一款新型的立体拼图玩具的设计

目录1、 引言 11.1 选题背景 11.2 研究目标和意义 11.3 研究的主要内容 11.3.1 机电检测线路设计 11.3.2 立体拼图主体结构设计 22、 立体拼图机电检测线路结构设计 22.1 电磁干簧管检测线路（如图 2.1-1） 22.2 光纤、光敏电阻感应检测路线 53、 立体拼图玩具主体结构设计 93.1 立体拼图玩具设计基本原则 93.2 立体拼图结构设计 103.3 实体建模软件的选择和介绍 163.4 立体拼图作品打印 174、 作品实物展示 19致谢 19参考文献 201、 引言1.1 选题背景青年儿童是祖国的未来和希望，所以儿童健康成长一直以来都是社会非常关心的问题。有一样东西伴随着每个儿童的成长，那就是玩具。然而随着时代和社会的进步儿童的玩具也在跟着变化。由七八十年代的木枪木剑到现在的各种电子遥控玩具可谓是日新月异层出不穷。与此同时随着网络的普及青少年儿童也从很小的时候就开始接触到了网络，有些甚至沉迷其中。根据调查显示截至 2012 年 12 月，我国青少年网民规模达到 2.35 亿，其中 6-11 岁年龄段青少年占比例为 7.8%。而且随着网络更加的普及和便捷，这个数据还会在继续增加。网络和电子操控玩具等快速发展直接导致的结果就是传统玩具市场收到巨大的冲击。然而不可否认的是传统玩具对于少年儿童的动手能力的开发更有益一些。传统玩具的弊端就是单调枯燥不能吸引儿童的兴趣。所以对传统玩具的改革创新有着很现实和实际的效益和作用。1.2 研究目标和意义本课题的研究目标是把传统的平面拼图玩具结合网络小游戏改革成立体的拼图玩具，并结合机电检测结构，在完成拼图的时候能自动检测拼图的正确性，与此同时利用一些电子机构增加立体拼图的美观和可玩性。以达到对传统玩具的改革和创新。本课题的意义在于，它能够很好的吸引少年儿童的注意力，拼图游戏本身就是益智型玩具，改革为三维立体拼图玩具后，它的难度和可玩性得到了很大程度的提高，所以对儿童脑力的开发和动手能力的增强有着显著的增强。而且这个项目存在着很大的市场经济潜力。因为是创新产品，所以在市场上是空缺也是冷门,因此第一个推出的总是能获得最大的经济效益。而且这个项目的实施和推进有助于传统玩具市场的一场改革和发展。此项目的研究和发展不经可以获得巨大的经济回报，而且还能够引发人们的思考，对传统玩具的思考改进创新，引发创新改革浪潮。1.3 研究的主要内容该课题主要包涵四个研究方面。建模软件及和 3D 打印机，玩具设计基本材料和安全性，机电检测线路设计和拼图主体和外壳设计。1、机电检测线路设计很多电子元件都可以用来设计成电子检测路线。该设计项目中主要包涵两条机电检测结构。第一条是安装在底座上的由常开电磁干簧管、高强度二极管、电池和开关等组成的检测线路。控制电磁干簧管工作的永磁铁安装在拼块底部。第二条检测路线是由侧光光纤、光敏电阻、单片机识别器和指示灯等组成的检测线路。光纤穿插在拼块内部，光敏电阻、单片机识别器和指示灯等安装在底座盒子上。2、立体拼图主体结构设计主要研究内容是，拼块内部结构设计，拼块形状尺寸，尺寸偏差等方面。这些主要运用的到的是机械设计的知识。同时还需要选择合适的三维绘图软件，进行建模等。更具所学内容，选择了 SolidWorks 绘图建模软件。因为该设计的最终目标是设计出一款立体拼图玩具，所以需要对玩具的基本安全要求和材料选用知识有着一定的研究。3、3D 打印机 该设计课题需要作出实体模型，因此需要把三维虚拟模型变成实体模型，所以需要运用 3D 打印机。因此对 3D 打印机需要有一定的研究了解，而且对打印材料需要进行严格的筛选和控制，以达到预期的效果。 2、 立体拼图玩具设计原则立体拼图设计属于玩具设计，所以设计的基本原则应该参照玩具结构设计的安全性原则和选用材料原则等。2.1 玩具结构设计安全性原则玩具的核心安全问题主要有：小物体、尖点、利边、硬质凸体等，而核心的检测是合理性破坏测试。本设计中主要包含到的安全问题有尖点和利边。因为本设计的拼图图块是正方体形状的，所以存在着一定的尖点和利边。