基于CATIA的一體式折疊桌椅設計

張志森， 曾強， 魏巍

（四川文理學院物理與機電工程學院，四川達州635000）

0 引言

一體化桌椅是集桌子和椅子為一體的集成化產品，因其造型簡潔、成本低廉、節省空間，可普遍運用在教室、講堂等教學場所或者用于旅行。隨著經濟的發展，人們對一體式桌椅的關注度也在不斷地提升，但有些一體式桌椅明顯存在一定的弊端，如功能單一、結構固定、不易于存放等。本文應用計算機輔助設計技術，在CATIA環境下，進行新型一體化折疊桌椅設計，完成了運動仿真分析，實現了一體化桌椅的虛擬設計過程。

隨著計算機技術的發展，計算機在機械設計中得到了日益廣泛的使用，并出現了許多高效率的設計、分析軟件。利用這些軟件可以在設計階段進行多方案的對比，可以對不同的包括大型和很復雜的方案的結構強度、剛度和動力學特性進行精確的分析。同時還可以在計算機上構建虛擬樣機，利用虛擬樣機仿真對設計進行驗證，從而實現在設計階段充分評估設計的可行性。可以說，計算機技術在機械設計中的推廣使用已經并正在改變機械設計的進程，它在提高設計質量和效率方面的優勢是難以預估的［1］。

1 CATIA軟件建模與仿真環境

CATIA是法國達索系統公司與美國IBM公司聯合開發的工程應用軟件，集自動化設計、制造工程分析于一體，應用在機械制造與工程設計領域。它具有原理圖設計、三維設計、結構設計、運動模擬、有限元分析、交互式圖形接口、多模塊接口、實體幾何、高級曲面、繪圖、形象設計、數控加工等多項功能。特別是采用1～15次Bezier曲線、曲面和非均勻有理B樣條計算方法，具有很強的三維復雜曲面造型和加工編程能力［2］。

圖1 一體式桌椅總裝配圖

2 一體化桌椅整體方案設計

本設計采用模塊化設計思想，完成一體式桌椅設計。該一體式桌椅由兩大模塊組合而成，一個是椅子模塊，另一個是桌子模塊。兩個模塊各自的功能相互獨立，互不影響。通過中軸將兩模塊連接在一起，即形成可折疊式一體化桌椅；同時，各模塊也可以獨立使用，拆裝方便。其設計總裝配圖如圖1所示。

2.1 桌子模塊設計

桌子模塊的特點是在下撐桿和主撐桿之間采用銷鍵連接，桿與桿之間加入了旋轉折疊結構，目的是增加下撐桿的折疊功能；另外，其主撐桿沿用了普通的H型桿件，桿件中上部的橫軸主要用于桌椅一體時的連接支撐之用，桿下部有兩個突出的限位部分，作為下撐桿展開時的死點定位，主撐桿的左側圓桿為桌面調高裝置的外作用桿；對于調高桿，其上設計一列分布均勻的小孔，用于鎖緊裝置的限位和鎖定，由于整個桌面只有一根桿支撐，整個桌面和桌面撐桿是可以沿著調高桿（空間z軸）旋轉的；桌面撐桿采用懸臂支撐，它和調高桿之間采用旋轉結合，彈簧銷定位；桌面撐桿上安裝了一個鎖緊裝置，用于在桌面板調節角度后的鎖定和緊固。這樣的設計實現了桌面高度可調、角度可調，桌面可水平旋轉和全折疊功能。其展開和折疊后的結構如圖2、圖3所示。

圖2 桌子單獨展開狀態

圖3 桌子單獨折疊狀態

2.2 椅子模塊設計

椅子模塊主要由以下幾部分組成，1）T型斜撐桿；2）調高機構；3）旋轉型后撐桿；4）椅面折疊機構和椅面板；5）靠背部分。下面說明每個構件的具體設計和功能。

1）T型斜撐桿。由方桿和圓桿焊接而成，方桿是椅子主要承力部件，其上方有一個接口，以便和桌子的中軸相連，中間部位有兩列均勻的小孔，用于調高機構的緊固和限位。

2）調高機構。由一個棘輪調高機構和緊固機構合成，前者用于椅子面板的上下高度調節，后者則用于相應位置的緊固。

3）旋轉型后撐桿。由可折疊的桿和起固定作用的套筒組成；這是一個多用途的部件，當可折疊桿展開到一條直線上，用套筒緊固成一根桿時，它就可旋轉到椅子下方，作為椅子的后撐桿；當桌椅一體時，可以將后撐桿旋轉上來，再折疊成椅子的扶手；如果使用者覺得扶手使用不方便，可以將扶手隱藏起來。

4）椅面折疊機構和椅面板。椅面折疊機構和調高機構通過一個短軸相連，在不影響調高的情況下還可以將椅面整個折疊起來，相對于普通的折疊椅還要更節省空間，椅面板和下面的椅架也是通過一個豎直的軸連接的，這樣椅面板就可以向左或向右旋轉90°，這樣使用時的自由度也就更大。

5）靠背部分。靠背是通過一根U型桿件連接到調高部件上的，可以隨著椅面板的高度調節而上下運動，同時靠背后面的桿件也可以進行獨立的上下調節和向側面旋轉，相應的連接部分也加入了緊固機構。同時，整個靠背部分可以直接旋轉到椅子的前面，這樣靠背就可以當做了一個簡易桌子使用，同時靠背斜度也是可以調節的。

通過這樣的設計實現了靠背在后當普通單獨椅子使用，或者靠背置于前當小桌面使用兩種功能。其具體結構見圖 4、圖 5。

圖4 椅子單獨展開狀態

圖5 靠背轉為簡易桌子狀態

圖6 一體式桌椅全折疊狀態

2.3 一體化桌椅的折疊設計

普通的一體式桌椅大多是不可折疊的，當不使用時很浪費空間，且功能單一。本設計方案的一體式桌椅能實現將所有部分均折疊到主撐架部分，更加節省空間，折疊后狀態見圖6。

3結語

在CATIA建模環境下，應用模塊化設計使一體式桌椅結構既節省空間，又功能齊全，桌椅的單獨使用功能可與其他普通桌椅相媲美；一物多用的思想既簡化了結構，又增加了功能。解決了一體式桌椅不易存放的問題。

［1］ 濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2013.

［2］ 張春林.機械創新設計［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［3］ 詹熙達.CATIA V5R20快速入門教程［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［4］ 張云杰，喬建軍.CATIA V5-6 R2013中文版基礎教程［M］.北京：清華大學出版社，2014.