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中图分类号： TP391.13；TH122-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）08-0178-005
0 引言
随着制造业企业中三维软件应用的越来越广泛，“数字样机”的概念已经为大多数的制造业企业所接受。而随着“数字化”技术的发展，目前已经将三维模型的概念从三维设计逐步扩展到采购、生产制造、销售、售后服务等多个企业的重要环节中。
尤其是“智造2025”规划的提出，更为中国制造业企业在制造自动化方面指明了方向，这就要求未来的技工、技师们不仅能够读懂工程图纸，依照二维工程图提供的尺寸及公差要求进行生产，更需要能够根据三维模型使用“数字化”的技术进行编程加工、三维扫描测量、增材制造等零件级的自动化加工，以及以三维模型为基础，进行虚拟化装夹、装配等，甚至对整个产品级别的生产工艺、加工过程、装配过程进行模拟，以求在投产前就能够在制造部门进行虚拟化验证。
正是在这样的时代背景下，笔者认为技校的技工、技师教学应该尝试引入三维软件，并使之逐步融入各门专业课程的教学中，而本文仅是笔者个人在机械设计基础课程设计中的一个简单实践，希望能够为本课程的课程改革提供一点实际教学经验。
由于本文讨论的仅是一次机械设计基础的课程设计，因此涉及的主要是三维软件的初级应用，主要包含机械的结构设计、运动模拟、应力分析、工程图纸等设计环节，当然这也是企业的三维数据源头，后续的所有“数字样机”的应用均以此为基础，因此也应是教学任务的起点，是学生们从二维过渡到三维的基础应用。其学习难度也较为符合目前技校学生的认知水平，学生们学习及应用起来也会比较得心应手。
1 项目介绍
通过三维软件Inventor进行木瓜剖半机械的设计。
本文首先通过分析木瓜的几何形状特征，得出木瓜的三维模型。然后在研究切割原理中，选定了木瓜的切割方式、方向以及刀具。最后以木瓜模型为基础，通过使用三维软件工具设计出新型木瓜剖半机。该设备的整体设计成“L”字型，由定向排序输送机构、物料调配机构、定位装夹机构、切割机构和卸料机构等五大机构组成。定向排序输送机构可以将一堆木瓜实现定向且有序输送；物料分配机构中设计了挡料转盘，可以保证定向排序输送到定位装夹输送之间的秩序；切割机构包括了木瓜的定位装夹、输送带和切割机构。
新型木瓜剖半机提高了木瓜剖切加工的成品率、降低了生产成本、简化了机械结构、操作更方便，能够满足目前市场对木瓜剖切加工的要求，有一定的借鉴意义与推广价值。
2 木瓜的几何形状分析
一切的鲜果加工设备都必须从研究鲜果的几何外形开始，特别是像木瓜这类的鲜果，他们的外形差异性要比苹果大很多，尺寸参差不齐。测定木瓜的几何形状特征，对正确制定加工工艺、选择合理的加工方法及确定加工设备的结构参数都有着密切的关系。因此在进行加工设备的设计和试验前，有必要首先测定木瓜的几何形状特征。
2.1 木瓜的形状特征分析
由于木瓜的生长环境不同以及品种的不同，木瓜的形状略有差异。但是，经过大量统计发现，其外观形状大致为两头直径较小，中部直径较大的类椭圆形，如图1所示。
2.2 木瓜的尺寸分析
市场中重量在之间的木瓜占绝大多数，而在此重量范围内木瓜的平均短轴长为，平均长轴长为，长短轴之比约为。同时还发现此重量区间的木瓜形状还比较规则，所以选择这一重量范围的木瓜特性去建立其三维模型比较有代表性。
以上述木瓜的平均尺寸为依据，决定本设计采用的木瓜三维模型的参数为：长轴长；短轴长；长短轴之比。木瓜的尺寸及三维模型如下图2所示。
3 木瓜剖半机的整体方案设计
3.1 木瓜剖半机总体设计（使用Inventor建模）