国际上对利边的定义是：被测试的边以大于 90以外的任意角度在 1.35lb（6N）的作用下与测试材料相抵触，在测试材料转动的情况下测试薄膜破裂，则此边为利边。关于尖角的定义：被测试尖点如通过了 0.04in0.045in（0.8mm1.2mm）的方孔并进入0.015in（0.4mm）长并且能使得在 0.5lb 力的作用下使测试面后移0.05in（1in=0.0245m）长，则被定义为尖点。因为本设计的拼块为正方体，并且拼图精度要求较高，所以不可避免的存在这尖角和利边，所以在实际生产应用中在尖角和利边处应该选择使用柔软的胶体材料，把潜在危险性降到最低。外盒为长方体形，所以也存在着尖角和利边问题，但是因为外围不影响玩具功能，所以利边和尖角都进行了导角处理，排除潜在危险。设计样品是利用 3D 打印机打印成型，所以尖角和利边问题没有处理。2.2 玩具生产选材原则因为本设计生产材料主要为塑料，所以在此只讨论塑料玩具材料选择。塑料玩具材料有很多种，而且很多材料都是可以好几种塑料材料混合使用。在此简单介绍一些常用材料。1 聚苯乙烯（ PS）聚苯乙烯（PS 或 GPPS）即俗称之“硬胶” ，属于非结晶性塑料，极性化合物，主要性能为： 透明、良好光泽、容易着色；溶于有机溶剂，便于喷油漆；成型收缩率、尺寸稳定性好；质脆不耐冲击，表面易擦花，胶件包装要求高；耐酸性差。2 丙烯晴-丁二烯-苯乙烯聚合物（ABS） 主要特性：ABS 具有良好的电镀性能，塑料材料中电镀性能最强；因组分中丁二烯的作用，ABS 较 GPPS 冲击强度更高；ABS 原料浅黄色不透明，制品表面光泽度好；ABS 收缩率小，尺寸稳定性良好；材料共混性能较好，如 ABS+PVC 可提高韧性、耐热性以及抗老化能力，ABS+PC 可提高冲击强度、耐热性。3 聚乙烯（PE）主要性能：聚乙烯分高密度（HDPE）和低密度（LDPE）两种，随着密度增高，透明度减低；聚乙烯为半透明粒子，胶件外观呈乳白色；聚乙烯的柔软性、抗冲击性、延伸性和耐磨性、低温韧性好；常温下不溶于任何溶剂，化学性能稳定；另一方面 PE 难以粘接；机械强度不高，热变形温度低，表面易划伤；聚乙烯用于吹塑制品；收缩率大，2%2.5%。玩具制品一般比较小，以 2%作基准。常用塑料材料还有：聚丙烯（PP） 、聚氯乙烯（PVC） 、聚碳酸酯（PC） 、聚酰胺（PA） 、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。本设计在实际生产的过程中的选材选择需要进行具体实验选择，选择合适的塑料材料。3、建模软件的选择和介绍及 3D 打印机运用3.1 建模软件的选择和介绍 3.1.1 三维模型建模软件的选择随着计算机技术的快速发展，三维实体建模软件也是越来越多。如ProE、SolidWorks、UG 等等。根据设计要求选择了 SolidWorks 建模软件。SolidWorks 是由美国 SolidWorks 公司开发的基于 Windows 平台的大型 CAD/CAM/CAE集成软件。它易学易用，功能强大，有全面的实体建模功能，可以快捷地生成完整的工程图样，其组件还有计算机辅助数据编程、有限元分析等功能。3.2.2 SolidWorks 软件简介在目前市场上所见到的的三维 CAD 解决方案中，SolidWorks 是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论：“在基于 Windows 平台的三维 CAD 软件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。 ”用SolidWorks 资源管理器可以方便地管理 CAD 文件。SolidWorks 资源管理器是唯一一个同 windows 资源管理器类似的 CAD 文件管理器。特征模板为标准件和标准特征提供了良好的环境。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，并与同事共享。