王玉勤 丁澤文 王寅斌 季海龍

(巢湖學(xué)院機械與電子工程學(xué)院， 安徽 巢湖 238000)

工程圖樣是表達設(shè)計者的設(shè)計思想、傳達設(shè)計信息的重要資料，是工程技術(shù)界的通用語言[1-2]。使用傳統(tǒng)繪圖工具繪制工程圖樣時，手繪圖線的效果很難達到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，繪制效率較低。為了提高繪圖精度和效率，在此設(shè)計一種多線型繪圖儀，通過機構(gòu)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)不同線型的連續(xù)繪制。

1 多線型繪圖儀設(shè)計

多線型繪圖儀主要包含線型軌道、主支撐架、夾持桿、滑輪等基本傳動部件，這些部件可通過特定連接和移動從而實現(xiàn)工程制圖過程中多種圖線的繪制。在設(shè)計時多線型繪圖儀，首要考慮的是裝置的靈活性，其次要解決的是裝置的擴展性。為解決上述問題，所設(shè)計的繪圖尺上配有帶燕尾槽的軌道，便于繪圖裝置在繪圖尺上靈活移動；另外，繪圖裝置中所有零件均可拆卸和更換，擴展性較高。應(yīng)運本次設(shè)計的繪圖儀，可以幫助工程技術(shù)人員方便地繪制出工程圖樣中的實線、虛線和點畫線，操作簡單，實用性強。

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

多線型繪圖儀主要由機械系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)組成，整個裝置主要包括壓緊螺釘、夾持桿、燕尾槽、壓縮彈簧、繪圖筆、繪圖尺、虛線軌道、點畫線軌道、外殼、主支撐架、移動支架、選擇開關(guān)、滑輪和直線軌道等零件結(jié)構(gòu)(見圖1)。

1 — 繪圖筆；2 — 壓緊螺釘；3 — 燕尾槽；4 — 繪圖尺； 5 — 夾持桿；6 — 虛線軌道；7 — 點畫線軌道；8 — 外殼； 9 — 壓縮彈簧；10 — 主支撐架；11 — 移動支架；12 — 選擇開關(guān)； 13 — 滑輪；14 — 直線軌道。

1.2 工作原理

繪圖筆安裝在夾持桿上，通過壓緊螺釘固定。夾持桿和主支撐架、移動支架連接在一起。主支撐架上方安裝有壓縮彈簧，移動支架下方安裝有滑輪。在繪制過程中，通過移動選擇開關(guān)選擇對應(yīng)的線型軌道，并調(diào)節(jié)繪圖筆筆尖的位置，使其與圖紙充分接觸，以保證繪制的連續(xù)性。手持并移動殼體，帶動整個裝置沿燕尾槽做直線運動。當(dāng)滑輪接觸到線型軌道上的凸塊時，移動支架會被頂起，主支撐架會隨之向上移動，從而帶動夾持桿和繪圖筆向上移動，實現(xiàn)虛線或點畫線的間隙處繪制。當(dāng)滑輪越過線型軌道上的凸塊時，整個機械系統(tǒng)會在壓縮彈簧的作用下，恢復(fù)到初始位置，完成實線的繪制，通過多次循環(huán)即可完成對應(yīng)線型圖線的繪制工作。

下面重點對多線型繪圖儀在繪制虛線和點畫線時，機械系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)分析。

2 多線型繪圖儀參數(shù)分析

多線型繪圖儀機械系統(tǒng)由主支撐架、夾持桿、移動支架、滑輪和繪圖筆構(gòu)成(見圖2)。支撐結(jié)構(gòu)由外殼和繪圖尺組成，繪圖尺上設(shè)置有燕尾槽、虛線軌道、點畫線軌道和直線軌道結(jié)構(gòu)。利用平面幾何原理求解多線型繪圖儀相關(guān)的運動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)[3-4]。

2.1 繪圖筆筆尖位置分析

(1)虛線二維平面運動分析。在虛線軌道結(jié)構(gòu)圖中(見圖3)，L1為虛線線型的實線段部分長度，L2為虛線圖線的間隙長度，R1為虛線軌道表面凸塊的半徑，長度L1與L2嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)12 ∶3的虛線繪制比例進行設(shè)計[5-6]。

圖2 機械系統(tǒng)示意圖

圖3 虛線軌道結(jié)構(gòu)示意圖

下面，建立繪制虛線的繪圖筆筆尖二維平面運動方程：

x=n(L1+L2)+xi

(1)

(2)

