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第一次做机械模型能做成啥样?
发布人: BB电子游戏平台 来源: BB电子游戏 发布时间: 2021-01-21 12:49

  对这个第一次模型,要求其实是比较宽松的:做什么自己定,别太复杂,以免打击了自己;不要有原理错误;材料推荐木板,亚克力也行,激光切割即可;不要用胶粘,也不要用外购零件;做出来的东西要像个完整的作品,不要太大(主要是板材尺寸过大会有力学上的麻烦)。

  第一个模型主要是热身,靠直觉和常识探索一些结构上的做法,因为课堂时间有限讲不了这么多琐碎的知识点,所以通过模型制作把可能会出现的问题全部出来,统统体验一遍,然后一个个解决掉。

  提供了两个参考文档,一个是去年我做的一个机械模型的全过程:《 机械运动机构设计( 2 ):从简图到实物 》;另一个是去年第二次模型的评析:《 机械运动机构模型制作:常见问题汇总 》。两个文档基本涵盖了所需的做法和各种问题。

  我把第一个文档里的3D模型和全套图纸都提供了。不过这可能不是个好主意,因为很多人直接就从图纸上复制构件了,有的干脆直接用我的图纸去加工了一个模型组装好拿给我。

  底部右侧应该是滑块,而不是固定在机架上的固定铰链。所以第一个交叉点的铰链没法安装了,装上机构就死定了。但不装这个铰链,升降机就没法垂直升降,翻倒是必然的。上层横杆的滑槽和高副是正确的,最好做成有配合的状态,如杆上套一个直径与槽等宽的圆柱轴(可以切出多个小圆片叠加起来串在杆上)。

  但是这根杆加错了,现在有两个度了。这也不是Robert连杆,Robert连杆是四杆机构,这已经是五杆机构了。

  度太多,这是一个自己设计的结构,应该把简图画出来好好分析无误了再动手做模型。用于固定铰链支座的那种装配结构用在活动构件的内部连接不合适,需要设计另外的结构。运动起来构件之间有,Z向(垂直于简图平面的方向)尺寸需要详细规划。

  挺有趣,就是度太多了,力学上也有点问题。估计没画过简图也没做过仿真,有些问题是可以在简图或仿真模型上发现的。

  大部分模型松松垮垮,有的一碰就零件洒一地。固然跟板厚误差有关,但板厚也就比标定的尺寸差个0.2~0.3毫米而已,很多模型中的间隙远远超过这个数字了。

  2)很多结构是从样例图纸中直接抄过来的,样例是按3mm板厚设计的,如果制作用的板厚有误差(通常偏薄),累加起来就会导致松垮;

  样例模型从一开始设计就是针对亚克力材料的,如果换成木板材料,装配间隙应该设计得略紧一些。而木板比亚克力弹性好,间隙小一点装配时撑开就行了(特别是那些C形开口挡圈),而亚克力弹性比较差,硬掰易碎。所以材料对设计是有影响的。

  尺寸过大带来的刚度问题的原因是:假如有间隙,一个微小的晃动角度就会被尺寸放大,在构件远端造成很大的偏移。此外,如果尺寸过大,晃动角度里还包含了构件变形造成的那部分。

  这个模型还有些别的问题:结构可以抄样例,但要根据自己的设计修改,铰链座的底板支撑如果只用一个,就不要做这么长,底板上也不要开两对孔;底板(机架)不要做这么大,完全没有设计感,我们可是工业设计的学生,不是纯机械生。

  还以为做了个五杆机构,仔细看发现不是。还真是一个四杆机构,那两个排成一条直线的杆中间的轴是十字轴,不是一个铰链。杆上的孔也是十字孔,两杆不是硬粘在一起的,有点思想。

  装配是指轴和孔之间、榫头和插孔之间的间隙应该保持在看不见的程度。两个装配尺寸应该是一样的,误差在零点几毫米。

  定位是指Z向——垂直于简图平面的方向——或铰链轴的轴向。机构简图上没有Z向,但是做模型时要把Z向的布置详细搞明白,注意两个问题:

  没有“装配”:十字轴的两个插片的槽宽应该与板厚是等尺寸的,而这个槽足有板厚的三倍了。没有“定位”:铰链轴两端没有台阶,也没有挡圈,构件会脱落。

  铰链上构件的轴向定位好歹做了点考虑,不过挡圈做的不好,没法靠结构发挥功能,所以只能粘了。也没做驱动手柄。

  六角形很有特色。模型在借鉴样例之余还些自己的改进。主要问题是右侧的六角驱动轮跟后面的摇杆没有固定在一起,导致驱动轮无法驱杆,原因是摇杆上的孔做成了圆孔,应该做成十字孔才能跟轴以及驱动轮同步转动。

  机架上的空地可以做个笔筒(那里粘了两个小零件)或笔架,或一个装杂物的小盒子,就变成一个有实用功能的桌头工艺品了。装配还是挺松,想想改进方案。

  原理OK,心碎掉,又合起来。这是两个机构,左右各动各的,不是一个度为2的机构。能用一个构件连起来,让碎成两半的心联动就好了。

  Z向空间的布置没安规划好,导致心形开合时顶部会被铰链端头卡住。心、铰链端部、杆,应该布置在不同的平面“层”内,以防止。

  从样例中借鉴来的结构没能好好理解:样例中的十字轴宽宽的翼片是为曲轴360度旋转而设计的,是为了避免撞上铰链端部的出头;而这个设计不需要360转动,不会有这种铰链端部碰撞的情况,所以翼片Z向不用做这么长。机构Z向过长又缺乏支撑的话,会导致悬臂效应,使机构变形、不稳、不紧凑。

  两个雨刷是由同一个驱动构件带着同步摆动,它们应该分别跟两边铰链处的短杆做成一体,这样才能通过下面的杆让两个雨刷同步转动。这里做成分体了。现场用双面胶补救了一下,好了。

  模型似乎考虑了力学平衡问题,但是连杆跟铰链支座显然有冲突,这个机构没法转360度(可能原本也没做这种打算)。驱动手柄放在了摇杆而不是曲柄上,如果机构就这么设计的,OK。

  除了连杆跟机架外,铰链轴端部跟杆之间也。没仔细计算两根杆之间需要留多大间隙。带十字翼的铰链轴的十字翼需要多长没计算,直接抄样例图纸。这个模型跟样例图纸不太一样,因为两根杆长度相等,所以两个铰链轴的端部会碰到一起,因此杆之间的距离要加长,以避免它们碰撞;如果两杆一长一短就没事了,空间上会错开。具体问题具体分析是马克思主义活的灵魂,谨记。

  板有点薄,后果是了机构Z向尺寸安排上的缺陷——其实是有的,但是通过薄板构件的变形避开了,这种解决方案不好。

  不错的制作,动图里的机构完美复现,但是不第一个模型就做这么复杂,能力强又自信的除外。下一步,把胶和橡皮筋去掉,用结构设计实现所有功能,包括连接、定位、固定。橡皮筋那个地方的结构,要装配好之后才能连在一起,这是个糟糕的主意,千万不要让零件在装配好只后再去加工一道。因为对很对DIY产品,装配是由用户来做的。

  稳定性很好,紧凑。Z向空间布置的很好,摆动误差小。但这些优点是得益于两端的胶粘。下次做模型两端定位不要用胶,用挡圈或结构设计来实现,这就要求轴向卡槽的精确设计了。如果摆动误差增大,可以考虑专用垫片。

  固定支座铰链采用了两侧支撑(加了一个虚约束),力学性能稳定,很好。做机械设计要好好利用自己的直觉和常识。

  第一个模型主要是熟悉基本套,所以不用太,要一步一步走,饭要一口一口吃。模型要求里说,第一个模型不要太复杂,以免自己被打击。希望这位同学没被打击到。

  滑块的模型略复杂,因为需要一个轨道给滑块限位铰链支座当滑块了。这个模型只是在机架上开了个槽,就直接用。整个机构站不起来:平面机构做成实物时,要考虑第三维上(即Z向)的布置,而且这个第三维的设计对模型特别重要,很多问题结构和制造上的缺陷都发生在第三维上。前面那个有原理错误的升降机,这点上做的倒是不错。

  机架上孔比插在里面的榫头大了好几个毫米,两者本应无缝拼接的。滑块为什么要粘牢在轨道上?轨道在底板上没有侧向支撑筋板,那机架上开的十字孔是干嘛用的?左边的滑块是个摆设吗?