配置管理是 SolidWorks 软件体系结构中非常独特的一部分，它涉及到零件涉及、装配设计和工程图。配置管理使得使用者能够在一个 CAD 文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体。SolidWorks 的协同工作能力很强。通过 eDrawings 方便地共享 CAD 文件 。eDrawings 是一种极度压缩的、可以通过电子邮件发送的、自行解压和浏览的特殊文件。在 SolidWorks 中，当生成新零件时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是 SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。SolidWorks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。 SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图全是相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。SolidWorks 的操作性能好，工作性能强大。是三维建模的不错的选择。第一版SolidWorks 是于 1995 年推出的，至今已发展了 19 年，其工作性能，软件稳定性都得到了很大提升。目前市场上最新的版本为 2014 版。本设计使用的是 2008 版。3.2 3D 打印机简介本课题需要完成的任务是立体拼图的三维模型的建立并且需要完成实物作品中的线路安装和测试。因此需要运用 3D 打印机进行实体模型打印。3.2.1 3D 打印机介绍3D 打印机（3D Printers）是一位名为 恩里科迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种神奇的打印机，它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。3.2.1.1 3D 打印机发展历史简介从最初 3D 打印的想法到现在已经有了 100 多年的历史。3D 打印源自 100 多年前美国研究的照相雕塑和地貌成形技术，上世纪 80 年代已有雏形，其学名为“快速成型” 。最早的 3D 打印出现在上个世纪的 80 年代，价格极其昂贵且所能打印的产品数量也少得可怜。3D 打印技术的核心制造思想最早起源于 19 世纪末的美国，到 20 世纪 80 年代后期 3D 打印技术发展成熟并被广泛应用。该技术可用于珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC） ，汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，和许多其他领域。3D 打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。通过 3D 打印机也可以打印出食物。这也是大多吃货所关心的 3D 打印机未来的发展方向。3.2.1.2 3D 打印机工作原理 其的原理是：把模型数据和原料放进 3D 打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。打印出的产品，可以即时使用。本设计使用的 3D 打印机为简单家庭版（如图 3.2.1.2-1） ，使用的打印原材料为PLA1.75 透明材料。图 3.2.1.2-1 3D 打印机3.2.2 3D 打印材料 PLA 介绍PLA 是生物降解塑料聚乳酸的英文简写，全写为：polylactic scid。聚乳酸生产过程无污染，而且产品可以生物降解，所以称为绿色高分子材料。符合设计环保要求。聚乳酸的热稳定性好、抗溶剂性强、生物相容性、富有光泽度、透明性好和手感舒适。符合设计的材料要求。4、立体拼图机电检测线路结构设计本设计包含两条电子检测线路分别为电磁干簧管检测线路（如图 4.1-1）和光纤、光敏电阻检测线路。