陸天龍，馬澤飛，王睿鵬，向　楠，劉　棟北方民族大學(xué)，寧夏銀川　750021

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切片機(jī)CAD/CAE/CAM一體化設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)的應(yīng)用

陸天龍，馬澤飛，王睿鵬，向楠，劉棟
北方民族大學(xué)，寧夏銀川750021

摘要計(jì)算機(jī)技術(shù)在我國(guó)工業(yè)起到了不可替代的作用，本文通過(guò)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD三維軟件對(duì)切片機(jī)的整體設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助工程CAE對(duì)切片機(jī)主要零件進(jìn)行分析，計(jì)算機(jī)輔助制造CAM對(duì)切片機(jī)零件進(jìn)行模擬數(shù)控加工，通過(guò)一整套的計(jì)算機(jī)模擬、分析減少了實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)材料的浪費(fèi)。利用3D打印技術(shù)打印出切片機(jī)精密度高的零件。最后對(duì)各零部件進(jìn)行再次檢查，若滿足安全使用、生產(chǎn)要求，產(chǎn)品將投入生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞切片機(jī)；CAD/CAE/CAM；3D打?。荒M

切片機(jī)是在生活中占有很大比例的機(jī)械產(chǎn)品，如：食品切片機(jī)、蔬菜切片機(jī)、藥理切片機(jī)、工業(yè)切片機(jī)等。但是，這些切片類機(jī)器主要應(yīng)用在企業(yè)工廠、學(xué)校食堂和手工作坊等一些需求量比較大的場(chǎng)合。在家庭中使用存在著體積大、移動(dòng)不方便、耗電多、成本大、不易操作、功能單一等缺點(diǎn)。本文中介紹的切片機(jī)，在設(shè)計(jì)上考慮到產(chǎn)品裝配和維修的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題、怎么提高了精度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人機(jī)學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。該作品其具有有體積小、移動(dòng)方便、低耗能、操作方便、機(jī)械傳動(dòng)節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)，很好的解決在家庭中使用的受限的問(wèn)題。

利用計(jì)算機(jī)虛擬模擬該產(chǎn)品加工、受力情況可以知道產(chǎn)品的不足以及加工過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)改正，減少生產(chǎn)的廢品率。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

家用式切片機(jī)采用全有機(jī)玻璃做外殼，造型美觀，易清理，無(wú)毒無(wú)害，切片機(jī)主要由電機(jī)、減速器、切片機(jī)構(gòu)、自動(dòng)輸出料機(jī)構(gòu)、機(jī)座等組成，如圖1所示。

圖1　切片機(jī)的CAD的三維建模

電機(jī)和減速器通過(guò)聯(lián)軸器連接，通過(guò)主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪間的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)切刀的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)切片機(jī)的功能，切刀與減速器之間通過(guò)簡(jiǎn)單的連桿機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)了切刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，本文所設(shè)計(jì)的蔬菜切片機(jī)所滿足的要求如下：

1）若蔬菜的種類不同，采用調(diào)節(jié)裝置，改變刀片的傾角，實(shí)現(xiàn)切片時(shí)的長(zhǎng)度、厚度切片工作速度約60 次/min。

2）切片機(jī)在家庭中使用，操作使用方便，所以必須選用機(jī)構(gòu)、簡(jiǎn)單、輕便。

3）切片機(jī)在使用時(shí)須保證切片大小，厚度的統(tǒng)一。

4）必須保證使用者的人身安全以及周圍環(huán)境不受切片機(jī)工作影響。

2　主要部件的CAD三維造型及CAE有限元分析

2.1齒輪

齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用功率、速度和尺寸范圍大，所以齒輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械產(chǎn)品中的使用非常廣泛，為了使切片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定從而設(shè)計(jì)減速器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求，通過(guò)相關(guān)的計(jì)算得到減速器上齒輪的參數(shù)，然后再通過(guò)CAD三維軟件繪制出齒輪后，再利用CAM軟件對(duì)齒輪、最后和其他的零件進(jìn)行裝配，得到減速器。

齒輪的計(jì)算：

齒頂高：ha=ha*m

齒根高：hf=（ha*+c*）m

分度圓直徑：d=mz

基圓直徑：db=dcosα

齒頂圓直徑：da=d+2ha

齒根圓直徑；df=d-2hf

齒距：p=πm

2.2對(duì)刀片進(jìn)行有限元分析

首先將該刀片和CAE軟件關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建有限元模型。然后對(duì)刀片設(shè)計(jì)約束條件并施加載荷。接下來(lái)進(jìn)行計(jì)算求解及相關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并在特殊情況下進(jìn)行求解。最后對(duì)該材料的刀片強(qiáng)度進(jìn)行校核。

3　零部件的3D打印

3D打印即快速成型現(xiàn)代技術(shù)之一，它以數(shù)字模型文件作為基礎(chǔ)，現(xiàn)在只能運(yùn)用一些粉末狀金屬或塑料等可粘合的材料進(jìn)行打印，然后采用逐層打印、堆積的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域

被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的單件小批量、不易直接加工的產(chǎn)品進(jìn)行直接制造，但3D打印費(fèi)用較高，在生產(chǎn)過(guò)程中還是受到限制。本實(shí)驗(yàn)只對(duì)切片機(jī)的主要零部件進(jìn)行3D打印。

4　CAM及數(shù)控加工

CAM計(jì)算機(jī)輔助制造的核心是數(shù)控。數(shù)控技術(shù)也是計(jì)算機(jī)快速發(fā)展在工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)物。數(shù)控的核心是用計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)加工過(guò)程中的信息進(jìn)行處理和控制，從而實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化?，F(xiàn)階段我國(guó)的數(shù)控技術(shù)與國(guó)外仍有很大的差距，主要表現(xiàn)在精確度、穩(wěn)定性、可靠性等差距?，F(xiàn)代工業(yè)革命德國(guó)工業(yè)4.0和中國(guó)工業(yè)2025很大程度上都對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。平時(shí)在使用數(shù)控加工切片機(jī)工件時(shí)大致分為以下階段：1）明確一個(gè)數(shù)控加工的方案，對(duì)加工的方式進(jìn)行大致設(shè)計(jì)；2）進(jìn)行工藝處理，用CAM數(shù)控加工切片機(jī)零部件時(shí)，注意使用合理的數(shù)控加工工藝從而保證工件的合格率。例如，為了維護(hù)數(shù)控機(jī)床，先用傳統(tǒng)機(jī)床進(jìn)行粗加工，再用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精加工，這樣不但方維護(hù)了數(shù)控機(jī)床的精度，同時(shí)也保證了零部件的加工精度；3）進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)坐標(biāo)處理，該步驟影響了工件的加工精度，所以必須嚴(yán)肅對(duì)待；4）計(jì)算各種刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡信息；5）根據(jù)不同的數(shù)控機(jī)床，使用不同介質(zhì)，并對(duì)相應(yīng)的程序步驟進(jìn)行檢查。

5　結(jié)論

1）通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工具對(duì)切片機(jī)的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)裝配和模擬加工，避免問(wèn)題的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)速率、降低了產(chǎn)品研發(fā)成本；2）通過(guò)CAD三維軟件的裝配功能可以知道切片機(jī)設(shè)計(jì)的可行性，CAE有限元分析功能解決了主要零件受力情況，通過(guò)3D打印技術(shù)打印出主要零部件。CAM對(duì)切片機(jī)零件進(jìn)行模擬數(shù)控加工減少工件材料和能源的消耗，從而可以降低成本。

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中圖分類號(hào)G2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1674-6708（2016）165-0118-01