球型魯班鎖的設(shè)計(jì)與裝配

閆旭輝

(臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，山西臨汾041000)

0 引言

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］。

1 傳統(tǒng)六根魯班鎖的零件及裝配

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號件作為固定件(方向與圖1中相同)，2號件垂直背靠擺放在1號件上(方向與圖1中比逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90度)；第二步，3號件(向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度)同時(shí)垂直于1號件、2號件，并將其槽口卡住1號件、2號件貼合部分；第三步，4號件(左旋90度)平行于1號件，垂直于2號件、3號件，槽口卡住3號件水平推進(jìn)與1號件上下均貼合；第四步，5號件(先向左旋轉(zhuǎn)90度，再向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度)平行于3號件，其大槽口卡住1、4號件向下推至與3號件貼合；第五步，直接將6號件插入空下的孔內(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，增加了作為玩具的趣味性。這個(gè)改動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。

2 球型魯班鎖的零件設(shè)計(jì)及裝配

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號件都可以按照原來的方法成功裝配，但是6號件不能插入，要么就是采用6號件原來的長方體形狀進(jìn)行裝配，雖然能夠完成，但由于6號件的原因不能保證整體球狀，所以在6號件的反向驅(qū)動下，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號件、2號件是基礎(chǔ)，2號件是核心件，調(diào)整2號件的尺寸，并將其作為裝配時(shí)的固定件，1號件、3號件、4號件形狀變化不大，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。零件號數(shù)與傳統(tǒng)魯班鎖對應(yīng)，不同的是傳統(tǒng)魯班鎖裝配時(shí)1號件是固定件，球型魯班鎖2號件是固定件。6個(gè)零件中，5號件和6號件做了較大的調(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號件作為固定件，1號件垂直掛靠于2號件下槽內(nèi)(可以在槽內(nèi)上下滑動)如圖5(1)；第二步，3號件垂直掛靠于2號件上槽內(nèi)(可以槽內(nèi)上下滑動)如圖5(2)所示，1號件、3號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號件的裝入位置，豎直孔是6號件裝入位置，如圖5(3)所示；第三步:4號件與1號件、3號件組成的面垂直，與2號件共面，共同完成配合固定，如下圖6(1)所示；第四步:3號件上滑，1號件下滑，將5號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號件保持第四步時(shí)的位置，6號件置于中心旁右側(cè)孔內(nèi)，如下圖6(3)所示。第六步:3號件下滑，1號件上滑，插入對應(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。

3 結(jié)語

本文利用Solidworks軟件平臺完成了對零件的外形以及內(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。可以根據(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.