总线路图（如图 4-1） 。图 4-1 总线路图4.1 电磁干簧管检测线路 图 4.1-1 电磁干簧管检测线路4.1.1 电磁干簧管检测路线工作原理该设计中的电磁干簧管检测线路包含了五个电磁干簧管和一个超亮度发光二极管。电磁干簧管的主要作用是用作常开开关，把它固定在拼图盒底的固定地点，并且用导线串联形成检测线路。当底面装有永磁铁的拼图块放置在正确的地方的时候，永磁铁引发干簧管工作，使得线路接通，发光二极管发光完成线路检测。4.1.2 电磁干簧管工作原理及其特性干簧管（如图 4.1.2-1）又称干式舌簧管，是一种在玻璃管内封装两个或三个即导磁又导电的材料做成的簧片所组成的开关元件，玻璃管内充满惰性气体（如氮、氖等） 。管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定的间隙或相互接触以构成常开或常闭接点，(如图 4.1.2-2)当永磁铁靠近干簧管的时候，簧片的接点就会感应出极性相反的磁极(如图4.1.2-3)，由于磁极相反而相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的抗力时，分开的接点便会吸合；当磁力减小到一定值得时候，在簧片的抗力的作用下接点又恢复到原来的状态。这样便完成了一个开关的作用。其特点：1、作为接触控制的接触点，完全与外界大气隔绝，并密封于充满惰性气体的玻璃管中，因此大大减少了接点开关过程中接点火花引起的接点碳化和氧化，有效地防止了外界腐蚀气体及尘埃对接点的侵蚀与污染，在一定程度上提高了接点接触的可靠性，免去了日常使用中的维护。2、作为开关可动体的簧片，由于尺寸很短，这不但可以提高其固有的耐振频率，而且还可以接点的通断速度。干簧管的接通和释放时间要比电磁继电器小的很多，一般为 13ms。3、由于接点的接触部分采用金、铑、钯合金镀层，所以接点接触电阻变化平稳，寿命较长一般为 110 110 次。 674、体积小，重量轻，安装灵活。5、干簧管系属于同轴结构，因而得到良好的高频输出特性。6、可以十分方便的与永磁铁相互配合，以磁钢作为驱动能源，可以不用电能。另一个好处是永磁铁可以任意角度方位接近干簧管，这给控制装置的简化及扩大应用范围带来了好处。7、干簧管存在着接点容量小、承受电压能力低和接点容易产生机械颤抖现象等缺点。图 4.1.2-1 电磁干簧管 图 4.1.2-2 电磁干簧管示意图 图 4.1.2-3 电磁干簧管工作示意图4.1.3 电磁干簧管线路设计和铺设干簧管需要与永磁体配合使用，所以干簧管线路只能安排在拼图玩具外壳底部。永磁铁的磁性强弱与干簧管的工作性能密切相关，所以为了确保干簧管正常使用必须严格选用适当的永磁铁并恰当控制干簧管与磁铁的距离。本设计选用的是圆形钮扣状 83mm 的永磁铁，这种磁铁的磁性强度高而且便于安装处理。干簧管具有使用方便操作简单等优点，但同时也存在着一个很严重的缺点就是抗干扰能力差，所以在干簧管设计位置上需要经过严格的测试和试验，以确保排除干扰。在本设计中选择了五个干簧管摆放点（如图 4.1.3-1 所示） 。为确保准确正确的测试拼图图块摆放地点的正确性，所以需要尽可能多的安排测试点，但为避免相邻测试点之间的距离过近产生干扰显现，所以相邻两测试地点之间的距离应安排在可控制的最大范围之内。经过综合考虑和实际试验检测后确定了如图所示的五个测试点。线路的铺放我选择了简单处理。先利用 SolidWorks 建立外壳模型，在模型底部表面进行挖线路槽，使得槽底部与外壳上表面的距离为 2mm。挖槽完成后铺入事先链接好的干簧管检测线路，并固定线路。其中干簧管和干簧管与细线链接部分重点固定。至此检测线路铺设完成。图 4.1.3-1 电磁干簧管测试点选择示意图4.2 光纤、光敏电阻感应检测路线 4.2.1 光纤、光敏电阻感应检测线路工作原理该线路需要运用到的电子元器件包括通体发光光纤、光敏电阻器、发光二极管指示灯和单片机识别器。在正确完成拼图后埋在拼图块体内的光纤会组成一条通道，通道只有一个光路进口既是电磁干簧管检测线路中的发光二极管处，有三个出口，在三个出口出的外壳壁上埋有三个光敏电阻器，光敏电阻器通过导线与电源和发光二极管指示灯等组成回路。