連碧華 孫 超 蔡明譽(yù) 姚常淦

1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系 南京 211135 2.南京弘宇不銹鋼制品有限公司 南京 210011

1 設(shè)計(jì)背景

創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)著人類進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展,創(chuàng)新從技術(shù)角度理解是一種技術(shù)的突破,從工程應(yīng)用角度理解是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法,兩者都要求設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分發(fā)揮創(chuàng)造力,利用各種最新的科技成果和設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)出具有獨(dú)創(chuàng)性與實(shí)用性的產(chǎn)品[1]。教學(xué)圓規(guī)是機(jī)械制圖及相關(guān)類型課程教學(xué)必須使用的儀器,傳統(tǒng)的教學(xué)圓規(guī)存在三方面問(wèn)題。一是功能單一,只能夠?qū)崿F(xiàn)畫(huà)圓。二是體積大,笨重,不便于攜帶。三是針腳容易掉落摔壞。針對(duì)上述問(wèn)題,筆者打破常規(guī)思維模式,采用組合創(chuàng)新原理設(shè)計(jì)了一種集畫(huà)圓、畫(huà)橢圓、測(cè)量等功能于一體的多功能變焦式圓規(guī)。設(shè)計(jì)中通過(guò)Unigraphics軟件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行參數(shù)化建模,構(gòu)建產(chǎn)品模型。Unigraphics軟件是一款集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算機(jī)輔助制造于一體的機(jī)械零部件設(shè)計(jì)常用軟件,采用參數(shù)化、特征建模技術(shù)為復(fù)雜實(shí)體數(shù)字化模型的構(gòu)建和裝配提供保證,動(dòng)力學(xué)仿真模塊提供的動(dòng)力學(xué)性能分析功能,能優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能,幫助設(shè)計(jì)者獲得滿足功能要求的產(chǎn)品。Unigraphics軟件利用編程與仿真加工功能,可以建立數(shù)控加工刀路,后處理為數(shù)控代碼后實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的加工?；赨nigraphics軟件,在多功能變焦式圓規(guī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊,實(shí)現(xiàn)整套產(chǎn)品零部件三維模型的構(gòu)建及裝配,通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)提高設(shè)計(jì)的柔性,利用運(yùn)動(dòng)分析模塊對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)畫(huà)仿真[2-5],跟蹤圓規(guī)的運(yùn)動(dòng)軌跡,以檢查零件之間的干涉情況,驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。最后通過(guò)實(shí)物演示驗(yàn)證了多功能變焦式圓規(guī)的設(shè)計(jì)效果。

2 設(shè)計(jì)思路

多功能變焦式圓規(guī)利用組合創(chuàng)新法設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)采用缺點(diǎn)列舉法分析傳統(tǒng)教學(xué)圓規(guī)的核心缺點(diǎn)。核心缺點(diǎn)中,功能缺點(diǎn)為只能畫(huà)圓,不能畫(huà)橢圓;形式缺點(diǎn)為笨重,不易攜帶;隱形缺點(diǎn)為針腳容易摔壞且易傷人。針對(duì)上述問(wèn)題,采用功能組合方法將圓規(guī)設(shè)計(jì)為既能畫(huà)圓,又能畫(huà)橢圓,在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)畫(huà)圓和畫(huà)橢圓的輕松轉(zhuǎn)換。應(yīng)用聯(lián)想類比法,仿照橢圓軌跡原理來(lái)設(shè)計(jì)圓規(guī)的結(jié)構(gòu)形態(tài),使所設(shè)計(jì)的圓規(guī)在外形上由大變小,在操作上由困難變?yōu)槿菀?達(dá)到結(jié)構(gòu)小巧、操作簡(jiǎn)單的目的。應(yīng)用和田十二法中的“改一改”“縮一縮”方法,將針腳設(shè)計(jì)為在使用時(shí)伸出,不使用時(shí)縮回的可伸縮式,以避免針腳折斷、傷人的情況發(fā)生。

3 功能特點(diǎn)

多功能變焦式圓規(guī)集畫(huà)圓、畫(huà)橢圓、畫(huà)直線、測(cè)量距離四大功能于一體,四大功能中,畫(huà)圓與畫(huà)橢圓是主要功能。

根據(jù)橢圓定義,平面內(nèi)與兩焦點(diǎn)f1、f2距離的和等于常數(shù)2a的動(dòng)點(diǎn)P的軌跡為橢圓,a為長(zhǎng)半軸長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)繪制不同長(zhǎng)短軸的橢圓,將生活中用于測(cè)量的軟卷尺應(yīng)用于多功能變焦式圓規(guī)中。軟卷尺長(zhǎng)度要求為2a+2c,c為橢圓焦距。調(diào)整軟卷尺的長(zhǎng)度,即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)軸、短軸及焦距確定的橢圓軌跡。橢圓焦距的調(diào)整采用變焦機(jī)構(gòu)。為了提高畫(huà)橢圓過(guò)程中操作者的人體舒適度,借助軟磁條的吸附作用將多功能變焦式圓規(guī)尺身固定于黑板上,輕松操作可伸縮粉筆套,即可實(shí)現(xiàn)單手畫(huà)橢圓。

為了達(dá)到方便使用和美觀的目的,將畫(huà)圓所需的針腳、副尺隱藏于多功能變焦式圓規(guī)尺身中,使多功能變焦式圓規(guī)結(jié)構(gòu)體積縮小,使用靈活,同時(shí)易于攜帶。

將多功能變焦式圓規(guī)的尺身設(shè)計(jì)為兩棱邊均帶刻度,可以方便測(cè)量距離,精確繪制直線。

多功能變焦式圓規(guī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作良好,省時(shí)省力,滿足使用者個(gè)性化的心理體驗(yàn)需求[6-7]。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多功能變焦式圓規(guī)由尺身、變焦機(jī)構(gòu)、軟卷尺畫(huà)筆機(jī)構(gòu)、可折疊圓規(guī)機(jī)構(gòu)、磁性吸附裝置組成。尺身帶有中間通槽、兩直角邊側(cè)面槽,上表面兩處長(zhǎng)棱邊帶有精確刻度。 變焦機(jī)構(gòu)由位于尺身中間通槽中的兩組橢圓焦距調(diào)節(jié)裝置組成,每組橢圓焦距調(diào)節(jié)裝置由方形磁扣、圓孔磁扣、轉(zhuǎn)軸、防滑落墊片構(gòu)成。調(diào)整兩組橢圓焦距調(diào)節(jié)裝置之間的距離,可以實(shí)現(xiàn)橢圓焦距的調(diào)節(jié)。軟卷尺畫(huà)筆機(jī)構(gòu)由軟卷尺長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器、塑料軸承、粉筆套組成。軟卷尺長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器內(nèi)設(shè)置有軟卷尺、卡位機(jī)構(gòu),卡位機(jī)構(gòu)用于鎖定軟卷尺的長(zhǎng)度。調(diào)節(jié)器上安裝有一鍵回縮按鈕,用于回收軟卷尺。為減小作圖時(shí)軟卷尺與粉筆套之間的摩擦,采用了塑料軸承,實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。可折疊圓規(guī)機(jī)構(gòu)由針腳和副尺組成,針腳和副尺均設(shè)計(jì)為可折疊形式,不使用時(shí)可隱藏于尺身的側(cè)面槽中。副尺端面設(shè)計(jì)有粉筆套,畫(huà)圓時(shí)將針腳和副尺展開(kāi)即可。磁性吸附裝置由尺身底部的軟磁條組成。位于尺身底部的軟磁條可以將多功能變焦式圓規(guī)吸附在黑板上,起到固定的作用,避免傳統(tǒng)教學(xué)圓規(guī)使用時(shí)需雙手操作的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)單手繪圖。

5 參數(shù)化建模

為了使所設(shè)計(jì)的多功能變焦式圓規(guī)能滿足功能動(dòng)作要求,且易于修改與優(yōu)化模型,引入U(xiǎn)nigraphics軟件參數(shù)化建模功能,通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊對(duì)多功能變焦式圓規(guī)的主要部件進(jìn)行建模。尺身在建模過(guò)程中涉及拉伸、挖槽、陣列、打孔等命令,先通過(guò)特征建模功能構(gòu)建尺身主體,然后采用挖槽及布爾求差運(yùn)算構(gòu)建尺身側(cè)面槽、底面槽,通過(guò)陣列、鏡像方法創(chuàng)建尺身刻度,最后采用打孔命令完成尺身模型構(gòu)建[8-9]。尺身結(jié)構(gòu)如圖1所示。橢圓焦距調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,通過(guò)實(shí)體特征即可完成模型構(gòu)建。橢圓焦距調(diào)節(jié)裝置如圖2所示。針腳、副尺是實(shí)現(xiàn)多功能變焦式圓規(guī)畫(huà)圓的關(guān)鍵零件。針腳主要通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、倒圓角、打孔等命令創(chuàng)建,結(jié)構(gòu)如圖3所示。粉筆套采用多棱柱、圓柱求和,以及打孔、倒圓、倒斜角等命令完成模型構(gòu)建,結(jié)構(gòu)如圖4所示。

▲圖1 尺身結(jié)構(gòu)▲圖2 橢圓焦距調(diào)節(jié)裝置▲圖3 針腳結(jié)構(gòu)

▲圖4 粉筆套結(jié)構(gòu)

