閆旭輝
(臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系,山西臨汾041000)
魯班鎖,是中國古代傳統(tǒng)的土木建筑固定結(jié)合器,它起源于中國古代建筑中的榫卯結(jié)構(gòu)。上海世博會(huì)山東館的地標(biāo)性建筑就是由LED模塊組成的六根魯班鎖,是現(xiàn)代科技與古代勞動(dòng)人民智慧的結(jié)晶。魯班鎖相傳由春秋戰(zhàn)國時(shí)的魯班發(fā)明。這種三維的拼插器具內(nèi)部的凹凸部分嚙合,十分巧妙。發(fā)展到現(xiàn)代其中一個(gè)分支的發(fā)展已經(jīng)成為一種益智類玩具。它作為流傳千年的古代智慧,不用釘子和繩子,完全靠自身結(jié)構(gòu)的連接支撐,展現(xiàn)了一種看似簡單,卻凝結(jié)著不平凡的智慧。民間亦稱八卦鎖、孔明鎖。鎖的種類各式各樣,其中以最常見的六根和九根的魯班鎖最為著名,原創(chuàng)為木質(zhì)結(jié)構(gòu),六根魯班鎖外觀看是嚴(yán)絲合縫的十字立方體[1]。
傳統(tǒng)六根魯班鎖原料為木質(zhì),毛坯料是六塊長、寬、高相等的長方體棒料,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)各有不同。
筆者在借鑒傳統(tǒng)木質(zhì)六根魯班鎖的基礎(chǔ)上(圖1a),繪制出了其各零件的工程圖樣,將毛坯料改為鋁質(zhì),并在普通銑床上按照設(shè)定好的尺寸加工出了鋁質(zhì)零件(圖1b),設(shè)計(jì)及模擬拼裝過程均是在三維軟件Solidworks中完成(以下文中所有圖形均是在該軟件中完成)。
傳統(tǒng)魯班鎖的零件形狀如圖2所示(共1-6號(hào)零件,裝配前將零件按圖示方位擺放)。
圖1 傳統(tǒng)魯班鎖
圖2 傳統(tǒng)魯班鎖的零件
傳統(tǒng)魯班鎖的裝配如圖3所示:第一步,1號(hào)件作為固定件(方向與圖1中相同),2號(hào)件垂直背靠擺放在1號(hào)件上(方向與圖1中比逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90度);第二步,3號(hào)件(向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度)同時(shí)垂直于1號(hào)件、2號(hào)件,并將其槽口卡住1號(hào)件、2號(hào)件貼合部分;第三步,4號(hào)件(左旋90度)平行于1號(hào)件,垂直于2號(hào)件、3號(hào)件,槽口卡住3號(hào)件水平推進(jìn)與1號(hào)件上下均貼合;第四步,5號(hào)件(先向左旋轉(zhuǎn)90度,再向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度)平行于3號(hào)件,其大槽口卡住1、4號(hào)件向下推至與3號(hào)件貼合;第五步,直接將6號(hào)件插入空下的孔內(nèi)。
圖3 傳統(tǒng)魯班鎖的裝配
加工出各零件并在實(shí)際拼裝的過程中,通過觀察與設(shè)想,可將魯班鎖設(shè)計(jì)為球型,這樣作為益智類玩具,不但豐富了其外觀,而且拼裝完成后可以滾動(dòng),增加了作為玩具的趣味性。這個(gè)改動(dòng)表面看只是外觀的變化,但實(shí)質(zhì)上還牽涉到零件內(nèi)部的凹凸結(jié)構(gòu)的改變。
設(shè)計(jì)球型魯班鎖,主導(dǎo)思想就是將零件的背部均改為半圓型。設(shè)計(jì)過程中,首先試用了不改變傳統(tǒng)魯班鎖內(nèi)部凹凸結(jié)構(gòu),結(jié)果是1-5號(hào)件都可以按照原來的方法成功裝配,但是6號(hào)件不能插入,要么就是采用6號(hào)件原來的長方體形狀進(jìn)行裝配,雖然能夠完成,但由于6號(hào)件的原因不能保證整體球狀,所以在6號(hào)件的反向驅(qū)動(dòng)下,其他件的凹凸結(jié)構(gòu)必須調(diào)整,使之能夠?qū)崿F(xiàn)6號(hào)件由原來的直接插入空的孔內(nèi),改為半圓型后移入扣緊的方法。要用移入后扣緊,必定有零件凹凸部分改變尺寸,使之在裝配完成前是活動(dòng)的,這也是拆開和扣緊的關(guān)鍵。