在没有光照射的状态下光敏电阻器的阻值很高所以线路可视作断路。在干簧管吸合的状态下超亮度发光二极管的光线通过光纤传送到三个光敏电阻处，光敏电阻阻值变小电路导通，发光二极管指示灯发光，完成检测。4.2.2 侧光光纤介绍及其工作原理侧光光纤（如图4.2.2-1）也叫通体发光光纤，通常为阶跃型聚合物光纤，芯材的折射率高于皮材折射率。芯材多采用透明聚合物或透明有机物。由于通体发光光纤多用于照明、装饰装璜中，为保证其具有优异的机械性能和耐老化性能，皮材通常采用氟塑料，如聚四氟乙烯。为延长通体发光光纤的使用寿命，多在通体发光光纤外包覆一层抗老化、抗紫外线及耐候性好的透明材料，如透明聚氯乙烯。 通体发光光纤最显著的特征是通体发光，其通体发光强度随长度的增加而呈指数下降。通体发光 POF 在长度为 x 处的发光强度 Is可用如下公式表示：Is （x）= A exp（-k x） （式中：k 为通体发光系数，单位 m-1） ；常数 A 可用下式表示：A =（4）-1 I0 （expk - 1） （式中：I0是通体发光 POF 光输入强度） 。特点及应用：侧光光纤也叫通体发光光纤，可以进行点发光、线发光，随意变换色彩；柔软，可随意弯曲、造型；安全、节能、环保、免维护；防水、防紫外线；使用寿命长，使用范围广。光线沿光纤长度方向均匀散射，利用光晕来达到装饰的效果。因 PVC 包覆层含有抗紫外线老化物质，有 PVC 包覆层的侧光光纤适合户外使用。利用侧光光纤可以勾勒物体轮廓或组成各种艺术造型，由于其使用寿命较长，广泛用于勾勒建筑物楼宇和水池游泳池的轮廓、岩洞照明以及走廊、楼梯、地下隧道的道路指引以及室内光纤线条灯（夜总会，KTV, 宾馆，酒店，商场，博物馆）或水体中的线条灯及造形。在生活中有着许多的设计运用，给人们的生活增加了色彩。图 4.2.2-1 侧光光纤市面存在的侧光光纤的尺寸为 2mm、2.5mm、3mm、4mm20mm。本设计中选用的是深圳四叶子光纤有限公司生产的直径为5毫米的侧光光纤。 4.2.3 光敏电阻基本结构和工作原理常见的光敏电阻器是用硫化镉（CdS）材料制成。除此以外，还有用硫化铅、硫化铋、硒化镉和硫化铊等材料制成的光敏电阻器。光敏电阻器的结构（如图 4.2.3-1）由于半导体在光的作用下，电导率变化的现象值局限于光照的物体表面层，因此，在制作光敏电阻器时，只要把掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘基体上，就可以制成光敏电阻器。为了提高灵敏度，光敏电阻器的电极一般都是制成梳状，为了防潮，光敏电阻器常用带透明光窗口的金属外壳密封起来。光敏电阻器的工作原理是光电导效应。当半导体材料收到光的照射时，如果入射光子的能量大于半导体的禁止带宽，则半导体内的载流子数目增多，改变了半导体的导电率，从而使半导体的电阻减小，这种无理现象就是光电导效应。这样，当无光照的时候，光敏电阻器的阻值很大，可以达到1100M；当有光照射的时候，光敏电阻器的阻值变小，利用这种变化，可以得知照射光线的强弱。图 4.2.3-1 光敏电阻器结构示意图4.2.3.1 光敏电阻器的主要特性光敏电阻有两个主要特性：光谱特性和光电效应。光谱效应即使用不同材料制成的光敏电阻器存在着不同的光谱特性。光电效应即在一定的电压下，光敏电阻器的光电流 I 与照射光通量 的关系。光敏电阻器的光电特性呈非线性。4.2.3.2 光敏电阻器的种类及用途光敏电阻器的种类很多，按所用半导体材料的不同可以分为单晶光敏电阻器和多晶光敏电阻器。根据光敏电阻器的光谱特性，可分为红外光光敏电阻器、可见光光敏电阻器及紫外光光敏电阻器。可见光光敏电阻器相应光的波长与人眼感受到的波长接近。其适用于光电自动控制、光电自动计数、光电跟踪、照相机、曝光表及可见光检测等许多方面。红外光光敏电阻器相应峰值波长在红外光范围之内，对红外线较敏感。其试用于导弹制导、红外探测、其他分析、红外光谱分析、红外通信及自动控制等方面。