用于工程制圖的多線型繪圖儀設(shè)計(jì)

王玉勤 丁澤文 王寅斌 季海龍

(巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院， 安徽 巢湖 238000)

工程圖樣是表達(dá)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想、傳達(dá)設(shè)計(jì)信息的重要資料，是工程技術(shù)界的通用語(yǔ)言[1-2]。使用傳統(tǒng)繪圖工具繪制工程圖樣時(shí)，手繪圖線的效果很難達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，繪制效率較低。為了提高繪圖精度和效率，在此設(shè)計(jì)一種多線型繪圖儀，通過(guò)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同線型的連續(xù)繪制。

1 多線型繪圖儀設(shè)計(jì)

多線型繪圖儀主要包含線型軌道、主支撐架、夾持桿、滑輪等基本傳動(dòng)部件，這些部件可通過(guò)特定連接和移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)工程制圖過(guò)程中多種圖線的繪制。在設(shè)計(jì)時(shí)多線型繪圖儀，首要考慮的是裝置的靈活性，其次要解決的是裝置的擴(kuò)展性。為解決上述問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的繪圖尺上配有帶燕尾槽的軌道，便于繪圖裝置在繪圖尺上靈活移動(dòng)；另外，繪圖裝置中所有零件均可拆卸和更換，擴(kuò)展性較高。應(yīng)運(yùn)本次設(shè)計(jì)的繪圖儀，可以幫助工程技術(shù)人員方便地繪制出工程圖樣中的實(shí)線、虛線和點(diǎn)畫(huà)線，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

多線型繪圖儀主要由機(jī)械系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)組成，整個(gè)裝置主要包括壓緊螺釘、夾持桿、燕尾槽、壓縮彈簧、繪圖筆、繪圖尺、虛線軌道、點(diǎn)畫(huà)線軌道、外殼、主支撐架、移動(dòng)支架、選擇開(kāi)關(guān)、滑輪和直線軌道等零件結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。

1 — 繪圖筆；2 — 壓緊螺釘；3 — 燕尾槽；4 — 繪圖尺； 5 — 夾持桿；6 — 虛線軌道；7 — 點(diǎn)畫(huà)線軌道；8 — 外殼； 9 — 壓縮彈簧；10 — 主支撐架；11 — 移動(dòng)支架；12 — 選擇開(kāi)關(guān)； 13 — 滑輪；14 — 直線軌道。

1.2 工作原理

繪圖筆安裝在夾持桿上，通過(guò)壓緊螺釘固定。夾持桿和主支撐架、移動(dòng)支架連接在一起。主支撐架上方安裝有壓縮彈簧，移動(dòng)支架下方安裝有滑輪。在繪制過(guò)程中，通過(guò)移動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)選擇對(duì)應(yīng)的線型軌道，并調(diào)節(jié)繪圖筆筆尖的位置，使其與圖紙充分接觸，以保證繪制的連續(xù)性。手持并移動(dòng)殼體，帶動(dòng)整個(gè)裝置沿燕尾槽做直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑輪接觸到線型軌道上的凸塊時(shí)，移動(dòng)支架會(huì)被頂起，主支撐架會(huì)隨之向上移動(dòng)，從而帶動(dòng)夾持桿和繪圖筆向上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)虛線或點(diǎn)畫(huà)線的間隙處繪制。當(dāng)滑輪越過(guò)線型軌道上的凸塊時(shí)，整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)會(huì)在壓縮彈簧的作用下，恢復(fù)到初始位置，完成實(shí)線的繪制，通過(guò)多次循環(huán)即可完成對(duì)應(yīng)線型圖線的繪制工作。

下面重點(diǎn)對(duì)多線型繪圖儀在繪制虛線和點(diǎn)畫(huà)線時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

2 多線型繪圖儀參數(shù)分析

多線型繪圖儀機(jī)械系統(tǒng)由主支撐架、夾持桿、移動(dòng)支架、滑輪和繪圖筆構(gòu)成(見(jiàn)圖2)。支撐結(jié)構(gòu)由外殼和繪圖尺組成，繪圖尺上設(shè)置有燕尾槽、虛線軌道、點(diǎn)畫(huà)線軌道和直線軌道結(jié)構(gòu)。利用平面幾何原理求解多線型繪圖儀相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)[3-4]。

2.1 繪圖筆筆尖位置分析

(1)虛線二維平面運(yùn)動(dòng)分析。在虛線軌道結(jié)構(gòu)圖中(見(jiàn)圖3)，L1為虛線線型的實(shí)線段部分長(zhǎng)度，L2為虛線圖線的間隙長(zhǎng)度，R1為虛線軌道表面凸塊的半徑，長(zhǎng)度L1與L2嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)12 ∶3的虛線繪制比例進(jìn)行設(shè)計(jì)[5-6]。

圖2 機(jī)械系統(tǒng)示意圖

圖3 虛線軌道結(jié)構(gòu)示意圖

下面，建立繪制虛線的繪圖筆筆尖二維平面運(yùn)動(dòng)方程：

x=n(L1+L2)+xi

(1)

(2)

