静电消除器的造型设计及力学计算
发布时间：2010.09.04 新闻来源：静电消除器,静电消除设备,静电消除机-“南方牌”20多年生产经验 浏览次数：
静电消除器的造型设计及力学计算 责任编辑：南方电子
因网络抄袭严重，文章章节已经过技术处理，需要详尽图文资料的客户可以免费电话索取！
摘 要:静电易吸附灰尘,造成集成电路和半导体元件的污染而破坏产品的成品率。设计出了
主要针对工业生产流水线的作业环境的静电消除器。通过人机工程学的一些数据分析,设计
中还重点对两个支撑套方案进行了优缺点分析,在这个基础上根据力学计算对设计出来的支
撑臂进行冲击载荷和支撑臂强度,切应力强度,弯曲应力强度,冲击韧性的计算,并根据实际情
况分别对地线,支撑套和手环包括对所选加工材料,外观的打磨,色彩的搭配上都进行了创新
性的设计,最后对工作条件校核后选择合适的部件。
关键词: 静电;静电消除器;人机工程学;工业造型
Abstract:Due to the e le c tro s ta tic ad so rp tio n, the ad so rbed dus t cau se s in tegra ted c ircuits and sem iconduc to r e lem en ts dam age , so
th is pape r a im s a t to d iscus s the impo rtance o f deve lop ing a h igh qua lity advanced e le c tro s ta tic e lim ina to r. Ba sed o n the highe r and
highe r dem and o f peop le in mo de rn so c ie ty fo rwo rking co ndition s, the pap e r expo und s the s ignificance of hum an body eng ine e ring
in indu s tria l p ro duc t de s ign. As viewed from wo rking sp ace , itm ake s the m an2ma chine ana lys is and p rovide s its te chn ica l pa ram e2
te rs fo r p roduc t de s ign. The re a sonable app lica tio n of co lo r, m a te ria ls and shap e is he lp fu l to imp ro ve the qua lity o f p ro duc ts and to
w in the ma rke t. In summ a ry, the s tudy schem a shou ld be impo rtan t and va luab le to en sure the sa fe ty of the p roduc tion. Th is pap e r
a lso in troduce s the current s itua tion o n the re se a rch and p ro duc tion of such m a te ria ls in o ur coun try and pu ts its focu s o n discu s s ing
how to re a lize the de s ign ing ide a s, inc luding func tio ns o f e lec tro s ta tic p reven tion.
Key words: s ta tic e lec tric ity; e le c tro s ta tic e lim ina to r; hum an bo dy engine e ring; indus try shap e de s ign
工业设备使用时会产生静电效应或外壳带上静电。
而静电对电子元器件危害有3条: 1) 使光电产品吸附灰
尘,影响光电产品的透光度; 2) 可能影响光电产品的寿
命; 3) 造成光电产品失效报废。现研究的静电消除器是
图1 在工业生产流水线上工人穿防尘服进行操作
针对电子芯片的生产过程,以及在军事工业和电子工业中
强制推行防静电技术的作业环境,见参考文献[ 123 ]。本设
计的静电消除器的特点就在于尽可能的消除静电,吸附灰
尘,从而消除对集成电路和半导体元件污染的危害,提高
了产品的成品率。消除静电也可以推广到其他应用领域。
在如图1所示的工业生产流水线上,工人均穿防尘服。
静电消除器的创新特色在于它是利用电磁振荡的原
理,但又兼有疏通与中和的消电法。传统消除静电最简
易的方法是把静电引入地下,即用导线使设备接地便是
采用疏通法。而本静电消除器是通过一个戴在手上的外
