家用地板清潔機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)

李 斌，耿向前，閆惠陽(yáng)

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提高了人們的生活水平，家用地板清潔機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。它可以自動(dòng)規(guī)劃路線，高效清潔地板，一經(jīng)問世即獲得了消費(fèi)者的歡迎。但是，個(gè)性化的家庭裝修風(fēng)格對(duì)地板清潔機(jī)器人提出了更多的個(gè)性化要求，在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)“大規(guī)模+定制化”以獲得更廣闊的市場(chǎng)，已成為生產(chǎn)企業(yè)亟待實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

1 平臺(tái)化設(shè)計(jì)方法

1.1 產(chǎn)品平臺(tái)化的概念

產(chǎn)品平臺(tái)化的理念最初是由一些跨國(guó)汽車企業(yè)在20世紀(jì)80年代提出的[1]，汽車企業(yè)以一定的零部件組合方式構(gòu)成基于相同平臺(tái)的不同車型，為設(shè)計(jì)研發(fā)帶來了極大的便利。不同于模塊化設(shè)計(jì)，平臺(tái)化設(shè)計(jì)更加注重特定產(chǎn)品類型中高度重合的零部件的共用設(shè)計(jì)，有規(guī)劃地開發(fā)一套產(chǎn)品共用結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和接口，可滿足不同批次生產(chǎn)并提高開發(fā)效率[2]。因此，產(chǎn)品平臺(tái)化具備實(shí)現(xiàn)系列產(chǎn)品派生及拓展的能力，是“柔性制造”的知識(shí)成果，可以滿足不同細(xì)分市場(chǎng)和消費(fèi)者的個(gè)性化需求，有利于生產(chǎn)企業(yè)降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能[3]。

1.2 家用地板清潔機(jī)器人平臺(tái)化設(shè)計(jì)的意義

目前市場(chǎng)上有很多不同品牌的家用地板清潔機(jī)器人，但大部分只具有掃地功能而未考慮地板類型，并不能很好地滿足不同家庭的需求。同時(shí)，家用機(jī)器人行業(yè)的準(zhǔn)入門檻并不高，行業(yè)結(jié)構(gòu)分散，信息不對(duì)稱又競(jìng)爭(zhēng)激烈，致使大部分生產(chǎn)企業(yè)過分注重產(chǎn)品的生產(chǎn)成本而忽略了產(chǎn)品的生命周期價(jià)值，無(wú)法為持有地板清潔機(jī)器人的家庭提供更多持續(xù)的個(gè)性化服務(wù)。

引入汽車行業(yè)成熟的產(chǎn)品平臺(tái)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)接不同需求，配合模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在同一產(chǎn)品架構(gòu)下地板清潔機(jī)器人的通用化、系列化，不僅可以幫助企業(yè)進(jìn)一步縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，還可以通過數(shù)字技術(shù)集成各個(gè)端口的數(shù)據(jù)，在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下對(duì)設(shè)施的物理和功能特性進(jìn)行統(tǒng)一管理，并對(duì)其相關(guān)項(xiàng)目的全壽命周期信息以可計(jì)算的形式表現(xiàn)[4]，為將來引入中小型產(chǎn)品生命周期管理(MSPLM)奠定基礎(chǔ)。

2 總體方案設(shè)計(jì)

家用地板清潔機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力一般采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過聯(lián)軸器或帶傳動(dòng)與行走機(jī)構(gòu)相連；控制系統(tǒng)的PLC，輔助系統(tǒng)中的充電電池、充電接口等都有現(xiàn)成產(chǎn)品可選用，可作為功能模塊處理；清潔執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要具備掃地、拖地、吸塵、地板打蠟等不同功能，也需要作為功能模塊來設(shè)計(jì)；行走機(jī)構(gòu)與外殼對(duì)于不同功能的機(jī)器人有高度共用性，可設(shè)計(jì)為系列產(chǎn)品的平臺(tái)。家用地板清潔機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 家用地板清潔機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The system structure for household floor cleaning robot

在網(wǎng)上購(gòu)物平臺(tái)對(duì)家用地板清潔機(jī)器人買家評(píng)語(yǔ)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在滿足功能的前提下，消費(fèi)者對(duì)此類物品的關(guān)注點(diǎn)往往集中在外觀、收納、價(jià)格、售后服務(wù)等方面，而從企業(yè)角度來說，則更多考慮現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施、成型工藝、良品率等[5]。綜上考慮，本家用地板清潔機(jī)器人平臺(tái)仍采用圓柱形結(jié)構(gòu)，總體方案見圖2。

