一種發(fā)牌機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)與裝配方法

李加旭， 花慶寶， 蔣廷彪， 張秉梁

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

1 引 言

撲克牌是大眾喜歡的娛樂項(xiàng)目，它不僅可以消遣娛樂，而且玩法多種多樣，但是每玩完一次均要手動洗牌發(fā)牌，這樣浪費(fèi)時(shí)間又麻煩，而且人工洗牌容易作弊。因此，利用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉的自動洗牌發(fā)牌機(jī)對大眾娛樂是必要的。

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)建立在計(jì)算機(jī)完成整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程的基礎(chǔ)之上。工程師在計(jì)算機(jī)上建立產(chǎn)品模型，對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，然后改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。這樣常常只需制作一次最終的實(shí)物原型，使產(chǎn)品開發(fā)一次成功。用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程，并在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和裝配等過程，這樣不僅省去制造樣機(jī)后進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)、修改等環(huán)節(jié)，同時(shí)也能縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本。因此，研究自動洗牌發(fā)牌機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用意義。

本文利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 的參數(shù)化和曲面建模技術(shù)對自動洗牌發(fā)牌機(jī)發(fā)牌機(jī)構(gòu)重要零件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)并研究了設(shè)計(jì)方法；通過運(yùn)用SolidWorks 的裝配功能以及自下而上的設(shè)計(jì)思路，完成自動洗牌發(fā)牌機(jī)發(fā)牌機(jī)構(gòu)的虛擬裝配，并得出虛擬環(huán)境中的裝配體模型，與實(shí)際加工出來的模型進(jìn)行對比。

2 自動洗牌發(fā)牌機(jī)的工作原理

自動洗牌發(fā)牌機(jī)是一種集機(jī)電為一體的大眾娛樂設(shè)備，它能夠適應(yīng)各種玩法，而且對撲克牌沒有特殊要求，具有可自動洗牌、發(fā)牌等功能。一般發(fā)牌機(jī)僅能支持3～5 人玩兩副牌，此款自動洗牌發(fā)牌機(jī)增加了兩個(gè)能容納10 副撲克牌的儲牌倉，同時(shí)能供6 人娛樂，大大增加了娛樂性。自動洗牌發(fā)牌機(jī)的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由儲牌機(jī)構(gòu)、洗牌機(jī)構(gòu)、發(fā)牌機(jī)構(gòu)、出牌機(jī)構(gòu)等組成，兩個(gè)儲牌倉構(gòu)成儲牌機(jī)構(gòu)；儲牌倉下面的電機(jī)a、b 和摩擦輪a、b 構(gòu)成洗牌機(jī)構(gòu)；如圖2 所示，支板、齒輪、齒條、推牌板、兩根傳動軸、摩擦輪c、左右導(dǎo)軌、摩擦組件（外購，如圖6 所示）等零件構(gòu)成發(fā)牌機(jī)構(gòu)；取牌機(jī)構(gòu)則是由轉(zhuǎn)盤和出牌倉組成；在儲牌倉和發(fā)牌機(jī)構(gòu)的下面則是支撐環(huán)，支撐環(huán)內(nèi)裝有電機(jī)和滾輪，這樣電機(jī)和滾輪組合就可以帶動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動。

圖1 自動洗牌發(fā)牌機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

圖2 自動洗牌發(fā)牌機(jī)發(fā)牌機(jī)構(gòu)裝配圖

其工作原理如圖2 所示：首先，玩家手動將撲克牌從桌面分別放入兩個(gè)儲牌倉內(nèi)；電機(jī)a、b 帶動摩擦輪a、b轉(zhuǎn)動，撲克牌在摩擦輪摩擦力作用下掉進(jìn)空腔（左右支板、推牌板和擋牌板之間的空間）內(nèi)；電機(jī)c 通過驅(qū)動一對嚙合的大小齒輪，因兩大齒輪安裝在同一個(gè)軸a 上，只要電機(jī)c 轉(zhuǎn)動兩個(gè)大齒輪也能同時(shí)轉(zhuǎn)動，而且大齒輪與兩齒條嚙合，這樣兩大齒輪就能帶動兩齒條做直線運(yùn)動；齒條上面的掛鉤通過兩根銷與推牌板連結(jié)在一起，這樣推牌板也能做直線運(yùn)動；已經(jīng)發(fā)到空腔內(nèi)的撲克牌在推牌板的作用下被緊緊貼在軸b 上的摩擦輪c，電機(jī)d 帶動軸b 上的摩擦輪b 轉(zhuǎn)動，撲克牌向前推進(jìn)；撲克牌在摩擦組件的作用下順利地發(fā)到設(shè)定的出牌倉內(nèi)，轉(zhuǎn)盤在電機(jī)的帶動下做圓周運(yùn)動，這樣就可以將撲克牌發(fā)到每個(gè)出牌倉內(nèi)。設(shè)計(jì)中摩擦輪的轉(zhuǎn)動都是直接將電機(jī)固結(jié)在固定有摩擦輪的軸上，這樣能有效地控制摩擦輪轉(zhuǎn)動的角度。