观类似手表一样的磁铁芯,把人身上所产生的静电传到
主机,利用电磁振荡的原理,让静电在主机里消除,此法
为中和法。该静电消除器可在人作业时,一旦有静电产
生,喇叭便发出报警声,这时工人便会停止作业,主机消
除静电后,报警声不再发出“嘟嘟”的响声。静电消除器
除了要不断提高产品的性能和品质,降低产品成本外,快
速做出最优化的选择也显得尤为重要。现对设计的方案
进行论证。
1 静电消除器的总体构造及色彩搭配
静电消除器主要由支撑套、自检式防静电手环、消除
器本体(含扬声器、电路板、电池及开关)等元器件组成
(图2) 。
图2 静电消除器的三维造型
在色彩方面,支撑架外观采用蓝色,蓝色是典型的寒
色,表示沉静、冷淡、理智、高深、透明等含义,又有了象征
高科技的强烈现代感,蓝色使人联想到大海,给人以开阔
感,使操作者感到操作视野空间的开阔[ 4, 5 ] 。主机采用深
灰色,深灰色给人以稳重,安全感,有利于营造一种使操作
者保持协调的心理状态,从而获得十分理想的整体色彩效
果以及协调统一的人机关系(表1) 。
表1 各种色相的心理效应
色相心理效应
红激情、热烈、喜悦、吉庆、革命、愤怒
橙活泼、欢喜、爽朗、温和、浪曼、成熟
黄愉快、健康、明朗、轻快、希望、明快
绿安静、新鲜、安全、和平、年轻
青沉静、冷静、冷漠、孤独、空旷
紫庄严、不安、神秘、严肃、高贵
白纯洁、朴素、纯粹、清爽、冷酷
灰平凡、中性、沉着、抑郁
黑黑暗、肃穆、阴森、忧郁、严峻、不安
2 地线的创造性设计
a) 接线方式:由于盒体接受触碰时地线会受到“牵
扯”,所以线是否耐用都是应该考虑的内容,比如说外界不
小心脚踩在地线上就会容易产生拉断地线或是与戴在手上
的带子有牵拉的现象。所以在正负电极的双联板里面预留
3mm的孔,把地线在双联板内部打个结(直径约5. 5 mm) ,
再从3mm的小孔穿出来,达到锁住低限的目的。这样就
可以缓冲外界的拉力使地线的寿命大大加强(图3) 。
图3 接线设计
b) 线的长度:根据人机工程学的以人为本的核心思
想[ 6, 7, 9 ] ,如果地线2 (图4) 。一端插头插在后盒盖的插孔
上时,该支撑套无论是固定在桌子的下端还是随身携带在
口袋里,地线的另一端要保证拖到地上,地线采用大约
120～160mm的长度就可以了,多余部分也可以找柔软的
细铁丝绕好后扣起来。
图4 线的长度测量
3 支撑套的创造性设计
a) 支撑套的外观造型设计两种方案比较:方案一的
支撑套设计方法是支承和安装主机盒的。该设计是把主
机盒垂直的插入到支撑套中,支撑套的背上开条长条孔,
螺丝拧在上面(图4) 。这种设计的方案要考虑到要有足
够的强度和一定的刚度,体积小且安装方便,但是支撑套
后面的两根采用注塑方法由模子铸出来的支撑杆是否能
承受人在作业过程中不经意时碰到支撑套的冲击力,这些
都是要考虑的因素。体积较大的部件,在保证强度、刚度
足够的情况下,减轻它的质量,对降低成本和节约材料具
有一定的意义。
根据人体工程学的数据可得知脚的力度大但灵活性
差,一般情况下,其作业范围是以脚在水平方向可能移动
的尺寸来确定[ 8210 ] 。因此, 脚的舒适作业范围由脚的出
力、动作频率、操作姿势、机械型式、作业内容等综合分析
图5 脚的作业范围
结果来确定。脚的作业范围如图5所示, 图5中灰影区
表示正常脚作业区, 黑影区表示精密作业区。以上这些
数据表明方案一中把静电消除器的支撑套背部上端固定
到板上,这种方法在数据支持下计算出很容易抵抗不住人
腿的冲击力,强度不是很高。如果支撑套后面的两根支撑
杆在较大的冲击力下强度不够高而断裂,那么设计中对支
撑套后面的加强肋的改进方案是把两根加强肋加厚一点
或者改为三根加强肋,以增加部件处的局部刚度。
图6 方案一人体工作图
图5的支撑套垂直的总长为120 mm,图6根据人机
工程学的数据表明膝盖到桌底180 mm,可见相差只有
50mm左右,一旦人的腿移动出桌底时稍微抬腿,就很容
易碰触到支撑套,加强肋很容易受损。方案一中要从坐姿
作业工作面高度(表2)一些数据来计算脚的作业范围和
从不同角度所施力的方向、大小等确定出支撑套在桌下的
最佳放置位置和支撑杆本身具有的强度所能抵抗的冲击
力。图片来源见参考文献[ 10 ]。
表2 坐姿作业工作面高度mm
作业性质男性女性
精密、近距离观察900～ 1 100 800～ 1 000
读写740～ 780 700～ 740
打字、手施力680 650
方案二支撑套在造型上还是有改进之地,例如本来电
池盒是垂直放入插槽里的,这种方法如方案一所述的缺点
在于人在作业时是容易碰到支架,如果支架后面的支撑不
够牢固,抵抗不了冲击时就会容易折断,如果采用水平放,
放入后略成一个角度,这个角度可以在底部加块小木条来
实现。此角度的用途是防止电池盒滑出来,采用这种水平
放置的方法可以大大节省材料和放置的空间;这时人的腿
移动可以更自由,同时也省了力学分析。此设计综合了人
