莫蘭

中圖分類號： TP391.13；TH122-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0178-005

0 引言

隨著制造業(yè)企業(yè)中三維軟件應(yīng)用的越來越廣泛，“數(shù)字樣機(jī)”的概念已經(jīng)為大多數(shù)的制造業(yè)企業(yè)所接受。而隨著“數(shù)字化”技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)將三維模型的概念從三維設(shè)計逐步擴(kuò)展到采購、生產(chǎn)制造、銷售、售后服務(wù)等多個企業(yè)的重要環(huán)節(jié)中。

尤其是“智造2025”規(guī)劃的提出，更為中國制造業(yè)企業(yè)在制造自動化方面指明了方向，這就要求未來的技工、技師們不僅能夠讀懂工程圖紙，依照二維工程圖提供的尺寸及公差要求進(jìn)行生產(chǎn)，更需要能夠根據(jù)三維模型使用“數(shù)字化”的技術(shù)進(jìn)行編程加工、三維掃描測量、增材制造等零件級的自動化加工，以及以三維模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行虛擬化裝夾、裝配等，甚至對整個產(chǎn)品級別的生產(chǎn)工藝、加工過程、裝配過程進(jìn)行模擬，以求在投產(chǎn)前就能夠在制造部門進(jìn)行虛擬化驗證。

正是在這樣的時代背景下，筆者認(rèn)為技校的技工、技師教學(xué)應(yīng)該嘗試引入三維軟件，并使之逐步融入各門專業(yè)課程的教學(xué)中，而本文僅是筆者個人在機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計中的一個簡單實踐，希望能夠為本課程的課程改革提供一點實際教學(xué)經(jīng)驗。

由于本文討論的僅是一次機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)的課程設(shè)計，因此涉及的主要是三維軟件的初級應(yīng)用，主要包含機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動模擬、應(yīng)力分析、工程圖紙等設(shè)計環(huán)節(jié)，當(dāng)然這也是企業(yè)的三維數(shù)據(jù)源頭，后續(xù)的所有“數(shù)字樣機(jī)”的應(yīng)用均以此為基礎(chǔ)，因此也應(yīng)是教學(xué)任務(wù)的起點，是學(xué)生們從二維過渡到三維的基礎(chǔ)應(yīng)用。其學(xué)習(xí)難度也較為符合目前技校學(xué)生的認(rèn)知水平，學(xué)生們學(xué)習(xí)及應(yīng)用起來也會比較得心應(yīng)手。

1 項目介紹

通過三維軟件Inventor進(jìn)行木瓜剖半機(jī)械的設(shè)計。

本文首先通過分析木瓜的幾何形狀特征，得出木瓜的三維模型。然后在研究切割原理中，選定了木瓜的切割方式、方向以及刀具。最后以木瓜模型為基礎(chǔ)，通過使用三維軟件工具設(shè)計出新型木瓜剖半機(jī)。該設(shè)備的整體設(shè)計成“L”字型，由定向排序輸送機(jī)構(gòu)、物料調(diào)配機(jī)構(gòu)、定位裝夾機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)和卸料機(jī)構(gòu)等五大機(jī)構(gòu)組成。定向排序輸送機(jī)構(gòu)可以將一堆木瓜實現(xiàn)定向且有序輸送；物料分配機(jī)構(gòu)中設(shè)計了擋料轉(zhuǎn)盤，可以保證定向排序輸送到定位裝夾輸送之間的秩序；切割機(jī)構(gòu)包括了木瓜的定位裝夾、輸送帶和切割機(jī)構(gòu)。

新型木瓜剖半機(jī)提高了木瓜剖切加工的成品率、降低了生產(chǎn)成本、簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)、操作更方便，能夠滿足目前市場對木瓜剖切加工的要求，有一定的借鑒意義與推廣價值。

