多功能可調(diào)臺燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第1章緒論1.2課題研究的基本思路與采用的方法1.3課題研究目的和內(nèi)容1.3.2課題研究的內(nèi)容1.4課題研究的理論意義和實(shí)際意義第2章產(chǎn)品設(shè)計(jì)2.1.1光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)及要求2.照度要求滿足GB/T9473-2017讀寫作業(yè)臺燈性能要求的A級照度(照度值見附錄A,照2.1.2電子設(shè)計(jì)參數(shù)及要求作，默認(rèn)是3000K/25%,當(dāng)短觸“+”鍵，亮度按照25%至100%依次變亮，當(dāng)短觸“-”鍵，亮度按照100%至25%依次變暗，當(dāng)再次短觸模式鍵，色溫按照3000K至6000K依次變冷，然后又由6000K至3000K依次變暖，依次循環(huán)，直到長觸模式鍵結(jié)束工作(觸摸鍵圖標(biāo)見附錄C)。2.1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求2.要求燈頭能夠360度能調(diào)節(jié)，要求燈桿在+/-40度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，要求燈座能在+/-90度模式鍵圖標(biāo)調(diào)節(jié)色溫(色溫的變化規(guī)律如上所述),也可以短觸“+”鍵圖標(biāo)增加光線強(qiáng)度或短觸“-”鍵圖標(biāo)降低光線強(qiáng)度(亮度變化規(guī)律如上所述),若發(fā)現(xiàn)燈頭的位置不合適，2.2外觀設(shè)計(jì)本產(chǎn)品設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是使燈頭在三個(gè)維度方向都能實(shí)現(xiàn)照明位置自由調(diào)節(jié)，基于此設(shè)計(jì)要求，最終外形設(shè)計(jì)如圖2-1,燈頭調(diào)節(jié)要求如圖2-2,燈桿調(diào)節(jié)要求如圖2-3,燈座調(diào)節(jié)要求如圖2-4。圖2-1臺燈外形線框圖圖2-2臺燈燈頭調(diào)節(jié)圖圖2-3臺燈燈桿調(diào)節(jié)圖圖2-4臺燈燈座調(diào)節(jié)圖2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用無毒無味、無添加色的材料，如飲料瓶子選用PET,食品包裝選用PP、PE等，飲水用作，中端手機(jī)的外殼采用普通合金和PC+ABS,低端手機(jī)外殼通常會采用ABS。2.3.1轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上下力臂不均勻(旋轉(zhuǎn)中心上方是10.1mm,下方是12.5mm),也就是說，重心在Y軸上，不如圖2-2,在燈頭外殼的內(nèi)外分別設(shè)計(jì)摩擦片，然后用螺母鎖緊，調(diào)節(jié)螺母的鎖緊力度就可以調(diào)節(jié)摩檫力的大小，燈頭外殼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會直接與摩擦片2和摩擦片3產(chǎn)生摩擦。最終，轉(zhuǎn)軸的零件特征如圖2-3,分別由轉(zhuǎn)接軸、摩擦片和鎖緊螺母組成。轉(zhuǎn)接軸螺旋轉(zhuǎn)中心摩擦片1摩擦片1摩擦片2摩擦片4摩擦片3圖2-2轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)原理圖圖2-3轉(zhuǎn)軸零件圖如圖2-4,從理論上分析，當(dāng)燈桿向右(或向左)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，角度θ不斷變大，力臂L與圖2-4燈桿受力圖經(jīng)過理論研究后，燈桿轉(zhuǎn)軸的實(shí)際設(shè)計(jì)如圖2-5,轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦軸選用1215材質(zhì)，與燈桿如圖2-6.摩擦片1摩擦片2摩擦片3圖2-5燈桿轉(zhuǎn)軸原理圖圖2-6燈桿轉(zhuǎn)軸零件圖3.燈座轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由于燈座是正圓型的，旋轉(zhuǎn)中心在圓心上，重力方向與旋轉(zhuǎn)軸方向一致，當(dāng)外力消失后，重力不會產(chǎn)生額外的扭力使燈座繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，本人選用標(biāo)準(zhǔn)型號的滾珠軸承作轉(zhuǎn)軸用，且采購方便，使底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡便。