基于SolidWorks的手持式花椒采摘器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

黎書文，楊海誠(chéng)，陸玉雪

(貴州理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

花椒主要種植在丘陵、山坡、岸邊和地頭，花椒產(chǎn)業(yè)已成為特殊區(qū)域農(nóng)民致富新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。然而花椒采收對(duì)農(nóng)藝要求較高，既不能傷葉、傷芽、傷枝，又要適時(shí)收獲。因其樹枝伸展長(zhǎng)、帶刺且果實(shí)小從而致使采摘十分困難。李斌常等研制了一種簡(jiǎn)單的類似加長(zhǎng)剪刀一樣的工具來采摘高枝處的花椒[2]；田文君等人研發(fā)了一種多功能摘花椒機(jī)，通過電動(dòng)剪刀的方式實(shí)現(xiàn)花椒采摘[3]。雖然這些機(jī)械在一定程度上保護(hù)了手臂不被劃傷，但其效率仍然較低，而且容易傷及花椒樹本身，造成來年花椒減產(chǎn)甚至花椒樹枝的死亡，再加上沒有自帶收集裝置，使得花椒收集有一定的難度。

本文根據(jù)花椒果實(shí)的特性，設(shè)計(jì)了一種新型的電動(dòng)手持式花椒采摘器，通過對(duì)整機(jī)的采摘裝置、傳動(dòng)裝置以及收集裝置等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為花椒機(jī)械化收獲提供有益參考。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)流程

為了最大限度保證工作質(zhì)量，提高采收效率，根據(jù)已知條件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；運(yùn)用SolidWorks中的motion分析功能，模擬其工作原理與過程[4]。總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

主要研究?jī)?nèi)容包括：

1)花椒采摘器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

2) 關(guān)鍵零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

3) 模擬采摘器工作原理及工作過程。

1.2 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的花椒采摘器主要由喂入口、滾筒、機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、蝸輪、蝸桿、手柄、刀片、收集盒及其他零部件組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.機(jī)架；2.蝸桿；3.滑動(dòng)鋸齒形刀片；4.固定鋸齒形刀片；5.蝸輪 6.滾筒；7.軸承座；8.上殼體；9.萬向節(jié)；10.傳動(dòng)軸；11.萬向節(jié)；12.電機(jī)架；13.電機(jī)；14.電機(jī)架固定板；15.開關(guān)；16.手柄；17.銷軸；18.收集盒圖2 花椒采摘器結(jié)構(gòu)示意圖

2 采摘原理分析

該花椒采摘器通過喂入口對(duì)花椒枝條進(jìn)行限位，然后通過滾筒梳刷的作用實(shí)現(xiàn)花椒收獲。具體工作原理如下：電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，通過萬向節(jié)9傳遞給傳動(dòng)軸，經(jīng)萬向節(jié)11傳遞給Ⅰ軸，Ⅰ軸通過蝸輪蝸桿將動(dòng)力傳遞給Ⅱ軸，Ⅱ軸上固定有滾筒，滾筒將喂入采摘器的花椒撥向下方的交錯(cuò)滑動(dòng)的鋸齒狀刀片切割區(qū)域；刀片3固定在機(jī)架上，刀片4可沿刀片3水平滑動(dòng)，刀片3和刀片4交錯(cuò)滑動(dòng)剪切滾筒梳刷撥下的花椒果實(shí)，被剪斷的花椒經(jīng)手柄前端的物料筒落入下方的收集盒內(nèi)。當(dāng)采集的花椒裝滿后，可通過卸載收集盒繼續(xù)采收，從而實(shí)現(xiàn)不間斷作業(yè)，提高采收效率[5]。

3 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置選用SolidWorks三維繪圖軟件進(jìn)行產(chǎn)品三維建模，為實(shí)現(xiàn)良好的可裝配性和理想的模型效果，建模過程中盡可能簡(jiǎn)化建模步驟。該電動(dòng)手持式花椒采摘器主要由上、中、下三部分組成。上端為該產(chǎn)品功能執(zhí)行部件，亦是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，中間為采摘器的手持結(jié)構(gòu)部分，下端為采摘器的收集裝置[6]。

3.1 采摘頭設(shè)計(jì)

采摘頭即為本裝置的執(zhí)行部分，由機(jī)架、固定鋸齒形刀片、滑動(dòng)鋸齒形刀片、軸承座、滾筒、蝸輪、蝸桿、階梯軸Ⅰ、階梯軸Ⅱ、軸承、萬向節(jié)、傳動(dòng)軸等組成。采摘頭安裝在機(jī)體前端靠近喂入口部位，通過自攻螺釘連接固定。

