基于CATIA的一体式折叠桌椅设计

张志森， 曾强， 魏巍

（四川文理学院物理与机电工程学院，四川达州635000）

0 引言

一体化桌椅是集桌子和椅子为一体的集成化产品，因其造型简洁、成本低廉、节省空间，可普遍运用在教室、讲堂等教学场所或者用于旅行。随着经济的发展，人们对一体式桌椅的关注度也在不断地提升，但有些一体式桌椅明显存在一定的弊端，如功能单一、结构固定、不易于存放等。本文应用计算机辅助设计技术，在CATIA环境下，进行新型一体化折叠桌椅设计，完成了运动仿真分析，实现了一体化桌椅的虚拟设计过程。

随着计算机技术的发展，计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用，并出现了许多高效率的设计、分析软件。利用这些软件可以在设计阶段进行多方案的对比，可以对不同的包括大型和很复杂的方案的结构强度、刚度和动力学特性进行精确的分析。同时还可以在计算机上构建虚拟样机，利用虚拟样机仿真对设计进行验证，从而实现在设计阶段充分评估设计的可行性。可以说，计算机技术在机械设计中的推广使用已经并正在改变机械设计的进程，它在提高设计质量和效率方面的优势是难以预估的［1］。

1 CATIA软件建模与仿真环境

CATIA是法国达索系统公司与美国IBM公司联合开发的工程应用软件，集自动化设计、制造工程分析于一体，应用在机械制造与工程设计领域。它具有原理图设计、三维设计、结构设计、运动模拟、有限元分析、交互式图形接口、多模块接口、实体几何、高级曲面、绘图、形象设计、数控加工等多项功能。特别是采用1～15次Bezier曲线、曲面和非均匀有理B样条计算方法，具有很强的三维复杂曲面造型和加工编程能力［2］。

图1 一体式桌椅总装配图

2 一体化桌椅整体方案设计

本设计采用模块化设计思想，完成一体式桌椅设计。该一体式桌椅由两大模块组合而成，一个是椅子模块，另一个是桌子模块。两个模块各自的功能相互独立，互不影响。通过中轴将两模块连接在一起，即形成可折叠式一体化桌椅；同时，各模块也可以独立使用，拆装方便。其设计总装配图如图1所示。

2.1 桌子模块设计

桌子模块的特点是在下撑杆和主撑杆之间采用销键连接，杆与杆之间加入了旋转折叠结构，目的是增加下撑杆的折叠功能；另外，其主撑杆沿用了普通的H型杆件，杆件中上部的横轴主要用于桌椅一体时的连接支撑之用，杆下部有两个突出的限位部分，作为下撑杆展开时的死点定位，主撑杆的左侧圆杆为桌面调高装置的外作用杆；对于调高杆，其上设计一列分布均匀的小孔，用于锁紧装置的限位和锁定，由于整个桌面只有一根杆支撑，整个桌面和桌面撑杆是可以沿着调高杆（空间z轴）旋转的；桌面撑杆采用悬臂支撑，它和调高杆之间采用旋转结合，弹簧销定位；桌面撑杆上安装了一个锁紧装置，用于在桌面板调节角度后的锁定和紧固。这样的设计实现了桌面高度可调、角度可调，桌面可水平旋转和全折叠功能。其展开和折叠后的结构如图2、图3所示。

图2 桌子单独展开状态

图3 桌子单独折叠状态

2.2 椅子模块设计

椅子模块主要由以下几部分组成，1）T型斜撑杆；2）调高机构；3）旋转型后撑杆；4）椅面折叠机构和椅面板；5）靠背部分。下面说明每个构件的具体设计和功能。

1）T型斜撑杆。由方杆和圆杆焊接而成，方杆是椅子主要承力部件，其上方有一个接口，以便和桌子的中轴相连，中间部位有两列均匀的小孔，用于调高机构的紧固和限位。

2）调高机构。由一个棘轮调高机构和紧固机构合成，前者用于椅子面板的上下高度调节，后者则用于相应位置的紧固。

3）旋转型后撑杆。由可折叠的杆和起固定作用的套筒组成；这是一个多用途的部件，当可折叠杆展开到一条直线上，用套筒紧固成一根杆时，它就可旋转到椅子下方，作为椅子的后撑杆；当桌椅一体时，可以将后撑杆旋转上来，再折叠成椅子的扶手；如果使用者觉得扶手使用不方便，可以将扶手隐藏起来。

4）椅面折叠机构和椅面板。椅面折叠机构和调高机构通过一个短轴相连，在不影响调高的情况下还可以将椅面整个折叠起来，相对于普通的折叠椅还要更节省空间，椅面板和下面的椅架也是通过一个竖直的轴连接的，这样椅面板就可以向左或向右旋转90°，这样使用时的自由度也就更大。

5）靠背部分。靠背是通过一根U型杆件连接到调高部件上的，可以随着椅面板的高度调节而上下运动，同时靠背后面的杆件也可以进行独立的上下调节和向侧面旋转，相应的连接部分也加入了紧固机构。同时，整个靠背部分可以直接旋转到椅子的前面，这样靠背就可以当做了一个简易桌子使用，同时靠背斜度也是可以调节的。

通过这样的设计实现了靠背在后当普通单独椅子使用，或者靠背置于前当小桌面使用两种功能。其具体结构见图 4、图 5。

图4 椅子单独展开状态

图5 靠背转为简易桌子状态

图6 一体式桌椅全折叠状态

2.3 一体化桌椅的折叠设计

普通的一体式桌椅大多是不可折叠的，当不使用时很浪费空间，且功能单一。本设计方案的一体式桌椅能实现将所有部分均折叠到主撑架部分，更加节省空间，折叠后状态见图6。

3结语

在CATIA建模环境下，应用模块化设计使一体式桌椅结构既节省空间，又功能齐全，桌椅的单独使用功能可与其他普通桌椅相媲美；一物多用的思想既简化了结构，又增加了功能。解决了一体式桌椅不易存放的问题。

［1］ 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2013.

［2］ 张春林.机械创新设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］ 詹熙达.CATIA V5R20快速入门教程［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［4］ 张云杰，乔建军.CATIA V5-6 R2013中文版基础教程［M］.北京：清华大学出版社，2014.