球型鲁班锁的设计与装配

2014-09-12闫旭辉

机械制造与自动化 2014年4期

闫旭辉

(临汾职业技术学院机电系，山西临汾041000)

0 引言

鲁班锁，是中国古代传统的土木建筑固定结合器，它起源于中国古代建筑中的榫卯结构。上海世博会山东馆的地标性建筑就是由LED模块组成的六根鲁班锁，是现代科技与古代劳动人民智慧的结晶。鲁班锁相传由春秋战国时的鲁班发明。这种三维的拼插器具内部的凹凸部分啮合，十分巧妙。发展到现代其中一个分支的发展已经成为一种益智类玩具。它作为流传千年的古代智慧，不用钉子和绳子，完全靠自身结构的连接支撑，展现了一种看似简单，却凝结着不平凡的智慧。民间亦称八卦锁、孔明锁。锁的种类各式各样，其中以最常见的六根和九根的鲁班锁最为著名，原创为木质结构，六根鲁班锁外观看是严丝合缝的十字立方体［1］。

1 传统六根鲁班锁的零件及装配

传统六根鲁班锁原料为木质，毛坯料是六块长、宽、高相等的长方体棒料，其内部结构各有不同。

笔者在借鉴传统木质六根鲁班锁的基础上(图1a)，绘制出了其各零件的工程图样，将毛坯料改为铝质，并在普通铣床上按照设定好的尺寸加工出了铝质零件(图1b)，设计及模拟拼装过程均是在三维软件Solidworks中完成(以下文中所有图形均是在该软件中完成)。

传统鲁班锁的零件形状如图2所示(共1-6号零件，装配前将零件按图示方位摆放)。

图1 传统鲁班锁

图2 传统鲁班锁的零件

传统鲁班锁的装配如图3所示:第一步，1号件作为固定件(方向与图1中相同)，2号件垂直背靠摆放在1号件上(方向与图1中比逆时针旋转了90度)；第二步，3号件(向内旋转90度)同时垂直于1号件、2号件，并将其槽口卡住1号件、2号件贴合部分；第三步，4号件(左旋90度)平行于1号件，垂直于2号件、3号件，槽口卡住3号件水平推进与1号件上下均贴合；第四步，5号件(先向左旋转90度，再向内旋转90度)平行于3号件，其大槽口卡住1、4号件向下推至与3号件贴合；第五步，直接将6号件插入空下的孔内。

图3 传统鲁班锁的装配

加工出各零件并在实际拼装的过程中，通过观察与设想，可将鲁班锁设计为球型，这样作为益智类玩具，不但丰富了其外观，而且拼装完成后可以滚动，增加了作为玩具的趣味性。这个改动表面看只是外观的变化，但实质上还牵涉到零件内部的凹凸结构的改变。

2 球型鲁班锁的零件设计及装配

设计球型鲁班锁，主导思想就是将零件的背部均改为半圆型。设计过程中，首先试用了不改变传统鲁班锁内部凹凸结构，结果是1-5号件都可以按照原来的方法成功装配，但是6号件不能插入，要么就是采用6号件原来的长方体形状进行装配，虽然能够完成，但由于6号件的原因不能保证整体球状，所以在6号件的反向驱动下，其他件的凹凸结构必须调整，使之能够实现6号件由原来的直接插入空的孔内，改为半圆型后移入扣紧的方法。要用移入后扣紧，必定有零件凹凸部分改变尺寸，使之在装配完成前是活动的，这也是拆开和扣紧的关键。

调整设计思想后，重新进行零件设计。经过多次反复设计试验、修改数据，确定以下方案，1号件、2号件是基础，2号件是核心件，调整2号件的尺寸，并将其作为装配时的固定件，1号件、3号件、4号件形状变化不大，基本保持了原来的设计尺寸。整个过程边设计边装配，装配中出现问题就反过来调整零件的尺寸。零件号数与传统鲁班锁对应，不同的是传统鲁班锁装配时1号件是固定件，球型鲁班锁2号件是固定件。6个零件中，5号件和6号件做了较大的调整，调整思路主要来自于装配时的多减与差补。调整后的零件形状如图4所示。

图4 球型鲁班锁的零件

球型鲁班锁装配时的各零件的方位及装配顺序如图5及图6所示:第一步，2号件作为固定件，1号件垂直挂靠于2号件下槽内(可以在槽内上下滑动)如图5(1)；第二步，3号件垂直挂靠于2号件上槽内(可以槽内上下滑动)如图5(2)所示，1号件、3号件若都滑到中心位置，可看到中心旁有两个孔，其中水平孔是5号件的装入位置，竖直孔是6号件装入位置，如图5(3)所示；第三步:4号件与1号件、3号件组成的面垂直，与2号件共面，共同完成配合固定，如下图6(1)所示；第四步:3号件上滑，1号件下滑，将5号件槽水平置于中心旁左侧孔内，如下图6(2)所示；第五步:1、3号件保持第四步时的位置，6号件置于中心旁右侧孔内，如下图6(3)所示。第六步:3号件下滑，1号件上滑，插入对应槽内扣紧。

图5 球型鲁班锁的装配

图6 球型鲁班锁的装配

在Solidworks中模拟完成了全部零件的装配。并进行干涉检查，如图7所示，Solidworks经后台运算后反映出该零件的装配无干涉，证明产品的设计符合功能及外观要求。

3 结语

本文利用Solidworks软件平台完成了对零件的外形以及内部结构设计、建模、装配，并解决了设计过程中装配时的若干冲突问题。随着工业技术水平的提升以及广大人民生活水准的提高，任何通用性产品在消费者对于高品质的要求下，功能上的需求已不再是赢得市场竞争力的唯一条件。产品不单单是在功能上要满足要求，近年来在三维CAD软件的带动下，工业设计领域已日益受到重视，工业设计多着重于产品的外观造型，本文在外观要求驱动内部结构改进方面做了一定的探索，达到了预期的目的。可以根据最终确定的各个零件的尺寸数据，进行模具的设计及加工制造，最后进行零件的批量生产。