三维建模与手工试制的交互设计

1、主讲：1、概念2、服务对象与学习目的3、传统方式与新的工具4、交互设计5、设计要点6、习惯养成7、总结1、概念 “三维建模与手工试制的交互设计”指的是以目前机械加工行业里广泛使用的三维建模软件为辅助工具，结合传统的单件的手工制作方法来进行汽车上部分结构件设计的一种工作方法。2、服务对象与学习目的服务对象： 汽车结构件（多数情况下为支架件）设计或优化。学习目的： 提升样件试制效率，同步进行数据归口与管控2.1、服务对象【结构件】：汽车上使用的结构件种类繁多，大体上分为“车身”、“支架”、“总成壳体”等几类。总成壳体指汽车构造中相对独立的子总成的外壳。 例如后桥桥壳，电机外壳，电机控制器外壳等。支

2、架指安放或固定某些元器件的钣金件。车身即汽车的骨架，是一个与各个元件相关的结构群。2.1、服务对象【区别】：不同的使用条件决定了上述结构件不同的强度要求，因此其选用材料、厚度、加工工艺各有不同。【共性】：都是起到支承、保护、固定的作用。特别指出，在某些特殊情况下，支架件会随车身一同加工成为其中的一部分。2.2、学习目的 通过掌握三维辅助设计软件，利用它进行结构设计，指导样件试制，提高工作效率。 由于软件建模的便利性，设计人员得以在虚拟空间里快速实现自己的设计构想。并且能够随时、反复进行调整。在得到满意的初步设计方案后即可付诸实际加工。依据在实际加工过程中反馈得到的工艺难点及结构缺陷重新修正设计

3、方案制止最终确定。整个过程能节约大量工作时间和材料，同时制图与管理的便捷性也能得到显著提升。3、传统方式与新的工具样件试制：样件即样品件，试制即试加工。样件试制的输入是设计人员的设计构想，语言媒介是图纸；输出即加工完成的样件。 3、传统方式与新的工具传统方式:传统的样件试制过程是与实物紧密结合的。例如得到任务，需要设计一个结构件用于某个车载元件的搭载。其开发流程大体如下：1.设计人员得到设计任务，量取可利用的空间尺寸从而进行初步的结构设计，绘制设计草图。2.试制人员根据设计草图制作手工样件。3.将样件与车身相连，用目标搭载的元件进行预摆放，选定安装位置后进行安装孔的定位，用油漆笔点明打孔的位置

4、。4.选定合适的钻头，将孔打出。5.车载元件试装。6.试装合格后根据该结构件的实际状态修正设计草图，形成完整图纸，归档。3、传统方式与新的工具新的工具：即三维辅助设计软件。行业里广泛使用的同类型软件有三款，它们分别是CATIA、UG、PRO/E。 三维模型相较于平面图纸最大的优点就是立体直观，便于修改及观察。设计人员利用三维软件进行结构设计时能够在形成初步满意的设计方案后再出图纸而将修订工作全部放在建模过程中完成，可减少图纸修订的用时。4、交互设计根本：首先需要言明“交互设计”的本质是一种手段或方法。掌握这种方法是为了更加高效的进行设计。而设计的思路才是根本。设计思路：指设计人员为实现设计目标

5、而构想出来的完整可行的方案。是抽象的过程。 设计思路的输入是设计目标和环境参数；最终输出的是制成的样件。“环境参数”即可利用的空间尺寸、平面或立面以及需要避让的要素等等。4、交互设计案例1：E7项目“直流变换机与车载充电机支架组件”左图就是上述组件的实物搭载状态。“可利用的空间”指元件搭载时能利用的车身上的空间尺寸。要求其具备如下几点要素：（1）足够容纳所要搭载的元件并且留有一定的安全间隙；（2）易于拆装；（3）便于人手操作及工具进出。“可利用的平面/立面”指结构件与结构组或直接与车身相连时，结构组或车身提供的固定区域。该区域可以是平面也可以是曲面。设计人员需要根据自己选定区域的特点来设计连接

6、方式，如焊接、螺纹连接等。车载充电机DC/DC可利用空间可利用的平面图14、交互设计案例1：E7项目“直流变换机与车载充电机支架组件”车载充电机DC/DC上图是该支架组件的虚拟搭载状态运用“显示/隐藏”以及测量等功能可以方便地查看安装孔位，摆放角度等布置要素。图2图34、交互设计案例1：E7项目“直流变换机与车载充电机支架组件”：第一，任务输入任务输入。1.明确目标是完成DC/DC与车载充电机的搭载。2.量取环境参数。内部，两个元件自身的外廓尺寸，安装方式、朝向、间隙等要求；外部，能够利用的空间尺寸。具体到E7项目，可利用的空间被限定在驾驶员座椅以下，前桥与动力电池前端之间的这块区域（如图1所

