【基于UG的人体工学鼠标外壳的3D打印模型设计与实现8000字（论文）】

基于UG的人体工学鼠标外壳的3D打印模型设计与实现目录摘要 1绪论 41.1研究的目的和意义 41.2国内外的研究概况 51.3本文的主要研究内容 6第2章总体方案的确定 72.1技术要求 72.2设计方案及总体结构 7第3章鼠标外壳的曲面设计 83.13D打印的工作原理介绍 93.2水龙头的3D打印过程 113.3创建鼠标盖主体曲面 113.4修剪鼠标盖的曲面 123.5曲面缝合和加厚 12第4章3D打印工艺材料的选择 13第5章结论 16参考文献 17PAGE\*Arabic12摘要目前，三维打印技术（3D，printing）在世界范围内受到广泛关注和重视。在中国，当今随着国家发展智能制造，创建创新型社会战略的实施，特别是《中国制造2025》战略中，一再强调要培育创新型产业的发展，并将3D打印技术列为未来我国智能制造的关键技术，3D打印技术也在我国迎来了新的发展机遇期。鼠标是一种广泛使用的输入设备。有关鼠标设计的研究很多。但是，一些设计师没有合理运用人机工程学的技术，导致鼠标设计不科学，引发了与“鼠标手”有关的问题（鼠标手主要是与长期不合理的使用鼠标有关，属于一个范畴）。本文针对这一问题进行了研究，通过对人机工程学原理的分析，设计了一种新的3D打印鼠标的结构和使用方法，同时利用3D打印技术的优点，进行了基于UG模型的产品建模和3D打印材料的可塑性，实现了人机工程学鼠标，减少长时间使用鼠标造成的手腕疲劳。鼠标结构较小，使用方便，符合人机工程学。关键词：3D打印；UG；鼠标；人体工程学；改进与分析第1章绪论1.1研究的目的和意义3D打印机（3DPrinters），又称三维打印机，是一种累积制造技术，即一台快速成型技术的机械。这是一种奇特的打印机，是一位名叫恩里科，迪尼（Enrico，Dini）的发明家所设计。它不仅能在打印中建造一座完整的房屋，甚至能在太空船上打印出你需要的任何东西的形状。但三维打印是对象的模型，没有打印出对象的功能。3D打印机主要运用数据模型，采用特殊的材料蜡，塑料粉末或金属粉末等黏性材料，通过层层打印黏性材料来创建三维物体的模型。在现在，与传统制造业相比，三维打印已成为制造现代模型，模具和零件的有效途径，在航空航天，汽车，生物医学，工程建设，教学科研等领域占据独特优势。目前，中国拥有庞大的制造业体系，特别是在高端装备，家电设计，特种金属，纳米材料，非金属材料，动漫模型设计等领域，构成了产业集群。但是，目前大多数的制造工艺和技术都是采用的传统的加工方法，只有少数企业委托国外的3D打印机进行再加工，因此3D打印的普及程度有待提高。本文研究的目的是运用3D打印技术设计并实现人体工学鼠标外壳，使鼠标达到符合人体工学的标准。将3D打印技术应用到鼠标外壳的设计中，能实现鼠标具有合理的设计，符合人体工程学，更利于人们在工作中的使用，解决一系列健康问题。鼠标的人体工程学包括鼠标外壳曲线（弧度），尺寸大小和重量的轻便设计。鼠标人机工程学的目的是最大限度地满足人们用鼠标时的舒适度，手感和使用习惯的要求，尽可能的减少长时间使用鼠标时的身心疲惫，尽量预防肌肉劳损的症状的发生，从而最大程度地保护用户的手腕健康，提高用户的工作时的体验。比如，中国人的平均臂展，身高，手掌的大小都不同于欧美，所以很多盛行于欧美市场的鼠标产品大多数都不怎么适合中国人。优秀的鼠标是要有美丽的外观，舒适亲肤的外壳和适合用户的手型。优秀的鼠标表面要细腻光滑，外壳要光滑圆润但不能滑手。不应有明显毛刺和突兀，接缝一定要细腻精密。长期使用鼠标的人一般腕骨突出，手和手腕经常感到一定的酸痛，这说明使用的鼠标没有体现以人为本的设计理念。高品质的鼠标充分体现了人机工程学的设计理念。用时感觉舒适轻松，与掌心合拍。按钮是放松和有弹性的，为人们提供了愉悦且舒适的办公体验。