多功能變焦式圓規的設計*

連碧華 孫 超 蔡明譽 姚常淦

1.南京機電職業技術學院 機械工程系 南京 211135 2.南京弘宇不銹鋼制品有限公司 南京 210011

1 設計背景

創新驅動著人類進步和社會發展,創新從技術角度理解是一種技術的突破,從工程應用角度理解是發現問題、解決問題的方法,兩者都要求設計者在設計過程中充分發揮創造力,利用各種最新的科技成果和設計理論設計出具有獨創性與實用性的產品[1]。教學圓規是機械制圖及相關類型課程教學必須使用的儀器,傳統的教學圓規存在三方面問題。一是功能單一,只能夠實現畫圓。二是體積大,笨重,不便于攜帶。三是針腳容易掉落摔壞。針對上述問題,筆者打破常規思維模式,采用組合創新原理設計了一種集畫圓、畫橢圓、測量等功能于一體的多功能變焦式圓規。設計中通過Unigraphics軟件的計算機輔助設計模塊進行參數化建模,構建產品模型。Unigraphics軟件是一款集計算機輔助設計、計算機輔助工程、計算機輔助制造于一體的機械零部件設計常用軟件,采用參數化、特征建模技術為復雜實體數字化模型的構建和裝配提供保證,動力學仿真模塊提供的動力學性能分析功能,能優化產品的結構和功能,幫助設計者獲得滿足功能要求的產品。Unigraphics軟件利用編程與仿真加工功能,可以建立數控加工刀路,后處理為數控代碼后實現復雜零件的加工。基于Unigraphics軟件,在多功能變焦式圓規的設計過程中采用計算機輔助設計模塊,實現整套產品零部件三維模型的構建及裝配,通過參數化設計提高設計的柔性,利用運動分析模塊對參數化模型進行運動軌跡動畫仿真[2-5],跟蹤圓規的運動軌跡,以檢查零件之間的干涉情況,驗證結構設計的合理性和可靠性。最后通過實物演示驗證了多功能變焦式圓規的設計效果。

2 設計思路

多功能變焦式圓規利用組合創新法設計,設計時采用缺點列舉法分析傳統教學圓規的核心缺點。核心缺點中,功能缺點為只能畫圓,不能畫橢圓;形式缺點為笨重,不易攜帶;隱形缺點為針腳容易摔壞且易傷人。針對上述問題,采用功能組合方法將圓規設計為既能畫圓,又能畫橢圓,在結構上實現畫圓和畫橢圓的輕松轉換。應用聯想類比法,仿照橢圓軌跡原理來設計圓規的結構形態,使所設計的圓規在外形上由大變小,在操作上由困難變為容易,達到結構小巧、操作簡單的目的。應用和田十二法中的“改一改”“縮一縮”方法,將針腳設計為在使用時伸出,不使用時縮回的可伸縮式,以避免針腳折斷、傷人的情況發生。

3 功能特點

多功能變焦式圓規集畫圓、畫橢圓、畫直線、測量距離四大功能于一體,四大功能中,畫圓與畫橢圓是主要功能。

根據橢圓定義,平面內與兩焦點f1、f2距離的和等于常數2a的動點P的軌跡為橢圓,a為長半軸長。為實現繪制不同長短軸的橢圓,將生活中用于測量的軟卷尺應用于多功能變焦式圓規中。軟卷尺長度要求為2a+2c,c為橢圓焦距。調整軟卷尺的長度,即可實現長軸、短軸及焦距確定的橢圓軌跡。橢圓焦距的調整采用變焦機構。為了提高畫橢圓過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尺身固定于黑板上,輕松操作可伸縮粉筆套,即可實現單手畫橢圓。

為了達到方便使用和美觀的目的,將畫圓所需的針腳、副尺隱藏于多功能變焦式圓規尺身中,使多功能變焦式圓規結構體積縮小,使用靈活,同時易于攜帶。

將多功能變焦式圓規的尺身設計為兩棱邊均帶刻度,可以方便測量距離,精確繪制直線。

多功能變焦式圓規結構簡單,操作良好,省時省力,滿足使用者個性化的心理體驗需求[6-7]。

4 結構設計

多功能變焦式圓規由尺身、變焦機構、軟卷尺畫筆機構、可折疊圓規機構、磁性吸附裝置組成。尺身帶有中間通槽、兩直角邊側面槽,上表面兩處長棱邊帶有精確刻度。 變焦機構由位于尺身中間通槽中的兩組橢圓焦距調節裝置組成,每組橢圓焦距調節裝置由方形磁扣、圓孔磁扣、轉軸、防滑落墊片構成。調整兩組橢圓焦距調節裝置之間的距離,可以實現橢圓焦距的調節。軟卷尺畫筆機構由軟卷尺長度調節器、塑料軸承、粉筆套組成。軟卷尺長度調節器內設置有軟卷尺、卡位機構,卡位機構用于鎖定軟卷尺的長度。調節器上安裝有一鍵回縮按鈕,用于回收軟卷尺。為減小作圖時軟卷尺與粉筆套之間的摩擦,采用了塑料軸承,實現靈活轉動。可折疊圓規機構由針腳和副尺組成,針腳和副尺均設計為可折疊形式,不使用時可隱藏于尺身的側面槽中。副尺端面設計有粉筆套,畫圓時將針腳和副尺展開即可。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吸附在黑板上,起到固定的作用,避免傳統教學圓規使用時需雙手操作的缺點,實現單手繪圖。

