基于Inventor三维软件的双轮有杆平衡车数字化设计

李志伟

摘 要：电动平衡车可以用作短途的代步工具，由于使用方便、炫酷，节约时间等优点，受到很多人的喜欢。本文依托全国技能大赛信息技术类“产品数字化设计与开发”赛项，使用Inventor三维软件，设计一款双轮有杆电动平衡车。使用数字化设计技术完成了核心零部件的创建，多实体建模使得装配更加容易。设计表达、工程圖更符合赛项标准。Inventor Studio渲染效果图，表明了设计造型符合现代风格，外车设计元素统一，车体数据符合人机工程学。在安全性、舒适性和实用性上更具有优势。

关键词：Inventor 技能大赛 平衡车 信息技术类 数字化设计

1 引言

平衡车又称体感车，其工作原理是利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来监测车体姿态的变化，并利用伺服控制系统，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡的一种时尚运动产品[1]。本文基于Inventor三维设计软件，设计的双轮有杆平衡车属于技能大赛成果转化的一部分。首先依据感性工程学的设计理念[2]，通过分析人的感性、喜好来设计产品和制造产品。其次定位平衡车的设计类型，通过对比市场上已存在的平衡车类型，选择出具有优势的双轮有杆平衡车进行设计。再次，使用数字化建模的方法，借助Inventor设计软件，综合使用自下而上、自下而上的设计方法完成多实体零件的建模、以及零部件的装配。最后，完成表达设计、工程图设计、以及Inventor Studio渲染。双轮有杆平衡车的造型设计，以流畅感和运动感的线条和曲面来描绘出具有时尚感和科技感的产品。

2 设计定位

平衡车的设计要素是多方面的，包括形态、颜色、材料和工艺、安全性、功能等。设计定位也需要结合功能要求与市场，既要满足基本的代步功能又要满足UL2272的国际标准[3]。我们对市场上已存在的产品进行一些必要的改良，在外观造型、价格、材质和配色上，保证设计的产品既酷炫又实用、安全。2020年，程东燚等人通过收集市场上最具有代表性的平衡车作为研究样本[2]，分别在材质、颜色、时尚等22项特征描述中调查发现，关注度最高的八项特征为；续航能力、安全性、便于携带、重量轻、操作方便、简约感、舒适度等，得出5组感性词汇，分别为“安全的—危险的”、“轻巧的-稳重的”、“简约的-复杂的”、“实用的-花哨的”和“舒适的-难受的”。通过对“单轮平衡车”、“双单轮平衡车”、“双轮无杆平衡车”和“双轮有杆平衡车”四种造型的对比，得出结论，“双轮有杆平衡车”在“安全性、实用性和舒适性上表现最优。所以，本文的设计定位为双轮有杆平衡车。

3 数字化建模设计

以下将将从基于多实体的零件造型设计、部件装配、设计表达、工程图设计和Inventor Studio渲染、设计验证等几个方面进行设计。

3.1 基于多实体的零件造型设计

按照数字化建模的思想，数字化模型应包含产品零部件的形状、尺寸、材料等信息，建模中得到的参数信息往往是后续环节（如加工工艺、工程分析等）所需要的设计数据，这为装配、表达视图、工程图、渲染等提供重要的数据[4]。基于多实体的零件设计是一种自上而下的设计方法。多实体生成的方法有四种，分别是：通过创建实体类的特征、通过衍生、通过复制对象、编辑零件中已有的实体类特征[5]。在双轮有杆电动平衡车设计过程中，主要采用这种设计方法，而在调用螺栓、螺钉、螺母等标准件上，可使用自下而上的方法。创建实体类的特征有拉伸、旋转、扫略、螺旋扫掠、放样、加厚/偏移、灌注等特征。在零件建模时，如果零件比较复杂，分割实体建模会比较方便，完成后再将其合并为一个实体。

在外形的设计上，要突出设计感和科技感、时尚、简约的特点，也可以综合考虑舒适性和实用型。多实体零件建模如图1所示。图中框住的区域为多实体零件，包含了“车身上盖”、“车身下盖”、“电源”等35个实体。在建模中除了使用常规的拉伸、圆角、打孔、凸柱、分割/合并、加厚、旋转、凸雕、加强筋、镜像等操作外，还综合使用了高阶的曲面工具，如扫掠曲面、面片、灌注、延伸、修剪、修复实体、边界嵌片、缝合曲面、拉伸曲面。设计造型上多以流畅、运动感的曲面为主。