2.3.2燈頭部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)綜合研究，需將燈頭部件拆分成燈頭外殼、透光罩、燈頭轉(zhuǎn)軸和燈頭裝飾件等四個(gè)結(jié)構(gòu)件及一個(gè)LED燈板，如圖2-7。圖2-7燈頭拆件圖燈頭外殼是燈頭部件的主體，在設(shè)計(jì)時(shí)，需要將其作為基準(zhǔn)，考慮每個(gè)結(jié)構(gòu)件與其裝配關(guān)系，才能對每個(gè)結(jié)構(gòu)件做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。為了方便檢修和維護(hù)，透光罩需要設(shè)計(jì)成有利于拆卸的結(jié)構(gòu)，另外，考慮到外形美觀，可以采用卡扣特征與燈頭外殼連接；燈頭裝飾件僅是裝飾作用，不需要經(jīng)常拆卸，甚至永不拆卸，可考慮直接用膠水將其與燈頭外殼粘合在一起，做成一體；LED燈板在工作時(shí)，會產(chǎn)生大量的熱量，若導(dǎo)熱和散熱不及時(shí)，會導(dǎo)致LED燈珠發(fā)熱嚴(yán)重，減少其使用壽命甚至直接將其燒毀，為了保證與燈頭外殼固定面完全貼合，能更好的將熱量傳導(dǎo)到燈頭外殼表面，快速實(shí)現(xiàn)熱交換，將多余熱量散掉，因此，采用螺釘鎖緊結(jié)構(gòu)比較合適，既能讓燈板與燈頭外殼連接牢固，又能拆卸維修，每個(gè)1.燈頭外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于燈頭外殼尺寸偏小，若選用工程塑料作為燈頭外殼的材質(zhì)，則需要在狹小的空間再設(shè)計(jì)一個(gè)有足夠散熱能力的結(jié)構(gòu)件，會非常困難，若選用鋁合金作為燈頭外殼的材質(zhì)，使燈頭外殼本身就是一個(gè)散熱件，則更有利于簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征如圖2-8,設(shè)計(jì)②設(shè)計(jì)軸向限位筋，防止透光罩被過壓或軸向移動(dòng)；③設(shè)計(jì)徑向限位筋，防止透光罩在燈頭外殼里面轉(zhuǎn)動(dòng)；④設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸摩擦面及過線孔，安裝孔尺寸的設(shè)計(jì)參考轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)接軸直徑尺寸；⑤設(shè)計(jì)LED燈板安裝面及散熱結(jié)構(gòu)，安裝面厚度尺寸不能隨便設(shè)定，需要考慮螺絲的選型，這里選擇《GB/T819十字槽沉頭機(jī)牙螺釘》中的M3X4規(guī)格的螺釘，外殼頂面的厚度只有1.5mm,需要加厚安裝面的厚度尺寸，散熱結(jié)構(gòu)主要是利用熱傳導(dǎo)原理，將產(chǎn)生多余的熱量從安裝面通過鋁合金傳導(dǎo)到表面，由于空間尺寸的限制，提高傳熱效率，只能加大吸熱面積，于是特意在安裝表面設(shè)計(jì)多個(gè)矩形槽特征，在實(shí)際安裝的過程中，會在槽內(nèi)填充導(dǎo)熱硅脂，避免過多的空隙產(chǎn)生。⑥設(shè)計(jì)LED燈板安裝孔，由于選擇的M3的機(jī)牙螺釘，查工藝手冊可知，在鋁合金上⑦設(shè)計(jì)裝飾片定位槽，一方面在槽里加膠水，可以減少溢出的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面方便裝圖2-8燈頭外殼零件圖2.透光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)透光性特點(diǎn)，只有PS(聚苯乙烯)、PC(聚碳酸酯)和PMMA(聚甲基丙烯酸，俗稱：亞克力)三種材質(zhì)適合應(yīng)用到透光罩上，但是PS和PMMA兩種材質(zhì)比PC材質(zhì)的缺口沖擊強(qiáng)度低很多，表征為脆性大，不適合設(shè)計(jì)彈性卡扣特征，所以只能選擇PC材料作為透光罩的材質(zhì)，由于GB/T9473對發(fā)光面有照度均勻度和防止眩光等要求，而透光燈罩表面是發(fā)光面，因此，需要在PC材料里面加均光粉，以達(dá)到照度均勻和防止眩光的目的。