基于3D打印辅助滚轮套件的设计与制造

摘 要：本文针对丁字尺在绘图板上绘图时易出现晃动，导致绘图精度差，使用不方便等问题。采用SolidWorks3D建模软件并结合3D打印技术设计制造了一种用于手工制图的辅助滚轮套件。该套件针对传统丁字尺绘图时与图板单边面接触不稳定问题，采用深沟球轴承等机械零件增加丁字尺与绘图板贴合的稳定性。并通过实际手工绘图实验，验证了该手工绘图辅助滚轮套件的可行性，其具有可操作性强、效率高、成本低的优点。

关键词：3D打印 手工制图 深沟球轴承 3D建模

机械制图是理工科学生必修的专业基础课程，是研究机械图样绘制和识图规律的一门学科，旨在培养学生的空间思维能力和绘图技能[1-3]。学生在学习手工制图时，丁字尺是最常用的几种作图工具之一。但其与图板之间采用的单边面接触方式稳定性较低，难以保证绘图时的精确性。其主要原因在于丁字尺缺乏在板上的固定机构，使得其在移动时易出现晃动，从而导致绘图者要将大量精力用于维持尺面平衡。同时，传统精确绘图板价格较高，学生群体难以承受。所以经过反复对实践经验的提炼和推敲，笔者设计制造了一种抱尺卡边滚轮套件来解决以上关于绘图板与丁字尺如何固定的问题。

针对上述问题，本文从两方面进行改进设计：一是使用深沟球轴承等机械零件增加丁字尺与绘图板的接触面；二是使用3D打印等制造方式降低其制造成本。滚轮辅助套件提高了丁字尺与绘图板之间的贴合度，既可以显著提高绘制线条的精确性与工作效率又可以控制生产成本[4-5]。

1 滚轮套件结构设计

考虑到滚轮套件与丁字尺以及绘图板结合时的稳定性，即保证滚轮套件在装夹到位后，能够灵活稳定地带动丁字尺在板面上作平行运动，以达到提高手工绘图精度与效率的目的。

如图1（a）所示，手工绘图时左、右滚轮套件3和4固定直尺1卡紧绘图板2时的状态。

如图1（b）所示，隔板的上部固定连接有直尺盖，其下部固定连接有滚轮盖。直尺盖在靠近隔板一侧横向设置有容纳直尺的U形槽。直尺盖的上部设置有压尺装置，直尺盖的下侧设置有顶尺装置。滚轮盖靠近隔板一侧设置有空腔，空腔纵向设置有两个滚轮轴承，每个滚轮轴承伸出所述滚轮盖的左侧以接触绘图板。套组还包含卡板装置，用于固定丁字尺与绘图板之间的相对位置。左、右滚轮套件的结构镜面对称，对称设置于绘图板的左右两侧。

在使用该套件时将直尺插入两套组件的贯通U形槽中，使用尺面紧固螺钉和尺侧紧固螺钉将直尺固定在U形槽中，调整两套组件之间的距离，使其下部的轴承滚轮刚好能与绘图板的边缘形成卡抱。在绘图时，直尺的上下运动受到两边套件的约束，使其能够保持直线运动，从而方便绘图者以此为基准进行绘图。当绘图者需要直尺静止时，旋转卡板螺钉即可将组件卡死在绘图板上进行定位操作。

如图2（a）所示，按照图（1）b进行组合装配，装配体主要由直尺盖、隔板、滚轮轴承及滚轮盖四部分构成。使用者使用之前需要松开上下两颗锁紧螺钉，然后将直尺或者丁字尺通过隔板2穿过套件，然后锁紧上方紧固螺钉，然后将套件和绘图板固定好相对位置，沿着绘图板边缘滚动轴承3，测试绘图板和套件之间的松紧程度，调整好之后锁定右边锁紧螺钉，绘图板与套件之间滚动的顺滑程度可通过右边锁紧螺钉控制。整个套件体积小巧，操作简单，可单个使用也可成套组合使用。

图2（b）所示为套件四个轴承的装配示意图，通过四个轴承的相互左右，使得整个辅助滚轮套件可以自由转动，保证整个套件正反装配下均可正常使用。

2 3D打印零部件

为验证滚轮套件设计的合理性及加装该套件后直尺与绘图板进行相对运动时的协调性与稳定性，本文采用solid works2016软件对套件进行3D建模，并使用Cura 15.01软件进行模型切片分层、打印路径规划、模型打印速度及填充率的设置。

为保证打印出的零件实体强度，打印材料选择碳纤维加强型PLA材料[6-8]。如图3所示，打印速度控制在80mm/s，打印密度控制在50%，调平时喷头距离打印平台不能超过一张A4纸的厚度，满足以上条件时打印件的精度能够达到最佳水平。

如图4所示，打印零件实体时，选择打印机机舱在xyz三轴上所容许打印尺寸分别为300mm、200mm、250mm，以保证能够一次性打印出所有零件实体。

如图5所示，该套件选用哈尔滨轴承厂生产的6200型深沟球轴承。该轴承具有摩擦阻力小，启动灵敏效率高，轴向结构紧凑、润滑方便、易于互换等优点。并将打印后的零件进行表面打磨、去毛刺等处理后，与购买的其他标准零件进行装配。

3 实验验证

随机选择60名机械类专业学生，发放一致的绘图工具与辅助滚轮套件，分三个批次对指定的同一张图纸进行临摹，并统计其实际使用感受。每批次学生均使用同一绘图板，且绘图时长保持一致。

由上表1可知，70%的学生认为该套件实用，在使用稳定性、灵活性、精确性等方面的表现均高于传统丁字尺；20%的学生认为还可以进行相关改进，主要是锁紧螺钉会损坏直尺表面。此问题可通过在锁紧螺钉处加装硅胶垫子进行改进。此外，辅助滚轮套件还可搭配其他套尺，即可完成多种类型的线条绘制。

经统计，单套辅助滚轮套件的制造成本约为15元，若将其3D打印制造工艺替换为注塑成型制造工艺，其制造成本还能进一步降低。

4 结语

本文利用3D打印技术设计并制造了一种用于手工制图的辅助滚轮套件。该套件采用深沟球轴承等机械零件解决了传统丁字尺绘图时与图板单边面接触不稳定问题。整个辅助滚轮套件结构设计精巧、可单独使用也可成套组合使用，很好地解决了传统手工绘图尺子不稳定等问题。从实际使用效果可以看出，该套组具有设计简单、易操作、可靠精准、价格低廉等优点，可有效提高手工绘图的准确性。

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