1.2国内外的研究概况鼠标是计算机操作过程中最重要的输入设备。自1968年斯坦福大学的道格拉斯·恩格尔巴特博士设计制造出第一款鼠标以来，鼠标技术经历了机械鼠标、光学机械鼠标、光电鼠标、蓝牙鼠标和激光鼠标几个阶段。随着用户需求的不同，出现了一些新颖的鼠标结构。在2010年，王兴凤等人设计生产了一款五自由度的三维鼠标，实现了鼠标五个自由度的交互输出。2014年，吴大中设计了一种无线鼠标的多媒体教学系统，使鼠标左键和滚轮具有了遥控功能。在2015年，张亮提出了指纹识别鼠标，让鼠标可以和用户身份信息相匹配，实现了“指纹识别式鼠标”。2017年，张丙辰和彭荣利设计了一款适合儿童的鼠标形状，让鼠标适用于更多的用户群体。虽然各种各样的新式鼠标层出不穷，但它们的使用方法并没有太大变化。它们都是通过手指和手掌对鼠标形成一个夹持，从而固定鼠标，然后通过前臂和手腕的运动来确定鼠标的运动轨迹和方向。食指和中指分别操作鼠标的左右键。现在越来越多的上班族每天长时间反复在键盘上打字和移动鼠标，鼠标的移动是靠手腕支撑的手的力量来操作的，当用手长时间握住鼠标时，会对手腕、肌肉或关节产生很大的冲击影响，慢慢在体内形成潜在的健康杀手——“腕管综合症”和“尺骨撞击综合征”。为了让鼠标使用起来更舒适，更符合人体工程学，人们对鼠标的形状做了一些改变，但他们通常摆脱不了鼠标左右键对称布局的想法。鼠标的大小一般和人手掌的大小一样，所以体积比较大。这种鼠标的设计不便于携带。移动时需要很大的空间，在空间小的桌面上移动很不方便。当然，也有一些小型鼠标是为了方便携带而设计的，但它们不方便使用。同时，有的还减少了鼠标中键位的功能。2009年，Ezmouse凭借其独特的专利获得了10项设计奖：垂直外观和恰到好处的尺寸，耐用性，可持续性和美观性。Ezmouse的带来了鼠标革命性的创新，建立了符合人体工程学的鼠标性能和功能的新标准。其科学的人体工程学设计美学，Ezmouse已成为世界市场的供货商之一，在欧洲工程学鼠标体系中。2013年，德国著名CeBit展上，第三代minicute，Ezmouse也成为重点健康环保产品。本文介绍了一种基于3D打印技术的新型人机工程学鼠标，适用于各种场所，很是对于操作空间小或需要更快更频繁点击左键的游戏玩家。这是一种新型鼠标，既保留了传统鼠标的功能，又具有了体积小巧，携带方便，用户使用可以舒适快捷的优势。1.3本文的主要研究内容本文的主要研究内容是以参考和查询现在有鼠标模型和人机工程学相关资料的基础上进行一些创新和改进，并将其应用于3D打印技术改进鼠标的外壳的曲面，从而在某些方面设计出更为先进的鼠标。通过3D打印技术的优势并结合人体工程学设计，实现更健康的办公方式。使用传统鼠标时，手腕基本处在与桌面接触的状态，整只手的重力基本上是在手腕上实现的，这也是鼠标手存在的一个主要由来。但不足的是，这限制了鼠标的移动范围。鼠标的使用基本以手腕为中心，手为半径为范围运动，这不符合符合人体工程学。新型鼠标的设计尽可能的摆脱了手腕的支撑，在解放手腕重力的同时，扩展了鼠标的运动范围。对于用鼠标进行绘图的用户而言，这是一个巨大的改进。从经济学发展的角度来看，3D打印大大节约了开发成本，打破了传统工业的限制。基于供应链的愿景，3D打印很符合敏捷型供应链，由于其生产不受数量的限制，而且可以提供快速的反应能力，甚至有可能改变供应链结构，特别是，这种技术对现代技术时代的组织变革和供应链预测分析方式具有重要的指导意义，为鼠标的定制化设计提供了可能。第2章.总体方案的确定2.1技术要求用3D打印材质，让鼠标觉得贴近皮肤。采用UG模型对鼠标外壳表面进行人体工程学设计，解决了鼠标经常用带来的一系列健康问题。2.2设计方案及总体结构一、结构分析根据对人类手部结构的分析，与鼠标相关的手部结构主要包括掌心，前臂，手腕等。手腕在移动过程中，主要通过尺骨，桡骨的交错运动来实现相关动作。在腕骨的驱动下，手腕能上下移动。