卢　鑫，谢子豪，韩　峰，武振锋

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070)



一种便携式吸尘器数字化样机设计*

卢鑫，谢子豪，韩峰，武振锋

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州730070)

根据便携式吸尘器的结构特点，将其划分为底座、工作装置、轮组以及附件等四个部分。采用CATIA V5软件所支持的NURBS建模方式，完成了便携式吸尘器四个组成部分的三维模型设计。在虚拟环境下，采用同轴、贴合以及距离等约束方法，完成了便携式吸尘器数字化样机的虚拟装配，为便携式吸尘器后续零部件模具制造提供数据支持，也为完成其他曲面类产品的设计过程提供了思路和方法。

吸尘器NURBS虚拟装配数字化样机

0　引言

数字化样机技术是指在制造产品之前，应用计算辅助设计工具，建立产品的三维几何模型和装配模型。因为数字化样机技术可以用数字样机代替原型样机进行产品的结构设计和功能展示，所以有利于提高产品研发和投入市场的速度。同时，设计人员可以采用产品的数字化样机完成设计验证和仿真过程，可以达到减少甚至取代物理样机的目的，有利于降低产品的开发成本[1-2]。

吸尘器是一种在家庭、宾馆、商场、写字楼等处已被广泛使用的清洁装置，其工作原理为电动机带动叶轮高速旋转，使集尘室内形成局部真空，灰尘随压差气流进入到集尘室内，通过滤尘装置，灰尘留存在集尘室内，清洁空气从排气口排出。为了使数字化样机与后续的产品制造过程紧密衔接，保持数据格式的一致性，多数的设计人员放弃了3Dmax、Rhino、C4D等创意类三维软件，而是采用CATIA、Pro/E、UG等CAD/CAM一体化软件[3]。本文采用CATIA V5软件，着重介绍了一种便携式吸尘器数字化样机的设计过程，为后续的吸尘器零部件模具制造提供可靠的数据支持。

1　数字化样机数学理论基础

CATIA V5是Dassault system公司与IBM公司联合推出的一款集CAD/CAE/CAM为一体的专业化软件，且其特有的曲面造型技术为高效完成复杂型面产品的设计提供了诸多便捷条件，所以目前该软件已经广泛应用在航空航天、汽车、船舶制造以及厂房设计等诸多领域[4-5]。

CATIA软件全面支持NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines，简称非均匀有理B样条曲线)建模方法[4-5]。NURBS方法实现了对B样条方法的改进，通过调整控制点或权因子的数值，可以修改曲线或曲面的局部形状，达到灵活控制产品表面曲线度的目的。因此国际标准化组织颁布的工业产品数据交换标准中，已经将NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法[6]。

1.1NURBS曲线

一条k次的NURBS曲线定义为：

(1)

式中，di(i=0，1，…，n)为曲线的控制点，控制点通常不在曲线上，但控制点围成的多边形决定的NURBS曲线的走向[7]。wi(i=0，1，…，n)是控制点的权因子，决定了控制点与曲线之间的距离，要求首末权因子w0和wn>0 (通常取w0=wn=1)，其余wi≥0，以防止出现分母为零或曲线因权因子退化为一点的情况。Ni，k(u)为k次B样条曲线的基函数。

1.2NURBS曲面

k×l幂次的NURBS曲面可以表示为：

(2)

式中，di，j(i=0，1，…，n，j=0，1，…，m)为NURBS曲面的空间网格控制点，wi，j(i=0，1，…，n，j=0，1，…，m)是与控制点di，j相关联的权因子，规定四角顶点处用正因子，即w0，0，wm，0，w0，n和wm，n表示，其余wi，j≥0。Ni，k(u)(i=0，1，…，n)和Nj，l(v)(j=0，1，…，m)分别是u向k次和v向l次的B样条基函数。

2　便携式吸尘器数字化建模

便携式吸尘器通常主要采用ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)工程塑料制作而成，具有外形美观、重量轻等特点。根据便携式吸尘器的结构组成与功能，可以将其分为底座、工作装置、轮组以及附件四个部分。数字化建模方法主要包括面向几何的数字建模、基于特征的数字建模和基于知识的数字建模等，本文采用基于特征的数字建模方法。

2.1底座建模

为了使便携式吸尘器具有美观的外部形状，底座的两侧面采用凹面，上部挖槽用来放置吸尘器的工作装置。首先在CATIA“创成式外形设计”工作台中采用逐点输入的方式，分别创建空间曲线1、曲线2和曲线3，然后分别用桥接曲线4和5连接曲线1和曲线2，连续级别设置为曲率连续，最后将以上五条曲线进行光顺处理，最大误差值设为0.001 mm。五条曲线的走向与形状如图1所示。

首先以曲线1为截面线，曲线2、4、5组合后的曲线为引导线，扫略生成底座的正视曲面，再以曲线3为截面线，其余四条曲线为引导线，扫略生成底座的两侧视曲面。底座上部的凹形区域用于放置吸尘器的工作装置，该区域采用“移除多截面实体”的方法完成，创建完成后的底座外形如图2所示。

