SolidWorks軟件在農(nóng)業(yè)機械機構創(chuàng)新設計中的應用

賈畢清+韓綠化

摘要：SolidWorks軟件在機械設計領域具有強大功能。利用SolidWorks軟件對新型取苗機構進行三維建模、仿真分析，實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)機械新產(chǎn)品進行物理建模、裝配，并進一步通過仿真試驗比較、驗證了模型參數(shù)，從而預知新機構的性能，大大提高了設計效率和創(chuàng)新能力。這為農(nóng)業(yè)機械裝置的創(chuàng)新設計提供了新的可能性。

關鍵詞：SolidWorks軟件；零件設計；裝配設計；虛擬仿真

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）06-0012-03

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)方式轉變，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設計需要為每一特定的情況制造出與之相適應的機械。機構創(chuàng)新設計為解決問題找到了通行的方法，為農(nóng)機新產(chǎn)品開發(fā)提供了可實現(xiàn)的工具和路徑。在所設計的新型農(nóng)業(yè)機械執(zhí)行機構中，由于沒有得到制造、裝配，特別是樣機虛擬試驗的驗證，存在著許多不合理的設計，甚至是錯誤的設計，這些不當之處很難被發(fā)現(xiàn)。

隨著計算機技術的快速發(fā)展，虛擬制造和運動仿真在新產(chǎn)品研發(fā)中得以應用，從而大大縮短了試制周期，降低了生產(chǎn)成本。將虛擬樣機技術應用到農(nóng)業(yè)機械設計中，不僅能夠模擬農(nóng)業(yè)機械的功能、結構，還能夠及時發(fā)現(xiàn)設計階段出現(xiàn)的樣機缺陷，然后做出相應的改進，有效地在設計之初完善農(nóng)業(yè)機械設計方案。本研究以SolidWorks軟件為設計平臺，對移栽機新型取苗機構進行設計，以驗證該軟件在農(nóng)業(yè)機械設計領域的強大功能。

1 SolidWorks軟件及其主要技術特征

SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，其具有功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新三大特點，成為領先的、主流的三維CAD解決方案。在零件設計中，該軟件支持參數(shù)驅動，可以隨意更改設計數(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；具有強大的復雜曲面造型能力，能輕松設計出表面形狀復雜的曲面零件。同時，可以通過三維裝配設計完善各零件之間的配合關系，還可以動態(tài)地仿真出構件間的傳動關系，從而縮短產(chǎn)品的設計周期，降低設計成本，提高設計質量。另外，其二次開發(fā)功能強大，可與各種語言對接，實現(xiàn)圖形與語言的函數(shù)結合；操作界面人性化，迎合人的思維習慣，易于學習。

2 新型取苗機構設計

2.1 機構規(guī)劃

所設計的取苗機構由凸輪擺桿機構、雙擺桿機構、擺桿滑塊機構經(jīng)Ⅰ型串聯(lián)組合而成（如圖1所示）。其中，擺桿滑塊機構的滑塊往復移動導軌為曲線導軌，形狀如“L”型，取苗段為直線段，實現(xiàn)垂直取苗；投苗段為圓弧段，用來調整落苗姿態(tài)，實現(xiàn)直立投苗；中間過渡段為連接圓弧，實現(xiàn)取苗與投苗光順連通。凸輪擺桿機構為前置子機構，用于改善后置子機構的運動特性，可實現(xiàn)任意的運動規(guī)律，以適應取苗和投苗零速度要求，即在取苗時保持靜止穩(wěn)定夾取，在投苗時保持安穩(wěn)釋放。中間子機構為雙擺桿機構，其將前置子機構的運動特性轉移到后置子機構，并放大運動行程，增加工作空間。

在具體設計中，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，通過給定取苗爪末端運動軌跡點，反求出未知凸輪和導向槽的形狀尺寸。