机工程学和工业造型所设计的,简单易行,无论从工业成
本,实用价值,环保节能,使人能够工作在更舒心的环境
下,因此更具有优势。从经济上来说,一旦产品的损坏率
降低了,公司信誉度则提升了,而且一项成熟技术能大批
量的生产必然可以给公司带来丰厚的利润[ 11 ] 。就购买者
而言,减少了维修的次数,这对消费者无疑是性价比得到
提升,减少了因产品品质、寿命低而多花费的部分。
从经济意义上来说,有时一个螺丝的成本或者弹簧的
选择都应讲究。焊接在后盖负级可放电池的塔簧是电子
产品常选取的产品,材料是碳素弹簧钢丝,这就比普通弹
簧造价高了。如果后盖盒本来可以创造性设计为可以推
的滑盖机构,不但装卸电池容易而且外观也新颖,但可能
因多增加了几个弹簧和几个小钩子的成本,也可能使商家
放弃对这项项目的投资。通过方案二的造型设计实际上
是大大节约了的支撑套40%左右的成本,制造支撑套的
模子不需要那么大,减少材料,从空间和便捷性来说都方
便了使用者。“时尚在变,惟有风格独存”所以这项设计
的风格是很值得推广的,白色的简约,磨砂的细腻,造型的
流畅,佩带的方便,装配的便易[ 11 ]。
图7为第一步改进,把螺钉钉在支撑套板的后方,则
板的受力成悬臂梁,支撑板易受不均匀压力变形。第二步
改进把之前螺钉的位置下移,即把两个螺钉的位置从A
区域移到了如图9 ( a)所示的B区域,这样排除了第一步
中悬臂梁的板易断的不利因素。在C区域螺丝刀可直接
从外面把螺丝拧在板上,操作便捷。
图7 方案二支撑套造型设计
图8 方案二的三维图
图9为第三步改进方案,着重点在图示D区域。把
板上部分去掉许多,这样可以减少材料而又不影响静电消
除器的功能。方案二人体工作图如图10,从人机工程学
的角度分析,首先在工业成本上减少了许多,大大增加了
产品的可开发性。
4 支撑套外观处理的设计方案
前后盒座,支撑套都采用磨砂处理效果。磨砂效果可
图9 方案二支撑套造型设计改进三及三维图
图10 方案二人体工作图
增光添彩,让整体色泽丰富,风格变换灵活,创意简单,相
比传统的雕刻图案玻璃,更美观清晰,减少视觉干扰,又充
分利用光线,减少刺目眩光,磨砂膜减少视觉疲劳,保护视
力,改善工厂工作环境,安全环保,具有增强塑料强度功
能;磨砂质感,不但摸上去手感独特,而且还具有不易被硬
物划伤的优点。这种制造工艺被称作“细纹咬花”,是一
种对塑胶件的处理工艺[ 9 ] 。
5 手环的创造性设计
因为带铁芯片的手环就是带在手上通过磁铁传递静
电的装置,它的外型类似手表。现已将表带进行了改进。
产品色彩不可避免的要选择色调,图11是人性化设计中
色彩的成分,色调就是一眼看上去工业产品所具有的总体
色彩感觉可以表现出生动、活泼,或为冷漠、沉闷或是亲切
明快等[ 12 ] ,手环带设计如图12所示。
图11 人性化成分比例
图12 静电消除器的手环设计
6 支撑臂冲击载荷的计算
当插座铸造成型后在投入使用过程中,由于在生产线
上工作的操作人员与工作台距离很近,工作人员不小心就
会踢到插座外壳,所以要对外壳受冲击所能承受的最大应
力和变形进行分析(图13) 。
图13 支撑壁受力图
M achine Building Automation, Apr 2010, 39 ( 2) : 15～20
通过人机工程学的标准产品的设计参数[ 5, 6 ] ,取P =
80 N, H = 0. 3m, L = 0. 12m支撑臂所能承受的最大冲击
载荷为200 N,其模型如图14所示。
图14 受压图
力学模型相当于一个悬臂粱如图15。
图15 力学模型
其最大弯矩为M e = PL = 0. 12 m ×80 N = 9. 6 N·m,
则其挠度ω =
PL3
3EI
,设人体与插座接触时的瞬时动能为T,
由于插座上支撑臂的阻抗,变形到达最低位置时,整个系
统的速度为0,支撑臂的变形为Δd,冲击物与支撑臂开始
接触到变形发展到最低位置时,动能变为0,其变化为
ΔT;人脚向支撑臂移动的距离为H,则势能的变化为V =
PH;
若以εd表示应变能,根据机械守恒定律,设系统的速
度为0时支撑臂受的动载荷为Fd,则
εd = 1 /2 Fd ×Δd
因为T = 1 /2 mυ2 , υ= 2gH
所以T = P /2gυ2 = PH
冲击动荷因素kd = 1 + l +
2H
Δst
式中:静位移Δst =ω = PL3
3EI
;惯性矩I = bh3
12
。
根据上列模型并参见截面图16和图17可以求出惯
性矩I:
参见图16。
图16 截面图
图17 支撑臂强度的计算
I = bh3
12
- bh3
12
=
30 ×233 ×10- 3 ×10- 9
12
-
25 ×233 ×10- 3 ×10- 9
12
=5. 069 ×10- 9 ;
抗弯截面系数:Wz =
bh2
6
-
bh2
6
=
30 ×232 ×10- 3 ×10- 9
6
-
25 ×232 ×10 - 3 ×10 - 9
6
= 440. 83 ×10 - 9 ;