紫外线光敏电阻器相应峰值波长在紫外光范围内，对紫外线较敏感。其适用于探测紫外线。在本设计中选用的是可见光光敏电阻器，因为高亮度发光二极管发出的光属于可见光范畴。4.2.4 侧光光纤光路设计及要求光纤光路设计安排在拼图图块体内。为了保证拼图完成后光路能顺利导通，光路设计安排在同一平面内即图块中间平面以确保侧光光纤端面能够准确结合并导光。设计思路为先在平面内画出一个九宫格，在边缘适当地方选择一个光源点后选择三个适当的测试点即光敏电阻器的位置。再由光源点出发画出一条能够到达三个测试点处的光路路线，至此光路路线设计完成。 （如图 4.2.4-1）利用 SolidWorks 建立图块模型，根据图纸利用扫描切除功能建立光纤通道完成拼块建模。为了增加游戏的可玩性和难度，在图块模型中画出一些干扰线路。如此就完成了侧光光纤光路的设计。光路要求光路通畅，传导准确。选择的三个光源测试点距离适当，避免相互干扰，影响判断结果。根据光路路线设计选择光敏电阻器安装测试点（如图 4.2.4-2） 。4.2.5 光敏电阻检测线路设计及要求光敏电阻设计安排在拼图底座侧面。根据光路设计在侧面适当的地方埋入光敏电阻器。在底座侧面内侧扫描切除处直径为 6mm 的圆柱空洞，光纤中射出来的光从空洞中照射到光敏电阻上。在检测线路中串联一个发光二极管指示灯，发光二极管安装在外壳表面。当光照射到光敏电阻后，光敏电阻器阻值变小，电路导通，发光二极管指示灯发光，完成检测。线路如图 4.2.5-1 所示。图 4.2.4-1 光纤光路示意图 图 4.2.4-2 光敏电阻器测试位置示意图5、 立体拼图玩具结构设计5.1 立体拼图拼块结构设计本项目的设计和制造是参照两款网络小游戏对传统拼图玩具进行改造的。在造型设计的时候保留了传统拼图的基本概念，同时参照两款小游戏做了外形设计和拼图内部结构设计。所参照的网络小游戏是网络立体拼图游戏和手工接水管小游戏。5.1.1 立体拼图拼块外观结构设计本设计的拼块外观造型设计是根据网络立体拼图小游戏制作的。在网络小游戏中有一款名字叫做立体拼图的游戏。该游戏中需要玩家将散落一地，但可以任意旋转翻面的彩色拼图进行复原，可以最大程度的发挥玩家的空间想像力。拼图完成前（如图 5.1.1-1 所示） ，拼图完成后（如图 5.1.1-2 所示） 。图 5.1.1-1 游戏完成前 图 5.1.1-2 游戏完成后参照此游戏完成了立体拼图玩具拼块的外观的设计。本设计的拼块为九个505050mm 的正方体（如图 5.1.1-3） 。图 5.1.1-3 拼块外形 5.1.2 立体拼图拼块内部结构设计本设计的内部光纤光路结构是参照另一款网络小游戏手接水管而设计完成的。手工接水管，它的游戏规则很简单就是把散落的水管（如图 5.1.2-1）经过旋转最后形成一条流通的水管（如图 5.1.2-2） ，即完成游戏。拼图拼块内部结构设计即为光纤光路设计，需要设计出一条一进三处的路线。图 5.1.2-1 游戏初始状态 图 5.1.2-2 游戏完成后此游戏的通路为一进一出，与设计要求存在一定差别，所以在进行光路设计的时候，需要对线路进行改进设计，利用光纤的拼接传导光，同时为增加游戏的可玩性和难度，本设计在拼图拼块内部设计的过程中还加入了一些干扰性的路线。 （如图3.3.2-3）设计过程遵循先设计主体线路后再设计辅助干扰线路。图 3.3.2-3 拼块内部机构设计5.1.3 立体拼图拼块外形和尺寸设计由上文已知本设计的立体拼图玩具的拼图图块是边长为 50mm 的正方体。因为拼块体内需要穿插直径为 5mm 的侧光光纤，所以在用建模软件建立拼块模型的时候需要运用建模软件的扫描切除功能在拼块体内扫描切除出能容纳光纤穿插圆柱体通道。本设计需要呈现实物样品，样品是由 3D 打印机打印打印呈现，所以在进行光纤线路尺寸设计的过程中需要考虑到打印过程中存在的尺寸偏差。因此需要进行试验测试论证。因为本设计为自主设计作品，所有尺寸都是自己制定和设计的。拼块外观尺寸的确定主要参考传统玩具的尺寸，内部通道尺寸设计确定则是根据所选用的侧光光纤尺寸确定的。