基于虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的蓖麻剝殼機(jī)設(shè)計(jì)

高銳濤 王秀東 郭曉燕 曹玉華

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

基于虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的蓖麻剝殼機(jī)設(shè)計(jì)

高銳濤 王秀東 郭曉燕 曹玉華

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642）

本文通過對(duì)現(xiàn)有農(nóng)機(jī)產(chǎn)品造型、色彩、人機(jī)交互等方面的分析，歸納出先進(jìn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品造型語(yǔ)言，色彩搭配，人機(jī)交互的特征，對(duì)現(xiàn)有的蓖麻剝殼機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)改良。使用二維軟件和三維軟件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，模擬產(chǎn)品的真實(shí)情況。設(shè)計(jì)過程耗費(fèi)時(shí)間短，修改方便，效果直觀真實(shí)，有效地解決了傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)進(jìn)度緩慢，返工和修改工作量大的問題，縮短了生產(chǎn)周期，降低了開發(fā)成本。

農(nóng)機(jī)；造型；虛擬設(shè)計(jì)；人機(jī)交互

1.設(shè)計(jì)背景

1.1剝殼機(jī)發(fā)發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)作物剝殼設(shè)備種類多樣，其中包含蓖麻剝殼機(jī)、花生剝殼機(jī)、核桃剝殼機(jī)等，這類產(chǎn)品有些雖然有一定的發(fā)展歷史，但其更新?lián)Q代的速度較為緩慢，大都停留在滿足功能的層面上，對(duì)產(chǎn)品的造型外觀缺乏思考與設(shè)計(jì)，大都以多塊金屬板塊拼湊，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)加以包裹，形成外殼，較為呆板單一，且有些產(chǎn)品邊緣突起，過于鋒利，存在較大的安全隱患。色彩搭配過于單調(diào)沉悶，大都以白色、綠色、紅色等作為產(chǎn)品的顏色，顏色單一，缺乏對(duì)不同功能區(qū)域的顏色區(qū)分。內(nèi)部結(jié)構(gòu)外露，缺乏必要的防護(hù)，容易對(duì)操作者造成傷害。目前蓖麻剝殼機(jī)也存在同樣的問題。

目前，我國(guó)在蓖麻主要種植地已有許多機(jī)械設(shè)備，逐漸實(shí)現(xiàn)蓖麻去籽的機(jī)械化，基本滿足農(nóng)民的勞作需求，但其在功能，造型，人機(jī)方面還有待完善。在政策的支持，以及市場(chǎng)的迫切需求下，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)、完善，研發(fā)設(shè)計(jì)出新型的蓖麻剝殼機(jī)，具有廣闊的發(fā)展前景。

1.2虛擬設(shè)計(jì)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是由多學(xué)科先進(jìn)知識(shí)形成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，其本質(zhì)是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，實(shí)時(shí)并行地模擬出產(chǎn)品開發(fā)全過程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造成本、產(chǎn)品的可制造性、產(chǎn)品的可維護(hù)性和可拆卸性等，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率。它也有利于更有效更經(jīng)濟(jì)靈活地組織制造生產(chǎn)，使工廠和車間的設(shè)計(jì)與布局更合理更有效，以達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期及成本的最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化的目的。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)作為一種新型的技術(shù)，對(duì)于縮短農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期，降低農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造成本等，都有著極其重要的作用。新時(shí)期新背景下，加強(qiáng)對(duì)于虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.3設(shè)計(jì)意義

通過虛擬設(shè)計(jì)的手段對(duì)現(xiàn)有蓖麻剝殼機(jī)的缺點(diǎn)加以改進(jìn)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具有以下的設(shè)計(jì)意義：

（1）通過對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以提高剝殼去籽的效率，增加蓖麻籽良品的產(chǎn)率，從而達(dá)到增加產(chǎn)油量，提高利潤(rùn)的目標(biāo)。