7、示）。第二，进行初步结构设计初步结构设计。1.整体结构借鉴D11的组件设计形式，即支架整体与车身相连，元件与组件相连，元件可单独拆装。2.E7项目中此组件的具体安装位置又要求它必须保证安装在上面的元件能够向上（驾驶室）和向下（地面）取出。 以上两点要求就决定了该组件的结构是“口”字形的框架，并且考虑到元件顶端与驾驶员座椅底部必须留有足够的安全间隙，因此，设计该组件的元件安装面要以其与整体相连的平面为基准沉降一定距离，该距离同时受整车离地间隙限制。设计过程分析4、交互设计案例1：E7项目“直流变换机与车载充电机支架组件”：第三，主体支架加工主体支架加工。在上一步的大体方案拟定之后，设计人员进行了

8、三维数模制作，并利用软件中的工程图模块绘制了结构图纸。交与试制人员进行加工。第四，分体支架设计分体支架设计。1.将两个元件分别摆放在组件主体当中，检查间隙能否满足拆装要求；2.根据元件既定的安装特点，设计两组用于使元件与支架组件相连的支架件，即下图箭头所指示的钣金。图5蓝色箭头指示的钣金的设计目的是适度抬高车载充电机，使其散热器不至沉降过多而影响离地间隙以及整体美观。设计思路分析图4图54、交互设计案例1：E7项目“直流变换机与车载充电机支架组件”：3.分装支架加工。首先，选材。对于图4右侧箭头所指的安装板，我们取用的是420 x300 x3的钢板；而左侧的两根安装梁则选用了15x30方钢。而

9、数模上显示的翻边，镂空等特征，在图1所示的实车样件中并不存在。而这就是样件试制后的结构优化设计的结果。其次，钻孔。我们将元件摆放至预制成型的分装支架上，用油漆笔将需要钻孔的位置进行描点、划边。随后进行钻孔操作，完毕后安装元件，如孔位偏斜则进行洗孔或扩孔操作。最终完成元件安装。第五，总结整个试制过程中暴露出来的设计缺陷，重新检查元件与周围环境之间的预留间隙是否合乎要求。以此为据重新修订三维数模，并绘制平面图纸，存档。设计过程分析4、交互设计案例2：E7项目“BMS安装支架”图6图7图6红色箭头指示的矩形钣金就是E7样车上的BMS安装板。图7是该件的优化设计方案。对比两张图片，不难发现该安装板的优

10、化方案实际上是将原设计中部的两个孔向右平移了一定距离。这样做的目的是将中部的两个安装孔“暴露”出来，不再受BMS的遮挡，便于装配。附带说明，左侧条形孔用来吸收钻孔时可能产生的尺寸精度误差。4、交互设计案例3：E7项目“电机控制器安装支架”图8焊接在车身底板镂空可以用于减轻重量，美化外观，也可用于走线安装孔设计符合电机控制器自身的结构特点该支架件是根据E7-2#样车的具体要求的改进版。蓝色箭头指示处进行过材料切除，目的是避让车身上的弯管梁以抬高电机控制器悬挂高度。：1.左右两个支架分体将控制器合抱，形成一个整体后再与事先在车身底板上焊接完毕用于定位的安装梁进行螺纹连接。2.整个安装过程一共需要两

11、次的螺纹紧固操作，过程简单易行。人手及工具的操作空间预留充足。3.考虑到可能存在的左右晃动，选用3mm钢板，保证强度。设计思路车头方向4、交互设计案例4：E7项目“整箱电池箱体”整体电池的结构设计主要经历了以下几个环节：1.量取可用空间。2.选择螺栓固定点。3.根据电量、离地间隙、管路避让等方面的需求确定外廓尺寸。4.建模。5.方案预审。6.壳体试制，试装。7.组装电芯后试装。8.结构优化。9.方案确定。图94、交互设计案例5：D12项目“电机悬挂支架”*绿色箭头指示的安装梁已经并入车身，随之一起加工生产*侧面的安装孔由于不方便工具进出，现已得到优化。其改进方案是2x2单平面分布，便于螺栓打紧