光纤直径为 5mm，因为考虑到 3D 打印机打印过程存在尺寸误差，所以在初次设计时，通道尺寸设计为直径 6mm。后经实物打印光纤穿插试验后，发现通道直径偏大，所以进过重新设计调整后把通道直径定为 5.8mm。后经过实物测试，发现尺寸适合，故通道直径确定为 5.8mm。 （如图 5.1.3-1）图 5.1.3-1 拼块尺寸示意图5.2 拼图底座外壳设计本设计遵循的是由内到外的设计循序，先设计出拼图图块的形状和尺寸，后设计底座外壳。外壳设计需考虑的因素包括线路在外壳中的安排和所需安装的电子元器件的尺寸和设置地点。5.2.1 外壳设计初稿外壳初稿设计思路为，光敏电阻器检测路线安排在外壳侧边（如图 5.2.1-1 所示） ，电磁干簧管和电池盒设计在排布在底面（如图 5.2.1-2 所示） 。因为检测装置都是排布在外壳侧面，所以需要在固定的位置设计出合理尺寸的圆孔以摆放电子元器件。因为检测线路的导线安排铺设在侧面所以需要在壳体侧面挖出一个环形槽，用来容纳线路。电磁干簧管和电池盒的设计位置为外壳底面，因为需要摆放电池盒所以要求底座需要有足够的厚度足以能够放下一个电池盒。但是因为电磁干簧管对距离永磁铁的距离有着严格的要求，所以需要挖一条深度很深的电磁干簧管线路槽，以确保电磁干簧管在永磁铁的磁性范围之内。因为是玩具设计所以在设计过程中需要考虑设计作品的美观和排除作品因尖角利边等原因导致的存在的潜在可能会伤害到玩家的潜在危险。所以对作品经行了倒角处理。这种处理方法不但增加了外壳的美观性同时也去除了尖角利边等。图 5.2.1-1 外壳侧面外形图 图 5.2.1-2 外壳底部设计图 在进行打印处理的时候，发现了一个技术性问题。因为打印需要底座支撑，然而底座底面的电池盒和线路槽没有支撑，所以无法打印。而且周围的埋线槽，也没有支撑，无法打印。因此此设计方案被否定，需要对底座外壳进行重新设计。 5.2.2 外壳设计定稿在经过查阅资料和实验论证后，最终确定外壳设计方案。定稿的设计思路把初稿全部推翻。因为检测电子元件的地点是固定的，所以检测元器件安装孔依旧设计在壳体侧面（如图 5.2.2-1） 。因为检测元件位置在侧边，所以连接导线必须从侧面经过，为了不影响美观，采用了壳式设计的方法即从底部向上看底座也是为一个壳体（如图 5.2.2-2） 。这样设计的好处是导线以及电子元器件不会外漏，提高了作品的美观程度。而且因为侧边空间狭窄，所以便于固定导线。因为需要安装电池盒和一个小型单片机识别器。所以需要留一个足够安装的空间（如图 5.2.2-3） 。图 5.2.2-1 外壳外观 图 5.2-2.2 外壳侧面图图 5.2.2-3 外壳底部图外壳的设计的困难点在于需要根据打印出的拼块的尺寸设计内部空间的尺寸，而且需要考虑到 3D 打印机的实际工作情况合理设计外壳结构。外壳底部需要放置电池盒，所以在侧边留了一个宽度为 30mm 的空壳区，因为如此所以从底部看去也是一个壳状，但是同时因为这个空区的存在，使得作品在用 3D 打印机打印过程中存在一个技术性的问题，就是空格地区没有底座支持，所以没有办法堆积，无法打印。因为这个原因所以否定了第一次的设计方案。第二设计方案中对内部进行了倒角处理，而且这个倒角有一个特点就是倒角半径为 30mm。因为当倒角半径为 30mm 的时候，就会使得空格区为圆弧型，所以在打印过程中存在着一定牵引力，所以不会坍塌。为了使得打印效果更好，防坍塌效果更好，在电池盒空格区增加了一个宽度为 4mm 的板筋。因为需要放置电池盒，所以在板筋设计的时候需要留足电池盒的空间。板筋上留有两个圆孔用来穿引导线。因为光敏电阻器和发光二激光所以底座周围也是壳状。为了保证打印所以周围一圈壳体内部也进行了倒角处理，倒角的半径同样是等于边槽的宽度。线路的开关设计安排在外壳侧面，所以根据开关的尺寸在外壳的侧边留下了一个直径为 12.5mm 的圆孔，用以安装开关。底座底面还需要安装一个比较重要的电子检测元器件，就是电磁干簧管。因为需要安排电磁干簧管检测线路，所以需要在底座底板上进行挖槽处理。且因为电磁干簧管的工作特性，所以槽低和底座上表面的距离设计为 2mm。