谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)三維建模與快速成型研究

王沁軍，馬過勝

（1.山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 長治 046011；2.山西省長治市農(nóng)機(jī)推廣站，山西 長治 046000）

1 谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

排種機(jī)構(gòu)是谷子播種機(jī)的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)谷子的播種。如圖1所示，為某型谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要由7個(gè)零件組成，分別為盛放谷子的料斗、轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)輪擋片、轉(zhuǎn)軸、三角形料斗配合件、下方出料件、側(cè)面毛刷。轉(zhuǎn)軸一側(cè)有鏈輪，用于傳遞動(dòng)力，為主要的傳動(dòng)部件。轉(zhuǎn)輪圓柱面上均布12個(gè)直徑為4mm的小孔，中心開有半圓形的孔，由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。工作時(shí)，如圖1（a）所示，轉(zhuǎn)輪中心軸線與盛放谷子的料斗中φ16mm 孔同心，以使轉(zhuǎn)軸套入料斗和轉(zhuǎn)輪中，由鏈條帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，這樣料斗里面的谷子通過轉(zhuǎn)輪上的小孔被帶出料斗，同時(shí)毛刷擋住其它位置的谷子不被帶出，被帶出的谷子在轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪擋片的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)到下方出料件的上方，此時(shí)轉(zhuǎn)輪擋片不再發(fā)生作用，使谷子自動(dòng)脫離進(jìn)入出料口，再經(jīng)出料口進(jìn)入地里，從而完成谷子播種。該排種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，每臺(tái)播種機(jī)可以根據(jù)耕地的情況選擇安裝排種機(jī)構(gòu)的個(gè)數(shù)，播種效率較高。

圖1 谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

2 谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

建立學(xué)習(xí)模型之前，需要對谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)各零件進(jìn)行測繪。排種機(jī)構(gòu)中各零件的配合處尺寸可使用游標(biāo)卡尺等工具進(jìn)行較為精確的測量，以確保能進(jìn)行正確裝配。對于非配合處，使用鋼尺等工具測量即可。盛放谷子的料斗，形狀較為復(fù)雜，是排種機(jī)構(gòu)的主要零件，上部結(jié)構(gòu)主要用于盛放谷子，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有斜度，下部結(jié)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)谷子播種過程中轉(zhuǎn)輪和三角形料斗配合件的裝配。測繪中，可將其輪廓形狀在圖紙上繪出，然后標(biāo)注上對應(yīng)尺寸。再以料斗為基準(zhǔn)，繪制出三角形料斗配合件和下方出料件的輪廓線，并標(biāo)注尺寸。

利用Pro/E 軟件建立谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，首先根據(jù)測繪所得的排種機(jī)構(gòu)的輪廓形狀，使用草繪工具繪制出排種機(jī)構(gòu)的輪廓線［1-2］，為三維造型設(shè)計(jì)提供建模依據(jù)。然后根據(jù)輪廓線和測繪數(shù)據(jù)，使用建模工具建立各零件的數(shù)學(xué)模型［3-4］。最后，使用裝配模塊將各零件按正確的關(guān)系進(jìn)行裝配［3-4］，并檢查是否有測量或繪制不正確的結(jié)構(gòu)，以完成排種機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)建。在整個(gè)數(shù)學(xué)模型的建立過程中，主要使用了Pro/E 軟件中草繪、拉伸、旋轉(zhuǎn)、拔模、抽殼、倒圓角、倒角、裝配、基準(zhǔn)等常見工具，可以方便快捷地完成數(shù)學(xué)模型的建立。

圖2 谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)三維模型

3 快速成型技術(shù)簡介

快速成型技術(shù)（簡稱RP）是由CAD 模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的技術(shù)總稱，其基本過程是［5-7］：首先繪制出零件的三維數(shù)學(xué)模型；然后根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元，通常在Z 方向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M(jìn)行離散（習(xí)慣稱為分層），把原來的三維CAD 模型變成一系列的層片；再根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼；最后由控制系統(tǒng)成型一系列層片并自動(dòng)將它們聯(lián)接起來，得到一個(gè)三維實(shí)體，經(jīng)打磨、拋光、修模、燒結(jié)等處理后便可得到所需的零件模型（如圖3所示）。

圖3 快速成型基本過程

與傳統(tǒng)材料加工技術(shù)相比，快速成型技術(shù)具有鮮明的特點(diǎn)：（1）高柔性和適應(yīng)性，可以制作任意復(fù)雜形狀的幾何實(shí)體；（2）無需模具和夾具，幾個(gè)到幾十個(gè)小時(shí)就可制造出零件；（3）適合于單件或小批量生產(chǎn)；（4）數(shù)字化控制，成型精度高；（5）材料類型豐富多樣，包括樹脂、紙、工程蠟、工程塑料、陶瓷粉、金屬粉、砂等。

目前快速成型工藝方法有十多種，較為常用的方法有光固化成型（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積成型（FDM）等四種。

谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)的快速成型采用熔融沉積成型工藝。該工藝的材料一般是熱塑性材料，如ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料，材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。之后，工作臺(tái)沿Z 向向下運(yùn)動(dòng)一微小距離進(jìn)行下一層材料的建造。每一個(gè)層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當(dāng)前層起到定位和支撐的作用。這樣逐層由下到上地堆積成一個(gè)實(shí)體模型或零件。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)形狀發(fā)生較大的變化時(shí)，上層輪廓就不能給當(dāng)前層提供充分的定位和支撐作用，這就需要設(shè)計(jì)一些輔助結(jié)構(gòu)即“支撐”，對后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成型過程的順利實(shí)現(xiàn)。這種工藝成型速度較快，并且不用激光，使用、維護(hù)簡單，成本較低。

4 谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)快速成型研究

將排種機(jī)構(gòu)各零件的數(shù)學(xué)模型以STL 格式進(jìn)行輸出，為快速成型做準(zhǔn)備。在快速成型軟件中以STL 格式導(dǎo)入零件數(shù)學(xué)模型，并放置于工作臺(tái)中的合適位置，進(jìn)行分層處理（Z 向0.25mm），以進(jìn)行快速成型加工［7-8］。

排種機(jī)構(gòu)中盛放谷子的料斗結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，下方直徑為8mm 圓孔與三角形料斗配合件的圓孔配合，中下部直徑為16mm 圓孔與轉(zhuǎn)輪配合，上方用于盛放谷子，側(cè)面與三角形料斗配合件的側(cè)面配合，整體的尺寸較大，超出了現(xiàn)有GI-A 型快速成型機(jī)的正常成型尺寸，故此需要對料斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，主要是在長度方向上適當(dāng)減小，以滿足快速成型的要求。考慮配合的需要，料斗中配合部分的結(jié)構(gòu)和尺寸保持不變，改變上方盛放谷子部分的結(jié)構(gòu)和尺寸，從而減小長度方向的尺寸。

料斗為薄壁件，設(shè)計(jì)壁厚為2mm，考慮快速成型工藝及質(zhì)量，壁厚確定為2.5mm。快速成型時(shí)，需要主料和輔料共同作用，才能進(jìn)行模型的制作，成型后輔料是不需要的，需要與主料進(jìn)行分離，才能完成模型的制作，考慮整體快速成型時(shí)，料斗中間空隙部分需要填充大量的輔料，這樣成型后主輔料分離比較困難，尤其是配合部分，容易造成分離表面不光滑，從而無法進(jìn)行正常裝配，經(jīng)試驗(yàn)證明整體成型無法滿足裝配要求。所以采用從中分面切開，一分為二，料斗周邊非配合處設(shè)有工藝孔，這樣快速成型時(shí)，中間空隙部分不需要填充輔料，保證了內(nèi)部配合處的結(jié)構(gòu)，成型后只需利用工藝孔，通過螺栓聯(lián)接完成兩半料斗的配合，同時(shí)主輔料分離容易，如圖4所示試驗(yàn)證明這種方法是可行的。

圖4 料斗快速成型

與料斗相比，其它部件的結(jié)構(gòu)簡單，且尺寸較小，快速成型相對容易。三角形料斗配合件和下方出料件都采用整體快速成型，設(shè)計(jì)壁厚為2mm，快速成型壁厚為2.2mm。成型過程中，薄壁件中間的空隙填充有輔料，成型后需要用尖嘴鉗、工具銼將主料與輔料分離，由于該部分配合尺寸較少，經(jīng)銼刀修磨后能滿足三角形料斗配合件和料斗的裝配、三角形料斗配合件與下方出料件的裝配，且不妨礙排種機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行狀態(tài)，因此整體快速成型是可行的。

各部件完成快速成型后，需要進(jìn)行主輔料的分離和修配。主輔料分離和修配過程中，由于主輔料都比較脆，或有些地方存在大面積輔料包圍著主料，因此用力要適中，以免在分離輔料時(shí)對主料進(jìn)行破壞。對于出現(xiàn)的少量主料脫離現(xiàn)象，可以使用膠水進(jìn)行粘結(jié)，只要確保不妨礙正常工作即可。修配完后，將各部件按正確的裝配關(guān)系進(jìn)行裝配，就可完成谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)模型的制作。經(jīng)實(shí)際播種試驗(yàn)，能滿足工作要求，快速成型工藝是可行的。

5 結(jié)語

新產(chǎn)品的研發(fā)過程中，經(jīng)常需要根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品繪制三維模型和制作模型，谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)三維數(shù)字化建模和快速成型研究正是新產(chǎn)品研發(fā)過程中可能要涉及的問題，對于相關(guān)問題的研究有一定借鑒意義。谷子播種機(jī)排種機(jī)構(gòu)三維數(shù)字化建模符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，利用機(jī)械CAD 軟件可以高效快捷地建立產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型。排種機(jī)構(gòu)的快速成型研究中考慮了快速成型工藝和成型后的質(zhì)量，模型制作完成后經(jīng)修配就可安裝到谷子播種機(jī)上進(jìn)行播種試驗(yàn)。

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