紙質機械運動機構設計研究

　　摘要：目的實現玩具類產品的機械運動機構的紙質化。結合紙材料的力學特性，探索紙材料應用于機械產品制作的可行性，以及基于紙材料的機械零件結構的設計方法。方法依據紙材料本身特性，并結合機械運動機構的傳動方式，思考紙質機械機構設計的方式，總結出轉動副、移動副、齒輪等各類典型機械運動機構紙質化設計方法，在實現運動功能的基礎上確保運動零件的力學強度。同時以紙質齒輪設計為例，利用CorelDraw作為二次開發平臺開發插件，降低紙質機械機構設計的操作難度。結論以機械玩具產品為案例，對紙質材料力學特性的機械機構設計方法進行了實踐，論證了低成本機械玩具創意設計方法的可行性，為機械產品創意設計探索了新的材料選擇，也為紙產品創新發展提供了更多的設計概念。

　　關鍵詞：紙質機構;機械機構;機構設計;紙材料

　　機械方向論文范文：人工智能與機械電子工程的相關性分析

　　【摘要】隨著計算機技術的迅猛發展，對人工智能技術有著很好的推動作用。在人們日常生活與工作中均有著一定的應用，諸如智能家居、自動駕駛汽車、智能機器人等，人工智能的發展對人們有著很好的現意義。機械電子工程作為傳統工業中重要組成部分，人工智能技術也逐漸應用其中，兩者發展均能推動對方實現可持續的健康發展。本文對人工智能和機械電子工程間的相關性進行分析，以期對兩者的發展均有推動作用。

　　紙不僅僅是作為書寫、印刷的載體，其還被用于制作各種工藝作品[1]。紙材料具有化整為零、方便棄舍、回收率高、能廢舊利用、循環再生產等特點[2]，可以作為用戶進行產品DIY的材料。相比較于金屬和塑料材料，具有無需開模、機械加工設備等優勢，適合用于制作玩具產品。紙作為產品制作材料也面臨著一些問題，如強度、剛性等力學性能的欠缺。因此紙質機構的設計方法與金屬和塑料存在一定差異。本文主要面向該問題探索一些通用機構的紙質材料設計方法，并基于機械玩具實例進行設計驗證。

　　1紙質機構的研究現狀

　　目前市場上的紙質機械產品主要有立體書、活動式紙玩具、產品包裝、家具等幾類。立體書(pop—upbook)又被稱為可動書、機關書以及玩具書等等[3]。早期的立體書多為翻開書頁時可在頁面上自動跳出三維空間造型的書籍[4]，近期的立體書則運用了折疊、拉動、鏤空等方式，使讀者與書籍的互動進一步加強[5]。

　　哈佛大學WYSS研究所和麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室聯合發布了一款軟體機器人[6]，它能夠拉起超過自身重量1000倍的重量，其折紙規則的變化會使機器人產生不同的運動軌跡，甚至完成三維方向的扭動。浙江大學的《設計思維與表達》[7]課程中，學生通過紙張和電機完成一件折紙機器人作品，其不同的折紙規則產生不同運動的形式。產品包裝、家具、辦公用品類的紙質產品則使用具有一定強度的紙板作為材料，如Amazon的紙箱玩具、Google紙盒等產品。

　　在紙質機構設計的學術研究方面：俞夢杰通過對紙產品設計、用戶創新相關理論和計算機輔助設計的研究，實現紙質產品用戶創新設計原型系統的建立[8]。酈鈺筠建立廢紙密集切割CAD系統基本功能架構，開發原型系統，并運用參數化技術實現廢紙密集切割的快速設計[9]。甘菁菁利用CorelDRAW作為二次開發平臺，通過計算機設計輔助完成對原型系統的開發，實現玩具類產品的紙質機械機構的參數設置，以達到快速設計與制作的目的[10]。紙質機構涉及到的機械機構類型主要包括四種：鉸鏈、滑塊、凸輪傳動、齒輪傳動等四種。前三種已經有了一些設計方法見諸文獻，但齒輪傳動的紙質機構設計案例尚不多見。

　　JamesSmithRudolph給出了制作紙質鐘表機構所需的所有零件刀版圖[11]，其中紙質齒輪的制作方法模仿金屬或塑料零件的做法，用于紙質齒輪上存在很多問題，如制作過程繁瑣、精度低等。目前紙質機構的相關研究和實踐主要集中在靜態產品，可活動的紙產品也只限于簡單的運動形式，利用復雜機構原理的紙產品并不多見。