圖2 家用地板清潔機(jī)器人平臺(tái)Fig.2 The platform for household floor cleaning robot

3 家用地板清潔機(jī)器人平臺(tái)建模

3.1 平臺(tái)建模

在SolidWorks軟件里建立底盤與外殼的模型(圖3)。利用三維軟件建立家用地板清潔機(jī)器人平臺(tái)模型，并組裝成虛擬樣機(jī)，可以更直觀地展現(xiàn)家用地板清潔機(jī)器人的全貌，讓設(shè)計(jì)師更加關(guān)注細(xì)節(jié)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。限于篇幅，建模過程這里不再贅述。

圖3 底盤與外殼Fig.3 Chassis and shell

3.2 平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)

家用地板清潔機(jī)器人平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)的意義在于快速、方便、高效地進(jìn)行該產(chǎn)品系列型號(hào)的設(shè)計(jì)。把外殼直徑定為該機(jī)器人平臺(tái)唯一的全局變量進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過方程式關(guān)系完成各個(gè)零件間的尺寸驅(qū)動(dòng)，可以很方便地生成一系列外觀相似但大小不同的地板清潔機(jī)器人，大大縮短了新產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間。

3.2.1底盤參數(shù)化設(shè)計(jì)

首先在繪圖區(qū)域單擊鼠標(biāo)右鍵，選中“顯示特征尺寸”，系統(tǒng)便自動(dòng)顯示出底盤模型的所有特征尺寸(圖4)；然后在“工具”菜單中找到“方程式”選項(xiàng)并打開，彈出“方程式、整體變量及尺寸”對(duì)話框(圖5)。選擇底座直徑為全局變量，激活“方程式”下面的空格，選擇底盤上4個(gè)小孔距底盤中心的尺寸，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)“D8@草圖5”，這是該尺寸在系統(tǒng)中存儲(chǔ)的代號(hào)，接著在“數(shù)值/方程式”下的空格點(diǎn)選“底盤直徑”并輸入“/8”，建立兩尺寸間的關(guān)系，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出該尺寸為48.75 mm。采用同樣的方法，找出所有關(guān)聯(lián)尺寸與全局變量的方程式關(guān)系并一一添加。

圖4 底盤參數(shù)化設(shè)計(jì)(單位：mm)Fig.4 Parametric design of the chassis(unit：mm)

圖5 方程式、整體變量及尺寸對(duì)話框Fig.5 Equations, integral variables and size dialogue box

3.2.2產(chǎn)品平臺(tái)模型重建

依照以上方法，分別對(duì)外殼、控制模塊箱體進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并添加各零件間尺寸關(guān)聯(lián)，只保留“外殼直徑”這個(gè)全局變量，通過方程式關(guān)系來完成各個(gè)零件間的尺寸驅(qū)動(dòng)。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面如圖6所示。

輸出方程式關(guān)系如下：

"外殼直徑"= "D1@草圖1@外殼<1>.Part"

"D1@草圖1@底座<1>.Part"= "D1@草圖1@外殼<1>.Part" * 1

"D1@草圖1@箱體<1>.Part"= "D3@草圖5@底座<1>.Part" * 2 - 118

其中，"D1@草圖1@底座<1>.Part"是底座直徑，它與外殼直徑相同，"D1@草圖1@箱體<1>.Part"是箱體底面長(zhǎng)度，通過方程式驅(qū)動(dòng)使其與全局變量相關(guān)聯(lián)。此時(shí)改變?nèi)肿兞康闹担蜷_方程式對(duì)話框，點(diǎn)擊“重建模型”，就會(huì)自動(dòng)生成新的模型。

4 平臺(tái)的應(yīng)用

基于平臺(tái)設(shè)計(jì)的家用地板清潔機(jī)器人基本型見圖7。在此產(chǎn)品平臺(tái)的支持下，設(shè)計(jì)師可以依據(jù)不同顧客的需求完成執(zhí)行模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)，與產(chǎn)品平臺(tái)對(duì)接即可生成不同系列的產(chǎn)品。打蠟機(jī)器人、清掃機(jī)器人和拖地機(jī)器人的執(zhí)行模塊如圖8所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)Fig.6 The overall structural parametric design

圖7 基于平臺(tái)設(shè)計(jì)的家用地板清潔機(jī)器人基本型Fig.7 The basic floor waxing robot designed base on the platform

圖8 家用地板清潔機(jī)器人功能模塊Fig.8 The function module for household floor cleaning robot

5 結(jié)語(yǔ)

產(chǎn)品平臺(tái)化、功能模塊化是平臺(tái)化設(shè)計(jì)的基本指導(dǎo)思想。將此思想引入家用地板清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，可使產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)與功能模塊化，進(jìn)而提取出可高度共享的模塊，以確定家用地板清潔機(jī)器人產(chǎn)品平臺(tái)。在平臺(tái)的基礎(chǔ)上依據(jù)顧客需求開發(fā)不同的功能模塊進(jìn)而形成系列產(chǎn)品，可以極大縮短地板清潔機(jī)器人新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)能力。