Δst = ω =
PL3
3EI
=
80 N ×0. 123 m
3 ×2. 58 ×109 Pa ×5. 069 ×10 - 9 =
01003 5m;
kd = 1 + 1 +
2H
Δst
= 1 + 1 +
2 ×0. 3
0. 003 5
= 14. 13。
因动载荷Δd = kd ×Δst = 14. 13 ×0. 003 5 = 0. 049
455,又因T +V =εd,代入公式得;
Fd = 4PH /Δd = 4 ×80 ×0. 03 /0. 049 = 192 N < 200 N
所以支撑臂能够承受外界的冲击载荷。
7 支撑臂的强度计算
a) 切应力的强度计算:为了减轻结构本身的质量,工
程上经常采用各种扎制型钢,如工字钢等;也经常使用薄
壁管状杆件。这类杆件的壁厚远小于横截面的其他两个
尺寸(高和宽) 。若截面中线是一条不封闭的折线或曲
线,则称为开口薄壁杆件。若截面中线是一条封闭的折线
或曲线,则称为闭口薄壁杆件。而设计的插座则属于闭口
薄壁杆件,闭口薄壁杆件自由扭转变形时,横截面上一点
处的切应力为:
τ= t
δ
= T
2ωδ
,
式中: T ———横截面上的扭矩;
δ ———杆件壁厚,取为2. 5mm;
ω ———剖面线所围面积,即如图17所示截面部分面
积ω =长×宽= 30 ×23 - (30 - 2. 5 ×2) ×(23 - 2. 5 ×2)
= 240mm2。
在自由扭转的情况下,截面上的扭矩T与外加扭转力
偶矩M e相等,即T =M e = 9. 6 N ·m,切应力τ =
T
2ωδ
=
9. 6 N·m
2 ×2. 5 mm ×240mm2 = 8 ×106 Pa = 8MPa < 53MPa。
b) 薄壁杆件的自由扭转情况时的扭转强度计算:外
加扭转力偶矩在端面的三角位移(扭转角) 上做的功
W = 1 /2 M eφ。
由ε=W 便可得到扭转角
·19·
·机械制造与研究· 武子靖,等·静电消除器的造型设计及力学计算
http: ∥ZZHD. chinajournal. net. cn E2mail: ZZHD@chainajournal. net. cn《机械制造与自动化》
φ =
M el
4Gω2 ∮ds
δ
因为杆件的壁厚δ不变,所以扭转角
φ =
M els
4Gω2δ
式中: s———截面中线的长度,则s = ( 30 - 2. 5) ×2 + ( 23
- 2. 5) ×2 = 96mm = 96 ×10 - 3m。
其中: l取50mm,即l = 50mm = 50 ×10 - 3 m。
因制造支撑杆的材料为聚甲醛,相关参数: E = 2. 58
GPa; u = 0. 35,
G =
E
2 (1 + u)
=
2. 58
2 (1 + 0. 35)
= 0. 95 GPa,所以扭转角φ =
M els
4Gω2δ
=
9. 6 N·m ×50 ×10 - 3 m ×96 ×10 - 3 m
4 ×0. 95 GPa ×240 mm2 ×240mm2 ×2. 5 mm
=
01084 2。
c) 弯曲正应力的强度条件:
σmax =
Mmax
Wz
≤[σ]
式中:Mmax ———最大弯矩即为9. 6 N·m;
Wz ———抗弯截面系数,即为440. 83 ×10 - 9 ;
[σ] ———弯曲强度, [σ] = 89. 6 MPa,所以:σmax =
Mmax
Wz
=
9. 6 N·m
440. 83 ×10 - 9 = 21. 78 MPa≤89. 6
MPa,即σmax ≤[σ]。
因此满足弯曲应力强度要求。
d) 冲击韧性的计算:工程上衡量材料抗冲击能力的
标准是冲断试样所需能量的多少。用αk 表示冲击韧性,
其单位为J /mm2。αk 越大表示材料的抗冲击的能力越
强。一般,塑料材料的抗冲击能力远高于脆性材料,所以
静电消除器的材料选用聚甲醛塑料。
αk =
W
A
式中:W ———试样被冲断时所吸收的能量, 即外力所做
的功,W = 1 /2 Meφ = 1 /2 ×9. 6 ×0. 082 =
01404 J;
A ———试样在切槽处的最小横截面积A = 2. 5 ×2. 5
= 6. 25mm2。
选用聚甲醛材料时:悬臂缺口冲击强度为65 J /mm2 ,
所以αk = W
A
=
0. 404 J
6. 25mm2 = 64. 64 J /mm2 ≤65 J /mm2。
参考文献:
[ 1 ] 李耘,姚岛. 静电与抗静电放电[ J ]. 标准与技术追踪, 2004,
12.
[ 2 ] 李荣华,曲春香. 静电危害的防治[ J ]. 科技情报开发与经济,
2002, 12 (6) .
[ 3 ] 高立晟. 静电产生和静电消除技术的原理及应用[ J ]. 安徽教
育学院学报, 2000 (6) .
[ 4 ] 李纶,杨维平,梁跃. 工业产品造型设计的特征分析[ J ]. 昆明
理工大学学报, 2001 (14) .