2 木瓜的幾何形狀分析

一切的鮮果加工設(shè)備都必須從研究鮮果的幾何外形開始，特別是像木瓜這類的鮮果，他們的外形差異性要比蘋果大很多，尺寸參差不齊。測定木瓜的幾何形狀特征，對正確制定加工工藝、選擇合理的加工方法及確定加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)都有著密切的關(guān)系。因此在進(jìn)行加工設(shè)備的設(shè)計和試驗前，有必要首先測定木瓜的幾何形狀特征。

2.1 木瓜的形狀特征分析

由于木瓜的生長環(huán)境不同以及品種的不同，木瓜的形狀略有差異。但是，經(jīng)過大量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其外觀形狀大致為兩頭直徑較小，中部直徑較大的類橢圓形，如圖1所示。

2.2 木瓜的尺寸分析

市場中重量在之間的木瓜占絕大多數(shù)，而在此重量范圍內(nèi)木瓜的平均短軸長為，平均長軸長為，長短軸之比約為。同時還發(fā)現(xiàn)此重量區(qū)間的木瓜形狀還比較規(guī)則，所以選擇這一重量范圍的木瓜特性去建立其三維模型比較有代表性。

以上述木瓜的平均尺寸為依據(jù)，決定本設(shè)計采用的木瓜三維模型的參數(shù)為：長軸長；短軸長；長短軸之比。木瓜的尺寸及三維模型如下圖2所示。

3 木瓜剖半機(jī)的整體方案設(shè)計

3.1 木瓜剖半機(jī)總體設(shè)計（使用Inventor建模）

本設(shè)計的木瓜剖半機(jī)主要由定向排序輸送機(jī)構(gòu)、物料調(diào)配機(jī)構(gòu)、定位裝夾機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)和卸料機(jī)構(gòu)等5大機(jī)構(gòu)所組成，如圖3所示。

三維軟件除了可進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計外，在車間布局方面也可輔助設(shè)計。木瓜剖半機(jī)的主體呈“L”字型，設(shè)備高度約，占地面積約。在實際廠房中的擺放效果如圖4所示。

該機(jī)與物料接觸的零部件均采用符合食品機(jī)械安全衛(wèi)生要求的不銹鋼、鋁合金或工程塑料材料制成，保證食品安全衛(wèi)生。木瓜排序輸送速度，定位裝夾輸送速度及切割刀具線速度可分別通過電機(jī)變頻進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)具在達(dá)到較高生產(chǎn)率的同時獲得最佳作業(yè)質(zhì)量（梁勤安等，2008）。

3.2 木瓜剖半機(jī)的工作原理

設(shè)備工作時，工人們把一定數(shù)量的木瓜放進(jìn)由鋁合金板料焊接而成的料斗1中，但一次裝入的木瓜不宜過多，避免木瓜大量堆疊而壓壞木瓜或者造成木瓜的卡死現(xiàn)象。與料斗的下方緊密連接的是輸送通道和滾子鏈輸送裝置。木瓜被喂入料斗之后，就會直接地落入到定向排序輸送裝置中。輸送裝置由一個個等間距的鞍形輪2組成，木瓜會均勻地落入由相鄰鞍形輪形成的窩孔中并隨鏈條帶動向前運(yùn)動。鞍形輪在輸送進(jìn)程中隨鏈條作直線運(yùn)動的同時，在固定齒條3和鞍形錕小齒輪4的相互強(qiáng)制作用下，鞍形錕也會繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，確保每個窩眼中只充填一個木瓜。木瓜通過定向排序輸送裝置后，會以一定的間距，一個接一個的有序地進(jìn)入物料調(diào)配機(jī)構(gòu)。木瓜會首先通過一個斜滑槽10，斜滑槽的另一端會被一個擋料轉(zhuǎn)盤9阻隔，當(dāng)定位裝夾機(jī)構(gòu)8通過斜滑槽口位置的時候，木瓜被放行，隨后落入定位裝夾機(jī)構(gòu)上面，避免兩個或多個木瓜同時“上車”的現(xiàn)象。木瓜在裝夾機(jī)構(gòu)中定位，并在輸送帶7的帶動下向切割裝置方向作直線運(yùn)動。木瓜與高速運(yùn)轉(zhuǎn)的圓盤刀5接觸，在輸送帶的作用之下，被切開一半，落入到卸料裝置6中。