3 發(fā)牌機(jī)構(gòu)的虛擬設(shè)計(jì)

零件的建模采用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks。該軟件是一種基于三維參數(shù)化驅(qū)動建模技術(shù)的設(shè)計(jì)軟件，它以特征作為設(shè)計(jì)單元，特征造型不僅具有建立零件模型的能力，而且它還具有建立和編輯復(fù)雜實(shí)體模型的能力［3］。發(fā)牌機(jī)是一種包含多種機(jī)構(gòu)的裝置，各個(gè)機(jī)構(gòu)由多個(gè)零件組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)牌機(jī)構(gòu)作為其中的一個(gè)重要組成部分，其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度決定了整體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。而發(fā)牌部分的主要零部件左右支板、傳動齒輪齒條、運(yùn)動導(dǎo)軌副、摩擦輪c 等的結(jié)構(gòu)尤為復(fù)雜，通過分析其結(jié)構(gòu)原理，得到最優(yōu)的三維實(shí)體模型。

3.1 左右支板的設(shè)計(jì)

兩支板在整個(gè)發(fā)牌機(jī)構(gòu)中起到支撐作用，如圖3 所示，支板上主要有軸孔、電機(jī)孔、螺柱、長方孔、槽塊、折形凸出塊等結(jié)構(gòu)，支板的長度為265mm，高為110mm，厚度為3mm。兩個(gè)直徑為8mm的軸孔分別與軸a、軸b 配合，；電機(jī)孔用于定位電機(jī)，然后利用螺栓將電機(jī)固定在電機(jī)安裝孔上；滑動槽主要與底板、擋牌板配合，槽寬為4mm；槽塊能使齒條沿著出牌方向移動，槽寬為4mm 大于齒條上銷柱的直徑（3mm），這樣可以使齒條在滑動的過程中摩擦力盡可能??；折形凸出塊是為了安裝摩擦組件，其厚度為3mm，而且在塊上還有兩個(gè)寬度為3mm 的長方孔，便于調(diào)節(jié)摩擦組件的安裝位置。

圖3 支板結(jié)構(gòu)圖

3.2 傳動齒輪齒條的設(shè)計(jì)

齒輪齒條的設(shè)計(jì)一般情況下比較復(fù)雜，而且加工較困難，因此盡量選擇市面上已有的齒輪齒條，這樣可以減輕設(shè)計(jì)難度。本設(shè)計(jì)根據(jù)要求選擇了模數(shù)m=1mm、齒數(shù)z=17 和模數(shù)m=1mm、齒數(shù)z=30 的齒輪與模數(shù)m=1mm、寬度b=12mm、長度a=100mm 的齒條。然后在齒條上定位三個(gè)直徑為3mm 的銷柱和與推牌板連結(jié)的掛鉤結(jié)構(gòu)。如圖4 所示為齒條結(jié)構(gòu)模型。

圖4 齒條結(jié)構(gòu)

3.3 運(yùn)動導(dǎo)軌副的設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌是由兩面開槽的矩形塊和4 個(gè)固定耳組成，導(dǎo)軌的長度為106mm，寬度為6mm，高度為8mm。矩形塊上有兩個(gè)寬度為3.5mm、深度分別為5mm 和1mm 的開槽，齒條上銷柱是嵌入到開槽內(nèi)。固定耳是利用螺釘固定在兩支板上的，其長度為12.5mm，寬度為5mm，厚度為3mm，其中孔的直徑為3mm，這樣可以保證齒條銷柱能在深槽內(nèi)來回滑動，而且還能起到穩(wěn)固齒條的作用。如圖5 所示為導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)零件圖。

圖5 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)零件圖

3.4 摩擦輪的設(shè)計(jì)

摩擦輪的設(shè)計(jì)原則是小齒輪轉(zhuǎn)動一圈發(fā)出一張牌。考慮到摩擦輪作間歇運(yùn)動，每次運(yùn)動的轉(zhuǎn)角約為229°，紙牌尺寸為87mm×56mm，根據(jù)軸b 軸線到底板之間的距離為18.5mm，故取摩擦輪寬度為40mm、直徑為36mm 即可［1］。

以上零件的設(shè)計(jì)是發(fā)牌機(jī)構(gòu)相對重要的結(jié)構(gòu)，通過將各零件之間的相互配合就可以得到發(fā)牌機(jī)構(gòu)的總裝配模型，如圖2 所示。

