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基于3D打印的智能控制台灯的设计

所属栏目:智能科学技术论文 发布日期:2021-11-13 10:01 热度:

   新产品的产生需要满足当下人们的需求以及审美。本文针对传统台灯的外观及控制进行设计改造,运用3D打印技术的弹性设计、制造流程简易等特点,通过前期的构思及设计建模,完成其主体外观的设计后,基于ESP8266单片机搭载物联网技术及温湿度传感器等实现智能控制,呈现出一款节能环保型的崭新且顺应时代的台灯产品。

	基于3D打印的智能控制台灯的设计

  1引言

  随着科技的发展,3D打印技术已经引起了公众的关注,且发展迅速,并成为了人们研究与开发的热门领域[1]。而智能化的到来,对于产品的设计更是画龙点睛,使其功能达到多元化、智能化[2]。本文主要对基于3D打印的智能控制台灯的前期设计建模、3D打印实体模型、ESP8266搭载物联网技术及温湿度传感器的智能控制程序做了基本的介绍。

  2产品的主体设计

  2.1 主体构思

  将我校标志性建筑——图书馆,作为本设计的主体,用以纪念学子们的大学时光。在此基础上,外加两侧镶嵌式笔筒的设计,使本设计实现了使用的多元化及个性化。通过带有校徽的开关设计以及包覆的文字性校训,将本校的办学理念及文化特色彰显得淋漓尽致。

  2.2 主体的建模

  采用SolidW orks绘图软件,对其主体进行建模。

  2.2.1 灯座的设计

  利用凸台拉伸、切除拉伸、镜像、圆角、线性阵列、放样、包覆以及基准面建立等指令完成以矿院图书馆为本体的灯座。

  2.2.2 笔筒的设计

  笔筒通过拉伸、切除、放样、抽壳以及基准面建立等命令,设计为可拆卸式,可以根据需求者不同的审美,设计不同的款式,完美镶嵌在图书馆型灯座的两侧,用来收纳。

  2.2.3 拉伸LED灯架的设计

  作为一款折叠类型的台灯,采用目前市场上已有折叠台灯的折叠原理,通过拉伸、切除、凸台、线性阵列、圆周整列、圆角、倒角、镜像、放样以及基准面建立等指令设计出灯架部件,可调节灯光角度及高低。在此灯架旁设置内槽作为布线槽,连至LED灯使其工作,灯臂内槽外有挡板使其整体效果更美。

  2.2.4 手动开关的设计

  通过拉伸、切除、圆角等指令将开关设计成校徽样式嵌入图书馆顶端,通过预留的线孔与控制主板连接,实现手动控制台灯的开关。

  2.2.5 校训的引用

  为了使作品外观更为精美,在灯座的背部选用学校校训以及励志性句子,利用包覆命令将其设计在图书馆灯座的背面,同时更能彰显本校办学理念及治校精神,集中体现本校的教风、校风、学风。

  2.2.6 零件装配

  将绘制好的灯座、笔筒、灯架等所有零件图插入到装配图里面,在装配图里进行简单的装配,运用平行、重合、垂直、相切、同轴心等关系进行装配,完成该智能台灯的装配体。

  2.2.7 建模实体的渲染

  运用SOLIDWORKS中的渲染功能进行建模实体的渲染操作,渲染出外观精美的作品。

  2.3 3D打印实体的制作

  3D打印技术是综合利用CAD技术、激光技术、数控技术、材料科学以及机械工程电子技术的技术集成,以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统设计。它是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术,是由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件制造的技术的总称。

  本设计采用的是熔融沉积式(FDM)又称为熔化堆积法、熔融挤出成模(Melted Extrusion Manufacturing,MEM)等。其具体工艺过程为:丝材在供丝机构的带动下到达热熔喷头,并被加热至熔融状态,经喷头挤出,到打印平台上;在控制系统的控制下,沿着设计模型轮廓线的规划途径在平面内移动,在平台打印一层所有结构后,打印平台在步进电机控制下,下降一个分层厚度的高度再进行第2层的打印,直至打印完成[3]。

  将所绘制好的台灯主体部分以及折叠部分,建模下载到3D打印机上进行打印,所选原材料为丝状,利用熔融沉积的原理将原材料熔融逐层堆积,最终完成实体的打印制作,打印出来的颜色为乳白色,经过喷漆以及组装,完成该台灯的主体制作。见图1。

  3智能控制设计编程

  3.1 光源的选用

  台灯的使用,要满足桌面照明要求、光线稳定无频闪、无眩光的国家标准,还要考虑节能、高效、环保等,而LED的发光效率超过白炽灯10倍左右,高于节能灯和荧光灯;光线中没有紫外线和红外线等辐射光线,光线质量好,对于长时间的阅读和工作不会给眼睛带来负面影响;显色性好,适于阅读照明;体积小,设计灵活;寿命长,节能环保,成本低[4]。所以,本设计作为一款节能绿色环保的台灯,LED则是最佳光源的选择。

  3.2 ESP8266与温湿度传感器控制

  ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案,能够独立运行,也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。ESP8266在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时,能够直接从外接闪存中启动,且内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能,并减少内存需求。还有一种情况是,ESP8266负责无线上网接入承担Wi-Fi适配器的任务,此时可以将其添加到任何基于微控制器的设计中。ESP8266高度片内集成,包括天线开关balun、电源管理转换器,因此仅需极少的外部电路,且包括前端模组在内的整个解决方案在设计时将所占PCB空间降到最小[5]。

  DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[6],它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。而传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。

  3.3 控制方式

  本设计通过智能音响、手动开关、手机APP、手机语音助手等对其控制,见图2。

  4产品优势

  本产品的设计,采用先进的3D打印技术,从最初的建模到最后的产品成型,复杂的图书馆外形一次成型,大大降低了该产品制造的复杂程度及制造流程。其次,作为增材制造,提高了材料的利用率,大幅度降低了生产成本,加快了生产周期。学院图书馆的外形和背部的学校校训及励志文字,再加上承载开关的学校校徽,这些最具有代表意义的设计,赋予了此产品独一无二的灵魂。台灯的主体加上镶嵌式笔筒,节省空间,实用性强;手动控制及智能控制,与传统折叠台灯及笔筒相比较更具个性化、智能化。这款台灯的设计,操作和控制简便,可实现多种形式控制,外观精美,绿色环保,适用范围广泛,具有一定的艺术特色,加入人工智能控制,符合当代智能化发展。随着3D打印产品日趋增加,该设计90%以上都需采用3D打印来完成,这也决定了生产趋势的主导权,能灵活改变设计,迅速生产。其不论是作为学校形象代言品、毕业生赠品、学习型台灯、办公室用品、客厅摆饰,还是创意类商品,都有着广泛的市场,发展前景非常可观。

  参考文献

  [1]昊平.3D打印技术及其未来发展趋势[J]印刷质量与标准化, 2014(1):8-10.

  [2]周武基于物联网智能家居发展分析[J].信息技术与信息化, 2015(2):136-137.

  [3]刘忠伟,邓英剑.先进制造技术[M].北京:国防工业出版社, 2017:220.

  《基于3D打印的智能控制台灯的设计》来源:《信息记录材料》,作者:刘丽 王尧 马虎兵

文章标题:基于3D打印的智能控制台灯的设计

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