賈畢清+韓綠化

摘要：SolidWorks軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有強(qiáng)大功能。利用SolidWorks軟件對(duì)新型取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模、仿真分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械新產(chǎn)品進(jìn)行物理建模、裝配，并進(jìn)一步通過(guò)仿真試驗(yàn)比較、驗(yàn)證了模型參數(shù)，從而預(yù)知新機(jī)構(gòu)的性能，大大提高了設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新能力。這為農(nóng)業(yè)機(jī)械裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了新的可能性。

關(guān)鍵詞：SolidWorks軟件；零件設(shè)計(jì)；裝配設(shè)計(jì)；虛擬仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2017）06-0012-03

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)需要為每一特定的情況制造出與之相適應(yīng)的機(jī)械。機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)為解決問(wèn)題找到了通行的方法，為農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了可實(shí)現(xiàn)的工具和路徑。在所設(shè)計(jì)的新型農(nóng)業(yè)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，由于沒(méi)有得到制造、裝配，特別是樣機(jī)虛擬試驗(yàn)的驗(yàn)證，存在著許多不合理的設(shè)計(jì)，甚至是錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)，這些不當(dāng)之處很難被發(fā)現(xiàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬制造和運(yùn)動(dòng)仿真在新產(chǎn)品研發(fā)中得以應(yīng)用，從而大大縮短了試制周期，降低了生產(chǎn)成本。將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，不僅能夠模擬農(nóng)業(yè)機(jī)械的功能、結(jié)構(gòu)，還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)的樣機(jī)缺陷，然后做出相應(yīng)的改進(jìn)，有效地在設(shè)計(jì)之初完善農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方案。本研究以SolidWorks軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)移栽機(jī)新型取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以驗(yàn)證該軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的強(qiáng)大功能。

1 SolidWorks軟件及其主要技術(shù)特征

SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，其具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。在零件設(shè)計(jì)中，該軟件支持參數(shù)驅(qū)動(dòng)，可以隨意更改設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；零部件與工程圖之間以及零部件與裝配圖之間的參數(shù)更新完全同步；具有強(qiáng)大的復(fù)雜曲面造型能力，能輕松設(shè)計(jì)出表面形狀復(fù)雜的曲面零件。同時(shí)，可以通過(guò)三維裝配設(shè)計(jì)完善各零件之間的配合關(guān)系，還可以動(dòng)態(tài)地仿真出構(gòu)件間的傳動(dòng)關(guān)系，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。另外，其二次開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大，可與各種語(yǔ)言對(duì)接，實(shí)現(xiàn)圖形與語(yǔ)言的函數(shù)結(jié)合；操作界面人性化，迎合人的思維習(xí)慣，易于學(xué)習(xí)。

2 新型取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)規(guī)劃

所設(shè)計(jì)的取苗機(jī)構(gòu)由凸輪擺桿機(jī)構(gòu)、雙擺桿機(jī)構(gòu)、擺桿滑塊機(jī)構(gòu)經(jīng)Ⅰ型串聯(lián)組合而成（如圖1所示）。其中，擺桿滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊往復(fù)移動(dòng)導(dǎo)軌為曲線(xiàn)導(dǎo)軌，形狀如“L”型，取苗段為直線(xiàn)段，實(shí)現(xiàn)垂直取苗；投苗段為圓弧段，用來(lái)調(diào)整落苗姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)直立投苗；中間過(guò)渡段為連接圓弧，實(shí)現(xiàn)取苗與投苗光順連通。凸輪擺桿機(jī)構(gòu)為前置子機(jī)構(gòu)，用于改善后置子機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，可實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以適應(yīng)取苗和投苗零速度要求，即在取苗時(shí)保持靜止穩(wěn)定夾取，在投苗時(shí)保持安穩(wěn)釋放。中間子機(jī)構(gòu)為雙擺桿機(jī)構(gòu)，其將前置子機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性轉(zhuǎn)移到后置子機(jī)構(gòu)，并放大運(yùn)動(dòng)行程，增加工作空間。

在具體設(shè)計(jì)中，根據(jù)工作空間要求，確定桿組的基本尺寸；采用幾何規(guī)劃法，通過(guò)給定取苗爪末端運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)，反求出未知凸輪和導(dǎo)向槽的形狀尺寸。

2.2 零件設(shè)計(jì)

