沈華英，馮明佳，丁偉東，明　哲

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林　132101)

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基于CATIA滅茬起壟機(jī)的螺旋板曲面實(shí)體建模

沈華英，馮明佳，丁偉東，明哲

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林132101)

摘要：針對(duì)我國(guó)東北地區(qū)玉米作物種植前需要將根茬粉碎還田，現(xiàn)有耕整機(jī)滅茬刀輥僅能滅茬不能起壟等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了滅茬起壟機(jī)。該機(jī)采用在螺旋形刀盤上安裝刀片的螺旋形刀輥，可以實(shí)現(xiàn)滅茬起壟作業(yè)同時(shí)完成。主要采用CATIA V5軟件，對(duì)滅茬起壟機(jī)的螺旋形刀輥的螺旋板刀盤進(jìn)行三維建模，詳細(xì)介紹了其建模過(guò)程及使用CATIA軟件的優(yōu)點(diǎn)，在縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本方面具有指導(dǎo)意義。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)具作業(yè)質(zhì)量符合農(nóng)藝要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，為東北地區(qū)玉米根茬粉碎還田及起壟播種玉米提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：滅茬起壟機(jī)；CATIA；螺旋板；三維建模

0引言

滅茬起壟是保護(hù)性耕作的重要環(huán)節(jié)，滅茬起壟機(jī)作為作物根茬粉碎還田的主要機(jī)具，在我國(guó)廣泛使用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)耕整機(jī)的研究報(bào)道有很多，其中的耕整機(jī)都是由碎茬、起壟兩個(gè)機(jī)具組成，雖然能夠順利完成滅茬和起壟作業(yè)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作效率低下，而僅僅依靠一個(gè)主要部件就可以同時(shí)完成這兩項(xiàng)作業(yè)的耕整機(jī)還沒(méi)有研究報(bào)道。此次研究的滅茬和起壟同時(shí)完成的機(jī)具關(guān)鍵部件是一個(gè)螺旋形刀輥，一次作業(yè)即可同時(shí)完成碎茬、起壟及壟型修復(fù)等作業(yè)[1]，螺旋板就是此刀輥的重要組成部分。對(duì)于螺旋板的設(shè)計(jì)建模是至關(guān)重要的一步，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)[2]。CATIA系統(tǒng)是法國(guó)達(dá)索 (Dassault)飛機(jī)公司Dassault Systems工程部開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品[3]，具有統(tǒng)一的用戶界面、數(shù)據(jù)管理及兼容的數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用程序接口。目前，使用較多的CAD/CAM 軟件基本上都具有參數(shù)化建模功能，但有些還仍然需要通過(guò)軟件接口進(jìn)行編程加以完成，要求開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該有一定水平的編程能力; 有些還無(wú)法實(shí)現(xiàn)可視化操作，需要設(shè)計(jì)研究人員對(duì)軟件的有關(guān)命令和操作能夠熟練掌握。CATIA V5的可視化工具能使設(shè)計(jì)人員在可視化的環(huán)境下，高速、高效地完成三維建模工作[4-5]。

利用CATIA軟件能夠成功建模機(jī)械零件，并將各部零件組裝為虛擬樣機(jī)，且可實(shí)現(xiàn)機(jī)械內(nèi)部基本傳動(dòng)和虛擬環(huán)境作業(yè),從而減少研發(fā)成本、提高研發(fā)效率。

1機(jī)器設(shè)計(jì)要求

1)現(xiàn)有滅茬機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，機(jī)器需要多次重復(fù)進(jìn)地工作，不能實(shí)現(xiàn)“碎茬、起壟、壟型修理”等組合作業(yè)，對(duì)于實(shí)施保護(hù)性耕作不利。

2)在不破壞土地表面具有的營(yíng)養(yǎng)土前提下，盡量適應(yīng)農(nóng)作物良好生長(zhǎng)發(fā)育的農(nóng)藝要求，使土壤耕作層的厚度增加，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供必要的營(yíng)養(yǎng)、熱量和水分。

3)保證農(nóng)作物的播種位置土壤密實(shí)，利于保墑、種子發(fā)芽，使覆蓋種子的土層盡量松軟，利于透水、透氣，并能促進(jìn)農(nóng)作物的發(fā)芽和出苗。

2機(jī)器研究設(shè)計(jì)方法

滅茬起壟機(jī)的研究設(shè)計(jì)遵照農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝緊密結(jié)合的方針，嚴(yán)格按保護(hù)性耕作技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)制造，并遵循實(shí)驗(yàn)室研究與田間試驗(yàn)緊密結(jié)合、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)示范緊密結(jié)合的原則。利用CATIA、SolidWorks等三維建模軟件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室及計(jì)算機(jī)對(duì)關(guān)鍵部件和機(jī)構(gòu)的性能與參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有助于產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)及產(chǎn)品加工等。同時(shí)，可綜合工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、功能仿真和加工制造等功能，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間與流程。耕整機(jī)的研究方案包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究、樣機(jī)試制及田間考核4個(gè)階段。其中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)容分為部件研究、整機(jī)設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)和定型設(shè)計(jì)4個(gè)階段，通過(guò)吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械創(chuàng)新工廠完成機(jī)器主要零部件加工制造及樣機(jī)試制，通過(guò)田間試驗(yàn)分析提出進(jìn)一步改進(jìn)的措施，對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)并試制。

