(tài)。吸納倉(cāng)成鴨嘴型的仿生設(shè)計(jì)，不僅外觀靈動(dòng)，還增大了吸塵力度，形態(tài)和功能得到完美結(jié)合。在使用過(guò)程中可根據(jù)吸取不同的物品更換不同功能的吸頭。手持部位根據(jù)人機(jī)工程學(xué)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，既保證造型美觀，又滿足使用過(guò)程中的強(qiáng)度要求和把持手感。車(chē)載吸塵器手繪創(chuàng)意設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 車(chē)載吸塵器手繪創(chuàng)意設(shè)計(jì)圖

運(yùn)用Rhino軟件的車(chē)載吸塵器外觀三維造型設(shè)計(jì)：根據(jù)手繪創(chuàng)意設(shè)計(jì)方案，利用Rhino曲面造型工具進(jìn)行構(gòu)造曲面，用Surface Analyze工具中Zebra Stripe斑馬條紋分析、Gaussian高斯曲率分析、Curvature Circle曲率分析等命令分析曲面及曲面間的連續(xù)性，并根據(jù)需要調(diào)整曲面控制點(diǎn)，優(yōu)化曲面質(zhì)量及光順度。車(chē)載吸塵器外觀三維造型如圖2所示。

圖2 車(chē)載吸塵器外觀三維造型圖

2.2 吸塵器葉輪設(shè)計(jì)

葉輪是車(chē)載吸塵器的最重要部件，吸塵器能否獲得所需要的真空度和風(fēng)量，與葉輪的設(shè)計(jì)有極大關(guān)系。根據(jù)吸塵器的機(jī)體外形特征及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)成后向式圓弧葉片、弧形前盤(pán)的葉輪。

2.2.1 葉輪的理論設(shè)計(jì)

理想葉輪（即無(wú)限葉片的葉輪）理論真空度的空氣動(dòng)力學(xué)歐拉方程式為：

其中：ρ為空氣密度（kg/m3），u2為葉輪出口圓周速度（m/s），u1為葉輪入口圓周速度（m/s），C2u為葉輪出口絕對(duì)圓周分速度（m/s），C1u為葉輪入口絕對(duì)圓周分速度（m/s）。

車(chē)載吸塵器工作時(shí)，氣體垂直進(jìn)入葉片，即有C1u=0，C2u=u2-C2rctgβ2A，則

其中：C2r為葉輪出口的絕對(duì)徑向分速度（m/s），β2A為葉片的出口安裝角度（°）。

流經(jīng)葉輪的理論風(fēng)量為QT=πD2b2C2r，則

其中：QT為吸塵器的理論風(fēng)量（m3/s），D2為葉輪出口直徑（m），b2為出口寬度（m）。

將（3）式帶入（2）式得：

2.2.2 葉輪氣動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算

以上我只指出及拋出很多問(wèn)題而未講及讀音上的原則和概念或解決方法, 因?yàn)槲視?huì)在以后的篇章中逐一作較深入的討論，今天就說(shuō)到這里。

本款車(chē)載吸塵器的設(shè)計(jì)真空度HN=6000Pa，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=29000r/min，根據(jù)相關(guān)氣動(dòng)力方程進(jìn)行計(jì)算，確定葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

（1）初步確定葉片出口安裝角

電機(jī)轉(zhuǎn)速n和葉輪出口直徑D2恒定的情況下，吸塵器的真空度與安裝角β2A成正比關(guān)系。一般初算值取15°-40°。

（3）計(jì)算葉輪出口圓周速度u2

（4）計(jì)算葉輪出口直徑D2

（5）選定葉輪直徑D1

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，D1/D2值在0.25-0.5之間選定，吸塵器的效率達(dá)到比較理想狀態(tài)，在此D1/D2值選定0.4，即

（6）計(jì)算葉輪葉片數(shù)Z

取整數(shù)即Z=8。

（7）計(jì)算葉輪入口寬度B1

其中，D0為電機(jī)轉(zhuǎn)軸直徑；ξ1為入口速比系數(shù)，ξ1取0.5-0.9；μ1為入口氣流充滿系數(shù)，μ1取0.7-1。

（8）計(jì)算葉輪入口寬度B2

2.2.3 葉輪三維建模

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算得到的葉輪幾何參數(shù)D1=0.026m，D2=0.066m，B1=0.013m，B2=0.0067m，Z=8和Bezier曲線進(jìn)行三維建模，如圖3所示。

圖3 車(chē)載吸塵器葉輪三維模型圖

2.3 基于NX 1847軟件的車(chē)載吸塵器主體倉(cāng)設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)載吸塵器的工作原理，吸塵器主體倉(cāng)主要部件有主體倉(cāng)殼體、葉輪、電機(jī)、充電電池、開(kāi)關(guān)、吸納倉(cāng)卡扣。運(yùn)用NX 1847軟件對(duì)主體倉(cāng)殼體進(jìn)行建模，其中包括抽殼完成型腔構(gòu)建、進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口構(gòu)建，電機(jī)、開(kāi)關(guān)、充電電池卡位結(jié)構(gòu)的構(gòu)建；對(duì)葉輪、電機(jī)、充電電池、吸納倉(cāng)卡扣進(jìn)行三維建模。在NX 1847軟件裝配功能模塊中，將主體倉(cāng)殼體、葉輪、電機(jī)、充電電池、開(kāi)關(guān)、吸納倉(cāng)卡扣模型進(jìn)行虛擬裝配，如圖4所示。

圖4 車(chē)載吸塵器主體倉(cāng)裝配圖

3 3D打印模型制造

3D打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱(chēng)為增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。利用3D打印技術(shù)對(duì)車(chē)載吸塵器模型進(jìn)行打印，打印機(jī)類(lèi)型為熔融沉積3D打印機(jī)，打印材料為ABS，切片軟件為UPstudio。采用熔融沉積制造工藝，是將熱塑性絲狀材料送至熱熔噴頭，并在噴頭中加熱融化成半液態(tài)，然后被擠壓出來(lái)，層層堆積而成。

車(chē)載吸塵器模型打印過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)3D打印機(jī)并初始化系統(tǒng)，預(yù)熱成型平臺(tái)，安裝打印材料，校準(zhǔn)打印機(jī)噴頭高度，將STL數(shù)字模型導(dǎo)入切片軟件，檢驗(yàn)修復(fù)模型顯示，調(diào)整并確定最優(yōu)打印方位，調(diào)整設(shè)置打印參數(shù)，切片軟件自動(dòng)進(jìn)行離散分層計(jì)算并生成加工路徑。將分層后的數(shù)據(jù)傳給打印機(jī)即可開(kāi)始打印。打印完成后，將打印平臺(tái)取出，用鏟刀將模型鏟下，進(jìn)行去除支撐、打磨表面、拋光等后處理工作，最終的打印模型，如圖5所示。

圖5 車(chē)載吸塵器的3D打印模型圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在車(chē)載吸塵器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)外觀造型進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)，利用三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品部件參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過(guò)3D打印快速成型產(chǎn)品模型。從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到成型整個(gè)過(guò)程達(dá)到縮短開(kāi)發(fā)周期和提高研發(fā)效率的目的。