對(duì)取苗機(jī)構(gòu)建模，首先要繪制零件圖。使用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)零件，可以分為3種類(lèi)型，即標(biāo)準(zhǔn)幾何體、簡(jiǎn)單幾何體及復(fù)雜幾何體。標(biāo)準(zhǔn)幾何體如軸承、螺栓、螺母等，可以從Solidworks軟件“Toolbox”三維零件庫(kù)調(diào)用；簡(jiǎn)單幾何體如擺桿、連桿等，是在二維線(xiàn)框圖的基礎(chǔ)上，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除等命令實(shí)現(xiàn)的；復(fù)雜幾何體如導(dǎo)向槽等，是在簡(jiǎn)單幾何體的基礎(chǔ)上，通過(guò)凸臺(tái)、腔體、鏡像、抽殼等命令實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于凸輪等具有運(yùn)動(dòng)規(guī)律的零件，可以先繪制平面輪廓曲線(xiàn)，再用拉伸、掃描等命令生成幾何體。另外，在SolidWorks軟件“Toolbox”工具箱中包含“凸輪”命令項(xiàng)，能直接生成模型。對(duì)于簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪，可直接輸入運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)生成需要的輪廓曲線(xiàn)；復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可在Excel環(huán)境中生成凸輪輪廓的點(diǎn)坐標(biāo)信息，存成文本格式，再在SolidWorks環(huán)境中利用“通過(guò)XYZ點(diǎn)的曲線(xiàn)”生成凸輪輪廓曲線(xiàn)。

2.3 裝配設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)虛擬裝配是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配的過(guò)程。虛擬裝配的優(yōu)點(diǎn)是不需要生產(chǎn)出實(shí)際的產(chǎn)品，便可對(duì)其做出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。對(duì)取苗機(jī)構(gòu)采用自上向下裝配方法，直接在裝配模型中利用已有零件的點(diǎn)、邊線(xiàn)或面等幾何要素的相互關(guān)系與內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，定義零件相互位置和配合關(guān)系，及時(shí)修復(fù)因零件更改而出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤提示，使裝配模型的設(shè)計(jì)得到不斷的調(diào)整和優(yōu)化。

對(duì)軸—孔特征，約束同心、接觸、距離，保證零件之間轉(zhuǎn)動(dòng)連接關(guān)系；對(duì)零件之間相對(duì)位置保持不變的配合關(guān)系，可以用鎖定命令約束；對(duì)凸輪—滾子和導(dǎo)向滑槽中滾子裝配時(shí)，約束對(duì)齊、接觸特征。所設(shè)計(jì)的取苗機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 虛擬仿真分析

在使用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件建立取苗機(jī)構(gòu)的三維零件模型與裝配模型后，對(duì)模型添加質(zhì)量、密度等相關(guān)信息，使用Cosmosmotion模塊，對(duì)裝配模型施加部件之間的摩擦約束以及驅(qū)動(dòng)、重力等值，進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真分析。通過(guò)對(duì)取苗末端點(diǎn)跟蹤路徑，得到取苗機(jī)構(gòu)末端的工作軌跡，如圖3所示?？梢钥闯?，所設(shè)計(jì)的取苗機(jī)構(gòu)能夠垂直穴盤(pán)取苗，經(jīng)姿態(tài)調(diào)整后，以近似豎直方向直立投苗，以此檢驗(yàn)出所設(shè)計(jì)的取苗機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足工作要求。

針對(duì)感興趣的桿組，進(jìn)一步生成圖解結(jié)果，可以分析相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，提前預(yù)知機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)工作性能。例如：對(duì)取苗爪末端運(yùn)動(dòng)的水平速度求解，得到取苗過(guò)程中取苗爪末端速度變化曲線(xiàn)，如圖4所示。通過(guò)對(duì)比分析，該機(jī)構(gòu)在取苗和放苗點(diǎn)具有零速度特點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)使得取苗、放苗穩(wěn)定。

經(jīng)過(guò)一系列虛擬仿真試驗(yàn)后，可以清楚掌握所設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)設(shè)計(jì)方案可行性有了一定判斷，可以進(jìn)一步細(xì)化方案，使其符合加工制造需要。對(duì)虛擬仿真中有問(wèn)題的零件和裝配體，通過(guò)SolidWorks軟件模型修改，再進(jìn)行虛擬試驗(yàn)檢驗(yàn)，即可比較各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)的樣機(jī)缺陷，然后做出相應(yīng)的改進(jìn)，最終得到較為完善的設(shè)計(jì)模型。這樣借助于計(jì)算機(jī)完成農(nóng)業(yè)機(jī)械新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，能夠大大提高設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新能力。

4 結(jié)論

利用SolidWorks軟件對(duì)新型取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模、仿真分析，體現(xiàn)出該軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域的強(qiáng)大功能，為農(nóng)業(yè)機(jī)械裝置的研究設(shè)計(jì)提供了新的可能性。SolidWorks軟件不僅可以對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行物理建模、裝配，還能夠進(jìn)一步對(duì)其施加相當(dāng)實(shí)際工況的載荷作用，通過(guò)仿真試驗(yàn)比較、驗(yàn)證模型的參數(shù)來(lái)優(yōu)化物理模型，從而大大提高設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬斌強(qiáng)，頓文濤，郭延廷，等.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，2011（1）：105-106.

[2] 莊偉，富淼.虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（4）：191.

[3] 朱金權(quán).SolidWorks軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究[J].新技術(shù)新工藝，2009（2）：41-44.

[4] 孫磊.新型穴盤(pán)苗旱地自動(dòng)移栽機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2012.

[5] 高常青，曹樹(shù)沖，王濰，等.基于SolidWorks的盤(pán)形凸輪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2008（5）：60-62.endprint