基于3D打印輔助滾輪套件的設(shè)計(jì)與制造

摘 要：本文針對(duì)丁字尺在繪圖板上繪圖時(shí)易出現(xiàn)晃動(dòng)，導(dǎo)致繪圖精度差，使用不方便等問(wèn)題。采用SolidWorks3D建模軟件并結(jié)合3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制造了一種用于手工制圖的輔助滾輪套件。該套件針對(duì)傳統(tǒng)丁字尺繪圖時(shí)與圖板單邊面接觸不穩(wěn)定問(wèn)題，采用深溝球軸承等機(jī)械零件增加丁字尺與繪圖板貼合的穩(wěn)定性。并通過(guò)實(shí)際手工繪圖實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(qiáng)、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：3D打印 手工制圖 深溝球軸承 3D建模

機(jī)械制圖是理工科學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，是研究機(jī)械圖樣繪制和識(shí)圖規(guī)律的一門(mén)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(shí)，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(shí)的精確性。其主要原因在于丁字尺缺乏在板上的固定機(jī)構(gòu)，使得其在移動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)晃動(dòng)，從而導(dǎo)致繪圖者要將大量精力用于維持尺面平衡。同時(shí)，傳統(tǒng)精確繪圖板價(jià)格較高，學(xué)生群體難以承受。所以經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的提煉和推敲，筆者設(shè)計(jì)制造了一種抱尺卡邊滾輪套件來(lái)解決以上關(guān)于繪圖板與丁字尺如何固定的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文從兩方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：一是使用深溝球軸承等機(jī)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(xiàn)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(jì)

考慮到滾輪套件與丁字尺以及繪圖板結(jié)合時(shí)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(dòng)丁字尺在板面上作平行運(yùn)動(dòng)，以達(dá)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(shí)左、右滾輪套件3和4固定直尺1卡緊繪圖板2時(shí)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(gè)滾輪軸承，每個(gè)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(duì)位置。左、右滾輪套件的結(jié)構(gòu)鏡面對(duì)稱(chēng)，對(duì)稱(chēng)設(shè)置于繪圖板的左右兩側(cè)。

在使用該套件時(shí)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(shí)，直尺的上下運(yùn)動(dòng)受到兩邊套件的約束，使其能夠保持直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而方便繪圖者以此為基準(zhǔn)進(jìn)行繪圖。當(dāng)繪圖者需要直尺靜止時(shí)，旋轉(zhuǎn)卡板螺釘即可將組件卡死在繪圖板上進(jìn)行定位操作。

如圖2（a）所示，按照?qǐng)D（1）b進(jìn)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(kāi)上下兩顆鎖緊螺釘，然后將直尺或者丁字尺通過(guò)隔板2穿過(guò)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(duì)位置，沿著繪圖板邊緣滾動(dòng)軸承3，測(cè)試?yán)L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(dòng)的順滑程度可通過(guò)右邊鎖緊螺釘控制。整個(gè)套件體積小巧，操作簡(jiǎn)單，可單個(gè)使用也可成套組合使用。

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

2 3D打印零部件

為驗(yàn)證滾輪套件設(shè)計(jì)的合理性及加裝該套件后直尺與繪圖板進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性，本文采用solid works2016軟件對(duì)套件進(jìn)行3D建模，并使用Cura 15.01軟件進(jìn)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(shí)體強(qiáng)度，打印材料選擇碳纖維加強(qiáng)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(shí)噴頭距離打印平臺(tái)不能超過(guò)一張A4紙的厚度，滿(mǎn)足以上條件時(shí)打印件的精度能夠達(dá)到最佳水平。

如圖4所示，打印零件實(shí)體時(shí)，選擇打印機(jī)機(jī)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(shí)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(dòng)靈敏效率高，軸向結(jié)構(gòu)緊湊、潤(rùn)滑方便、易于互換等優(yōu)點(diǎn)。并將打印后的零件進(jìn)行表面打磨、去毛刺等處理后，與購(gòu)買(mǎi)的其他標(biāo)準(zhǔn)零件進(jìn)行裝配。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

隨機(jī)選擇60名機(jī)械類(lèi)專(zhuān)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(gè)批次對(duì)指定的同一張圖紙進(jìn)行臨摹，并統(tǒng)計(jì)其實(shí)際使用感受。每批次學(xué)生均使用同一繪圖板，且繪圖時(shí)長(zhǎng)保持一致。

由上表1可知，70%的學(xué)生認(rèn)為該套件實(shí)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(rèn)為還可以進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，主要是鎖緊螺釘會(huì)損壞直尺表面。此問(wèn)題可通過(guò)在鎖緊螺釘處加裝硅膠墊子進(jìn)行改進(jìn)。此外，輔助滾輪套件還可搭配其他套尺，即可完成多種類(lèi)型的線(xiàn)條繪制。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(jìn)一步降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)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(jī)械零件解決了傳統(tǒng)丁字尺繪圖時(shí)與圖板單邊面接觸不穩(wěn)定問(wèn)題。整個(gè)輔助滾輪套件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧、可單獨(dú)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(wèn)題。從實(shí)際使用效果可以看出，該套組具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易操作、可靠精準(zhǔn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，可有效提高手工繪圖的準(zhǔn)確性。

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