文|南京熊貓電子裝備有限公司 何杏興

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)市場對農(nóng)機產(chǎn)品的需求不斷增加，在農(nóng)機企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品時面對的挑戰(zhàn)越來越大。以小型甘蔗收割機為例，在農(nóng)機企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品時，由于所設計的產(chǎn)品還未得到制造、裝配和樣機實驗，可能會存在相當多的錯誤設計造成裝配困難。隨著CAD 技術的發(fā)展，許多農(nóng)機企業(yè)采用SOLIDWORKS 進行虛擬裝配、零件和部件的有限元仿真，大大縮短了樣機的試制周期，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本。

一、SOLIDWORKS 軟件的特點

SOLIDWORKS 是Dassault Systèmes S.A. 旗 下 的 品牌，它幫助數(shù)百萬工程師和設計師通過創(chuàng)新取得成功。SOLIDWORKS 在產(chǎn)品設計、仿真、發(fā)布、數(shù)據(jù)管理和環(huán)境影響評估方面可提供直觀的使用體驗，其軟件模塊圖如圖1 所示。

圖1 SOLIDWORKS 軟件模塊圖

SOLIDWORKS 是一款基于Windows 的三維設計軟件，通過SOLIDWORKS 可進行三維零件設計和虛擬裝配，基于三維模型可以支持參數(shù)驅動，通過模型的參數(shù)驅動可以自動更新二維圖紙，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)和二維工程圖的雙向驅動。設計人員可以在SOLIDWORKS 中實現(xiàn)農(nóng)機產(chǎn)品的虛擬裝配，可以仿真出零件和零件之間的裝配關系，實現(xiàn)零件間的傳動關系，實時監(jiān)測農(nóng)機虛擬裝配中的碰撞、干涉等。

SOLIDWORKS 除了機械設計模塊外，還可以有以下增強模塊，涵蓋電氣設計、設計仿真、MBD 設計和設計數(shù)據(jù)管理等。

SOLIDWORKS Electirical：集成的三維電氣設計工具包，可以實現(xiàn)農(nóng)機產(chǎn)品三維環(huán)境下電氣布線，并可以自動統(tǒng)計電氣零件清單，自動計算電氣線纜長度等。

SOLIDWORKS Simulation：集成的仿真模塊，可以仿真農(nóng)機產(chǎn)品中零件和裝配體實際工況下的變形、計算最大應力和預測產(chǎn)品壽命等。

SOLIDWORKS Inspect ：集成的質檢模塊，可以自動出具農(nóng)機產(chǎn)品零件的首件質檢報告，大大縮短質檢人員手工填寫質檢報告的時間。

SOLIDWORKS PDM：基于Windows 平臺的設計數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，幫助農(nóng)機設計人員妥善的管理圖紙版本、實現(xiàn)數(shù)據(jù)重用、工作流程管理、工程更改管理、更好的管理產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)活動的自動化以及建立有效的產(chǎn)品開發(fā)技術數(shù)據(jù)結構。

SOLIDWORKS 可以全方位的幫助農(nóng)機企業(yè)從研發(fā)、制造、管理和生產(chǎn)各個方面提高工作效率，降低設計成本、提高設計質量。因此被廣泛的應用于產(chǎn)品開發(fā)中，成為比較主流的設計開發(fā)工具。

二、小型甘蔗機械的結構特點

甘蔗一般生長在南方熱帶地區(qū)，如廣東、廣西、海南和云南等。這些地區(qū)以丘陵地段為主，只適合小型甘蔗收獲機進行作業(yè)，小型甘蔗機械非常講究尺寸結構的緊湊性以適應丘陵地形，且需要實現(xiàn)人性化設計保證轉彎性能好和工作方便。研究出小型化、緊湊型且保證使用性能的甘蔗機械，實現(xiàn)甘蔗收獲全程機械化，對降低農(nóng)民工作強度，提高甘蔗收割效率都具備實際意義，小型剝葉機如圖2 所示。

圖2 小型甘蔗剝葉機

三、SOLIDWORKS 環(huán)境下的農(nóng)機零件和部件設計和仿真

SOLIDWORKS 提供了廣泛且實用的零件設計功能，如平面草圖、拉伸、切除和抽殼等，對于特殊零件如農(nóng)機設計中常用的鈑金零件、焊接件設計也有相對應的簡單明了功能來實現(xiàn)。集成在SOLIDWORKS 零件設計環(huán)境中的特征樹功能可以詳細記錄建模過程，農(nóng)機設計人員可以在設計中途任意修改之前的設計尺寸元素，如尺寸標注方式、尺寸驅動方式等。設計人員在調用歷史設計模型時，可以通過設計樹快速變更尺寸達到快速創(chuàng)建新零件模型，相對應的工程圖也會自動更新。