手掌主要由两组肌肉驱动，两组肌肉的手指中间有一条沟。区别个体的沟道规模差异很大。很多人的神经和血管都分布在这条沟壑沿线，因此我在设计人体工程学时需要注意它。在运动过程中，如果把上臂和手掌放在桌子上，它们会保持一定的倾斜状态。在使用鼠标的过程中，手掌的方向偏外侧。相关研究结果表明，对于腕部结构而言，如果腕部处于仰起状态，如果相应的角度在合理的范围内，则可以保持较为舒适的状态。如果角度超过这个范围，很容易引起前臂肌肉紧张，影响血液循环。二、手持式贴合掌心的设计原则是保证手腕在锻炼中保持笔直，控制静止肌不受负荷，预防手指过度重复运动，掌心组织不应承受较大的压力。三、人机学鼠标的分析与改进（1）人机学鼠标的分析在研究过程中，本文主要从人体工程学的角度设计了人机学鼠标，以保证用户在运用鼠标时有良好的手感并符合使用习惯，尽可能减少长期不间断使用鼠标所造成的疲惫感，预防手部肌损伤，并在此基础上有效提升工作体验。（2）对改进后的鼠标的统计结果表明，市场上常用的鼠标存在不同程度的缺陷。具体表现为手长时间处于抓持状态，容易产生强烈的疲劳感。许多鼠标不容易携带。手腕的活动范围明显有限。因此，我们需要做出相应的改进，具体如下：提高鼠标外壳与手掌拇指和小指肌肉的契合度，但同时要避免对这些肌肉的压迫。如果配合太多，容易产生疲劳，如果配合不够，容易产生抓不住的感觉。为了满足长时间无压力使用鼠标的要求，我们应该确保鼠标的外壳非常靠近手掌。如果不靠近手掌，很容易造成手掌下垂。鼠标的最高点应与手掌相对应，而不是与手掌浅动脉弓相对应，以免产生明显的压迫感。在鼠标的选材上，要尽量选择细腻，流畅，光滑的材料。在改进的设计中，要熟悉鼠标应用的手掌特性，深入分析每个手指的运动。在移动过程中，桌面移动到位后，再操作滚轮。改进后的鼠标手感姿态非常合适，与桌面的契合度非常高，且应用时间长不会产生明显的疼痛感，有效解决了上述问题。改进后的鼠标外壳采用适中的曲面满足条件，曲面设计模块主要用于设计形状不规则的复杂配件。在UG的三维建模中，曲线是曲面和产品的基础。曲线的质量不仅直接影响到曲面的质量，而且影响到整个产品的质量。本文利用UG软件中的曲线曲面造型，实体造型和人机工程学方法，成功地建立了鼠标盖零件符合人体工学特点的数学模型。第3章鼠标外壳的曲面设计与实体鼠标造型相比，曲面建模并没有完全的参数化。一般来说，构件的曲面设计通常是先用草图曲线或空间曲线来绘制模型的骨架曲线，之后再用曲面造型的方法为所创建的曲线构建曲面，再利用拼接等工具将这些曲面转为一个完整的曲面组，最后将整个曲面组转换一个模型。本文通过用草图曲线，镜像曲线，通过曲线网，剪裁体，缝纫，加厚，拉伸等特征命令来创建鼠标外壳的三维模型。如图1所示，它是鼠标盖的骨架曲线，图2是鼠标盖的零件模型。图1骨架曲线图2零件模型3.1鼠标盖骨架曲线的设计创建鼠标骨架曲线1，在“插入”菜单栏的“任务环境”中选择草图，在弹出的对话框中，默认XC为草图平面，单击“确定”（或鼠标中键）进入草图工作面。绘制草图1，在草图软件栏中，单击［样条］命令绘制样条曲线，如图3所示。单击［确定］按钮（或按鼠标中键）退出［样条］对话框。从图中我们可以看出曲线不是很平滑，所以我们需要改善它。双击初步草图曲线1并选择[分析]——[曲线]——[曲率疏]命令以在图形区域中显示草图曲线的曲率稀疏。拖动草图曲线的控制点以平滑其曲率，如图4所示。要取消曲率稀疏显示，需要再次选择[曲率疏]命令，然后单击［OK］按钮（或按鼠标中键）关闭［样条］对话框。在草图工具栏中，点击[镜像曲线]命令，选择刚刚绘制为镜像曲线的草图曲线，镜像中心线为X轴。单击［确定］完成镜像曲线的创建。最后，单击［完成］按钮（或快捷键q）退出草图并显示鼠标骨架框架曲线1以完成构建，如图5所示。图3初步草图1图4草图1的曲率疏图5草图1（建模环境）图6鼠标盖主体曲面3.2创建鼠标盖的其余骨架曲线骨架曲线中其他曲线的构造与曲线1类似，因此不详细说明其他曲线构造。