式中：x為筆尖在水平位置的位移；n為虛線線型中的實線段部分和間隙部分的數(shù)量；xi為繪制完n個虛線線型中的實線段部分和間隙部分后剩余的線段長度；y為筆尖在豎直方向的位移。

(2)點畫線二維平面運動分析。在點畫線軌道結(jié)構(gòu)示意圖中(見圖4)，L3為點畫線圖線的長實線長度，L5為點畫線圖線的短實線長度，L4、L6為點畫線圖線的間隙長度，R2為點畫線軌道表面凸塊的半徑。長度L3、L4、L5和L6嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求的繪制比例24 ∶3 ∶0.5 ∶3進行設(shè)計。

圖4 點畫線軌結(jié)構(gòu)示意圖

建立繪制虛線過程中繪圖筆筆尖的二維平面運動方程：

(3)

(4)

2.2 機械系統(tǒng)受力分析

假定給殼體施加一個恒力F，使得整個裝置沿繪圖尺上的燕尾槽做勻速直線運動，通過力的效果轉(zhuǎn)化，可使從動件滑輪產(chǎn)生一個沿運動方向的加速度a。圖5所示為機械系統(tǒng)動力學(xué)示意圖。圖6所示為滑輪受力示意圖。

圖5中，實線和虛線表示機械系統(tǒng)運動的兩個極限位置，A、B為主支撐架與彈簧的接觸點，C、C1、D、D1表示兩夾持桿與主支撐架和移動支架的接觸點，E表示滑輪部分。

圖5 機械系統(tǒng)動力學(xué)示意圖

滑輪的動力學(xué)方程可表示為：

(5)

式中，md為滑輪的質(zhì)量。

整個裝置在恒力F的作用下保持勻速直線運動，滑輪在水平方向所受的力為FEx,FEx=-F。力的平面幾何關(guān)系表示為：

(6)

式中：FE為滑輪受到的總合成力；θ為滑輪與軌道上凸塊交點切線和水平面之間的夾角；FEy為滑輪在豎直方向所受的力。

圖6 滑輪受力示意圖

移動支架底端的動力學(xué)方程為：

(7)

移動支架動力學(xué)平衡方程為：

(8)

圖7 移動支架受力示意圖

主支撐架受力情況如圖8所示。其中，F(xiàn)A和FB均為壓縮彈簧對主支撐架的彈力，F(xiàn)C為上夾持桿對主支撐架的作用力，F(xiàn)C1為下夾持桿對主支撐架的作用力，Ma為作用在主支撐架的阻力矩，L7為A點到C點的水平距離，L8為B點到C1點的水平距離。

圖8 主支撐架受力示意圖

主支撐架動力學(xué)平衡方程為：

(9)

圖9 夾持桿受力示意圖

夾持桿的動力學(xué)平衡方程為：

(10)

3 多線型繪圖儀實物演示

根據(jù)上述運動學(xué)及動力學(xué)分析，制作繪圖儀(見圖10)。繪圖儀殼體采用亞克力板加工而成，繪圖尺、支撐架、夾持桿和滑輪等部件采用3D快速成型機打印而成。

圖10 多線型繪圖儀實物圖

使用繪圖儀，只需移動開關(guān)，將滑輪移動至直線軌道上，對外殼施加外力使得裝置沿燕尾槽作直線運動，即可繪制實線。由于實線上沒有間隙，所以該直線軌道上未設(shè)計凸臺。

當(dāng)使用者移動開關(guān)，將滑輪調(diào)節(jié)至對應(yīng)的虛線軌道和點畫線軌道上，即可繪制出虛線和點畫線。虛線和點畫線的繪制效果分別如圖11和圖12所示。

圖11 多線型繪圖儀虛線繪制示意圖

圖12 多線型繪圖儀點畫線繪制示意圖

4 結(jié) 語

為了規(guī)范工程制圖中各種圖線的繪制，提高手工制圖的效率，設(shè)計了一種多線型繪圖儀，應(yīng)用該多線型繪圖儀可以完成實線、虛線和點畫線的繪制。在對多線型繪圖儀主要結(jié)構(gòu)進行運動學(xué)及動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，通過更換零部件，該裝置可以實現(xiàn)不同比例圖線的精確繪制。繪圖裝置安裝在帶有燕尾槽的繪圖尺上，操作靈活簡便。同時，繪圖儀上所有零部件均可以更換，繪圖儀的可擴展性更佳。本次設(shè)計的多線型繪圖儀提高了制圖的效率和精度，實用性強，具有一定的市場推廣價值。