[ 5 ] 金捷. 现代工业产品的造型设计[ J ]. 江苏张家港沙洲职业工
学院:机械2007 (12) .
[ 6 ] 严扬. 人机工程学应用[M ]. 北京:中国轻工业出版社, 2004.
[ 7 ] 丁玉兰. 人机工程学[M ]. 北京:北京理工大学出版社, 2001.
[ 8 ] 蔡军,徐邦跃. 世界著名设计公司卷[M ]. 哈尔滨:科学技术
出版社, 2005.
[ 9 ] 史喜珍. 人体工程学在工业产品设计中的应用[ J ]. 机械工程
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[ 10 ] 刘伟. 人机工程技术研究的现状极其发展趋势[ J ]. 海淀走
读大学学报, 2003, 4.
[ 11 ] 马峰,刘勇. 人体静电是微电子器件损伤的主要原因[M ].
因网络抄袭严重，文章章节已经过技术处理，需要详尽图文资料的客户可以免费电话索取！
摘 要:静电易吸附灰尘,造成集成电路和半导体元件的污染而破坏产品的成品率。设计出了
主要针对工业生产流水线的作业环境的静电消除器。通过人机工程学的一些数据分析,设计
中还重点对两个支撑套方案进行了优缺点分析,在这个基础上根据力学计算对设计出来的支
撑臂进行冲击载荷和支撑臂强度,切应力强度,弯曲应力强度,冲击韧性的计算,并根据实际情
况分别对地线,支撑套和手环包括对所选加工材料,外观的打磨,色彩的搭配上都进行了创新
性的设计,最后对工作条件校核后选择合适的部件。
关键词: 静电;静电消除器;人机工程学;工业造型
Abstract:Due to the e le c tro s ta tic ad so rp tio n, the ad so rbed dus t cau se s in tegra ted c ircuits and sem iconduc to r e lem en ts dam age , so
th is pape r a im s a t to d iscus s the impo rtance o f deve lop ing a h igh qua lity advanced e le c tro s ta tic e lim ina to r. Ba sed o n the highe r and
highe r dem and o f peop le in mo de rn so c ie ty fo rwo rking co ndition s, the pap e r expo und s the s ignificance of hum an body eng ine e ring
in indu s tria l p ro duc t de s ign. As viewed from wo rking sp ace , itm ake s the m an2ma chine ana lys is and p rovide s its te chn ica l pa ram e2
te rs fo r p roduc t de s ign. The re a sonable app lica tio n of co lo r, m a te ria ls and shap e is he lp fu l to imp ro ve the qua lity o f p ro duc ts and to
w in the ma rke t. In summ a ry, the s tudy schem a shou ld be impo rtan t and va luab le to en sure the sa fe ty of the p roduc tion. Th is pap e r
a lso in troduce s the current s itua tion o n the re se a rch and p ro duc tion of such m a te ria ls in o ur coun try and pu ts its focu s o n discu s s ing
how to re a lize the de s ign ing ide a s, inc luding func tio ns o f e lec tro s ta tic p reven tion.
Key words: s ta tic e lec tric ity; e le c tro s ta tic e lim ina to r; hum an bo dy engine e ring; indus try shap e de s ign
工业设备使用时会产生静电效应或外壳带上静电。
而静电对电子元器件危害有3条: 1) 使光电产品吸附灰
尘,影响光电产品的透光度; 2) 可能影响光电产品的寿
命; 3) 造成光电产品失效报废。现研究的静电消除器是
图1 在工业生产流水线上工人穿防尘服进行操作
