13板鲁班锁Millenium的运动仿真解析之：建模篇

muoubear*

首先我们进入到13板鲁班锁的原网址：

http://puzzlewillbeplayed.com/13BoardBurr/Millenium/solution.html

可以看出，13板锁零件分别用A到M，13个字母进行标识，有3种规格大小，分别是11*11，13*9，11*9，最终拼合的目标尺寸为13*11*11，网站上面给出的字母矩阵图，可以理解为目标成品的等高层矩阵组，从低到高一共11层，在某一个高度上面属于那块板锁的单元就显示该板锁的字母，为空则显示为•，这个矩阵组很有用处，我们不仅可以从矩阵组获得这13个零件的外形图，还能知道各个零件在目标成品上的具体位置。

学过工程图的朋友对俯视图，主视图和左视图这三个基本视图应该都不会陌生，这个矩阵组的每一层显示一个俯视图，矩阵由低到高排列，一共11个俯视图，将这些矩阵导入到Excel，用函数进行简单处理，同样可以得到主视图组和左视图组，有了三视图组就可以清晰的看出每一层的内部结构，除去第1层和最后1层，从奇数层可以直观的看出板锁零件的外形尺寸，如下图1所示。

图1 13板锁在Excel中的三视图组

接下来就需要构思如何去建模，最早做12板锁的时候，我采用的是自下而上的方式，先做出12板锁的零件，每个零件都做到参数化，通过更改表达式的值，使得零件重新建模，达到不同板厚零件的设计要求，但是弊端是在装配体中，需要逐一更改每一个零件的表达式，才能将成品更改成需要的板厚。

本次13板锁建模使用ug的wave链接模式，采用自顶向下的设计思路，即先给出装配体Millenium，然后在装配体Millenium下面创建13板零件A至M，装配体Millenium提供基准单元块，即板锁零件的板厚，A至M零件的建模采用wave链接的方式使用基准单元块进行零件设计，这样的好处，就是可以在装配体Millenium中更改一次表达式，A至M零件的尺寸因为链接的关系，都会进行更改，自顶向下的设计模式，可以极大的减少不必要的重复性工作。

ug中装配体文件和模型零件文件没有区别，后缀名都是.prt，新建模型文件Millenium.prt，建立表达式cell=8mm（本次13板锁实物板厚尺寸），创建一个长宽高为cell的立方块，这个就是基准单元块。

ABCD规格尺寸11*11，EFGH规格尺寸13*9，IJKLM规格尺寸11*9，从Excel上的视图可以看出，同一规格的板锁零件位于同一视图的不同层上，同规格板锁外形也有很多相似之处，为了每个零件建模时候更方便的使用wave链接，减少工作量，在Millenium中的三个视图方向上，通过阵列基准单元块，建立相应规格尺寸的基准板，再将多余的单位块放置到不显示的图层上面，如图所示。

图2 ABCD基准板（俯视图）

图3 EFGH基准板（主视图）

图4 IJKLM基准板（左视图）

三视图基准板建立完成之后，再将三视图基准板分别放置在不同的图层上，建立零件wave链接的时候方便进行选择，切换到Millenium的装配导航条，通过菜单-装配-组件-新建组件，不做任何对象的选择并进行确定，建立A至M的空模型文件。

双击组件A，此时组件A为工作部件，视图切换到俯视，将ABCD基准板显示出来，菜单-插入-关联复制-WAVE几何链接器，根据A零件的形状，选取需要的单元块，完成组件A的建模任务。同理可以建立B、C、D零件。需要注意的是，WAVE几何链接器对话框的设为与位置无关的选项默认没有勾选，这里需要勾选上，图5红色框所示，否则后期在Millenium的装配环境中，无法对这些组件进行移动和添加约束的操作。

图5 勾选设为与位置无关选项

其他两个视图的零件也是一样的步骤，通过上述操作，我们就建立了A至M，13个板锁的零件模型，每个零件模型都间接跟基准单元块进行了关联，通过更改Millenium的基准单元块的cell表达式的值，就可以全局改变所有板锁零件的模型尺寸。

