一種伺服電機測控儀的結構與外觀設計*

尚世杰，蘇志強，李兵強，李海濤

（1.中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068；2.中北大學，山西 太原 030051）

引 言

伺服電機測控儀（以下簡稱“測控儀”）不僅具備控制發動機的節流閥和調節器電機的功能，還能調節、控制其推力和混合比，是發動機地面試車的關鍵設備之一。隨著步進電機的廣泛使用，發動機試車面臨著推力和混合比由固定狀態轉為可調節狀態、不同工況下功能及性能應可考核的問題，因此，測控儀的小型化、便攜式及外觀設計變得越來越重要[1]。

文獻[2]采用硬件芯片、電路設計及通用串行接口協議等，發明了一款用于教學試驗的直流電力測功機的測控儀；文獻[3]基于總體功能要求開發了一套用于微鉆試驗臺的智能測控儀，通過硬件和軟件設計，實現了測控儀訪問控制和遠程定位等功能；文獻[4]利用通用串行總線（Universal Serial Bus, USB）接口設計了一種用于內燃機參數測量的柴油機測控儀，解決了信號處理系統通訊數據“卡脖子”的問題。

從以上文獻可知，目前國內關于測控儀的設計多數只關注軟硬件功能的實現，而對測控儀的結構設計和造型設計研究較少。因此，本文從目前項目的實際情況出發，為了使不同型號地面電機完成試驗，并解決試驗過程中測控儀不便攜、安裝撤收復雜等問題，設計了一種便攜式伺服電機測控儀。運用UG10.0軟件構建測控儀的三維模型，對其結構和外觀進行了設計，并運用KeyShot9.0軟件進行了色彩渲染。該測控儀具有整體結構緊湊、體積小、便攜、造型美觀大方等優點，可為同類產品的結構設計和外觀設計提供一定的參考。

1 結構設計

1.1 功能介紹

該設備主要應用于不同型號伺服電機的地面測試和地面試驗，具有工況數據信號采集、手動控制電機、電機角度鎖緊、顯示試驗測試數據和與外部客戶端連接等功能。

1.2 整體結構設計

測控儀主要由上蓋板、把手、底座、左側板和右側板、前面板和后面板、風機組件、觸摸顯示屏、內部板卡組件、控制電源和可切換電機驅動電源組成，整體結構設計如圖1 所示。其外形尺寸為480 mm（長）×260 mm（寬）×309 mm（高）。

圖1 測控儀整體結構

1.3 對外接口設計

該設備要求對外接口能夠兼容不同型號伺服電機并實現不同型號電纜的對接，各對外接口的功能見表1。對外接口及后面板的造型設計如圖2所示。

表1 對外接口功能

圖2 測控儀對外接口及后面板造型設計

1.4 電源設計

根據電源設計指標要求，設備內部電源應具備帶過載和短路保護功能，因此內部采用2組電源設計，一組為28 V 控制電源，尺寸為200 mm（長）×160 mm（寬）× 45 mm（高）；另一組為28 V/40 V可切換電機驅動電源，尺寸為400 mm（長）×180 mm（寬）×45 mm（高）。電源設計及安裝方式如圖3所示。

圖3 測控儀電源設計

1.5 功能板卡安裝設計

板卡采用標準3U設計，面板厚約20 mm，導軌采用可編碼的插件板設計，標準面板一端設計助拔器，便于安裝和拆卸。板卡安裝設計如圖4所示。

圖4 測控儀功能板卡安裝設計

2 外觀造型設計

2.1 整體造型設計

測控儀的整體造型以方體幾何形態作為原型，運用“加減”幾何形態法，在滿足功能的基礎上多次與結構設計迭代，形成最終的外觀造型[5]。方體幾何形態設計的應用既能節省安裝空間，又使設備規整，給人穩定、可靠、安全的感覺?！凹訙p”幾何形態法的運用既打破了方體一體化的呆板生硬印象，又使整體造型層次更加豐富細膩，給人帶來生動活潑的視覺感受。

2.2 前面板造型設計

前面板除了屏幕、按鍵和開關外，面上再無其他功能件，顯得單調、空乏。根據線分割大面和對稱設計原理[6]，在屏幕下方加入了直線設計。整體采用水平直線高低錯落設計，其中○2 號水平線略高于○1 號水平線，○3 號水平線略高于○4 號水平線，且○3 號線長于○4 號線，同時將測控儀的Logo“×××型伺服電機測控儀”放置在○3 號水平線上，字體的高度略低于○2 號水平線，加上45°斜線穿插設計，整體線型起到了調整視線的作用，給人一種將設備向上托起、減輕重量的視覺效果，同時水平線的層次設計也給人一種秩序感，起到一種形散神不散的視覺效果。具體設計效果如圖5所示。