针对电子芯片的生产过程,以及在军事工业和电子工业中
强制推行防静电技术的作业环境,见参考文献[ 123 ]。本设
计的静电消除器的特点就在于尽可能的消除静电,吸附灰
尘,从而消除对集成电路和半导体元件污染的危害,提高
了产品的成品率。消除静电也可以推广到其他应用领域。
在如图1所示的工业生产流水线上,工人均穿防尘服。
静电消除器的创新特色在于它是利用电磁振荡的原
理,但又兼有疏通与中和的消电法。传统消除静电最简
易的方法是把静电引入地下,即用导线使设备接地便是
采用疏通法。而本静电消除器是通过一个戴在手上的外
观类似手表一样的磁铁芯,把人身上所产生的静电传到
主机,利用电磁振荡的原理,让静电在主机里消除,此法
为中和法。该静电消除器可在人作业时,一旦有静电产
生,喇叭便发出报警声,这时工人便会停止作业,主机消
除静电后,报警声不再发出“嘟嘟”的响声。静电消除器
除了要不断提高产品的性能和品质,降低产品成本外,快
速做出最优化的选择也显得尤为重要。现对设计的方案
进行论证。
1 静电消除器的总体构造及色彩搭配
静电消除器主要由支撑套、自检式防静电手环、消除
器本体(含扬声器、电路板、电池及开关)等元器件组成
(图2) 。
图2 静电消除器的三维造型
在色彩方面,支撑架外观采用蓝色,蓝色是典型的寒
色,表示沉静、冷淡、理智、高深、透明等含义,又有了象征
高科技的强烈现代感,蓝色使人联想到大海,给人以开阔
感,使操作者感到操作视野空间的开阔[ 4, 5 ] 。主机采用深
灰色,深灰色给人以稳重,安全感,有利于营造一种使操作
者保持协调的心理状态,从而获得十分理想的整体色彩效
果以及协调统一的人机关系(表1) 。
表1 各种色相的心理效应
色相心理效应
红激情、热烈、喜悦、吉庆、革命、愤怒
橙活泼、欢喜、爽朗、温和、浪曼、成熟
黄愉快、健康、明朗、轻快、希望、明快
绿安静、新鲜、安全、和平、年轻
青沉静、冷静、冷漠、孤独、空旷
紫庄严、不安、神秘、严肃、高贵
白纯洁、朴素、纯粹、清爽、冷酷
灰平凡、中性、沉着、抑郁
黑黑暗、肃穆、阴森、忧郁、严峻、不安
2 地线的创造性设计
a) 接线方式:由于盒体接受触碰时地线会受到“牵
扯”,所以线是否耐用都是应该考虑的内容,比如说外界不
小心脚踩在地线上就会容易产生拉断地线或是与戴在手上
的带子有牵拉的现象。所以在正负电极的双联板里面预留
3mm的孔,把地线在双联板内部打个结(直径约5. 5 mm) ,
再从3mm的小孔穿出来,达到锁住低限的目的。这样就
可以缓冲外界的拉力使地线的寿命大大加强(图3) 。
图3 接线设计
b) 线的长度:根据人机工程学的以人为本的核心思
想[ 6, 7, 9 ] ,如果地线2 (图4) 。一端插头插在后盒盖的插孔
上时,该支撑套无论是固定在桌子的下端还是随身携带在
口袋里,地线的另一端要保证拖到地上,地线采用大约
120～160mm的长度就可以了,多余部分也可以找柔软的
细铁丝绕好后扣起来。
图4 线的长度测量
3 支撑套的创造性设计
a) 支撑套的外观造型设计两种方案比较:方案一的
支撑套设计方法是支承和安装主机盒的。该设计是把主
机盒垂直的插入到支撑套中,支撑套的背上开条长条孔,
螺丝拧在上面(图4) 。这种设计的方案要考虑到要有足
够的强度和一定的刚度,体积小且安装方便,但是支撑套
后面的两根采用注塑方法由模子铸出来的支撑杆是否能
承受人在作业过程中不经意时碰到支撑套的冲击力,这些
都是要考虑的因素。体积较大的部件,在保证强度、刚度
足够的情况下,减轻它的质量,对降低成本和节约材料具
有一定的意义。
根据人体工程学的数据可得知脚的力度大但灵活性
差,一般情况下,其作业范围是以脚在水平方向可能移动
的尺寸来确定[ 8210 ] 。因此, 脚的舒适作业范围由脚的出
力、动作频率、操作姿势、机械型式、作业内容等综合分析
图5 脚的作业范围
结果来确定。脚的作业范围如图5所示, 图5中灰影区
表示正常脚作业区, 黑影区表示精密作业区。以上这些
数据表明方案一中把静电消除器的支撑套背部上端固定
到板上,这种方法在数据支持下计算出很容易抵抗不住人
腿的冲击力,强度不是很高。如果支撑套后面的两根支撑
杆在较大的冲击力下强度不够高而断裂,那么设计中对支
撑套后面的加强肋的改进方案是把两根加强肋加厚一点
或者改为三根加强肋,以增加部件处的局部刚度。
图6 方案一人体工作图
图5的支撑套垂直的总长为120 mm,图6根据人机
工程学的数据表明膝盖到桌底180 mm,可见相差只有
50mm左右,一旦人的腿移动出桌底时稍微抬腿,就很容
易碰触到支撑套,加强肋很容易受损。方案一中要从坐姿
作业工作面高度(表2)一些数据来计算脚的作业范围和
从不同角度所施力的方向、大小等确定出支撑套在桌下的
最佳放置位置和支撑杆本身具有的强度所能抵抗的冲击
力。图片来源见参考文献[ 10 ]。
表2 坐姿作业工作面高度mm
作业性质男性女性
精密、近距离观察900～ 1 100 800～ 1 000
读写740～ 780 700～ 740
打字、手施力680 650