對于小型農(nóng)機而言，整機的尺寸及重量尤為關鍵。設計人員在使用SOLIDWORKS 設計軟件之前通常只能根據(jù)二維設計圖紙進行粗略的估算，結構往往會和實際產(chǎn)品重量相差巨大。設計人員使用SOLIDWORKS 進行三維建模后，零件和部件的質量能夠自動進行精確計算，如圖3 所示。設計人員可以在設計過程中根據(jù)需求來調整農(nóng)機的各個部件進行配重設計。

圖3 小型農(nóng)機快速計算重量

在小型農(nóng)機中，大量結構為對稱的焊接件和鈑金件，設計人員可以使用SOLIDWORKS 中的對稱建模和對稱裝配方式快速完成原型機的設計，如圖4 所示，極大的提高設計人員的工作效率，實現(xiàn)快速出圖。

圖4 對稱建模和對稱裝配示意

對于農(nóng)機設計人員之前用二維CAD 軟件設計過的圖紙，可以非常方便的導入SOLIDWORKS 中，將二維圖塊快速生成為三維模型，再用SOLIDWORKS 自帶的工程圖模塊進行出圖，在SOLIDWORKS 工程圖中，設計人員可以根據(jù)實際虛擬裝配的零件目錄，自動計算材料明細表，材料明細表中可包含零件的屬性信息，如零件名稱、圖號、材料屬性和重量等，總裝圖如圖5 所示。

圖5 SOLIDWORKS 設計環(huán)境下的農(nóng)機產(chǎn)品總裝圖

在農(nóng)機產(chǎn)品開發(fā)過程中，往往許多零件是比較類似的，可以將這些類似的零部件的三維模型進行歸納和總結，形成標注件或常用件，方便設計人員進行借用或調用。對于部分比較規(guī)律的常用件，可以將其尺寸參數(shù)輸入SOLIDWORKS，借助于SOLIDWORKS 內嵌的Excel 表，可以實現(xiàn)通過調整Excel 中的參數(shù)達到修改模型尺寸的目的，如圖6 所示。

圖6 參數(shù)化農(nóng)機模型

通過制作參數(shù)化農(nóng)機零件模型，可以大幅度的減少設計錯誤，設計人員在使用參數(shù)化模型時，只能按照前期定義的參數(shù)進行選擇或輸入，模型自動變更尺寸模型，自動更新工程圖，提高工作效率，并減少了設計錯誤。使用參數(shù)化農(nóng)機零件模型配置標準或比較規(guī)律的圖號命名，減少設計過程中的隨意零件名稱和圖號命名，提高零件的重用率，減少零部件數(shù)量和種類，為后續(xù)的生產(chǎn)和采購節(jié)約成本。

對于農(nóng)業(yè)機械而言，其零部件的一般尺寸精度要求不高，但是農(nóng)業(yè)機械一般的工作環(huán)境比較惡劣，對零部件的性能要求比較高，設計人員需要考慮結構強度和產(chǎn)品疲勞壽命，利用SOLIDWORKS Simulation 可以對關鍵零部件進行有限元模擬和動力學分析，檢測其應變應力和其他性能是否滿足工況要求，對于應力變化幅度較大的區(qū)域進行優(yōu)化設計，從而提高農(nóng)機產(chǎn)品的耐用性，仿真圖如圖7 所示。

圖7 SOLIDWORKS Simulation 對農(nóng)機關鍵部件的計算仿真

四、結論

在農(nóng)村經(jīng)濟快速發(fā)展下，一些地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)比較嚴重的勞動力不足的現(xiàn)象，要提高農(nóng)田的生產(chǎn)效率，降低農(nóng)民生產(chǎn)成本，在農(nóng)村中推廣小型農(nóng)機的是必要的，我國已經(jīng)在廣大農(nóng)村地區(qū)大批量推廣農(nóng)業(yè)機械。如何研發(fā)出高性能、低價格的小型農(nóng)機以適應農(nóng)村市場的生產(chǎn)力提升要求，是農(nóng)機設計人員應該重點考慮的內容。使用三維設計工具軟件Solidworks 可以幫助設計人員高效設計小型農(nóng)機，減少設計誤差，通過相關的仿真手段可以使農(nóng)機產(chǎn)品性能更加優(yōu)異，產(chǎn)品更加耐用。