2.2工作装置建模

便携式吸尘器的工作装置主要包括集尘器、滤尘器、风机与电动机以及附属的外罩和把手等。以上零部件除把手外都属于实体类零件，可以采用“零件设计”工作台中的“草图”、“凸台”、“旋转体”等功能完成设计过程。工作装置的把手属于曲面零件，采用扫略的方法生成，其截面线设为平面椭圆曲线，引导线为空间曲线。此外，为了清楚地表示工作装置的每一部分，将外罩设置成一定的透明度，装配完成后的吸尘器工作装置如图3所示。

图3　吸尘器工作装置

2.3轮组建模

图4　吸尘器后轮

吸尘器的轮组是支撑底座和工作装置的旋转零件，分为前轮和后轮，其中前轮为单轮，后轮为一对车轮。前轮的设计过程相对简单，通过旋转即可完成。后轮包括轮毂、轮辐和轮缘三部分，其中轮毂和轮轴采用一体化设计，轮辐为五等分放射状排列的变截面杆件，轮缘为绕轮轴旋转形成的环状结构。设计完成后的吸尘器后轮如图4所示。

2.4附件建模

图5　吸尘器附件模型

吸尘器的附件主要包括吸尘管和吸嘴，其中吸尘管部分主要采用“零件设计”工作台中的“扫略”、“凸台”以及“多截面实体”等功能完成，吸嘴部分主要采用“凸台”功能完成。设计完成后的吸尘器附件如图5所示。

3　吸尘器零部件装配

图6　吸尘器虚拟装配模型

便携式吸尘器的主要组成部分，包括底座、工作装置、轮组以及附件设计完毕后，在虚拟环境下，可以完成以上零部件的装配。其中底座与工作装置采用面贴合约束，底座与轮组采用同轴和距离约束，底座和附件采用同轴和面贴合约束。装配完成后吸尘器外形如图6所示。

4　结论

为了迎合广大消费者审美能力的提高， 曲面形态的产品在现代产品设计中已经得到了广泛应用。平面类产品通常给消费者的印象是挺拔与刚直，而

曲面外形的产品则更多体现了柔和与亲切之美。应用CAD软件进行三维造型是现代产品设计的重要内容，而曲面造型则是三维造型中的难点内容之一。利用CATIA V5所提供的混合建模方式，设计人员可以反复使用多个工作台所提供的具体设计工具，为完成复杂型面的产品设计提供了便捷的条件。

便携式吸尘器数字化样机对于后续产品模具设计具有重要意义。根据吸尘器部件的数字化模型，在充分考虑浇口位置与数量、分模面位置、型腔结构、材料温度与浇注速度以及脱模机构等问题的基础上，可以制造出产品的注塑模具。本文只侧重研究了便携式吸尘器的数字化样机设计过程，而对后续的模具设计仍有待于做进一步研究和探讨。

[1]欧阳波，贺赟．工业设计数字化样机设计流程[J]．包装工程，2011，32(16)：70-72.

[2]李苏红，潘志刚，孟祥宝，等. CATIA V5实体造型与工程图设计[M]. 北京：科学出版社，2008.

[3]陈华伟，吴禄慎，袁小翠．CATIA开发环境下NURBS曲线面计算模型[J]．计算机工程与设计，2015，36(10)：2781-2786.

[4]刘国田，宋瑞东，李松，等．基于 CATIA 的叶片曲面造型技术研究[J]．现代机械，2015(2)：43-46.

[5]陈周锋，武振锋．基于NURBS理论的列车曲面优化方法[J]．铁道机车车辆，2014，34(1)：23-27.

[6]武振锋，陈周锋．基于CATIA的CRH380AL动车组头车三维曲面设计[J]．武汉大学学报(工学版)，2013，46(5)：635-639.

[7]武振锋，马宁波，杨欣翥，等．基于CATIA的A级曲面定义及其评价方法研究[J]．现代制造工程，2012(5)：60-62.

Digital prototype design of a portable vacuum cleaner

LU Xin, XIE Zihao, HAN Feng, WU Zhenfeng

Considering the structural features of the portable vacuum cleaner, we divided it into four parts, including base, working device, wheels and accessories. We established the 3D models of the four parts using CATIA V5 which supported NURBS method. Then the digital prototype of the portable vacuum cleaner was assembled in a virtual environment by coaxial constraint, mate constraint and distance constraint. This study not only provided data support for subsequent mould manufacturing of portable vacuum cleaner parts, but also provided methods for the design of other surface products.

vacuum cleaner，NURBS，virtual assembly，digital prototype

TH128

A

1002-6886(2016)04-0067-03

国家自然科学基金项目(11462011)；兰州交通大学实验教改项目(201619)。

卢鑫 (1991-)，男，汉族，硕士研究生，主要研究方向为复杂型面产品数字化设计。

2016-02-24