4 主要機(jī)構(gòu)的建模與設(shè)計

4.1 定向排序輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計（建模與運(yùn)動模擬分析）

4.1.1 定向排序輸送機(jī)構(gòu)的組成

該機(jī)構(gòu)主要由V型輸送通道、料斗、鞍形錕、滾子鏈，滾子鏈輪、機(jī)架和電機(jī)組成。其中機(jī)蓋和料斗用螺釘緊固在一起；鞍形錕由鞍形輪、輪軸和小齒輪組成，如圖6所示。輸送機(jī)構(gòu)呈斜向上擺放，與水平方向夾角為。

4.1.2 定向排序輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動原理

整個定向排序輸送機(jī)構(gòu)的V型輸送通道2和料斗1固定在一起，架在裝置之上。機(jī)構(gòu)的核心部件是由鞍形錕軸軸3和鞍形輪4共同構(gòu)成的鞍形錕傳送裝置。滾子鏈條6為空心銷軸輥子鏈條，每一個鏈節(jié)安裝一根鞍形輥軸，并且在輥軸上安裝了小齒輪5，在固定直齒條7的帶動下，強(qiáng)制鞍形輪做向前平動的同時，繞自身軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。使得木瓜在傳送鏈的帶動下，實現(xiàn)向前輸送的同時，繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，如圖7所示。

如圖8所示，木瓜的運(yùn)動狀態(tài)為：木瓜整體在滾子鏈的帶動下，向水平傾斜的方向向前輸送；而在兩個鞍形輪的摩擦力作用下，木瓜以一定的角速度做順時針運(yùn)動。木瓜開始會帶有輕微的跳動，待位置適應(yīng)后進(jìn)入穩(wěn)定向前輸送狀態(tài)。

4.2 V型輸送通道和料斗的鈑金設(shè)計

如圖9所示，料斗和V型輸送通道通過螺釘緊固在一起。長度約為1254mm，寬度約為456mm。輸送通道內(nèi)側(cè)的兩個斜面共同形成一個V形槽，可以起到擴(kuò)大木瓜輸送通道空間的作用。

料斗和輸送通道都跟木瓜都有直接的接觸，因此都采用國家食品機(jī)械安全衛(wèi)生要求的不銹鋼制作。下圖10、11分別是料斗和輸送通道設(shè)計的主要尺寸。

4.3 物料分配機(jī)構(gòu)的設(shè)計

如圖12所示，物料調(diào)配機(jī)構(gòu)主要由斜滑槽1和擋料轉(zhuǎn)盤3組成。其中斜滑槽通過螺釘固定在機(jī)架4上，連接著定向排序輸送機(jī)構(gòu)和定位裝夾輸送機(jī)構(gòu)，木瓜通過定向排序輸送機(jī)構(gòu)之后就會滑落到斜滑槽中。而擋料轉(zhuǎn)盤被固定在定位輸送機(jī)構(gòu)的皮帶輪軸上，隨著輪軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，并且與定位裝夾機(jī)構(gòu)2有相同的角速度，擋料轉(zhuǎn)盤3與定位裝夾機(jī)構(gòu)2保持相對靜止。

物料調(diào)配機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、鈑金設(shè)計、運(yùn)動仿真分析與之前的機(jī)構(gòu)基本相同，就不再贅述，以下主要展示擋料轉(zhuǎn)盤設(shè)計及應(yīng)力分析。