3.2 手柄設(shè)計(jì)

手柄由前后薄壁外殼和開關(guān)構(gòu)成，前后薄壁面使用自攻螺釘連接，在手柄的食指位置裝有電源開關(guān)；其下方設(shè)有一通孔，安裝收集盒時(shí)插入銷軸，另一端插入開口銷以固定收集盒。

3.3 收集盒設(shè)計(jì)

收集盒是一個(gè)上方收口的桶狀復(fù)合曲面外殼，安裝在手柄下方。

3.4 其他零件設(shè)計(jì)

這類零件主要由十字沉頭螺栓、十字沉頭自攻螺釘、螺母、平墊圈、銷軸、開口銷等組成，這類零件屬于標(biāo)準(zhǔn)件，只需合理選型即可。

4 樣機(jī)虛擬裝配

完成上述各零部件的實(shí)體建模后，運(yùn)用SolidWorks的裝配仿真功能中提供的約束關(guān)系實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬裝配，以便后期進(jìn)行干涉檢查、動(dòng)態(tài)模擬、裝配流程以及運(yùn)動(dòng)仿真等一系列輔助設(shè)計(jì)。

裝配所需要的零部件有機(jī)架、固定鋸齒形刀片、滑動(dòng)鋸齒形刀片、軸承座、滾筒、蝸輪、蝸桿、階梯軸Ⅰ、階梯軸Ⅱ、軸承、萬向節(jié)、傳動(dòng)軸、安裝板、采摘頭、手柄、開關(guān)、收集盒、十字沉頭螺栓4件、十字沉頭自攻螺釘8件、螺母4件、平墊圈4件、銷軸1件、開口銷1件等。

裝配方案順序依次為：1)裝配執(zhí)行部件；2)裝配動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件；3)裝配采摘頭；4)裝配手柄；5)裝配收集盒；6)總裝花椒采摘器。

具體裝配過程如下：

1)裝配執(zhí)行部件：機(jī)架、固定鋸齒形刀片、滑動(dòng)鋸齒形刀片、軸承座、滾筒、蝸輪、蝸桿、階梯軸Ⅰ、階梯軸Ⅱ、軸承、萬向節(jié)1的組裝，如圖3所示。

圖3 執(zhí)行部件組裝圖

2)裝配動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件：萬向軸2、電機(jī)、電機(jī)架、用于連接和定位電機(jī)架的安裝板的組裝，如圖4所示。

圖4 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件組裝圖

3)裝配采摘頭：前后薄壁外殼、執(zhí)行部件、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件的組裝，如圖5所示。

圖5 采摘頭組裝圖

4)裝配手柄：前后薄壁曲面外殼、開關(guān)的組裝，如圖6所示。

圖6 手柄模型圖

5)裝配收集盒：收集盒、銷軸、開口銷的組裝，如圖7所示。

圖7 收集盒模型圖

6)總裝花椒采摘器，如圖8所示。

圖8 采摘器總裝配圖

5 運(yùn)動(dòng)仿真分析

SolidWorks/Motion是基于Windows環(huán)境的參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件，可以對(duì)裝配體進(jìn)行精確模擬和運(yùn)動(dòng)單元分析，Motion分析使用計(jì)算能力強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)求解器，在計(jì)算中考慮到了材料屬性和質(zhì)量及慣性，能夠完成如力、彈簧、阻尼和摩擦等方面的計(jì)算，同時(shí)還能繪制相關(guān)曲線供進(jìn)一步分析。

5.1 采摘器結(jié)構(gòu)分解

生成爆炸圖，如圖9所示。

5.2 工作過程模擬

花椒采摘器的工作過程模擬情況如圖10所示。

6 結(jié)語

本文基于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和助力打贏脫貧攻堅(jiān)的背景，結(jié)合花椒采摘特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)手持式花椒采摘裝置，有效地節(jié)省了人力和時(shí)間成本，提高了采摘效率，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采摘，后期將繼續(xù)對(duì)實(shí)體樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試以達(dá)到最佳效果。

圖9 裝配體爆炸圖

(a)滑動(dòng)刀片位移圖解

(b)滑動(dòng)刀片速度圖解

(c)驅(qū)動(dòng)電機(jī)角速度圖解

(d)滾筒角速度圖解圖10 花椒采摘機(jī)工作過程模擬圖