在第一次的设计方案中也有这个线路槽，但是却存在的两个问题槽体过深和槽体为方形槽体，所以打印作品和安装线路都存在着问题。在第二次设计方案中有效的解决了这两个问题。把电池盒设计安装在侧边，所以有效解决了槽体过深的问题。二次方案中没有采用方形槽设计，而是直接采用了半圆形槽的设计，半圆半径为 3.5mm。这种设计的优点是槽开口大，方便导线和电磁干簧管的摆入，而且因为是半圆形，所以在打印的时候不需要底部支撑。在所有所需元器件都安装完成后，需要用一个底板把底座封住。底板是设计利用螺丝钉固定，所以在底面四个角落设计了四个螺丝钉安装点。 （如图5.2.2-4）图 5.2.2-4 螺钉安装点底座的设计，需要同时考虑到外形的美观，结构的合理，尺寸适当和考虑 3D 打印机的实际工作原理。6、 实物展示及后续设计改进6.1 实物作品图 6.1-1 拼块实物图 6.1-2 底座外壳底面图 6.1-3 底座外壳图 6.1-4 拼图整体6.2 后续设计改进创新就是一个不断改进和完善的过程，所以在后续设计中还需要对设计方案进行修整和改进以达到更好的效果。在进行实物拼试玩时发现拼图的光纤导光效果不好。主要问题是拼块间和拼块内部的导光光纤结合不紧密，所以光线的导通不顺畅。在后续改进中需要考虑的问题是光源强度的选择和检测光路路线进行优化设计。结论本文是在参照传统拼图玩具和网络立体拼图玩具以及手接水管两款网络小游戏的基础之上，设计出一款新型的立体拼图玩具。首先确定使用的电子检测元器件和机电检测线路，后根据传统玩具盒网络小游戏并结合机械设计的一些知识设计立体拼图的外部结构和形状。后根据拼图结构和检测线路的设计确定电子检测线路的铺排和检测点的设置位置。在完成设计思路构思后，利用三维建模软件 SolidWorks 进行拼图结构建模。建模完成后利用 3D 打印机进行模型实物打印。实物打印完成进行检测光纤的穿插和检测线路的铺排和安装。因为是设计一款玩具，所以需要根据玩具设计的基本要求对立体拼图外形结构进行合理优化设计。在设计底座尺寸是需要考虑 3D 打印机打印带来的尺寸误差，底座外形设计需要根据 3D 打印机工作原理进行结构优化设计。致谢首先感谢我的指导老师许军老师这接近半年的时间的悉心指导与关怀，无论在拼图结构构思和检测元器件以及线路等设计上，许老师都给予了我很多的帮助。在模型设计过程中，许老师耐心的讲解分析常常使我获得新的思路和想法。他严谨的治学作风、扎实的专业理论功底、求真务实的工作态度深深地影响着我。值此论文完成之际，向许老师表示衷心的感谢和诚挚的敬意！最后感谢在我身边一直默默支持我的家人和同学，是他们的爱让我在四年的大学生活中渐渐长大，让我拥有强大的动力勇往直前！参考文献1 黄继昌 主编.常用电子元器件实用手册.北京：人民邮电出本社，2009 2 仲玉凯 主编.玩具品质与设计指引.北京：化学工业出版社，20063 黄健求 主编.机械设计制造基础M.北京：机械工业出版社，20014 濮良贵，纪名刚.机械设计M.高等教育出版社.2006.5.5 吴彦农，康志军.SolidWorks2005 基础教程M.北京：机械工业出版社，2005.9.6 周惠潮，孙晓峰 编著.常用电子器件及经典型应用M.北京：电子工业出版社，2007.47 中国就业培训指导中心 组织编写.玩具设计师M.中国劳动社会保障出版社，2006.128 美Brian Evans 著.解析 3D 打印机：3D 打印机的科学与艺术M.北京：机械工业出版社9 通体发光光纤-百度百科. http:/baike.baidu.com/link?url=kHGBz1-bdqQxi6V8Nrl5ok7jhOy32OqXLH4MkxOXxsLwbEb6ohVNtuOO2Zxn6_ml5hfHzOmkbHf0aZOypj7Pza10 4399 小游戏网.http:/www.4399.com/flash/25660.htm11 PLA（聚乳酸）百度百科.http:/baike.baidu.com/subview/43654/7981165.htm?fr=aladdin