基于Inventor三維軟件的雙輪有桿平衡車數字化設計

李志偉

摘 要：電動平衡車可以用作短途的代步工具，由于使用方便、炫酷，節約時間等優點，受到很多人的喜歡。本文依托全國技能大賽信息技術類“產品數字化設計與開發”賽項，使用Inventor三維軟件，設計一款雙輪有桿電動平衡車。使用數字化設計技術完成了核心零部件的創建，多實體建模使得裝配更加容易。設計表達、工程圖更符合賽項標準。Inventor Studio渲染效果圖，表明了設計造型符合現代風格，外車設計元素統一，車體數據符合人機工程學。在安全性、舒適性和實用性上更具有優勢。

關鍵詞：Inventor 技能大賽 平衡車 信息技術類 數字化設計

1 引言

平衡車又稱體感車，其工作原理是利用車體內部的陀螺儀和加速度傳感器，來監測車體姿態的變化，并利用伺服控制系統，精確地驅動電機進行相應的調整，以保持系統的平衡的一種時尚運動產品[1]。本文基于Inventor三維設計軟件，設計的雙輪有桿平衡車屬于技能大賽成果轉化的一部分。首先依據感性工程學的設計理念[2]，通過分析人的感性、喜好來設計產品和制造產品。其次定位平衡車的設計類型，通過對比市場上已存在的平衡車類型，選擇出具有優勢的雙輪有桿平衡車進行設計。再次，使用數字化建模的方法，借助Inventor設計軟件，綜合使用自下而上、自下而上的設計方法完成多實體零件的建模、以及零部件的裝配。最后，完成表達設計、工程圖設計、以及Inventor Studio渲染。雙輪有桿平衡車的造型設計，以流暢感和運動感的線條和曲面來描繪出具有時尚感和科技感的產品。

2 設計定位

平衡車的設計要素是多方面的，包括形態、顏色、材料和工藝、安全性、功能等。設計定位也需要結合功能要求與市場，既要滿足基本的代步功能又要滿足UL2272的國際標準[3]。我們對市場上已存在的產品進行一些必要的改良，在外觀造型、價格、材質和配色上，保證設計的產品既酷炫又實用、安全。2020年，程東燚等人通過收集市場上最具有代表性的平衡車作為研究樣本[2]，分別在材質、顏色、時尚等22項特征描述中調查發現，關注度最高的八項特征為；續航能力、安全性、便于攜帶、重量輕、操作方便、簡約感、舒適度等，得出5組感性詞匯，分別為“安全的—危險的”、“輕巧的-穩重的”、“簡約的-復雜的”、“實用的-花哨的”和“舒適的-難受的”。通過對“單輪平衡車”、“雙單輪平衡車”、“雙輪無桿平衡車”和“雙輪有桿平衡車”四種造型的對比，得出結論，“雙輪有桿平衡車”在“安全性、實用性和舒適性上表現最優。所以，本文的設計定位為雙輪有桿平衡車。

3 數字化建模設計

以下將將從基于多實體的零件造型設計、部件裝配、設計表達、工程圖設計和Inventor Studio渲染、設計驗證等幾個方面進行設計。

3.1 基于多實體的零件造型設計

按照數字化建模的思想，數字化模型應包含產品零部件的形狀、尺寸、材料等信息，建模中得到的參數信息往往是后續環節（如加工工藝、工程分析等）所需要的設計數據，這為裝配、表達視圖、工程圖、渲染等提供重要的數據[4]。基于多實體的零件設計是一種自上而下的設計方法。多實體生成的方法有四種，分別是：通過創建實體類的特征、通過衍生、通過復制對象、編輯零件中已有的實體類特征[5]。在雙輪有桿電動平衡車設計過程中，主要采用這種設計方法，而在調用螺栓、螺釘、螺母等標準件上，可使用自下而上的方法。創建實體類的特征有拉伸、旋轉、掃略、螺旋掃掠、放樣、加厚/偏移、灌注等特征。在零件建模時，如果零件比較復雜，分割實體建模會比較方便，完成后再將其合并為一個實體。

在外形的設計上，要突出設計感和科技感、時尚、簡約的特點，也可以綜合考慮舒適性和實用型。多實體零件建模如圖1所示。圖中框住的區域為多實體零件，包含了“車身上蓋”、“車身下蓋”、“電源”等35個實體。在建模中除了使用常規的拉伸、圓角、打孔、凸柱、分割/合并、加厚、旋轉、凸雕、加強筋、鏡像等操作外，還綜合使用了高階的曲面工具，如掃掠曲面、面片、灌注、延伸、修剪、修復實體、邊界嵌片、縫合曲面、拉伸曲面。設計造型上多以流暢、運動感的曲面為主。

