一種發牌機構的虛擬設計與裝配方法

李加旭， 花慶寶， 蔣廷彪， 張秉梁

（桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林541004）

1 引 言

撲克牌是大眾喜歡的娛樂項目，它不僅可以消遣娛樂，而且玩法多種多樣，但是每玩完一次均要手動洗牌發牌，這樣浪費時間又麻煩，而且人工洗牌容易作弊。因此，利用虛擬設計技術設計一款結構簡單、造價低廉的自動洗牌發牌機對大眾娛樂是必要的。

虛擬設計技術建立在計算機完成整個產品開發過程的基礎之上。工程師在計算機上建立產品模型，對模型進行結構分析，然后改進產品設計方案。這樣常常只需制作一次最終的實物原型，使產品開發一次成功。用計算機模擬整個產品的開發過程，并在計算機中進行產品設計、分析和裝配等過程，這樣不僅省去制造樣機后進行反復試驗、修改等環節，同時也能縮短產品的開發周期，降低產品的研發成本。因此，研究自動洗牌發牌機的虛擬設計具有重要的實用意義。

本文利用三維設計軟件SolidWorks 的參數化和曲面建模技術對自動洗牌發牌機發牌機構重要零件進行虛擬設計并研究了設計方法；通過運用SolidWorks 的裝配功能以及自下而上的設計思路，完成自動洗牌發牌機發牌機構的虛擬裝配，并得出虛擬環境中的裝配體模型，與實際加工出來的模型進行對比。

2 自動洗牌發牌機的工作原理

自動洗牌發牌機是一種集機電為一體的大眾娛樂設備，它能夠適應各種玩法，而且對撲克牌沒有特殊要求，具有可自動洗牌、發牌等功能。一般發牌機僅能支持3～5 人玩兩副牌，此款自動洗牌發牌機增加了兩個能容納10 副撲克牌的儲牌倉，同時能供6 人娛樂，大大增加了娛樂性。自動洗牌發牌機的內部機械結構如圖1 所示，由儲牌機構、洗牌機構、發牌機構、出牌機構等組成，兩個儲牌倉構成儲牌機構；儲牌倉下面的電機a、b 和摩擦輪a、b 構成洗牌機構；如圖2 所示，支板、齒輪、齒條、推牌板、兩根傳動軸、摩擦輪c、左右導軌、摩擦組件（外購，如圖6 所示）等零件構成發牌機構；取牌機構則是由轉盤和出牌倉組成；在儲牌倉和發牌機構的下面則是支撐環，支撐環內裝有電機和滾輪，這樣電機和滾輪組合就可以帶動轉盤的轉動。

圖1 自動洗牌發牌機機械結構圖

圖2 自動洗牌發牌機發牌機構裝配圖

其工作原理如圖2 所示：首先，玩家手動將撲克牌從桌面分別放入兩個儲牌倉內；電機a、b 帶動摩擦輪a、b轉動，撲克牌在摩擦輪摩擦力作用下掉進空腔（左右支板、推牌板和擋牌板之間的空間）內；電機c 通過驅動一對嚙合的大小齒輪，因兩大齒輪安裝在同一個軸a 上，只要電機c 轉動兩個大齒輪也能同時轉動，而且大齒輪與兩齒條嚙合，這樣兩大齒輪就能帶動兩齒條做直線運動；齒條上面的掛鉤通過兩根銷與推牌板連結在一起，這樣推牌板也能做直線運動；已經發到空腔內的撲克牌在推牌板的作用下被緊緊貼在軸b 上的摩擦輪c，電機d 帶動軸b 上的摩擦輪b 轉動，撲克牌向前推進；撲克牌在摩擦組件的作用下順利地發到設定的出牌倉內，轉盤在電機的帶動下做圓周運動，這樣就可以將撲克牌發到每個出牌倉內。設計中摩擦輪的轉動都是直接將電機固結在固定有摩擦輪的軸上，這樣能有效地控制摩擦輪轉動的角度。

3 發牌機構的虛擬設計

零件的建模采用三維設計軟件SolidWorks。該軟件是一種基于三維參數化驅動建模技術的設計軟件，它以特征作為設計單元，特征造型不僅具有建立零件模型的能力，而且它還具有建立和編輯復雜實體模型的能力［3］。發牌機是一種包含多種機構的裝置，各個機構由多個零件組成，結構復雜，發牌機構作為其中的一個重要組成部分，其結構的復雜程度決定了整體機構的設計難度。而發牌部分的主要零部件左右支板、傳動齒輪齒條、運動導軌副、摩擦輪c 等的結構尤為復雜，通過分析其結構原理，得到最優的三維實體模型。

3.1 左右支板的設計

兩支板在整個發牌機構中起到支撐作用，如圖3 所示，支板上主要有軸孔、電機孔、螺柱、長方孔、槽塊、折形凸出塊等結構，支板的長度為265mm，高為110mm，厚度為3mm。兩個直徑為8mm的軸孔分別與軸a、軸b 配合，；電機孔用于定位電機，然后利用螺栓將電機固定在電機安裝孔上；滑動槽主要與底板、擋牌板配合，槽寬為4mm；槽塊能使齒條沿著出牌方向移動，槽寬為4mm 大于齒條上銷柱的直徑（3mm），這樣可以使齒條在滑動的過程中摩擦力盡可能小；折形凸出塊是為了安裝摩擦組件，其厚度為3mm，而且在塊上還有兩個寬度為3mm 的長方孔，便于調節摩擦組件的安裝位置。