4 發(fā)牌機(jī)構(gòu)的虛擬裝配及檢驗(yàn)

在虛擬裝配過程中一般采用自上而下或自下而上兩種方法進(jìn)行裝配體設(shè)計(jì)［2］。自上而下是指在虛擬環(huán)境中先設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的總裝模型，然后在做好裝配布局圖的情況下，在總裝模型中設(shè)計(jì)部件模型，在部件模型中設(shè)計(jì)下級零部件，最后保證整個(gè)裝配體能順利完成。這種方法要求設(shè)計(jì)師必須有設(shè)計(jì)子部件的能力［5］，不僅要充分了解子部件的尺寸參數(shù)，而且必須保證幾何形狀和零部件之間要完全相關(guān)以及整個(gè)裝配布局合理。自下而上則是指先設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的零件模型，再將若干個(gè)已經(jīng)完成的零件組裝在一起，它可以使零部件之間可以靈活地配對和定位，并保持一定的關(guān)聯(lián)性，通過對裝配在一起的零件間添加一定的約束關(guān)系，從而達(dá)到機(jī)械配合的效果，最后在保證尺寸相關(guān)、布局合理的情況下完成產(chǎn)品的總裝配模型。當(dāng)裝配體中含有較多復(fù)雜零部件或者裝配體零部件之間配合關(guān)系較為簡單時(shí)，優(yōu)先考慮自下而上的設(shè)計(jì)方法，反之則選擇自上而下的設(shè)計(jì)方法。

本文采用自下而上的設(shè)計(jì)方法建立自動洗牌發(fā)牌機(jī)發(fā)牌機(jī)構(gòu)的裝配模型。裝配時(shí)，首先在SolidWorks 上利用拉伸、陣列、切除等基本功能建立自動洗牌發(fā)牌機(jī)發(fā)牌機(jī)構(gòu)各個(gè)零件圖；然后在裝配時(shí)先確定左支板作為固定件，將軸a、已經(jīng)裝好摩擦輪的軸b，底板和擋牌板按重合、平行等配合關(guān)系裝入左支板上的圓孔和長方孔內(nèi)，接著將右支板按重合、平行、同軸等配合關(guān)系與軸a、軸b、擋牌板、底板進(jìn)行配合，此過程必須先于其他裝配過程。將關(guān)鍵部位先裝配能使整個(gè)裝配定位精確。然后將兩大齒輪裝配到軸a 上，并將齒條裝配到兩支板的槽內(nèi)，再用螺釘將導(dǎo)軌固定到支板的螺柱上；再將電機(jī)c 和小齒輪裝到支板上；最好完成推牌板和摩擦部件的安裝，摩擦部件的安裝只需用螺栓固定，并調(diào)整其安裝位置，這樣整個(gè)發(fā)牌部件就完成了基本裝配。整個(gè)裝配是從整體出發(fā)，先完成結(jié)構(gòu)零件的定位和裝配，再從局部入手逐步完成其他零件的裝配，這種裝配充分體現(xiàn)了采用自下而上的裝配方法的優(yōu)勢。虛擬裝配過程一般是與現(xiàn)實(shí)裝配過程密切相關(guān)的，虛擬裝配能為現(xiàn)實(shí)裝配提供技術(shù)支持，自動洗牌發(fā)牌機(jī)發(fā)牌機(jī)構(gòu)總裝配圖如圖2 所示。

裝配完成后需要檢查零部件之間是否存在干涉現(xiàn)象。SolidWorks 具有對裝配體進(jìn)行干涉檢查、碰撞檢查和動態(tài)間隙檢測的功能，可判斷零件之間有無干涉，以保證任意兩個(gè)零件之間在空間上不會存在相互疊加的現(xiàn)象［4］。通過旋轉(zhuǎn)或者移動來動態(tài)檢查零部件之間的間隙，避免在發(fā)牌機(jī)實(shí)際安裝過程中產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，并可動態(tài)模擬裝配體上運(yùn)動零件的運(yùn)動效果。

圖6 已加工完成的發(fā)牌機(jī)構(gòu)模型

從已加工完成的模型可以看出，已完成的模型與通過虛擬設(shè)計(jì)建立的模型基本符合，如圖6 所示。

5 結(jié) 語

綜上所述，通過運(yùn)用SolidWorks 軟件強(qiáng)大的建模和裝配功能對發(fā)牌機(jī)構(gòu)零件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，對發(fā)牌機(jī)構(gòu)裝配過程進(jìn)行了探討，并在虛擬環(huán)境中建立了發(fā)牌機(jī)構(gòu)裝配體模型，為探索自動洗牌發(fā)牌機(jī)新的設(shè)計(jì)方法提供了良好的途徑。

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