圖5 測控儀前面板造型

2.3 后面板造型設計

后面板運用了“形式追隨功能”的設計原則。后面板散熱和對外接口布局已確定，即在受測控儀功能和結構的影響下，后面板局部采用傾斜面和幾何分割設計思路[6]。含接口的面采用凹進設計，與后面板平行。該平面與其他3個方向的傾斜面相連并接至后面板上，打破了傳統接口裸露在結構面板以外的方式，既節省空間，又給人一種輕巧、不規整的視覺效果。此外，后面板上方運用了多邊形幾何分割設計，增加了后面板的層次感和美感。具體設計效果如圖2所示。

2.4 左側板造型設計

左側板根據對稱和均衡外觀造型設計原則，采用“整體對稱，局部均衡”形式美設計手段，達到穩定而富有動態美的效果[7]。為打破整體形態的影響，左側板整體采用對稱式設計。左側板左上部分在設備整體凹造型基礎上，為了和諧過渡，統一形態，將凹造型輪廓線進行放大處理形成不規則的八邊形，從而形成散熱孔左側的幾何造型；左側板左下部分依據左上部分造型進行了多塊四邊形和三角形的幾何分割處理，整體寬體不超過上面的八邊形幾何形體，形成形散而神不散的效果；為了整體呈現一種“動中有靜，靜中有動”的設計效果，左側板右上部分未與左上部分進行對稱設計，而是采用均衡設計手法，進行了兩個不同尺寸的八邊形設計，其中小尺寸的八邊形設計是為了與左上部分的凹造型輪廓形成假對稱，整體趨于對稱設計；右下部分設計與左下部分設計完全相同。

該設計中的對稱設計手法主要體現在以散熱部分為對稱軸進行左右對稱，給人一種穩定、莊重的感覺，但如果僅進行對稱設計會給人一種呆板和單調的感覺，因此在保持對稱的形式下又未完全拘泥于對稱，而是進行了局部均衡設計，給人一種動態美、秩序美的感覺。具體設計效果如圖6所示。

圖6 測控儀左側板造型

2.5 散熱孔造型設計

散熱部分根據調和與對比的外觀造型設計原則[8]，采用方中有圓、圓中有方、方與圓對比的設計方法，達到對比與協調的效果。依據風扇的外方形輪廓線，左側板和后面板局部采用了方形設計，散熱部分按照風扇的葉片圓形輪廓線設計成了圓形，并在此基礎上將散熱孔設計成了豎直方形，具體設計效果如圖7所示。通過方與圓設計要素之間的相互作用和烘托，給人一種柔和、活潑和協調的感覺。

圖7 測控儀風扇原型及散熱孔造型

3 色彩設計

在現代工業產品中，色彩起著關鍵性的作用，它不僅可以體現產品的設計理念，還可以提高產品的外觀質量，提升產品的附加值[9]。

不同的色彩給人帶來不同的感受，產生不同的生理和心理感知?；疑珟Ыo人穩重、安定感；白色帶給人簡約、純凈感；黑色帶給人穩重、科技感；綠色帶給人安全、舒適感；藍色帶給人清爽、孤獨感；紫色帶給人華麗、高貴感；黃色帶給人明亮、不穩定感；橙色帶給人活躍、明快感；紅色帶給人興奮、危險感[10]。根據不同色彩帶給人不同的感知以及設備的使用場景，該設備選取灰色作為基礎色，搭配白色、綠色和黑色形成3種不同的配色方案。這3種配色分別給人帶來了不同的感受：灰白色帶給人穩定、簡約感；灰綠色帶給人穩定、安全感；黑灰色帶給人穩重、科技感。測控儀的色彩方案如圖8所示。

圖8 測控儀色彩方案

4 結束語

結構是否準確、造型是否美觀、色彩選用是否恰當將直接影響產品留給客戶的第一印象。測控儀作為一款便攜式小型化設備，具有使用頻率高、使用場景多等特點。本文從結構、外觀造型和色彩調配等方面進行了詳細設計，在滿足基本功能的前提下更加注重用戶的使用體驗，不僅提高了測控儀的使用便利性，也增加了其外觀舒適性。在視覺和操控等方面大量的細節設計極大地提升了用戶的使用體驗，提高了用戶的滿意度，具有非?？捎^的市場前景。