調(diào)整設(shè)計(jì)思想后,重新進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。經(jīng)過多次反復(fù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)、修改數(shù)據(jù),確定以下方案,1號(hào)件、2號(hào)件是基礎(chǔ),2號(hào)件是核心件,調(diào)整2號(hào)件的尺寸,并將其作為裝配時(shí)的固定件,1號(hào)件、3號(hào)件、4號(hào)件形狀變化不大,基本保持了原來的設(shè)計(jì)尺寸。整個(gè)過程邊設(shè)計(jì)邊裝配,裝配中出現(xiàn)問題就反過來調(diào)整零件的尺寸。零件號(hào)數(shù)與傳統(tǒng)魯班鎖對(duì)應(yīng),不同的是傳統(tǒng)魯班鎖裝配時(shí)1號(hào)件是固定件,球型魯班鎖2號(hào)件是固定件。6個(gè)零件中,5號(hào)件和6號(hào)件做了較大的調(diào)整,調(diào)整思路主要來自于裝配時(shí)的多減與差補(bǔ)。調(diào)整后的零件形狀如圖4所示。
圖4 球型魯班鎖的零件
球型魯班鎖裝配時(shí)的各零件的方位及裝配順序如圖5及圖6所示:第一步,2號(hào)件作為固定件,1號(hào)件垂直掛靠于2號(hào)件下槽內(nèi)(可以在槽內(nèi)上下滑動(dòng))如圖5(1);第二步,3號(hào)件垂直掛靠于2號(hào)件上槽內(nèi)(可以槽內(nèi)上下滑動(dòng))如圖5(2)所示,1號(hào)件、3號(hào)件若都滑到中心位置,可看到中心旁有兩個(gè)孔,其中水平孔是5號(hào)件的裝入位置,豎直孔是6號(hào)件裝入位置,如圖5(3)所示;第三步:4號(hào)件與1號(hào)件、3號(hào)件組成的面垂直,與2號(hào)件共面,共同完成配合固定,如下圖6(1)所示;第四步:3號(hào)件上滑,1號(hào)件下滑,將5號(hào)件槽水平置于中心旁左側(cè)孔內(nèi),如下圖6(2)所示;第五步:1、3號(hào)件保持第四步時(shí)的位置,6號(hào)件置于中心旁右側(cè)孔內(nèi),如下圖6(3)所示。第六步:3號(hào)件下滑,1號(hào)件上滑,插入對(duì)應(yīng)槽內(nèi)扣緊。
圖5 球型魯班鎖的裝配
圖6 球型魯班鎖的裝配
在Solidworks中模擬完成了全部零件的裝配。并進(jìn)行干涉檢查,如圖7所示,Solidworks經(jīng)后臺(tái)運(yùn)算后反映出該零件的裝配無干涉,證明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)符合功能及外觀要求。
本文利用Solidworks軟件平臺(tái)完成了對(duì)零件的外形以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模、裝配,并解決了設(shè)計(jì)過程中裝配時(shí)的若干沖突問題。隨著工業(yè)技術(shù)水平的提升以及廣大人民生活水準(zhǔn)的提高,任何通用性產(chǎn)品在消費(fèi)者對(duì)于高品質(zhì)的要求下,功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。產(chǎn)品不單單是在功能上要滿足要求,近年來在三維CAD軟件的帶動(dòng)下,工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已日益受到重視,工業(yè)設(shè)計(jì)多著重于產(chǎn)品的外觀造型,本文在外觀要求驅(qū)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面做了一定的探索,達(dá)到了預(yù)期的目的??梢愿鶕?jù)最終確定的各個(gè)零件的尺寸數(shù)據(jù),進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)及加工制造,最后進(jìn)行零件的批量生產(chǎn)。
圖7 球型魯班鎖裝配后干涉檢查
[1]薛坤.傳統(tǒng)魯班鎖的設(shè)計(jì)元素與現(xiàn)代家具產(chǎn)品開發(fā)[J].家具,2010,(4):66-69.
[2]劉勁威.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析[J].科技與企業(yè),2013,(2):98-100.