3.2 部件装配

绝大多数的产品都不是由一个零件组成的，而是包含多个零件。在Inventor中我们将组合在一起的多个零件称为部件。部件环境下的基本操作有：装入零部件、移动和旋转零部件、可见/隐藏零部件。零部件的约束有：位置关系的约束、运动关系约束等。将3.1中所创建的35个实体，生成零件后可得到35个零件，这些零件是按设计时各零件的位置摆放的。所以，由零件组装成部件时很十分容易的，只需要添加相应的约束即可完成。图2所示为零部件装配图（不包括标准件）。

4 设计表达

4.1 表达视图设计

Inventor表达视图是用来表现部件中各个零件之间装配关系的，我们可以用表达视图文件创建部件的分解视图，利用分解视图可以创建带有引出序号和零件明细栏的工程视图，即平常我们说的爆炸图[5]。根据所创建的表达视图（后缀名为ipn）文件，创建该文件的工程图，即可得到爆炸工程图。电动平衡车的爆炸工程图如图3所示。从图中可以清楚地看到各个零件的代号、名称、数量、材料、以及重量信息。在材质的选择上以橡胶、塑料、金属为主，外壳的选择上以塑料为主要的材质，这样可以降低产品的整体重量，轮胎是使用橡胶材质，轮毂和转轴的材质以金属为主，安全可靠。

4.2 工程图

目前国内的加工制造还不能够完全达到无图化生产加工的条件，因此工程图仍然是表达产品信息的主要媒介，是表达零部件信息的重要方式，是设计者与生产者交流的载体。绘制工程图是机械设计的最后一步，Inventor为用户提供了比较成熟和完善的工程图处理功能，可以实现二维工程图与三维实体零件模型之间的关联更新，方便了设计过程的修改。为了更好地创建工程图，往往需要对工程图环境进行设置。在Inventor2024中创建的视图可分为两大类，一类是由三维实体零件或者已有的工程视图创建的新视图，例如，基础视图、投影视图、斜视图、剖视图等；另一类是在已有的工图视图上进行修改而得到的视图，例如，断裂视图、局部剖视图、断面图等。工程图的尺寸标注有两种类型，分别是模型尺寸和工程图尺寸。每个零件都有对应的工程图，工程图符合产品数字化设计与开发赛项技能大赛要求的标准。这里只给出一张工程图，如图4所示为车架的工程图。

4.3 Inventor Studio 渲染

Inventor Studio能够对创建的零件及装配进行渲染和动画制作，生成具有真实效果的渲染图片，以及生成装配动画效果的多媒体文件。也就是说通过Inventor Studio能直接在设计环境中生成较为真实的图像和动画，让客户看到最终的效果。静态渲染可以通过表面材质、灯光、场景以及视角的设置对模型进行渲染处理，得到具有真实效果的图片，渲染特征包含3种样式，分别是：“表面样式”、“光源样式”和“场景样式”。渲染时在圖形区将模型调整到合适大小，渲染测试时，请选择低质量的反走样设置，尽可能节省时间，对于最终渲染，请使用高质量的反走样设置，以提高渲染质量。渲染之前需要对零部件进行配色，我们选择大众较为喜欢的黑、灰两种颜色作为了主体颜色，灯光则采用警示作用较强的红色作为尾灯，前面的灯则是使用白色的白炽灯作为大灯使用。颜色的选择上以鲜明而多样化为主，这样既突出了产品的现代感，又能满足消费者追求独特的个性化需求。图5-图7分别为电动平衡车前视渲染图，后视图渲染图和局部渲染图。

4.4 设计验证

根据所设计的零件模型和二维零件图，进步一步完善、验证。双轮有杆平衡车的核心零部件等文件如表1所示。（标准件等可在Inventor软件资源中心库中调用，不属于本设计的重点，不在表中）。

5 总结

基于Inventor三维设计软件设计的双轮有杆平衡车，突破了原有电动平衡车存在的一些比较生硬的造型。用流畅感和运动感的曲面造型来描绘出具有时尚感和科技感的产品，满足主要人群对于产品的个性需求和心理需求。本设计在安全性、实用性和舒适性、造型和价格、材质和配色上更具有优势。智能系统和照明功能，使得人与产品之间产生更好的交互体验。

参考文献：

[1]孙旭亚，孙路阳，赵志斌. 一种无线充电的平衡车[P]. 广东：CN205365892U，2016-07-06.

[2]程东燚，郑刚强，易梓寒.基于感性工学的电动平衡车外观设计研究[J].艺术与设计（理论），2020，2（10）：101-103.

[3]王野，杜超，丁志磊，等. 电动平衡车产业及标准化现状[J]. 机器人技术与应用，2016（5）：20-23.

[4]许睦旬，肖尧.数字化设计与制造技术应用基础[M].北京：高等教育出版社，2021.

[5]陈道斌，殷海丽. 工业产品设计（Inventor2012）[M].北京：电子工业出版，2018.