（2）通過對(duì)造型、色彩的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出具有機(jī)械美感，造型優(yōu)美，色彩協(xié)調(diào)宜人的機(jī)械，對(duì)勞作者有著積極的心理暗示作用，帶來愉悅的使用感受，緩解勞作的枯燥和壓力，提高工作效率。

（3）通過對(duì)人機(jī)交互界面的改進(jìn)，可以簡(jiǎn)化操作流程，使其更加合理自然，降低勞作者的學(xué)習(xí)成本，更好地普及推廣農(nóng)業(yè)機(jī)械，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度。

（4）虛擬設(shè)計(jì)與整條生產(chǎn)鏈的結(jié)合，對(duì)于縮短農(nóng)機(jī)的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.方案規(guī)劃

2.1設(shè)計(jì)定位

基于對(duì)國(guó)外知名農(nóng)機(jī)品牌的調(diào)研與總結(jié)，以及對(duì)原機(jī)的分析，針對(duì)現(xiàn)有剝殼機(jī)存在的問題進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。同時(shí)結(jié)合蓖麻剝殼機(jī)的室外工作環(huán)境，設(shè)計(jì)整體感強(qiáng)，造型優(yōu)美，具有機(jī)械美感，色彩協(xié)調(diào)舒適，材料經(jīng)濟(jì)又有親和力，維修維護(hù)方便，符合人機(jī)工程學(xué)的蓖麻剝殼機(jī)。

2.2設(shè)計(jì)方案

蓖麻剝殼機(jī)是在收獲蓖麻的場(chǎng)地或者場(chǎng)院內(nèi)進(jìn)行蓖麻籽剝殼的農(nóng)業(yè)機(jī)械，必須充分考慮使用者操作的方便性，機(jī)器的后期保養(yǎng)與維修，以及節(jié)省機(jī)器運(yùn)輸過程的占用空間。通過對(duì)整條生產(chǎn)鏈的分析，運(yùn)用新的造型及對(duì)材料重新考量，延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命，降低其生產(chǎn)成本，運(yùn)輸成本。

造型可以考慮采用簡(jiǎn)約又有力量感的線條，讓機(jī)器整體更有機(jī)械美感；外殼可以考慮采用塑料，打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械大都采用金屬外殼包裝的固有習(xí)慣，一方面降低了生產(chǎn)成本，另一方面也增強(qiáng)了產(chǎn)品的親和度。機(jī)器的各種尺寸應(yīng)充分地考慮人機(jī)工程學(xué)，讓操作過程舒適安全。在色彩方面，應(yīng)對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行分割，深沉的顏色和明度較高的顏色互相搭配，讓整體顯得更加專業(yè)而又不沉悶單調(diào)，讓使用者的操作過程更加舒適。方案草圖如圖1所示。

方案主要由左右兩個(gè)模塊組合而成，左側(cè)為入料口，右側(cè)為操作面板，兩者具有一定的高度差，劃分明顯；操作面板所在的一側(cè)進(jìn)行了不同斜度的分割，操作界面由3個(gè)旋鈕、兩個(gè)按鍵開關(guān)和顯示屏組成。同時(shí)入料口設(shè)有蓋子，機(jī)器長(zhǎng)期不工作時(shí)可以密封，防止灰塵堆積；出料口和出渣口均有金屬邊框鑲嵌的設(shè)計(jì)，讓整體更精致，有細(xì)節(jié)；出渣口采用嵌套可拆卸軟管，避免了廢渣亂飛的情況，更好地實(shí)現(xiàn)廢渣的收集清理；背面及四周邊緣分別設(shè)有散熱孔，更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器全方位散熱；塊體邊緣都進(jìn)行了切割處理，使整體更有塊面感，機(jī)械感和力量感。

圖1　方案草圖

圖2　建模

圖3　渲染

3.虛擬設(shè)計(jì)及分析

通過二維軟件和三維軟件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，用三維建模，渲染，虛擬裝配的方式模擬蓖麻剝殼機(jī)真實(shí)產(chǎn)品的情況，逐步改善模型。整個(gè)虛擬設(shè)計(jì)過程使用到Rhnio、Keyshot等軟件。