  运动灵活,体验感很好,四杆机构用的不错。悬臂效应导致稳定性略差,驱动杆Z向乱晃,不过倒是不影响玩具操作。连接结构做的不好,过盈配合加胶粘,蹩脚。

  底板不稳。实际上没有底板,机架是两个侧板用圆轴连在一起。做个底板会好一些,起码能立得住,要么就把两个侧板之间的距离加宽,不过这样里面的机构细节就藏不住了,还得解决Z向定位问题。

  还没开始动就被玩坏了。本来用纸做就挺脆弱了,还做得这么大。这么细的圆杆端部粘在纸上能粘得牢么?

  两个一模一样的平行四边形机构背对背。这算两个机构,因为从任何一个运动构件出发,无法顺着活动构件到达所有其他活动构件。这是评判机构数量的一个方法。

  机构运动灵活,好玩。滑块太宽,轨道的宽度是“滑块-轨道”接触长度的两倍了,间隙太大就会导致卡死,轨道改窄一点会好些。尺寸太大,刚度小,机架支撑结构应增加支撑点、增加支撑距离和支撑长度。

  构件尺寸太大,容易忽略Z向布置上的问题。实际上,这个机构里有几根杆在Z向距离有,只是间隙过大加上构件变形掉了,如果做成小尺寸,很容易发现这类问题。

  没做机架,所以只能找人两手抓着两个固定铰链当人肉机架。视频证明机构可以运行。铰链轴端的挡圈有点古怪。

  这个模型本来要做三组平行四边形机构的(两组是虚约束),但是三组杆打架,只能做一组了。动图看着挺简单,做成实物就问题一堆。转动还挺灵活。

  曲轴上的十字孔做成了圆孔。其他OK。用两个固定铰链当滑块导轨,做法可以,两个固定铰链的距离要大一些,否则滑块(那个长长的中空杆)运动方向不稳。

  两个跟最长的杆是一体的,是通过十字孔装在铰链轴上,是杆的一部分,而不是滑块的一部分。这里面没有滑块,是等价高副。大部分人把曲柄滑块做成了等价高副机构,算下意识吧。这个也是在样例基础上改的,改的还不错,机械设计抄改是可以的。

  稍微带点设计感吧,别就搞一个实体版的简图,多一点都不肯设计。如果机构太占地方的话,可以做成立式的,不过这样就要花点解决稳定性问题了。雨刮器应该做成一对,联动,像个完整的作品。尺寸太大了。

  铰链轴做的不好,做成圆头增加了长度但没有意义。定位挡片也做的不好,都是用过盈配合靠摩擦力固定,不可靠,容易松动。靠摩擦力定位的优点是想定哪就定哪,不像开卡槽只先计算准确,加工出来有误差就没办法了。但是摩擦力是不可靠的,木制构件的摩擦力更不可靠。

  这个模型的装配误差控制的不错。设计木制构件时,装配间隙可以留得少一些,甚至不留间隙。装配时可以撑开令其变形以适应,或者用砂纸、小电动工具等打磨出间隙。但是间隙过大就比较麻烦。

  作为升降机的话,有稳定性问题,两侧的杆之间需要若干连接,以确保两侧同步升降,否则的平板无法保持水平。

  这个升降机,中间有连接轴了(铰链轴),可以立起来。交叉连杆在连接轴上没定位,会来回滑动,导致支撑不稳定,使的平台倾斜。

  滑块和轨道只是贴在一起,没定位。水平放置的话,靠重力让它们贴合也不可靠,因为构件变形已经让滑块没法紧贴轨道了。滑块和轨道之间的误差太大,有三四个毫米了。

  如果本来的功能就是这,可以暂时忽略这个机构有点多的度。应该增加一个驱动杆,驱动机构伸缩变形。

  这第一个模型没提设计任务,所以做模型是个按图纸(机构简图)加工的制作过程。既然按图纸加工,就得严格参照图纸来做,出原错误肯定不是图纸的问题,而是制作者的理解问题。所以,制作模型之前的准备工作要做足,充分理解了简图再动手。有不少人玩得开心,忘记了这些严谨的程序。