2.2 零件設計

對取苗機構建模，首先要繪制零件圖。使用SolidWorks軟件設計零件，可以分為3種類型，即標準幾何體、簡單幾何體及復雜幾何體。標準幾何體如軸承、螺栓、螺母等，可以從Solidworks軟件“Toolbox”三維零件庫調用；簡單幾何體如擺桿、連桿等，是在二維線框圖的基礎上，通過拉伸、旋轉、切除等命令實現(xiàn)的；復雜幾何體如導向槽等，是在簡單幾何體的基礎上，通過凸臺、腔體、鏡像、抽殼等命令實現(xiàn)的。

對于凸輪等具有運動規(guī)律的零件，可以先繪制平面輪廓曲線，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，能直接生成模型。對于簡單運動規(guī)律的凸輪，可直接輸入運動規(guī)律來生成需要的輪廓曲線；復雜運動規(guī)律的可在Excel環(huán)境中生成凸輪輪廓的點坐標信息，存成文本格式，再在SolidWorks環(huán)境中利用“通過XYZ點的曲線”生成凸輪輪廓曲線。

2.3 裝配設計

計算機虛擬裝配是通過計算機軟件實現(xiàn)對要設計和生產(chǎn)的產(chǎn)品進行虛擬裝配的過程。虛擬裝配的優(yōu)點是不需要生產(chǎn)出實際的產(chǎn)品，便可對其做出評價和預測。對取苗機構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、邊線或面等幾何要素的相互關系與內在關聯(lián)性，定義零件相互位置和配合關系，及時修復因零件更改而出現(xiàn)的各種錯誤提示，使裝配模型的設計得到不斷的調整和優(yōu)化。

對軸—孔特征，約束同心、接觸、距離，保證零件之間轉動連接關系；對零件之間相對位置保持不變的配合關系，可以用鎖定命令約束；對凸輪—滾子和導向滑槽中滾子裝配時，約束對齊、接觸特征。所設計的取苗機構三維結構如圖2所示。

3 虛擬仿真分析

在使用SolidWorks三維設計軟件建立取苗機構的三維零件模型與裝配模型后，對模型添加質量、密度等相關信息，使用Cosmosmotion模塊，對裝配模型施加部件之間的摩擦約束以及驅動、重力等值，進行虛擬樣機仿真分析。通過對取苗末端點跟蹤路徑，得到取苗機構末端的工作軌跡，如圖3所示?？梢钥闯觯O計的取苗機構能夠垂直穴盤取苗，經(jīng)姿態(tài)調整后，以近似豎直方向直立投苗，以此檢驗出所設計的取苗機構滿足工作要求。

針對感興趣的桿組，進一步生成圖解結果，可以分析相應的運動學和動力學特性，提前預知機構的運動規(guī)律，掌握機械結構工作性能。例如：對取苗爪末端運動的水平速度求解，得到取苗過程中取苗爪末端速度變化曲線，如圖4所示。通過對比分析，該機構在取苗和放苗點具有零速度特點，這樣的設計使得取苗、放苗穩(wěn)定。

經(jīng)過一系列虛擬仿真試驗后，可以清楚掌握所設計機械結構的運動規(guī)律和動力學性能，對設計方案可行性有了一定判斷，可以進一步細化方案，使其符合加工制造需要。對虛擬仿真中有問題的零件和裝配體，通過SolidWorks軟件模型修改，再進行虛擬試驗檢驗，即可比較各種設計方案的優(yōu)劣，及時發(fā)現(xiàn)設計階段出現(xiàn)的樣機缺陷，然后做出相應的改進，最終得到較為完善的設計模型。這樣借助于計算機完成農(nóng)業(yè)機械新產(chǎn)品開發(fā)，能夠大大提高設計效率和創(chuàng)新能力。

4 結論

利用SolidWorks軟件對新型取苗機構進行三維建模、仿真分析，體現(xiàn)出該軟件在農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設計領域的強大功能，為農(nóng)業(yè)機械裝置的研究設計提供了新的可能性。SolidWorks軟件不僅可以對農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品進行物理建模、裝配，還能夠進一步對其施加相當實際工況的載荷作用，通過仿真試驗比較、驗證模型的參數(shù)來優(yōu)化物理模型，從而大大提高設計效率和創(chuàng)新能力。

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