接下来在Millenium装配导航下再新建一个指示器新组件，同样采用WAVE几何链接器的方式，使零件与基准单元块产生关联。做完关联后，建立图6所示的草图，即指示器的4位7段码，每一小段直线为一个显示码，尺寸标注采用表达式的方式，做到参数化，这样更改模型尺寸后，指示器的尺寸也等比例进行更新。对数显码外围的矩形进行对称拉伸cell厚度，将数显码隐藏在实体块中，仿真的时候，让需要显示出来的数显码沿着拉伸方向移动cell，然后我们就可以从这个块的表面看到显示出来的数字了。

图6 指示器草图

借助刺果软件，或者用Excel三视图组，通过移动，约束就可以对13板锁零件进行装配，为运动仿真做好准备。

13板锁有两种解法，不同的解法，零件装配后在空间的位置就不一样，图7，图8分别显示的是解法1，解法2的拼合后板锁的空间位置情况，如果板锁需要加工，也需要出工程图，需要将13板零件平铺在一个视图中，顺带做好排料，方便下料。也就是说要完成以上要求，我们需要三个装配体，很显然，这三个装配体的组件完全相同。

图7 解法1板锁零件空间分布情况

图8 解法2板锁零件空间分布情况

通过UG提供的约束组和约束抑制功能，可以让我们同时拥有多个装配体，每一个装配体的约束条件放在一个组里，将要显示出来的装配体约束激活（取消抑制），此时其他的约束组则处于抑制，就能很好的解决不同装配体组件位置排列的需求。图9，10，11分别显示为解法1，解法2，布料平铺图。

图9 解法1约束组激活

图10 解法2约束组激活

图11 布料平铺图约束组激活

muoubear*

做仿真运动，我们可以从装配导航器可以找出每个零件的标识，但是做成仿真动图，别人并不知道动图上的零件哪个是哪个，就需要对装配好的板子做上标识，为了运动仿真部分视图显示需要，对两种解法分别新建装配组件，WAVE几何链接器的方式，抽取零件的边，进行字母标识，最终效果如图12，13所示。

图12 解法1各组件的字母标识

图13 解法2各组件的字母标识

板锁的建模基本上完成，仿真的时候需要用到辅助连杆，这部分也是属于建模内容，但是因运动仿真的需要而建立，所以这部分的建模放在仿真篇进行讲述，因为仿真部分的内容也较多，本篇就只讲建模部分，仿真部分下一篇文章中进行解析。

流星画雨*

看了链接的网址，这个13板的真太复杂，居然被楼主研究得这么透彻，真是不容易！我没有这个耐心和毅力去研究这么个复杂的东西，所以，希望能看到少点的，如7板的或10板的有没有？另外，这个显示器我倒是觉得非常新奇，能仿真出来。对于这个原理现在也只是略知一、二，要怎么做个电子显示器，还需要哪些步骤，还不知道。望楼主单独做一个液晶显示屏出来，显示时间，让大家欣赏欣赏！如果这个能做了，扩展延展开来，那就可以做许多事了！比如，可以做动画片了。

muoubear*

流星画雨* 发表于 2019-1-13 21:19
看了链接的网址，这个13板的真太复杂，居然被楼主研究得这么透彻，真是不容易！我没有这个耐心和毅力去研究 ...

这类型的板锁，有3，6，9，12，13这几种形式，13板只有一种，拼合也最复杂，仿真的话，步骤都是一样的，其他板锁就是连杆，运动副，函数相对少一点，你说的显示器，就是7段数显码，这个我在论坛也发的有帖子，你可以搜一下，仿真原理，我在本篇也讲了，就是用Excel对0到9的数字进行编码，为1显示出来就是数字，为0就保持不动，隐藏在实体中。再用Excel对需要显示的数字进行显示编码，用step函数控制那些需要变动的段就可以了。仿真部分我明天抽空从公众号贴到论坛，你也可以去我的公众号看，留言给我，源文件可以分享给你。

wuyufeng*

谢谢楼主分享

Lynil

感觉自己跟小白一样，看不下去了

嘻哈屠龙*

我竟目瞪口呆。高手，真是高手！

流星画雨*

muoubear* 发表于 2019-1-13 21:56
这类型的板锁，有3，6，9，12，13这几种形式，13板只有一种，拼合也最复杂，仿真的话，步骤都是一样的， ...

好的，能得到您的指导，乃是我最大的荣幸！就是太麻烦您了！我的QQ是：2592350545.

YANQH80

真是不容易！