式中：x為筆尖在水平位置的位移；n為虛線線型中的實(shí)線段部分和間隙部分的數(shù)量；xi為繪制完n個(gè)虛線線型中的實(shí)線段部分和間隙部分后剩余的線段長(zhǎng)度；y為筆尖在豎直方向的位移。

(2)點(diǎn)畫(huà)線二維平面運(yùn)動(dòng)分析。在點(diǎn)畫(huà)線軌道結(jié)構(gòu)示意圖中(見(jiàn)圖4)，L3為點(diǎn)畫(huà)線圖線的長(zhǎng)實(shí)線長(zhǎng)度，L5為點(diǎn)畫(huà)線圖線的短實(shí)線長(zhǎng)度，L4、L6為點(diǎn)畫(huà)線圖線的間隙長(zhǎng)度，R2為點(diǎn)畫(huà)線軌道表面凸塊的半徑。長(zhǎng)度L3、L4、L5和L6嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的繪制比例24 ∶3 ∶0.5 ∶3進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 點(diǎn)畫(huà)線軌結(jié)構(gòu)示意圖

建立繪制虛線過(guò)程中繪圖筆筆尖的二維平面運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

(4)

2.2 機(jī)械系統(tǒng)受力分析

假定給殼體施加一個(gè)恒力F，使得整個(gè)裝置沿繪圖尺上的燕尾槽做勻速直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)力的效果轉(zhuǎn)化，可使從動(dòng)件滑輪產(chǎn)生一個(gè)沿運(yùn)動(dòng)方向的加速度a。圖5所示為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)示意圖。圖6所示為滑輪受力示意圖。

圖5中，實(shí)線和虛線表示機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)極限位置，A、B為主支撐架與彈簧的接觸點(diǎn)，C、C1、D、D1表示兩夾持桿與主支撐架和移動(dòng)支架的接觸點(diǎn)，E表示滑輪部分。

圖5 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)示意圖

滑輪的動(dòng)力學(xué)方程可表示為：

(5)

式中，md為滑輪的質(zhì)量。

整個(gè)裝置在恒力F的作用下保持勻速直線運(yùn)動(dòng)，滑輪在水平方向所受的力為FEx,FEx=-F。力的平面幾何關(guān)系表示為：

(6)

式中：FE為滑輪受到的總合成力；θ為滑輪與軌道上凸塊交點(diǎn)切線和水平面之間的夾角；FEy為滑輪在豎直方向所受的力。

圖6 滑輪受力示意圖

移動(dòng)支架底端的動(dòng)力學(xué)方程為：

(7)

移動(dòng)支架動(dòng)力學(xué)平衡方程為：

(8)

圖7 移動(dòng)支架受力示意圖

主支撐架受力情況如圖8所示。其中，F(xiàn)A和FB均為壓縮彈簧對(duì)主支撐架的彈力，F(xiàn)C為上夾持桿對(duì)主支撐架的作用力，F(xiàn)C1為下夾持桿對(duì)主支撐架的作用力，Ma為作用在主支撐架的阻力矩，L7為A點(diǎn)到C點(diǎn)的水平距離，L8為B點(diǎn)到C1點(diǎn)的水平距離。

圖8 主支撐架受力示意圖

主支撐架動(dòng)力學(xué)平衡方程為：

(9)

圖9 夾持桿受力示意圖

夾持桿的動(dòng)力學(xué)平衡方程為：

(10)

3 多線型繪圖儀實(shí)物演示

根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，制作繪圖儀(見(jiàn)圖10)。繪圖儀殼體采用亞克力板加工而成，繪圖尺、支撐架、夾持桿和滑輪等部件采用3D快速成型機(jī)打印而成。

圖10 多線型繪圖儀實(shí)物圖

使用繪圖儀，只需移動(dòng)開(kāi)關(guān)，將滑輪移動(dòng)至直線軌道上，對(duì)外殼施加外力使得裝置沿燕尾槽作直線運(yùn)動(dòng)，即可繪制實(shí)線。由于實(shí)線上沒(méi)有間隙，所以該直線軌道上未設(shè)計(jì)凸臺(tái)。

當(dāng)使用者移動(dòng)開(kāi)關(guān)，將滑輪調(diào)節(jié)至對(duì)應(yīng)的虛線軌道和點(diǎn)畫(huà)線軌道上，即可繪制出虛線和點(diǎn)畫(huà)線。虛線和點(diǎn)畫(huà)線的繪制效果分別如圖11和圖12所示。

圖11 多線型繪圖儀虛線繪制示意圖

圖12 多線型繪圖儀點(diǎn)畫(huà)線繪制示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

為了規(guī)范工程制圖中各種圖線的繪制，提高手工制圖的效率，設(shè)計(jì)了一種多線型繪圖儀，應(yīng)用該多線型繪圖儀可以完成實(shí)線、虛線和點(diǎn)畫(huà)線的繪制。在對(duì)多線型繪圖儀主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)更換零部件，該裝置可以實(shí)現(xiàn)不同比例圖線的精確繪制。繪圖裝置安裝在帶有燕尾槽的繪圖尺上，操作靈活簡(jiǎn)便。同時(shí)，繪圖儀上所有零部件均可以更換，繪圖儀的可擴(kuò)展性更佳。本次設(shè)計(jì)的多線型繪圖儀提高了制圖的效率和精度，實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。