詳細(xì)結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)如圖2-9,首先設(shè)計(jì)一個(gè)圍骨特征，增加透光罩強(qiáng)度，在圍骨上設(shè)計(jì)卡扣結(jié)構(gòu)，用于連接燈頭外殼，考慮拆卸時(shí)，卡扣需要有彈性變形，兩個(gè)扣才能脫開，由于圖2-9透光罩零件圖帶有CD紋，可將燈頭裝飾件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-10,實(shí)際加工時(shí)，可采用薄鋁板通過沖壓工圖2-10燈頭裝飾件零件圖2.3.3燈桿零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2-13,而調(diào)節(jié)燈桿產(chǎn)生的扭力相對較大圖2-12燈桿零件圖圖2-13燈桿燈頭連接端圖圖2-14燈桿燈座連接端圖圖2-15燈桿與燈頭裝配圖圖2-16燈桿與燈座裝配圖2.3.4燈座部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)主要結(jié)構(gòu)件.如圖2-17。圖2-17燈座拆件圖度至90度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，于是在底座設(shè)計(jì)了角度限位槽，其限位原理如圖2-21,限位圈與的左圖所示，調(diào)節(jié)的最大位置如圖2-21右圖所示，限位圈設(shè)計(jì)特征如圖2-22,采用的硬圖2-18燈座底座零件圖圖2-19軸承轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖圖2-20防滑墊零件圖圖2-21角度限位原理圖圖2-22限位圈零件圖2.燈座中殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-23,限位圈固定軸是用于固定限位圈零件且限制中殼轉(zhuǎn)動(dòng)角度的范圍，限位原理如圖2-21,軸承孔是用于與滾珠軸承外圈過盈配合，使軸承外圈帶動(dòng)中殼轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)過線孔的目的是為了方面將DC插座的電線通過其穿入到中殼內(nèi)給電子控制系統(tǒng)供電。轉(zhuǎn)軸安裝座用于定位和鎖緊轉(zhuǎn)軸，使燈桿與中殼產(chǎn)生連接關(guān)系，轉(zhuǎn)軸通過四個(gè)機(jī)牙螺絲鎖緊固定，在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，燈桿在產(chǎn)生扭力的情況下，四個(gè)鎖緊螺絲也會承受較大的力，導(dǎo)致螺釘滑牙，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，主要原因是配合的有效牙數(shù)有些偏少，于是將轉(zhuǎn)軸安裝座的面根據(jù)產(chǎn)品功能定義，臺燈需要有給手機(jī)能充電的功能，因此，將手機(jī)充電模塊設(shè)計(jì)了在燈座中殼里，充電模塊安裝柱就是為了定位和固定充電模塊，USB插孔是為端能插入到充電模塊做的避空設(shè)計(jì)，卡扣用于與燈座面蓋連接，安裝方便并拆卸自由，設(shè)計(jì)徑向限位筋的目的是防止燈座面蓋在中殼里能轉(zhuǎn)動(dòng)，主要結(jié)構(gòu)特征基本設(shè)計(jì)完成，但是在實(shí)際中，底座的重量是不夠的，通常在單手調(diào)節(jié)燈桿時(shí)，或者燈桿處于較大角度的位置構(gòu)如圖2-24。燈稈過孔軸承孔圖2-23燈座中殼零件圖圖2-24配重塊零件圖里選擇優(yōu)質(zhì)的工程塑料ABS作為面蓋的材質(zhì)，面蓋的結(jié)構(gòu)雖然看起來比較簡單，但是塑膠確定壁厚非常重要，如表2-1,本文設(shè)計(jì)面蓋壁厚取2mm,壁厚確定后，需要考慮卡扣和將限位結(jié)構(gòu)(如圖2-23)設(shè)計(jì)在底座中殼上了，設(shè)計(jì)的PCB卡扣和PCB限位筋結(jié)構(gòu)為了連接和固定電子控制板，卡扣和筋位厚度的設(shè)計(jì)原則如圖2-26。由于本產(chǎn)品具有調(diào)色和調(diào)光功能，需要通過三個(gè)按鍵完成此些功能，如圖2-27,減號鍵圖標(biāo)表示亮度減弱功能，加號圖標(biāo)表示亮度降增強(qiáng)功能，月亮圖標(biāo)表示色溫循環(huán)調(diào)節(jié)功能，各圖標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式是在圖2-25燈座面蓋零件圖圖2-26筋位設(shè)計(jì)原則圖圖2-26觸摸鍵圖標(biāo)圖表2-1常見塑料件料厚推薦值星政材料最小料厚小型產(chǎn)品推薦料厚中型產(chǎn)品推薦料厚0和2.4設(shè)計(jì)效果圖2.5產(chǎn)品總裝圖燈頭外殼燈桿限位圈圖2-27產(chǎn)品總裝圖2.6產(chǎn)品應(yīng)用情況本產(chǎn)品是一款基于市場上已有常規(guī)護(hù)眼臺燈基礎(chǔ)上的改進(jìn)產(chǎn)品，主要解決的問題是讓用戶能夠在多維度方向自由調(diào)節(jié)燈頭照射的位置，實(shí)現(xiàn)更廣范圍的照明，經(jīng)驗(yàn)證，產(chǎn)品體驗(yàn)效果好，已被國內(nèi)三