4.3 擋料轉(zhuǎn)盤設(shè)計

擋料轉(zhuǎn)盤的外形輪廓和設(shè)計尺寸如圖13所示。轉(zhuǎn)盤凹陷部分的設(shè)計要求是保證木瓜能順利滑出斜滑槽，所以它的開口寬度必須大于斜滑槽的寬度。現(xiàn)設(shè)計尺寸為，完全符合要求。而突出部分則需保證可以完全阻攔后面的木瓜，因此它必須能夠擋住斜滑槽出口80%以上。經(jīng)測量得斜滑槽口最上端離皮帶輪軸心得距離約為，結(jié)合槽口高，擋料轉(zhuǎn)盤外徑，計算擋料轉(zhuǎn)盤對斜滑槽口的遮擋率δ為：

綜合以上兩個校驗，擋料轉(zhuǎn)盤的外形尺寸符合設(shè)計要求。

擋料轉(zhuǎn)盤中還設(shè)計了四個葉片狀的通孔。這樣的好處是在保證零件本身的剛度和強(qiáng)度同時，還可以減少零件制造時的材料用量，達(dá)到降低成本的目的。擋料轉(zhuǎn)盤的物理特性如表1所示。

擋料轉(zhuǎn)盤是一個受載荷的零部件。當(dāng)有兩個甚至三個木瓜堆積在斜滑槽并擠壓擋料轉(zhuǎn)盤時，擋料轉(zhuǎn)盤會疲勞破壞。下面通過對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行受力分析和應(yīng)力分析來校驗該設(shè)計。

出現(xiàn)兩個木瓜堆積的斜滑槽口現(xiàn)象概率較高，因此本文對此情況進(jìn)行了分析。由圖14可知，對于木瓜A來說，它受到的力包括：自身的重力mg，木瓜B的壓力F壓，斜滑槽的支持力F支，擋料轉(zhuǎn)盤的阻擋力F擋。

根據(jù)牛頓第三定律，相互作用的兩個質(zhì)點之間的作用和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上?？芍篎=F擋，F(xiàn)為擋料轉(zhuǎn)盤受到的壓力。因此我們只需對木瓜A進(jìn)行受力分析（如圖15），并用正交分解法求解F擋，即可知F的大小。

X方向上：

根據(jù)計算結(jié)果F=3.15N，在三維設(shè)計軟件Inventor中對擋料轉(zhuǎn)盤進(jìn)行有限元分析。

首先，將擋料轉(zhuǎn)盤定義材料為ABS塑料并劃分網(wǎng)格；然后，在轉(zhuǎn)盤的軸孔處添加固定約束，在突出部分的重心位置添加靜載荷F=3.15N；最后求解模型。分析結(jié)果如下圖16（a）、（b）、（c）、（d）所示。

分析結(jié)果表明：擋料轉(zhuǎn)盤的安全系數(shù)15，Mises等效應(yīng)力最大值0.268895 MPa，位移最大值0.465798mm，等效應(yīng)變0.000113097。擋料轉(zhuǎn)盤的設(shè)計安全可靠。

4.4 切割機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計

如圖17所示，切割機(jī)構(gòu)主要由圓盤切刀2、保護(hù)蓋1、機(jī)架3、聯(lián)軸器4、電機(jī)5等五個部件組成。圓盤切刀被兩個固定盤固定，安裝在主動軸上，由一個帶螺紋的定位套限制其軸向的移動，實現(xiàn)定位。選用6207深溝球軸承。切割機(jī)構(gòu)的工作狀況如圖18所示。

5 結(jié)論與展望

三維軟件引入到機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)的教學(xué)中，可以在軟件中進(jìn)行完整的設(shè)計建模（包含結(jié)構(gòu)設(shè)計、鈑金設(shè)計、齒輪齒條設(shè)計、裝配、工程圖等），并以輔助運(yùn)動仿真、應(yīng)力分析、車間布局等功能全面訓(xùn)練學(xué)生對三維模型的理解與應(yīng)用，對今后“數(shù)字樣機(jī)”的擴(kuò)展應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。