球型魯班鎖的設計與裝配

閆旭輝

(臨汾職業技術學院機電系，山西臨汾041000)

0 引言

魯班鎖，是中國古代傳統的土木建筑固定結合器，它起源于中國古代建筑中的榫卯結構。上海世博會山東館的地標性建筑就是由LED模塊組成的六根魯班鎖，是現代科技與古代勞動人民智慧的結晶。魯班鎖相傳由春秋戰國時的魯班發明。這種三維的拼插器具內部的凹凸部分嚙合，十分巧妙。發展到現代其中一個分支的發展已經成為一種益智類玩具。它作為流傳千年的古代智慧，不用釘子和繩子，完全靠自身結構的連接支撐，展現了一種看似簡單，卻凝結著不平凡的智慧。民間亦稱八卦鎖、孔明鎖。鎖的種類各式各樣，其中以最常見的六根和九根的魯班鎖最為著名，原創為木質結構，六根魯班鎖外觀看是嚴絲合縫的十字立方體［1］。

1 傳統六根魯班鎖的零件及裝配

傳統六根魯班鎖原料為木質，毛坯料是六塊長、寬、高相等的長方體棒料，其內部結構各有不同。

筆者在借鑒傳統木質六根魯班鎖的基礎上(圖1a)，繪制出了其各零件的工程圖樣，將毛坯料改為鋁質，并在普通銑床上按照設定好的尺寸加工出了鋁質零件(圖1b)，設計及模擬拼裝過程均是在三維軟件Solidworks中完成(以下文中所有圖形均是在該軟件中完成)。

傳統魯班鎖的零件形狀如圖2所示(共1-6號零件，裝配前將零件按圖示方位擺放)。

圖1 傳統魯班鎖

圖2 傳統魯班鎖的零件

傳統魯班鎖的裝配如圖3所示:第一步，1號件作為固定件(方向與圖1中相同)，2號件垂直背靠擺放在1號件上(方向與圖1中比逆時針旋轉了90度)；第二步，3號件(向內旋轉90度)同時垂直于1號件、2號件，并將其槽口卡住1號件、2號件貼合部分；第三步，4號件(左旋90度)平行于1號件，垂直于2號件、3號件，槽口卡住3號件水平推進與1號件上下均貼合；第四步，5號件(先向左旋轉90度，再向內旋轉90度)平行于3號件，其大槽口卡住1、4號件向下推至與3號件貼合；第五步，直接將6號件插入空下的孔內。

圖3 傳統魯班鎖的裝配

加工出各零件并在實際拼裝的過程中，通過觀察與設想，可將魯班鎖設計為球型，這樣作為益智類玩具，不但豐富了其外觀，而且拼裝完成后可以滾動，增加了作為玩具的趣味性。這個改動表面看只是外觀的變化，但實質上還牽涉到零件內部的凹凸結構的改變。

2 球型魯班鎖的零件設計及裝配

設計球型魯班鎖，主導思想就是將零件的背部均改為半圓型。設計過程中，首先試用了不改變傳統魯班鎖內部凹凸結構，結果是1-5號件都可以按照原來的方法成功裝配，但是6號件不能插入，要么就是采用6號件原來的長方體形狀進行裝配，雖然能夠完成，但由于6號件的原因不能保證整體球狀，所以在6號件的反向驅動下，其他件的凹凸結構必須調整，使之能夠實現6號件由原來的直接插入空的孔內，改為半圓型后移入扣緊的方法。要用移入后扣緊，必定有零件凹凸部分改變尺寸，使之在裝配完成前是活動的，這也是拆開和扣緊的關鍵。

調整設計思想后，重新進行零件設計。經過多次反復設計試驗、修改數據，確定以下方案，1號件、2號件是基礎，2號件是核心件，調整2號件的尺寸，并將其作為裝配時的固定件，1號件、3號件、4號件形狀變化不大，基本保持了原來的設計尺寸。整個過程邊設計邊裝配，裝配中出現問題就反過來調整零件的尺寸。零件號數與傳統魯班鎖對應，不同的是傳統魯班鎖裝配時1號件是固定件，球型魯班鎖2號件是固定件。6個零件中，5號件和6號件做了較大的調整，調整思路主要來自于裝配時的多減與差補。調整后的零件形狀如圖4所示。

圖4 球型魯班鎖的零件

球型魯班鎖裝配時的各零件的方位及裝配順序如圖5及圖6所示:第一步，2號件作為固定件，1號件垂直掛靠于2號件下槽內(可以在槽內上下滑動)如圖5(1)；第二步，3號件垂直掛靠于2號件上槽內(可以槽內上下滑動)如圖5(2)所示，1號件、3號件若都滑到中心位置，可看到中心旁有兩個孔，其中水平孔是5號件的裝入位置，豎直孔是6號件裝入位置，如圖5(3)所示；第三步:4號件與1號件、3號件組成的面垂直，與2號件共面，共同完成配合固定，如下圖6(1)所示；第四步:3號件上滑，1號件下滑，將5號件槽水平置于中心旁左側孔內，如下圖6(2)所示；第五步:1、3號件保持第四步時的位置，6號件置于中心旁右側孔內，如下圖6(3)所示。第六步:3號件下滑，1號件上滑，插入對應槽內扣緊。

圖5 球型魯班鎖的裝配

圖6 球型魯班鎖的裝配

在Solidworks中模擬完成了全部零件的裝配。并進行干涉檢查，如圖7所示，Solidworks經后臺運算后反映出該零件的裝配無干涉，證明產品的設計符合功能及外觀要求。

3 結語

本文利用Solidworks軟件平臺完成了對零件的外形以及內部結構設計、建模、裝配，并解決了設計過程中裝配時的若干沖突問題。隨著工業技術水平的提升以及廣大人民生活水準的提高，任何通用性產品在消費者對于高品質的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。產品不單單是在功能上要滿足要求，近年來在三維CAD軟件的帶動下，工業設計領域已日益受到重視，工業設計多著重于產品的外觀造型，本文在外觀要求驅動內部結構改進方面做了一定的探索，達到了預期的目的。可以根據最終確定的各個零件的尺寸數據，進行模具的設計及加工制造，最后進行零件的批量生產。

圖7 球型魯班鎖裝配后干涉檢查

［1］薛坤.傳統魯班鎖的設計元素與現代家具產品開發［J］.家具，2010，(4):66-69.

［2］劉勁威.計算機輔助設計在機械設計中的應用分析［J］.科技與企業，2013，(2):98-100.