圖3 支板結構圖

3.2 傳動齒輪齒條的設計

齒輪齒條的設計一般情況下比較復雜，而且加工較困難，因此盡量選擇市面上已有的齒輪齒條，這樣可以減輕設計難度。本設計根據要求選擇了模數m=1mm、齒數z=17 和模數m=1mm、齒數z=30 的齒輪與模數m=1mm、寬度b=12mm、長度a=100mm 的齒條。然后在齒條上定位三個直徑為3mm 的銷柱和與推牌板連結的掛鉤結構。如圖4 所示為齒條結構模型。

圖4 齒條結構

3.3 運動導軌副的設計

導軌是由兩面開槽的矩形塊和4 個固定耳組成，導軌的長度為106mm，寬度為6mm，高度為8mm。矩形塊上有兩個寬度為3.5mm、深度分別為5mm 和1mm 的開槽，齒條上銷柱是嵌入到開槽內。固定耳是利用螺釘固定在兩支板上的，其長度為12.5mm，寬度為5mm，厚度為3mm，其中孔的直徑為3mm，這樣可以保證齒條銷柱能在深槽內來回滑動，而且還能起到穩固齒條的作用。如圖5 所示為導軌結構零件圖。

圖5 導軌結構零件圖

3.4 摩擦輪的設計

摩擦輪的設計原則是小齒輪轉動一圈發出一張牌。考慮到摩擦輪作間歇運動，每次運動的轉角約為229°，紙牌尺寸為87mm×56mm，根據軸b 軸線到底板之間的距離為18.5mm，故取摩擦輪寬度為40mm、直徑為36mm 即可［1］。

以上零件的設計是發牌機構相對重要的結構，通過將各零件之間的相互配合就可以得到發牌機構的總裝配模型，如圖2 所示。

4 發牌機構的虛擬裝配及檢驗

在虛擬裝配過程中一般采用自上而下或自下而上兩種方法進行裝配體設計［2］。自上而下是指在虛擬環境中先設計好產品的總裝模型，然后在做好裝配布局圖的情況下，在總裝模型中設計部件模型，在部件模型中設計下級零部件，最后保證整個裝配體能順利完成。這種方法要求設計師必須有設計子部件的能力［5］，不僅要充分了解子部件的尺寸參數，而且必須保證幾何形狀和零部件之間要完全相關以及整個裝配布局合理。自下而上則是指先設計好產品的零件模型，再將若干個已經完成的零件組裝在一起，它可以使零部件之間可以靈活地配對和定位，并保持一定的關聯性，通過對裝配在一起的零件間添加一定的約束關系，從而達到機械配合的效果，最后在保證尺寸相關、布局合理的情況下完成產品的總裝配模型。當裝配體中含有較多復雜零部件或者裝配體零部件之間配合關系較為簡單時，優先考慮自下而上的設計方法，反之則選擇自上而下的設計方法。

本文采用自下而上的設計方法建立自動洗牌發牌機發牌機構的裝配模型。裝配時，首先在SolidWorks 上利用拉伸、陣列、切除等基本功能建立自動洗牌發牌機發牌機構各個零件圖；然后在裝配時先確定左支板作為固定件，將軸a、已經裝好摩擦輪的軸b，底板和擋牌板按重合、平行等配合關系裝入左支板上的圓孔和長方孔內，接著將右支板按重合、平行、同軸等配合關系與軸a、軸b、擋牌板、底板進行配合，此過程必須先于其他裝配過程。將關鍵部位先裝配能使整個裝配定位精確。然后將兩大齒輪裝配到軸a 上，并將齒條裝配到兩支板的槽內，再用螺釘將導軌固定到支板的螺柱上；再將電機c 和小齒輪裝到支板上；最好完成推牌板和摩擦部件的安裝，摩擦部件的安裝只需用螺栓固定，并調整其安裝位置，這樣整個發牌部件就完成了基本裝配。整個裝配是從整體出發，先完成結構零件的定位和裝配，再從局部入手逐步完成其他零件的裝配，這種裝配充分體現了采用自下而上的裝配方法的優勢。虛擬裝配過程一般是與現實裝配過程密切相關的，虛擬裝配能為現實裝配提供技術支持，自動洗牌發牌機發牌機構總裝配圖如圖2 所示。

裝配完成后需要檢查零部件之間是否存在干涉現象。SolidWorks 具有對裝配體進行干涉檢查、碰撞檢查和動態間隙檢測的功能，可判斷零件之間有無干涉，以保證任意兩個零件之間在空間上不會存在相互疊加的現象［4］。通過旋轉或者移動來動態檢查零部件之間的間隙，避免在發牌機實際安裝過程中產生干涉現象，并可動態模擬裝配體上運動零件的運動效果。

圖6 已加工完成的發牌機構模型

從已加工完成的模型可以看出，已完成的模型與通過虛擬設計建立的模型基本符合，如圖6 所示。

5 結 語

綜上所述，通過運用SolidWorks 軟件強大的建模和裝配功能對發牌機構零件設計方法進行了研究，對發牌機構裝配過程進行了探討，并在虛擬環境中建立了發牌機構裝配體模型，為探索自動洗牌發牌機新的設計方法提供了良好的途徑。

［1］ 郭連忠，馬詠梅，杜平安，等.一種全自動撲克機機構的設計［J］.產品開發與設計，2009，35（9）：61-63.

［2］ 楊國新，王定標.基于SolidWorks 的機械零部件虛擬裝配體設計技術［J］.煤礦機械，2007，28（7）：75-77.

［3］ 石從繼，胡金龍.基于SolidWorks 的新型摩托車虛擬設計與裝配［J］.機械制造，2012，50（2）：60-62.

［4］ 趙曉春，張寶霞，寸立崗，等.基于SolidWorks 的齒輪箱虛擬設計［J］.煤礦機械，2011，32（1）：224-226.

［5］ 牛多春，尹成龍，汪振乾，等.基于SolidWorks 的挖掘機工作裝置虛擬設計［J］.機械制造，2007，45（9）：4-6.