  有些人会不自觉地把机构做得尽可能像个机构简图,典型特征就是杆很细、铰链很小。这种做法很容易导致刚度不足(杆细)和运动误差(铰链小,接触面积小)。所以铰链、滑块这些运动副可以做得大一些——不是把模型整体放大,而是与构件尺寸相比可以做得比例稍大一些、“壮实”一些,只要不影响功能就行了。市场上销售的一些木板拼装玩具,它们的铰链轴要么是牙签(如UGEARS),要么是细金属棒。这么细的轴要想运动质量就只能靠提高制作精度了。我们要学会用设计手段来解决精度不足的问题。杆也可以做粗一些,做成有面积、有形状,完全不像简图中一条细线那样的杆——不是说把构件整体尺寸做大,比如一根杆,在保持两个铰链间距离的前提下可以做得宽一些,形状有些变化(如果你愿意做成蛇形也可以)。运动副和构件尺寸大了可以增加接触面积,降低运动误差,提高机构稳定性。但是这么做的前提是不能影响功能、不能带来新的问题,比如跟别的构件了。其实机械机构给设计师留出的发挥空间还是挺大的。

  Z向是指垂直于机构简图平面的方向。简图只要弄清原理,所以Z向尺寸被压缩为零,但实物模型制作时,Z向上的问题最多,因为我们必须把机构简图重新实体化,原来简图中不存在的东西一样样都得补齐,而且要解决其中的各种冲突。Z向布局设计虽然重要,却又不是一个需要专业化机械知识的工作,有点耐心、尊重常识、正视直觉和潜意识即可。

  一些模型中,两个装配尺寸之间的误差大得离谱,有的甚至大到了三四个毫米。这已经不是误差了,而是压根就没有“装配”的概念。机械制图都是学过的,装配图上标注的装配尺寸在两个零件上应该都是一样的,间隙都是微米级的,模型就算有加工误差(材料板厚误差除外)也不应该就能看得出来。

  模型做成什么样,我相信制作者心里都有数,不可能对那些显而易见的问题视而不见。就算没学过机械,从常识的角度也能分析出几条原因来。有些人是对模型做了些补救的,比如加垫片甚至加卫生纸。希望其他的人能把问题记在心里,下次给出解决方案,哪怕是不成熟的解决方案。

  木构件(特别是底座)不要有尖角,会划伤人。构件的底座上的整体布局要像个作品,像个准备卖给谁的产品。这些细微之处应该贯串设计师的各种设计行为,哪怕是机械设计。这些考虑又不需要花费多少成本,随手一做而已。比如:底座尺寸协调,机构布局合理;构件形态适当有点设计感(像钟表的表针一样可以很古典也可以很可现代)。

  由于使用的是板材,除了受力部件(如支架)和需要刚度的构件(如细长杆),其实很多都可以做成镂空的,激光雕刻机可以切出任何花纹。镂空部件可以增加机构的通透性,有助于观察内部结构,增加机械机构的观赏性。下一个模型做齿轮可以加点花样在齿轮的轮辐上了。

  大半模型有间隙过大的问题。这个问题首先要从设计上解决,要有装配尺寸的概念。对于板厚误差来的间隙,可以设计得紧一些,后期用手工打磨来增加间隙。实在是间隙设计大了,可以用热熔胶给构件增材,凝固后再打磨,不要直接用胶粘,不要用卫生纸填充,要学会通过结构设计来解决问题。也可以用纸板制作垫片(做得好看一点),或网购买专门的垫片,washer,塑料金属的都行(注意选择合适的孔径和厚度),后面的模型允许使用外购件了。

  后面的模型,可以考虑适当增加点功能(不)。最简单的功能就是桌面上的那些东西:牙签筒、笔筒/笔架、杂物盒、名片盒,手机架、标签板/标签架等等。给作品设置了功能,可以让你下意识地把它当成一个可销售的产品,而不是一个交差的作业,所考虑的事情自然就充分起来了。

  由于事先提供了一个制作样例,导致有些人的思维被锁住,带走了节奏。其实机械结构的做法有很多,样例也不是完美的。

  这篇文章主要是分析问题,避免再犯。表扬的废话就不提了,整体做的都很认真,有几个模型还超出了预期。其实这第一个模型,已经做得比上届的第一个好了不少,每个人都有些亮点,第一次做成这样我已经很满意了。可能是因为有样例又见过上届的实物作品,所以学习得比较充分。大家回去吃点东西励自己。

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