方案二支撑套在造型上还是有改进之地,例如本来电
池盒是垂直放入插槽里的,这种方法如方案一所述的缺点
在于人在作业时是容易碰到支架,如果支架后面的支撑不
够牢固,抵抗不了冲击时就会容易折断,如果采用水平放,
放入后略成一个角度,这个角度可以在底部加块小木条来
实现。此角度的用途是防止电池盒滑出来,采用这种水平
放置的方法可以大大节省材料和放置的空间;这时人的腿
移动可以更自由,同时也省了力学分析。此设计综合了人
机工程学和工业造型所设计的,简单易行,无论从工业成
本,实用价值,环保节能,使人能够工作在更舒心的环境
下,因此更具有优势。从经济上来说,一旦产品的损坏率
降低了,公司信誉度则提升了,而且一项成熟技术能大批
量的生产必然可以给公司带来丰厚的利润[ 11 ] 。就购买者
而言,减少了维修的次数,这对消费者无疑是性价比得到
提升,减少了因产品品质、寿命低而多花费的部分。
从经济意义上来说,有时一个螺丝的成本或者弹簧的
选择都应讲究。焊接在后盖负级可放电池的塔簧是电子
产品常选取的产品,材料是碳素弹簧钢丝,这就比普通弹
簧造价高了。如果后盖盒本来可以创造性设计为可以推
的滑盖机构,不但装卸电池容易而且外观也新颖,但可能
因多增加了几个弹簧和几个小钩子的成本,也可能使商家
放弃对这项项目的投资。通过方案二的造型设计实际上
是大大节约了的支撑套40%左右的成本,制造支撑套的
模子不需要那么大,减少材料,从空间和便捷性来说都方
便了使用者。“时尚在变,惟有风格独存”所以这项设计
的风格是很值得推广的,白色的简约,磨砂的细腻,造型的
流畅,佩带的方便,装配的便易[ 11 ]。
图7为第一步改进,把螺钉钉在支撑套板的后方,则
板的受力成悬臂梁,支撑板易受不均匀压力变形。第二步
改进把之前螺钉的位置下移,即把两个螺钉的位置从A
区域移到了如图9 ( a)所示的B区域,这样排除了第一步
中悬臂梁的板易断的不利因素。在C区域螺丝刀可直接
从外面把螺丝拧在板上,操作便捷。
图7 方案二支撑套造型设计
图8 方案二的三维图
图9为第三步改进方案,着重点在图示D区域。把
板上部分去掉许多,这样可以减少材料而又不影响静电消
除器的功能。方案二人体工作图如图10,从人机工程学
的角度分析,首先在工业成本上减少了许多,大大增加了
产品的可开发性。
4 支撑套外观处理的设计方案
前后盒座,支撑套都采用磨砂处理效果。磨砂效果可
图9 方案二支撑套造型设计改进三及三维图
图10 方案二人体工作图
增光添彩,让整体色泽丰富,风格变换灵活,创意简单,相
比传统的雕刻图案玻璃,更美观清晰,减少视觉干扰,又充
分利用光线,减少刺目眩光,磨砂膜减少视觉疲劳,保护视
力,改善工厂工作环境,安全环保,具有增强塑料强度功
能;磨砂质感,不但摸上去手感独特,而且还具有不易被硬
物划伤的优点。这种制造工艺被称作“细纹咬花”,是一
种对塑胶件的处理工艺[ 9 ] 。
5 手环的创造性设计
因为带铁芯片的手环就是带在手上通过磁铁传递静
电的装置,它的外型类似手表。现已将表带进行了改进。
产品色彩不可避免的要选择色调,图11是人性化设计中
色彩的成分,色调就是一眼看上去工业产品所具有的总体
色彩感觉可以表现出生动、活泼,或为冷漠、沉闷或是亲切
明快等[ 12 ] ,手环带设计如图12所示。
图11 人性化成分比例
图12 静电消除器的手环设计
6 支撑臂冲击载荷的计算
当插座铸造成型后在投入使用过程中,由于在生产线
上工作的操作人员与工作台距离很近,工作人员不小心就
会踢到插座外壳,所以要对外壳受冲击所能承受的最大应
力和变形进行分析(图13) 。
图13 支撑壁受力图
M achine Building Automation, Apr 2010, 39 ( 2) : 15～20
通过人机工程学的标准产品的设计参数[ 5, 6 ] ,取P =
80 N, H = 0. 3m, L = 0. 12m支撑臂所能承受的最大冲击
载荷为200 N,其模型如图14所示。
图14 受压图
力学模型相当于一个悬臂粱如图15。
图15 力学模型
其最大弯矩为M e = PL = 0. 12 m ×80 N = 9. 6 N·m,
则其挠度ω =
PL3
3EI
,设人体与插座接触时的瞬时动能为T,
由于插座上支撑臂的阻抗,变形到达最低位置时,整个系
统的速度为0,支撑臂的变形为Δd,冲击物与支撑臂开始
接触到变形发展到最低位置时,动能变为0,其变化为
ΔT;人脚向支撑臂移动的距离为H,则势能的变化为V =
PH;
若以εd表示应变能,根据机械守恒定律,设系统的速
度为0时支撑臂受的动载荷为Fd,则
εd = 1 /2 Fd ×Δd
因为T = 1 /2 mυ2 , υ= 2gH
所以T = P /2gυ2 = PH
冲击动荷因素kd = 1 + l +
2H
Δst
式中:静位移Δst =ω = PL3
3EI
;惯性矩I = bh3
12
。
根据上列模型并参见截面图16和图17可以求出惯
性矩I:
参见图16。
图16 截面图