3.3创建鼠标盖主体曲面选择菜单栏“通过曲线网络插入网格面”命令，系统会自动弹出通过曲线网络对话框。如图1所示，顺次选择曲线2，3，4作为主曲线，点击中间按钮切换，注意方向相同。再次点击中键后，选择曲线5和曲线1作为交叉曲线，点击中键确定，注意同一方向。其他参数为默认值。因此，在使用贯通曲线网命令时，必须注意主曲线方向和横曲线，防止曲面变形。确认之后，您可以创建鼠标盖的表面，如图6所示。图7草图5的曲率疏为绘制如图7所示的初步草图5，我需要选择XZ平面作为草图平面，一起对曲线和曲率疏进行光顺处理分析，使其曲率疏性呈现如图7所示的光滑形状，解除曲率疏显示以完成草图。点击【插入】，【曲面】，【有界平面】命令，系统弹出对话框，在图形区选择如图7所示的曲线，点击左键完成有界平面的创建。在［插入］菜单栏中选择[关联]——[镜像体]命令，选择为镜像体对象创建的有界平面，为镜像平面选择新平面，为指定平面选择ZC，XC平面，并确认，如图7所示。3.4修剪鼠标盖的曲面在[插入]菜单栏中选择[修剪]——[修剪片体]命令来修剪鼠标盖的主外表和侧表面，如图9所示。a）镜像前b）镜像后图8镜像体图9修剪后特征3.5曲面缝合和加厚单击“插入”菜单栏中的“组合缝合”指令。在弹出对话框中，选择切片类型，选目标实体，之后选择工具实体。确定后，完成表面缝合。在菜单栏［插入］中选择[偏置/缩放]——[加厚]命令，系统将弹出板材加厚对话框，加厚对象，选择缝合曲面，输入偏值1，变化方向，确定完成曲面加厚操作。鼠标外壳的实体建模使用拉伸和边缘圆角命令来完成鼠标盖模型的创建。第4章3D打印材料的选择43D打印工艺材料的选择3D打印技术起源于美国的快速成型技术。其技术的基本原理是：先数字分层后物理分层，即首先建立打印作品的数字模型，进行数字分层，实行每一层的二维加工路径或轨迹。然后，选择适合的材质和相应的加工方法，并在上述的数字路径的驱动下逐层打印，最终完成打印模型。3D打印技术不同于传统的加工模具的方法，它一种日益成熟的加工方法，其大大提高了材料的利用率，颠覆了传统制造方法的革命性制造技术。在我国3D打印被称为增材制造技术。三维打印技术不仅具有较高的处理灵活性而且市场反应速度快速，在工业生产，航空航天，建筑，艺术，动画模型，影视模型等领域都得到了很好的应用。目前，国内外3D打印领域有近20种不同的处理系统。其中，最典型，最成熟的技术有立体光刻设备（SLA），叠层物体制造（LOM），熔融沉积建模（FDM），选择性激光烧结（SLS），选择性激光熔化（SLM），3D打印和涂胶（3DP）。虽然这六种3D打印工艺原理上是一致的，但打印材料的不同，让其六种工艺的特点和具体应用领域也有所不同。通过对打印材料在3D打印工艺中的应用和过去研究结果的回顾，指出材料是3D打印领域的研究重点，也是影响3D打印工艺进一步发展和应用的瓶颈。1984年，SLA技术获得了CharlesHull的专利，3DSystems公司使其商业化。SLA被公认为是世界上研究最深入、应用最早的3D打印工艺。目前，该工艺所用的主要材料是光敏液体树脂，即光敏树脂。光敏树脂材料主要包括了齐聚物、引发剂和活性稀释剂。根据引发剂的使用机理，该类光敏树脂材料可分为三类：阳离子光固化树脂、自由基紫外光固化树脂和杂化光固化树脂。激光激发自由基体系产生自由基，引发单体聚合交联。阳离子体系是阳离－子光引发剂辐照产生的强质子酸，催化加速聚合，使树脂固化。混合系统结合了上述两种固化原理。这种凝固首先是由激光照射产生的。随后为了降低成本，西安交通大学在1996年发布了以廉价紫外灯为光源的SLA工艺系统，并同时开发了相应的紫外辐照技术生产固化光敏树脂。近年来，美国研发并推出了蓝卤素冷光光敏树脂固化工艺，由于没有温升而给口腔带来不适，因此，这种树脂首次应用于人牙修复。