3.1虛擬建模及渲染

通過Rhino軟件進(jìn)行虛擬建模，在虛擬的空間對(duì)各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，修改尺寸，調(diào)整比例，完善后導(dǎo)入到渲染軟件Keyshot中，模擬現(xiàn)實(shí)的燈光，材質(zhì)，色彩，場(chǎng)景對(duì)模型進(jìn)行較為真實(shí)的渲染。過程如圖2、圖3所示。

3.2方案分析

（1）入料口設(shè)計(jì)。蓖麻為一年一熟的農(nóng)作物，剝殼機(jī)的使用是階段性的，入料口裝配有蓋子的設(shè)計(jì)，讓機(jī)器不使用時(shí)可關(guān)閉，防塵防潮，有利于延長(zhǎng)機(jī)器的壽命。

（2）操作界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)置“轉(zhuǎn)速一”、“轉(zhuǎn)速二”、“風(fēng)力”3個(gè)旋鈕，以及“開”、“關(guān)”兩個(gè)按鍵，同時(shí)配有顯示屏顯示具體參數(shù)，極大的降低操作者的學(xué)習(xí)成本，讓操作流程更加簡(jiǎn)單流暢，減少操作失誤的幾率。

（3）出渣口設(shè)計(jì)。將普通剝殼機(jī)水平出渣的方式，用可拆卸軟管的引導(dǎo)，轉(zhuǎn)換成豎直出渣的方式，下方可直接裝套袋子，收集廢渣，避免廢渣亂飛，弄臟地面。同時(shí)，可拆卸軟管在機(jī)器生產(chǎn)運(yùn)輸過程中，可以拆卸并收納，節(jié)省空間，降低運(yùn)輸成本。出渣口設(shè)計(jì)如圖4所示。

（4）散熱孔的設(shè)計(jì)。在剝殼機(jī)的四周邊緣及背面均設(shè)有散熱孔，一方面讓機(jī)器作業(yè)時(shí)內(nèi)部熱量能夠得到有效全方面地散發(fā)，同時(shí)四周散熱孔也具有一定的裝飾性，讓機(jī)器更加精致美觀，有機(jī)械美感。

圖4　出渣口設(shè)計(jì)

結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)蓖麻剝殼機(jī)在造型、色彩、人機(jī)等方面考慮欠缺，開發(fā)過程較為漫長(zhǎng)，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)的不足。本研究通過對(duì)現(xiàn)有農(nóng)機(jī)的調(diào)研，從造型，色彩，人機(jī)交互等方面進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)有的蓖麻剝殼機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。相比傳統(tǒng)剝殼機(jī)，本設(shè)計(jì)的造型簡(jiǎn)潔、時(shí)尚，更具機(jī)械美感；色彩協(xié)調(diào)統(tǒng)一，沉穩(wěn)又不失活力；人機(jī)方面考慮周全，符合使用者的操作習(xí)慣，更加人性化。

利用二維軟件和三維軟件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、建模、渲染模擬產(chǎn)品的真實(shí)情況，修改方便，效果直觀真實(shí)，有效地解決了傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)進(jìn)度緩慢，返工和修改工作量大的問題，縮短了生產(chǎn)周期，降低了開發(fā)成本。對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的開發(fā)設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]陳為.農(nóng)業(yè)機(jī)械色彩設(shè)計(jì)的研究[J].當(dāng)代農(nóng)機(jī)，2007（4）：51-52.

[2]張建敏.農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的外型設(shè)計(jì)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（4）：99-103.

[3]吳江奎.農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[4]王力捷.6BBS-50型蓖麻剝殼機(jī)的改進(jìn)研究[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2009（6）：20-20.

TP313

A

曹玉華。

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B020313004）。