图17 支撑臂强度的计算
I = bh3
12
- bh3
12
=
30 ×233 ×10- 3 ×10- 9
12
-
25 ×233 ×10- 3 ×10- 9
12
=5. 069 ×10- 9 ;
抗弯截面系数:Wz =
bh2
6
-
bh2
6
=
30 ×232 ×10- 3 ×10- 9
6
-
25 ×232 ×10 - 3 ×10 - 9
6
= 440. 83 ×10 - 9 ;
Δst = ω =
PL3
3EI
=
80 N ×0. 123 m
3 ×2. 58 ×109 Pa ×5. 069 ×10 - 9 =
01003 5m;
kd = 1 + 1 +
2H
Δst
= 1 + 1 +
2 ×0. 3
0. 003 5
= 14. 13。
因动载荷Δd = kd ×Δst = 14. 13 ×0. 003 5 = 0. 049
455,又因T +V =εd,代入公式得;
Fd = 4PH /Δd = 4 ×80 ×0. 03 /0. 049 = 192 N < 200 N
所以支撑臂能够承受外界的冲击载荷。
7 支撑臂的强度计算
a) 切应力的强度计算:为了减轻结构本身的质量,工
程上经常采用各种扎制型钢,如工字钢等;也经常使用薄
壁管状杆件。这类杆件的壁厚远小于横截面的其他两个
尺寸(高和宽) 。若截面中线是一条不封闭的折线或曲
线,则称为开口薄壁杆件。若截面中线是一条封闭的折线
或曲线,则称为闭口薄壁杆件。而设计的插座则属于闭口
薄壁杆件,闭口薄壁杆件自由扭转变形时,横截面上一点
处的切应力为:
τ= t
δ
= T
2ωδ
,
式中: T ———横截面上的扭矩;
δ ———杆件壁厚,取为2. 5mm;
ω ———剖面线所围面积,即如图17所示截面部分面
积ω =长×宽= 30 ×23 - (30 - 2. 5 ×2) ×(23 - 2. 5 ×2)
= 240mm2。
在自由扭转的情况下,截面上的扭矩T与外加扭转力
偶矩M e相等,即T =M e = 9. 6 N ·m,切应力τ =
T
2ωδ
=
9. 6 N·m
2 ×2. 5 mm ×240mm2 = 8 ×106 Pa = 8MPa < 53MPa。
b) 薄壁杆件的自由扭转情况时的扭转强度计算:外
加扭转力偶矩在端面的三角位移(扭转角) 上做的功
W = 1 /2 M eφ。
由ε=W 便可得到扭转角
·19·
·机械制造与研究· 武子靖,等·静电消除器的造型设计及力学计算
http: ∥ZZHD. chinajournal. net. cn E2mail: ZZHD@chainajournal. net. cn《机械制造与自动化》
φ =
M el
4Gω2 ∮ds
δ
因为杆件的壁厚δ不变,所以扭转角
φ =
M els
4Gω2δ
式中: s———截面中线的长度,则s = ( 30 - 2. 5) ×2 + ( 23
- 2. 5) ×2 = 96mm = 96 ×10 - 3m。
其中: l取50mm,即l = 50mm = 50 ×10 - 3 m。
因制造支撑杆的材料为聚甲醛,相关参数: E = 2. 58
GPa; u = 0. 35,
G =
E
2 (1 + u)
=
2. 58
2 (1 + 0. 35)
= 0. 95 GPa,所以扭转角φ =
M els
4Gω2δ
=
9. 6 N·m ×50 ×10 - 3 m ×96 ×10 - 3 m
4 ×0. 95 GPa ×240 mm2 ×240mm2 ×2. 5 mm
=
01084 2。
c) 弯曲正应力的强度条件:
σmax =
Mmax
Wz
≤[σ]
式中:Mmax ———最大弯矩即为9. 6 N·m;
Wz ———抗弯截面系数,即为440. 83 ×10 - 9 ;
[σ] ———弯曲强度, [σ] = 89. 6 MPa,所以:σmax =
Mmax
Wz
=
9. 6 N·m
440. 83 ×10 - 9 = 21. 78 MPa≤89. 6
MPa,即σmax ≤[σ]。
因此满足弯曲应力强度要求。
d) 冲击韧性的计算:工程上衡量材料抗冲击能力的
标准是冲断试样所需能量的多少。用αk 表示冲击韧性,
其单位为J /mm2。αk 越大表示材料的抗冲击的能力越
强。一般,塑料材料的抗冲击能力远高于脆性材料,所以
静电消除器的材料选用聚甲醛塑料。
αk =
W
A
式中:W ———试样被冲断时所吸收的能量, 即外力所做
的功,W = 1 /2 Meφ = 1 /2 ×9. 6 ×0. 082 =
01404 J;
A ———试样在切槽处的最小横截面积A = 2. 5 ×2. 5
= 6. 25mm2。
选用聚甲醛材料时:悬臂缺口冲击强度为65 J /mm2 ,
所以αk = W
A
=
0. 404 J
6. 25mm2 = 64. 64 J /mm2 ≤65 J /mm2。
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