3機(jī)器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1主要技術(shù)參數(shù)

外形尺寸/mm：1 100×600×750

滅茬深度/mm：230

旋耕深度/mm：280

起壟高度/mm：250

滅茬破碎率/%：98

3.2工作原理

滅茬起壟機(jī)主要由牽引連接裝置、機(jī)架、旋轉(zhuǎn)軸、離合器、螺旋形刀輥、壟溝梳理器、變速箱、分土控制板、刀片、定位輪、調(diào)節(jié)螺栓、機(jī)蓋、定位輪調(diào)節(jié)手柄及升降裝置等組成，如圖1所示。

1.牽引座　2.機(jī)架　3.刀輥　4.刀片

滅茬起壟機(jī)基本工作原理：機(jī)具工作時(shí)，通過(guò)與牽引連接座與手扶拖拉機(jī)相連，機(jī)架上安裝有離合器和變速箱，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸與變速箱的輸入軸通過(guò)離合器連接；機(jī)架的中部安裝刀輥的旋轉(zhuǎn)軸，并連接變速箱的輸出軸上，在滅茬起壟刀輥總成旋轉(zhuǎn)作用下，完成碎茬和起壟作業(yè)；通過(guò)機(jī)器上分土控制板和調(diào)節(jié)螺栓可以控制壟的寬度，依靠螺旋形刀輥后端壟溝梳理器修正壟的形狀。

4螺旋板建模過(guò)程

4.1建立平面和草繪

1)打開(kāi)CATIA V5，進(jìn)入“線框和曲面設(shè)計(jì)”命名“螺旋板”。

2)建立4個(gè)平面分別相對(duì)XY平面偏移85、85、42.5、42.5mm，把這4個(gè)平面分別命名為平面1到平面4；再相對(duì)剛建立的平面1偏移42.5mm的距離建立平面5，相對(duì)平面2偏移42.5mm建立平面6。

3)進(jìn)入草繪界面，繪制點(diǎn)，分別進(jìn)入剛剛建立的6個(gè)平面及平面XY繪制點(diǎn)。

4.2繪制樣條曲線與掃掠

圖2　樣條曲線1定義

圖3　樣條曲線2定義

圖4　樣條曲線3定義

圖5　樣條曲線4定義

圖6　掃掠定義

圖7　完成后形體

4.3建立加強(qiáng)筋刀片安裝孔及開(kāi)槽

圖8　旋轉(zhuǎn)定義

圖9　旋轉(zhuǎn)槽定義

圖10　加強(qiáng)筋和安裝孔

4.4螺旋形刀輥組成

螺旋形刀輥主要由軸套(內(nèi)六角)、螺旋板、和刀片3部分組成。其中，螺旋板是刀輥的核心零件，也是滅茬起壟機(jī)的創(chuàng)新之處，其結(jié)構(gòu)示意圖和照片如圖13～圖14所示。

圖11　開(kāi)槽定義

圖12　螺旋板三維模型

圖13　螺旋型刀輥示意圖

圖14　螺旋型刀輥實(shí)物照片

5結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用CATIA軟件對(duì)滅茬起壟耕整機(jī)進(jìn)行螺旋板零件的三維實(shí)體建模，大大提高了機(jī)器的研發(fā)速度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量得到明顯提高，降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]明哲,權(quán)世華.基于CATIA的滅茬起壟機(jī)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014(10):23-25.

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[3]丁任亮.CATIA V5基礎(chǔ)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007:214-257.

[4]尤春風(fēng).CATIA V5機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2002:30-33.

[5]單巖,謝龍漢. CATIA V5機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2004:111-125.

Based on CATIA Stubble Ridging Machine of the Spiral Plate Surface Entity Modeling

Shen Huaying， Feng Mingjia， Ding Weidong， Ming Zhe

(Jilin Agricultural Science and Technology University，Jilin 132101, China)

Abstract：Northeast China before the corn crop is grown in China need to root returning stubble crushing, existing tillage machine roller can only stubble stubble cleaning the knife, not ridging, stubble ridging machine was designed and developed. Installed on the machine USES the spiral cutter blade spiral knife roller, depending on whether the device can realize stubble ridging homework done at the same time. CATIA V5 software, this article USES the stubble ridging machine spiral knife roller screw BanDao plate with 3 d modeling, detailed introduced the modeling process and the advantages of using CATIA software, in a shortened the production cycle, improve product quality and reduced has the guiding significance to the low cost of products. The field experiment results show that the machine operating quality conforms to the agronomic requirements,machine structure design is reasonable, the returning of the northeast corn root crop crushing, ridging planting corn provides the technical support.

Key words：stubble ridging machine; CATIA; spiral plate; 3D solid modeling

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0034-05

中圖分類號(hào)：S222.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：沈華英(1994-)，男，江西九江人，本科學(xué)生，(E-mail)86710849@qq.com。通訊作者：馮明佳(1987-)，女，黑龍江佳木斯人，助教，碩士。

基金項(xiàng)目：吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2015]第369號(hào))；吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(201424006)；吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院種子基金項(xiàng)目(吉農(nóng)院合字[2014]第Z06號(hào))；吉林省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2014)

收稿日期：2015-04-30