　　2紙質機構的設計分析與方法

　　紙質機構設計首先需要考慮到紙材料的選用，保證其強度且裁切方便;其次選擇相關機構進行系統研究，探討機構紙質化的實現方法;最后基于具體應用背景給出完整解決方案。

　　2.1紙材料的類型

　　常用的紙材料主要有新聞紙、膠版印刷紙、銅版紙、低定量涂布紙、白卡紙、白板紙、鑄涂紙、涂布白紙板、瓦楞紙等[12]�？紤]到紙質機構在強度、硬度方面的劣勢，不僅要保證紙材料結構具有一定強度和硬度，以起到運動承載作用，還要保證紙材料的折疊需求。綜合考慮，可選用的紙材料為銅版紙、白卡紙、鑄涂紙、瓦楞紙等，主要分兩類，一類是具有一定厚度，例如瓦楞紙，另一類是具有一定硬度的紙材料，比如銅板紙、卡紙等。對于其他特殊情況，則根據需要靈活選用制作材料。

　　2.2紙質機構的設計分析

　　常見的機械傳動有帶傳動、鏈傳動、摩擦輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、螺紋傳動和齒輪傳動等方式。在傳動方式紙質化中，其中部分傳動方式的實現存在一定難度。故本論文結合具體紙質機械產品設計的需求，以齒輪傳動作為傳動方式，再對其他機械機構常見的鉸鏈機構、滑塊機構、凸輪機構等機構的紙質化設計方法進行討論。在紙質機構設計中，設計方法與設計所用材料密切相關，紙材料的選擇需要滿足強度、硬度、耐用性等方面的要求。

　　在選擇具有一定厚度的紙材料時，例如瓦楞紙，其具有厚度的特點使得其在造型、結構和功能上具有很大的可塑空間，同時在設計時避免其他問題，通過模擬現實機構完成紙質部件的制作、拼接、穿插等工作;而在選擇比較薄但具有一定硬度的紙材料時，紙質機構設計主要分為四步：首先完成設計作品的三維實體建模，其次根據各運動部件及各部件運動形式進行拆分，然后繪制各部件刀版圖，刀版圖中包括外部造型部分和內部固定部分，最后完成刀版圖的粘貼、拼接。此類設計方法中，只需保證紙質機構基本功能，切忌全盤照搬機械機構的設計方式，否則可能出現設計方案復雜、實際動手操作難度大等問題。

　　在實現紙質機構運動功能的基礎上確保其力學強度，針對不同類型紙材料，采用方法不同。對于具有一定厚度的紙材料，通過增加紙厚度滿足強度要求，即多層紙材料疊加。對于具有一定硬度的紙材料，刀版圖中的內部固定部分成為力學強度保障的措施，內部固定部分在滿足機構功能基礎上保證機構強度，設計形式依據具體案例，類似于機械構件中加強肋。除此之外，通過多次實驗確定實物模型的材料、尺寸和結構，從而確保紙材料力學強度及紙質機構的功能。

　　2.3紙質機構的設計方法

　　鉸鏈是運動機構中最常用的結構，從運動特征可分為兩種：一是轉動副的兩個構件均為活動構件的活動鉸鏈;二是轉動副的兩個構件中一個為固定構件的固定鉸鏈。從鉸接構件的轉動范圍又可分為兩種：一是360°連續轉動的鉸鏈，如曲柄上的鉸鏈;二是在一定角度范圍內擺動的鉸鏈，如搖桿上的鉸鏈。針對360°連續轉動的鉸鏈，紙質結構有兩種做法：1)利用材料厚度，即采用具有一定厚度的紙材料(如瓦楞紙)來制作轉動件。在設計中主要考慮鉸鏈軸的設計，通過兩片厚紙材料互相穿插形成鉸鏈軸。鉸鏈上的轉動件的設計與傳統機械零件相似。此方法設計的鉸鏈機構具有制作、安裝方便的優點，但同時也存在耐用性低、磨損大的缺點。2)通過折疊產生空間結構。利用具有一定硬度的紙材料(如銅板紙、卡紙)通過折疊、拼插、粘貼等方式組合成具有空間體積的轉動件。此方法可制作形態豐富的立體形態，但其力學性能有一定限制，需要從折疊結構的設計方法上進行解決。