5 參數化建模

為了使所設計的多功能變焦式圓規能滿足功能動作要求,且易于修改與優化模型,引入Unigraphics軟件參數化建模功能,通過計算機輔助設計模塊對多功能變焦式圓規的主要部件進行建模。尺身在建模過程中涉及拉伸、挖槽、陣列、打孔等命令,先通過特征建模功能構建尺身主體,然后采用挖槽及布爾求差運算構建尺身側面槽、底面槽,通過陣列、鏡像方法創建尺身刻度,最后采用打孔命令完成尺身模型構建[8-9]。尺身結構如圖1所示。橢圓焦距調節裝置的結構較為簡單,通過實體特征即可完成模型構建。橢圓焦距調節裝置如圖2所示。針腳、副尺是實現多功能變焦式圓規畫圓的關鍵零件。針腳主要通過拉伸、旋轉、倒圓角、打孔等命令創建,結構如圖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建,結構如圖4所示。

▲圖1 尺身結構▲圖2 橢圓焦距調節裝置▲圖3 針腳結構

▲圖4 粉筆套結構

6 模型裝配

應用Unigraphics軟件裝配模塊對多功能變焦式圓規各零部件進行裝配,如圖5所示。針腳和副尺通過螺釘、螺母固定于尺身上,兩者均可繞固定點旋轉,也可隱藏于尺身的左側面槽和前側面槽中。尺身正中間設計有允許轉軸移動的通槽,底面開設方腔槽。轉軸穿過通槽,與位于底面方腔槽中的方形磁扣通過螺釘連接,方形磁扣可在方腔槽中滑動。圓孔磁扣通過圓孔與轉軸配合,位于尺身上表面槽中。方形磁扣與圓孔磁扣均為強力磁鐵,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構,固定于轉軸的頂部。軟卷尺畫筆機構安裝時,將軟卷尺置于軟卷尺長度調節器中,并安裝上卡位機構和一鍵回縮按鈕,一鍵回縮按鈕凸顯于調節器表面。塑料軸承內安裝粉筆套,將組裝好的軟卷尺長度調節器與塑料軸承相固定,構成軟卷尺畫筆機構。將軟卷尺繞在橢圓焦距調節裝置的轉軸上,調節軟卷尺的長度,借助畫筆與軟卷尺之間的張力,移動軟卷尺畫筆機構,即可畫出滿足要求的橢圓。

▲圖5 多功能變焦式圓規的裝配

7 動畫仿真

多功能變焦式圓規的功能是畫圓、畫橢圓、畫直線和測量距離,采用Unigraphics軟件的動畫仿真功能可以對多功能變焦式圓規的功能進行驗證[10-11]。畫圓和畫直線的原理較為簡單,于是主要應用動畫仿真功能來驗證畫橢圓過程有無干涉和掉線現象。畫橢圓仿真如圖6所示。將針腳和副尺隱藏在尺身側面腔槽中,調整兩個方形磁扣之間的距離和軟卷尺繞線長度,來確定橢圓的焦距及長軸長度,進而確定短軸長度。將尺身及兩個調節好焦距的橢圓焦距調節裝置定義為固定連桿和固定運動副,將軟卷尺畫筆機構定義為運動連桿和旋轉副,設置旋轉副為驅動機構,并設置時間、步數等解算參數后,解算得到多功能變焦式圓規的橢圓運動方案,通過動畫仿真驗證畫橢圓過程中無干涉和掉線情況,滿足設計要求。

▲圖6 畫橢圓仿真

8 實例驗證

為驗證多功能變焦式圓規的性能,進行了畫橢圓功能驗證,如圖7所示。通過實際單手操作畫橢圓,確認過程順暢,未出現筆、尺及其它部件之間的干涉現象,也沒有出現軟卷尺掉線的情況。實踐證明,所設計的多功能變焦式圓規結構合理、有效。在畫不同半徑圓時發現操作動作不夠協調,需要進行結構優化。

▲圖7 畫橢圓功能驗證

9 結束語

筆者將Unigraphics軟件引入多功能變焦式圓規的設計過程中,運用組合創新法和虛擬仿真設計,通過參數化建模,裝配,運用動畫仿真進行動作軌跡驗證。經實踐驗證,所設計的多功能變焦式圓規能實現畫圓、畫橢圓、畫直線、測量距離四大功能,操作者可以單手完成畫橢圓,使用方便,提高了繪圖效率。