3.2 部件裝配

絕大多數的產品都不是由一個零件組成的，而是包含多個零件。在Inventor中我們將組合在一起的多個零件稱為部件。部件環境下的基本操作有：裝入零部件、移動和旋轉零部件、可見/隱藏零部件。零部件的約束有：位置關系的約束、運動關系約束等。將3.1中所創建的35個實體，生成零件后可得到35個零件，這些零件是按設計時各零件的位置擺放的。所以，由零件組裝成部件時很十分容易的，只需要添加相應的約束即可完成。圖2所示為零部件裝配圖（不包括標準件）。

4 設計表達

4.1 表達視圖設計

Inventor表達視圖是用來表現部件中各個零件之間裝配關系的，我們可以用表達視圖文件創建部件的分解視圖，利用分解視圖可以創建帶有引出序號和零件明細欄的工程視圖，即平常我們說的爆炸圖[5]。根據所創建的表達視圖（后綴名為ipn）文件，創建該文件的工程圖，即可得到爆炸工程圖。電動平衡車的爆炸工程圖如圖3所示。從圖中可以清楚地看到各個零件的代號、名稱、數量、材料、以及重量信息。在材質的選擇上以橡膠、塑料、金屬為主，外殼的選擇上以塑料為主要的材質，這樣可以降低產品的整體重量，輪胎是使用橡膠材質，輪轂和轉軸的材質以金屬為主，安全可靠。

4.2 工程圖

目前國內的加工制造還不能夠完全達到無圖化生產加工的條件，因此工程圖仍然是表達產品信息的主要媒介，是表達零部件信息的重要方式，是設計者與生產者交流的載體。繪制工程圖是機械設計的最后一步，Inventor為用戶提供了比較成熟和完善的工程圖處理功能，可以實現二維工程圖與三維實體零件模型之間的關聯更新，方便了設計過程的修改。為了更好地創建工程圖，往往需要對工程圖環境進行設置。在Inventor2024中創建的視圖可分為兩大類，一類是由三維實體零件或者已有的工程視圖創建的新視圖，例如，基礎視圖、投影視圖、斜視圖、剖視圖等；另一類是在已有的工圖視圖上進行修改而得到的視圖，例如，斷裂視圖、局部剖視圖、斷面圖等。工程圖的尺寸標注有兩種類型，分別是模型尺寸和工程圖尺寸。每個零件都有對應的工程圖，工程圖符合產品數字化設計與開發賽項技能大賽要求的標準。這里只給出一張工程圖，如圖4所示為車架的工程圖。

4.3 Inventor Studio 渲染

Inventor Studio能夠對創建的零件及裝配進行渲染和動畫制作，生成具有真實效果的渲染圖片，以及生成裝配動畫效果的多媒體文件。也就是說通過Inventor Studio能直接在設計環境中生成較為真實的圖像和動畫，讓客戶看到最終的效果。靜態渲染可以通過表面材質、燈光、場景以及視角的設置對模型進行渲染處理，得到具有真實效果的圖片，渲染特征包含3種樣式，分別是：“表面樣式”、“光源樣式”和“場景樣式”。渲染時在圖形區將模型調整到合適大小，渲染測試時，請選擇低質量的反走樣設置，盡可能節省時間，對于最終渲染，請使用高質量的反走樣設置，以提高渲染質量。渲染之前需要對零部件進行配色，我們選擇大眾較為喜歡的黑、灰兩種顏色作為了主體顏色，燈光則采用警示作用較強的紅色作為尾燈，前面的燈則是使用白色的白熾燈作為大燈使用。顏色的選擇上以鮮明而多樣化為主，這樣既突出了產品的現代感，又能滿足消費者追求獨特的個性化需求。圖5-圖7分別為電動平衡車前視渲染圖，后視圖渲染圖和局部渲染圖。

4.4 設計驗證

根據所設計的零件模型和二維零件圖，進步一步完善、驗證。雙輪有桿平衡車的核心零部件等文件如表1所示。（標準件等可在Inventor軟件資源中心庫中調用，不屬于本設計的重點，不在表中）。

5 總結

基于Inventor三維設計軟件設計的雙輪有桿平衡車，突破了原有電動平衡車存在的一些比較生硬的造型。用流暢感和運動感的曲面造型來描繪出具有時尚感和科技感的產品，滿足主要人群對于產品的個性需求和心理需求。本設計在安全性、實用性和舒適性、造型和價格、材質和配色上更具有優勢。智能系統和照明功能，使得人與產品之間產生更好的交互體驗。

參考文獻：

[1]孫旭亞，孫路陽，趙志斌. 一種無線充電的平衡車[P]. 廣東：CN205365892U，2016-07-06.

[2]程東燚，鄭剛強，易梓寒.基于感性工學的電動平衡車外觀設計研究[J].藝術與設計（理論），2020，2（10）：101-103.

[3]王野，杜超，丁志磊，等. 電動平衡車產業及標準化現狀[J]. 機器人技術與應用，2016（5）：20-23.

[4]許睦旬，肖堯.數字化設計與制造技術應用基礎[M].北京：高等教育出版社，2021.

[5]陳道斌，殷海麗. 工業產品設計（Inventor2012）[M].北京：電子工業出版，2018.