此外，光敏树脂可用于3D打印，避免温度变化引起的变形，因此可用于打印高精度的模型。目前，开发SLA复合材料也是该工艺的一个重要研究方向。通过添加纳米陶瓷粉体、短纤维等特殊材料，来改变其材料的强度和耐热性，改变其应用范围。或者加入生物活性物质等功能材料，在高温下烧蚀SLA，制成功能部件。目前，用于SLA工艺商业化的光敏树脂材料主要有：Vantico公司的SL系列。Vantico公司SL系列材料为乳白色，质地和强度高，但韧性小。应特别注意小而薄零件的脆性断裂。表1显示了该系列在SLA50003D打印系统中使用时的性能指标。表1SL系列树脂的性能参数4.23D打印对光敏树脂的要求与成型光固化树脂的固化，就像漆的固化，相似于工程塑料。光固化成型材料的性能直接影响到模塑件的质量和成本。成型件的加工精度，力学性能与成型材料密切相关。因此，光敏树脂在SLA应用的技术应满足特殊要求，主要体现在以下几个方面：（1）液体树脂稳定性很强。在可见光下，无化学变化，具有好的稳性，化学稳性和组成稳定。（2）低粘度。由于SLA成形工艺是固化片层材料的叠加过程，每层固化片材后，上平台下降到一定水平后，液体树脂需要尽快覆盖固化片材层，对低粘度树脂的快速调平的特点符合。（3）固化速度快。成型材料的性能直接受光敏树脂固化率的影响，从而在一定程度上影响经济成本。因此，光固化树脂需要对紫外线高度敏感。树脂的光固化速率又称光敏性，通常以临界曝光为特点。（4）一次性固化率高。在紫外光固化条件下，未经固化后的固化度称为一次固化度。一般条件一次固化度达到90％以上，以保证零件在激光成形过程中的稳定性，防止零件变形。一次性固化率高可减少后固化过程中的收缩，减少后固化过程中的变形，保持零件的精度。（5）制作精度是紫外光固化快成形的首要问题。在光敏树脂紫外光固化过程中，由于液相向固相的转变，常常导致树脂体积收缩。复合树脂的聚合收缩不仅会导致尺寸误差，而且会导致零部件的翘曲。在光敏树脂的开发过程中，主要目的是减少树脂固化的影响。（6）透射深度适中。透光深度是树脂体系的固有参数。Dp值过大与光固化树脂固化板层间的附着力对固化产品的强度和精度有很大的危害。SLA工艺中用的光固化树脂必须具有适中的透光深度系数Dp，固化板层厚度应依据Dp值进行微调。（7）高湿强度。在湿强度较高的环境下，固化过程中不变形，不膨胀，不分层。（8）扩张很小。湿成型的膨胀会引起零部件尺寸过大。（9）毒性小。有利于操作员的健康，不会导致环境污染。利用3D打印科技实现的鼠标外壳是光敏树脂的首选材料，它能更好地满足人体工程学指标。第5章结论人机工程学鼠标外壳优化设计是一个典型的工程优化设计问题。本文建立了模型优化设计的UG模型。在己知鼠标外壳和人机工程学常识的基础上，利用UG软件建立了符合人机工程学的曲面外壳模型。该鼠标外壳不仅具有造型方便，精度高的优点，而且具有精度高的优点，具有简单直观，利用率高的优点，为将来人体工程学鼠标外壳提供了一个可以参考的系统模型。在当今以计算机模型设计为主要手段的情况下，该方法具有一定的应用价值，可以推广到工程实践中。但在后续工作中还有很多方面需要进一步完善，如鼠标内部零件的可行性和鼠标外壳的配合等。参考文献[1]陈忠建.UGNX8.0机械设计简明教程[M].南京:南京大学出版社,2012:241-294.[2]刘元朋,张定华,张力宁,敖波.基于UGⅡ的曲线光顺方法[J].航空制造技术.2007(8):76-78.[4]丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社,2011.[5]严扬.人机工程学设计应用[M].北京:中国轻工业出版社,1993.[6]张宏星,杨宏斌,谢从军.手指关节功能障碍鉴定一例讨论[C]//法医临床学专业理论与实践——中国法医学会·全国第二十届法医临床学学术研讨会论文集.哈尔滨: