摘 要：本文針對丁字尺在繪圖板上繪圖時易出現(xiàn)晃動，導(dǎo)致繪圖精度差，使用不方便等問題。采用SolidWorks3D建模軟件并結(jié)合3D打印技術(shù)設(shè)計制造了一種用于手工制圖的輔助滾輪套件。該套件針對傳統(tǒng)丁字尺繪圖時與圖板單邊面接觸不穩(wěn)定問題，采用深溝球軸承等機械零件增加丁字尺與繪圖板貼合的穩(wěn)定性。并通過實際手工繪圖實驗，驗證了該手工繪圖輔助滾輪套件的可行性，其具有可操作性強、效率高、成本低的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：3D打印 手工制圖 深溝球軸承 3D建模

機械制圖是理工科學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是研究機械圖樣繪制和識圖規(guī)律的一門學(xué)科，旨在培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和繪圖技能[1-3]。學(xué)生在學(xué)習(xí)手工制圖時，丁字尺是最常用的幾種作圖工具之一。但其與圖板之間采用的單邊面接觸方式穩(wěn)定性較低，難以保證繪圖時的精確性。其主要原因在于丁字尺缺乏在板上的固定機構(gòu)，使得其在移動時易出現(xiàn)晃動，從而導(dǎo)致繪圖者要將大量精力用于維持尺面平衡。同時，傳統(tǒng)精確繪圖板價格較高，學(xué)生群體難以承受。所以經(jīng)過反復(fù)對實踐經(jīng)驗的提煉和推敲，筆者設(shè)計制造了一種抱尺卡邊滾輪套件來解決以上關(guān)于繪圖板與丁字尺如何固定的問題。

針對上述問題，本文從兩方面進行改進設(shè)計：一是使用深溝球軸承等機械零件增加丁字尺與繪圖板的接觸面；二是使用3D打印等制造方式降低其制造成本。滾輪輔助套件提高了丁字尺與繪圖板之間的貼合度，既可以顯著提高繪制線條的精確性與工作效率又可以控制生產(chǎn)成本[4-5]。

1 滾輪套件結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到滾輪套件與丁字尺以及繪圖板結(jié)合時的穩(wěn)定性，即保證滾輪套件在裝夾到位后，能夠靈活穩(wěn)定地帶動丁字尺在板面上作平行運動，以達到提高手工繪圖精度與效率的目的。

如圖1（a）所示，手工繪圖時左、右滾輪套件3和4固定直尺1卡緊繪圖板2時的狀態(tài)。

如圖1（b）所示，隔板的上部固定連接有直尺蓋，其下部固定連接有滾輪蓋。直尺蓋在靠近隔板一側(cè)橫向設(shè)置有容納直尺的U形槽。直尺蓋的上部設(shè)置有壓尺裝置，直尺蓋的下側(cè)設(shè)置有頂尺裝置。滾輪蓋靠近隔板一側(cè)設(shè)置有空腔，空腔縱向設(shè)置有兩個滾輪軸承，每個滾輪軸承伸出所述滾輪蓋的左側(cè)以接觸繪圖板。套組還包含卡板裝置，用于固定丁字尺與繪圖板之間的相對位置。左、右滾輪套件的結(jié)構(gòu)鏡面對稱，對稱設(shè)置于繪圖板的左右兩側(cè)。

在使用該套件時將直尺插入兩套組件的貫通U形槽中，使用尺面緊固螺釘和尺側(cè)緊固螺釘將直尺固定在U形槽中，調(diào)整兩套組件之間的距離，使其下部的軸承滾輪剛好能與繪圖板的邊緣形成卡抱。在繪圖時，直尺的上下運動受到兩邊套件的約束，使其能夠保持直線運動，從而方便繪圖者以此為基準進行繪圖。當繪圖者需要直尺靜止時，旋轉(zhuǎn)卡板螺釘即可將組件卡死在繪圖板上進行定位操作。

如圖2（a）所示，按照圖（1）b進行組合裝配，裝配體主要由直尺蓋、隔板、滾輪軸承及滾輪蓋四部分構(gòu)成。使用者使用之前需要松開上下兩顆鎖緊螺釘，然后將直尺或者丁字尺通過隔板2穿過套件，然后鎖緊上方緊固螺釘，然后將套件和繪圖板固定好相對位置，沿著繪圖板邊緣滾動軸承3，測試繪圖板和套件之間的松緊程度，調(diào)整好之后鎖定右邊鎖緊螺釘，繪圖板與套件之間滾動的順滑程度可通過右邊鎖緊螺釘控制。整個套件體積小巧，操作簡單，可單個使用也可成套組合使用。

圖2（b）所示為套件四個軸承的裝配示意圖，通過四個軸承的相互左右，使得整個輔助滾輪套件可以自由轉(zhuǎn)動，保證整個套件正反裝配下均可正常使用。

2 3D打印零部件

為驗證滾輪套件設(shè)計的合理性及加裝該套件后直尺與繪圖板進行相對運動時的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性，本文采用solid works2016軟件對套件進行3D建模，并使用Cura 15.01軟件進行模型切片分層、打印路徑規(guī)劃、模型打印速度及填充率的設(shè)置。

為保證打印出的零件實體強度，打印材料選擇碳纖維加強型PLA材料[6-8]。如圖3所示，打印速度控制在80mm/s，打印密度控制在50%，調(diào)平時噴頭距離打印平臺不能超過一張A4紙的厚度，滿足以上條件時打印件的精度能夠達到最佳水平。

如圖4所示，打印零件實體時，選擇打印機機艙在xyz三軸上所容許打印尺寸分別為300mm、200mm、250mm，以保證能夠一次性打印出所有零件實體。

如圖5所示，該套件選用哈爾濱軸承廠生產(chǎn)的6200型深溝球軸承。該軸承具有摩擦阻力小，啟動靈敏效率高，軸向結(jié)構(gòu)緊湊、潤滑方便、易于互換等優(yōu)點。并將打印后的零件進行表面打磨、去毛刺等處理后，與購買的其他標準零件進行裝配。

3 實驗驗證

隨機選擇60名機械類專業(yè)學(xué)生，發(fā)放一致的繪圖工具與輔助滾輪套件，分三個批次對指定的同一張圖紙進行臨摹，并統(tǒng)計其實際使用感受。每批次學(xué)生均使用同一繪圖板，且繪圖時長保持一致。

由上表1可知，70%的學(xué)生認為該套件實用，在使用穩(wěn)定性、靈活性、精確性等方面的表現(xiàn)均高于傳統(tǒng)丁字尺；20%的學(xué)生認為還可以進行相關(guān)改進，主要是鎖緊螺釘會損壞直尺表面。此問題可通過在鎖緊螺釘處加裝硅膠墊子進行改進。此外，輔助滾輪套件還可搭配其他套尺，即可完成多種類型的線條繪制。

經(jīng)統(tǒng)計，單套輔助滾輪套件的制造成本約為15元，若將其3D打印制造工藝替換為注塑成型制造工藝，其制造成本還能進一步降低。

4 結(jié)語

本文利用3D打印技術(shù)設(shè)計并制造了一種用于手工制圖的輔助滾輪套件。該套件采用深溝球軸承等機械零件解決了傳統(tǒng)丁字尺繪圖時與圖板單邊面接觸不穩(wěn)定問題。整個輔助滾輪套件結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧、可單獨使用也可成套組合使用，很好地解決了傳統(tǒng)手工繪圖尺子不穩(wěn)定等問題。從實際使用效果可以看出，該套組具有設(shè)計簡單、易操作、可靠精準、價格低廉等優(yōu)點，可有效提高手工繪圖的準確性。

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