12、图10图11图124、交互设计案例6：D12项目“支架组件”图13图144、交互设计案例6：D12项目“支架组件”加强筋防止横向摆动橡胶软垫在组件与车身之间，减小体系振动设计分析：1.就整体结构而言，该组件由三层构成，即上图中红、蓝、橙三种色彩的零件。每一层的空间都能满足元件摆放且预留了一定的尺寸间隙。2.就设计的装配工艺而言，该组件采用“分装橙、蓝两层连接车身分装红层”的装配顺序。其优点是结构紧凑，充分利用了原本就狭小的布置空间；缺点是人手及工具的活动空间小，装配难度大，并且元件检修不便。图154、交互设计案例6：D12项目“支架组件”加强筋防止横向摆动橡胶软垫在组件与车身之间，减小体系振动

13、设计分析：3.就加工的工艺性而言，该件由钣金件构成，连接方式为层与层之间螺纹连接，构成每层的钣金之间焊接连接。加工的关键因素在于钣金与钣金、螺母与螺母之间相对位置的控制。由于相对关系较多，故试制阶段暴露的问题点也较多。但后期量产时，各个尺寸要素皆由工装夹具控制，因此保障了加工质量。4.就通用性而言，该件可根据具体需求进行相应的改变，结构优化空间充裕，具备一定的通用性。图154、交互设计案例7：D12项目“ABS支架”图16 D11-ABS支架图17 D12-ABS支架图18 ABS支架结构优化过程图19 虚拟安装D12-ABS支架的设计方案借鉴了图16所示的D11-ABS支架。在试制时我们直接

14、切割了D11-ABS支架的上半部分，单独制作了下半部分钣金再进行焊接。在大体方案确定之后进行三维建模设计用以确定适合量产的结构方案。1231#方案是金杯海狮使用的支架状态。从图中我们可以看到3#方案吸取了1#方案的优点，具备用于限位的特征，但因为增加了加工难度，我们最终使用了2#方案。5、设计要点通用性图20*机械设计三化原则 标准化、系列化通用化通用化“通用化设计”要求设计方案必须尽可能满足不同结构参数的同种零件的同种功能需求。右图是D11的支架件【2103002D12-下横梁】该件的作用是搭载电机控制器与高压配电柜。由于不同电气元件厂家的产品结构不同，不同配置的车型所用的元件型号不同等因素

15、，因此如图16所示，该支架件上开有多组安装孔以适应不同的电气元件。图215、设计要点工艺性结构设计的工艺性要求1.便于加工；2、便于人工操作图23b=40h=60图18所示的梁因高度相对于宽度过大而无法折弯成型。图22折弯角小于钣金厚度，不符合机械加工客观规律，红圈处容易撕裂5、设计要点工艺性结构设计的工艺性要求1.便于加工；2、便于人工操作预留套筒空间图24图255、设计要点独立性与整体性真空罐与车身之间的连接钣金，因其位置的相对独立，故划为车身的一部分，与车身一同加工，喷涂。转向助力油泵支架整车控制器支架支架组件转向助力油泵支架与整车控制器支架体现了独立性，支架组件则体现出整体性可利用的立

16、面图26.D11真空罐图276、习惯养成结构设计人员应主动养成的意识1.空间意识寻找可利用的空间；判断空间能否容纳目标元件，是否方便人工操作和工具进出；规划元件进出空间的轨迹路线。2.工艺意识顾及加工设备自身的特点和局限性；设法在满足功能和强度要求的前提下减轻零件自重，美化外观；考虑装配的先后次序，是否需要多名工人合作。3.共性开发意识在结构设计阶段就为未来可能会产生的新的装配需求预留充分的改进空间，力求“一件多用”、“方便改进”4.分析、提炼、学习意识研究他人的设计方案，找出优点和不足，试着设计自己的方案，找机会付诸实践。6、习惯养成结构设计人员应具备的工作习惯1.整理数据将所有的结构设计按照不同的产品分门别类并制作零件清单，如右图。清单中要附有缩略图，件名件号以及应用车型，还可以注明单车用量，使用不同颜色标明该件的使用状况（正常使用，正在优化，已停用等）图27.D11支架件明细表6、习惯养成结构设计人员应具备的工作习惯2.制图图纸是一切技术状态冻结的凭证，因此要求结构设计应当绘制相应的图纸，作为技术底案以及采购、生产、仓储、工艺等各部门开展工作的依据。*图纸版本每一次方案修订都应保留图纸，标明改动之处，并按照规定