基于3D打印輔助滾輪套件的設計與制造

摘 要：本文針對丁字尺在繪圖板上繪圖時易出現晃動，導致繪圖精度差，使用不方便等問題。采用SolidWorks3D建模軟件并結合3D打印技術設計制造了一種用于手工制圖的輔助滾輪套件。該套件針對傳統丁字尺繪圖時與圖板單邊面接觸不穩定問題，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、成本低的優點。

關鍵詞：3D打印 手工制圖 深溝球軸承 3D建模

機械制圖是理工科學生必修的專業基礎課程，是研究機械圖樣繪制和識圖規律的一門學科，旨在培養學生的空間思維能力和繪圖技能[1-3]。學生在學習手工制圖時，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，使得其在移動時易出現晃動，從而導致繪圖者要將大量精力用于維持尺面平衡。同時，傳統精確繪圖板價格較高，學生群體難以承受。所以經過反復對實踐經驗的提煉和推敲，筆者設計制造了一種抱尺卡邊滾輪套件來解決以上關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成本[4-5]。

1 滾輪套件結構設計

考慮到滾輪套件與丁字尺以及繪圖板結合時的穩定性，即保證滾輪套件在裝夾到位后，能夠靈活穩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。

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橫向設置有容納直尺的U形槽。直尺蓋的上部設置有壓尺裝置，直尺蓋的下側設置有頂尺裝置。滾輪蓋靠近隔板一側設置有空腔，空腔縱向設置有兩個滾輪軸承，每個滾輪軸承伸出所述滾輪蓋的左側以接觸繪圖板。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、右滾輪套件的結構鏡面對稱，對稱設置于繪圖板的左右兩側。

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緊固螺釘將直尺固定在U形槽中，調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調性與穩定性，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、打印路徑規劃、模型打印速度及填充率的設置。

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，軸向結構緊湊、潤滑方便、易于互換等優點。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名機械類專業學生，發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，并統計其實際使用感受。每批次學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%的學生認為該套件實用，在使用穩定性、靈活性、精確性等方面的表現均高于傳統丁字尺；20%的學生認為還可以進行相關改進，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。

經統計，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 結語

本文利用3D打印技術設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丁字尺繪圖時與圖板單邊面接觸不穩定問題。整個輔助滾輪套件結構設計精巧、可單獨使用也可成套組合使用，很好地解決了傳統手工繪圖尺子不穩定等問題。從實際使用效果可以看出，該套組具有設計簡單、易操作、可靠精準、價格低廉等優點，可有效提高手工繪圖的準確性。

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