　　這種方式把力學性能的獲取從依靠材料本身轉移為依靠折疊結構的設計，提供了一種利用設計解決問題的思路。對于有限角度擺動的紙質鉸鏈，最簡易的方法即利用折痕，可以采用同一張紙材料制造出鉸鏈及其所連接的兩個轉動件，立體書的設計基本都屬此類，且紙材料在重復折疊方面的耐用性滿足絕大部分情況下的需求。移動副以導軌和滑塊為主要構件，滑塊基于導軌相對移動，用于直線往復運動場合。紙材料制作導軌滑塊有兩種做法：1)利用材料厚度，即采用具有一定厚度的紙材料制作導軌，模擬金屬導軌切槽，在紙中切割一個鏤空矩形。2)通過折疊產生空間結構，折疊和粘貼紙材料的方法制作滑塊、導軌及其他相關構件。

　　齒輪是最復雜的零件，利用紙材料制作齒輪有一定的難度，一般只制作簡單直齒圓柱齒輪，能滿足基本的傳動功能即可。首先依據設計要求得出齒輪的傳動比，然后通過傳動比確定各齒輪的齒數、半徑等參數，最后結合紙材料和設計參數確定齒輪設計方法和方案。紙質齒輪的設計方法主要有三種：1)利用具有一定厚度的紙材料，在其上繪制平面齒輪形態并切割。若齒輪強度無法滿足要求，可根據實際情況加厚齒輪。2)同樣利用具有一定厚度的紙材料，將齒輪主體和輪齒以拼插方式完成齒輪的制作。3)利用具有一定硬度的薄紙材料，通過切割、折疊和粘貼制作上下兩半齒輪，組合后得到完整齒輪。

　　2.4紙質機構設計與制作的軟硬件支持

　　以紙質機構設計中設計二維平面刀版圖為例，選擇CorelDRAW作為開發平臺，軟件以插件的形式運行。CorelDRAW是一個具有圖形和色彩設計功能的軟件，其開發接口允許用戶為其定制開發插件[13]，通過插件將復雜操作以界面呈現，并快速準確地設計特定產品。如圖8所示，以紙質齒輪刀版圖設計為例開發的插件，用戶輸入所需數據便可獲得齒輪刀版圖。打印機、切割機等加工設備的小型化、家用化發展，為用戶個性化定制的小批量生產提供了便捷方式。打印機完成刀版圖從虛擬到現實的過程，一般可彩印A3尺寸的紙張。切割機通過軟件區分刀版圖的線類型，實現自動切割包裝的外輪廓線和制作內部壓痕，節省時間又保證切割精度。為一臺切割機，其底部是吸盤裝置，保證紙張位置固定，頂部為放置紙張的平面，刀頭分為切割和壓痕刀頭，其切割壓力可控制。

　　3紙質機構設計——以紙質繪圖儀玩具設計為例

　　本文基于一款繪圖玩具的設計對上述紙質機構的制作方法進行驗證，論證其可行性。

　　3.1紙質繪圖儀玩具設計說明

　　繪圖儀玩具是一種通過機械旋轉機構繪制復雜軌跡曲線的玩具產品，市面上已有的繪圖儀玩具。本文基于紙材料制作繪圖儀玩具。設計繪圖儀玩具中各部件的刀版圖，并對部件進行剪切粘合等紙材料處理操作，完成一件紙質玩具的制作。拼裝完成的紙質繪圖儀與畫筆結合，完成圖形的繪制�？商鎿Q的紙張和畫筆得以讓用戶探究其組合方式，并制作出最終滿意的作品。

　　3.2紙質繪圖儀玩具的設計與制作

　　紙質繪圖儀玩具采用硬卡紙作為材料，設計方法對應為上述具有一定硬度紙材料的設計方法。本產品的設計點為機械結構的紙制化呈現，故在前期產品方案設計中，需對機械結構進行解剖分析，再用紙材料進行替代設計。此外，在CorelDraw平臺上開發模擬繪圖儀運動的仿真插件，驗證繪圖儀最終的繪制效果，通過更改繪圖參數，觀察繪圖儀繪制曲線的結果和變化。

　　對機械結構草圖進行分析，根據紙質化呈現的可行性與支撐機械結構所需要的尺寸體積和紙部件數量綜合考慮，對機械結構進行下一步的深入分析、優化處理，對其所需機構部件進行草圖設計分析。通過對各部件的具體紙材料替代設計分析，確定基本的紙材料搭建結構方式，在機械結構的原理模型草圖的基礎上進行形態的細化。

　　4結語

　　基于紙材料特性，探索機械機構設計的紙質化途徑，借助軟硬件技術支持，通過實驗的方法解決紙質材料力學強度不足以及平面化難度大的困難，總結出轉動副、移動副、齒輪等各類典型機械運動機構紙質化的設計方法，并通過紙質繪圖儀玩具案例驗證紙質機構制作的可行性，為紙質機構設計打開新的創意空間。

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