6 模型裝配

應(yīng)用Unigraphics軟件裝配模塊對(duì)多功能變焦式圓規(guī)各零部件進(jìn)行裝配,如圖5所示。針腳和副尺通過(guò)螺釘、螺母固定于尺身上,兩者均可繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn),也可隱藏于尺身的左側(cè)面槽和前側(cè)面槽中。尺身正中間設(shè)計(jì)有允許轉(zhuǎn)軸移動(dòng)的通槽,底面開(kāi)設(shè)方腔槽。轉(zhuǎn)軸穿過(guò)通槽,與位于底面方腔槽中的方形磁扣通過(guò)螺釘連接,方形磁扣可在方腔槽中滑動(dòng)。圓孔磁扣通過(guò)圓孔與轉(zhuǎn)軸配合,位于尺身上表面槽中。方形磁扣與圓孔磁扣均為強(qiáng)力磁鐵,依靠磁力作用使磁扣緊貼于尺身上,以固定位置。防滑落墊片為圓形結(jié)構(gòu),固定于轉(zhuǎn)軸的頂部。軟卷尺畫(huà)筆機(jī)構(gòu)安裝時(shí),將軟卷尺置于軟卷尺長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器中,并安裝上卡位機(jī)構(gòu)和一鍵回縮按鈕,一鍵回縮按鈕凸顯于調(diào)節(jié)器表面。塑料軸承內(nèi)安裝粉筆套,將組裝好的軟卷尺長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器與塑料軸承相固定,構(gòu)成軟卷尺畫(huà)筆機(jī)構(gòu)。將軟卷尺繞在橢圓焦距調(diào)節(jié)裝置的轉(zhuǎn)軸上,調(diào)節(jié)軟卷尺的長(zhǎng)度,借助畫(huà)筆與軟卷尺之間的張力,移動(dòng)軟卷尺畫(huà)筆機(jī)構(gòu),即可畫(huà)出滿足要求的橢圓。

▲圖5 多功能變焦式圓規(guī)的裝配

7 動(dòng)畫(huà)仿真

多功能變焦式圓規(guī)的功能是畫(huà)圓、畫(huà)橢圓、畫(huà)直線和測(cè)量距離,采用Unigraphics軟件的動(dòng)畫(huà)仿真功能可以對(duì)多功能變焦式圓規(guī)的功能進(jìn)行驗(yàn)證[10-11]。畫(huà)圓和畫(huà)直線的原理較為簡(jiǎn)單,于是主要應(yīng)用動(dòng)畫(huà)仿真功能來(lái)驗(yàn)證畫(huà)橢圓過(guò)程有無(wú)干涉和掉線現(xiàn)象。畫(huà)橢圓仿真如圖6所示。將針腳和副尺隱藏在尺身側(cè)面腔槽中,調(diào)整兩個(gè)方形磁扣之間的距離和軟卷尺繞線長(zhǎng)度,來(lái)確定橢圓的焦距及長(zhǎng)軸長(zhǎng)度,進(jìn)而確定短軸長(zhǎng)度。將尺身及兩個(gè)調(diào)節(jié)好焦距的橢圓焦距調(diào)節(jié)裝置定義為固定連桿和固定運(yùn)動(dòng)副,將軟卷尺畫(huà)筆機(jī)構(gòu)定義為運(yùn)動(dòng)連桿和旋轉(zhuǎn)副,設(shè)置旋轉(zhuǎn)副為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),并設(shè)置時(shí)間、步數(shù)等解算參數(shù)后,解算得到多功能變焦式圓規(guī)的橢圓運(yùn)動(dòng)方案,通過(guò)動(dòng)畫(huà)仿真驗(yàn)證畫(huà)橢圓過(guò)程中無(wú)干涉和掉線情況,滿足設(shè)計(jì)要求。

▲圖6 畫(huà)橢圓仿真

8 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證多功能變焦式圓規(guī)的性能,進(jìn)行了畫(huà)橢圓功能驗(yàn)證,如圖7所示。通過(guò)實(shí)際單手操作畫(huà)橢圓,確認(rèn)過(guò)程順暢,未出現(xiàn)筆、尺及其它部件之間的干涉現(xiàn)象,也沒(méi)有出現(xiàn)軟卷尺掉線的情況。實(shí)踐證明,所設(shè)計(jì)的多功能變焦式圓規(guī)結(jié)構(gòu)合理、有效。在畫(huà)不同半徑圓時(shí)發(fā)現(xiàn)操作動(dòng)作不夠協(xié)調(diào),需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

▲圖7 畫(huà)橢圓功能驗(yàn)證

9 結(jié)束語(yǔ)

筆者將Unigraphics軟件引入多功能變焦式圓規(guī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,運(yùn)用組合創(chuàng)新法和虛擬仿真設(shè)計(jì),通過(guò)參數(shù)化建模,裝配,運(yùn)用動(dòng)畫(huà)仿真進(jìn)行動(dòng)作軌跡驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,所設(shè)計(jì)的多功能變焦式圓規(guī)能實(shí)現(xiàn)畫(huà)圓、畫(huà)橢圓、畫(huà)直線、測(cè)量距離四大功能,操作者可以單手完成畫(huà)橢圓,使用方便,提高了繪圖效率。