本设计的木瓜剖半机主要由定向排序输送机构、物料调配机构、定位装夹机构、切割机构和卸料机构等5大机构所组成，如图3所示。
三维软件除了可进行机械结构的设计外，在车间布局方面也可辅助设计。木瓜剖半机的主体呈“L”字型，设备高度约，占地面积约。在实际厂房中的摆放效果如图4所示。
该机与物料接触的零部件均采用符合食品机械安全卫生要求的不锈钢、铝合金或工程塑料材料制成，保证食品安全卫生。木瓜排序输送速度，定位装夹输送速度及切割刀具线速度可分别通过电机变频进行调节，使机具在达到较高生产率的同时获得最佳作业质量（梁勤安等，2008）。
3.2 木瓜剖半机的工作原理
设备工作时，工人们把一定数量的木瓜放进由铝合金板料焊接而成的料斗1中，但一次装入的木瓜不宜过多，避免木瓜大量堆叠而压坏木瓜或者造成木瓜的卡死现象。与料斗的下方紧密连接的是输送通道和滚子链输送装置。木瓜被喂入料斗之后，就会直接地落入到定向排序输送装置中。输送装置由一个个等间距的鞍形轮2组成，木瓜会均匀地落入由相邻鞍形轮形成的窝孔中并随链条带动向前运动。鞍形轮在输送进程中随链条作直线运动的同时，在固定齿条3和鞍形锟小齿轮4的相互强制作用下，鞍形锟也会绕自身轴线旋转，确保每个窝眼中只充填一个木瓜。木瓜通过定向排序输送装置后，会以一定的间距，一个接一个的有序地进入物料调配機构。木瓜会首先通过一个斜滑槽10，斜滑槽的另一端会被一个挡料转盘9阻隔，当定位装夹机构8通过斜滑槽口位置的时候，木瓜被放行，随后落入定位装夹机构上面，避免两个或多个木瓜同时“上车”的现象。木瓜在装夹机构中定位，并在输送带7的带动下向切割装置方向作直线运动。木瓜与高速运转的圆盘刀5接触，在输送带的作用之下，被切开一半，落入到卸料装置6中。
4 主要机构的建模与设计
4.1 定向排序输送机构设计（建模与运动模拟分析）
4.1.1 定向排序输送机构的组成
该机构主要由V型输送通道、料斗、鞍形锟、滚子链，滚子链轮、机架和电机组成。其中机盖和料斗用螺钉紧固在一起；鞍形锟由鞍形轮、轮轴和小齿轮组成，如图6所示。输送机构呈斜向上摆放，与水平方向夹角为。
4.1.2 定向排序输送机构的运动原理
整个定向排序输送机构的V型输送通道2和料斗1固定在一起，架在装置之上。机构的核心部件是由鞍形锟轴轴3和鞍形轮4共同构成的鞍形锟传送装置。滚子链条6为空心销轴辊子链条，每一个链节安装一根鞍形辊轴，并且在辊轴上安装了小齿轮5，在固定直齿条7的带动下，强制鞍形轮做向前平动的同时，绕自身轴线做旋转运动。使得木瓜在传送链的带动下，实现向前输送的同时，绕自身轴线的旋转运动，如图7所示。
如图8所示，木瓜的运动状态为：木瓜整体在滚子链的带动下，向水平倾斜的方向向前输送；而在两个鞍形轮的摩擦力作用下，木瓜以一定的角速度做顺时针运动。木瓜开始会带有轻微的跳动，待位置适应后进入稳定向前输送状态。
4.2 V型输送通道和料斗的钣金设计
如图9所示，料斗和V型输送通道通过螺钉紧固在一起。长度约为1254mm，宽度约为456mm。输送通道内侧的两个斜面共同形成一个V形槽，可以起到扩大木瓜输送通道空间的作用。
料斗和输送通道都跟木瓜都有直接的接触，因此都采用国家食品机械安全卫生要求的不锈钢制作。下图10、11分别是料斗和输送通道设计的主要尺寸。
4.3 物料分配机构的设计
如图12所示，物料调配机构主要由斜滑槽1和挡料转盘3组成。其中斜滑槽通过螺钉固定在机架4上，连接着定向排序输送机构和定位装夹输送机构，木瓜通过定向排序输送机构之后就会滑落到斜滑槽中。而挡料转盘被固定在定位输送机构的皮带轮轴上，随着轮轴的转动而转动，并且与定位装夹机构2有相同的角速度，挡料转盘3与定位装夹机构2保持相对静止。
物料调配机构的结构设计、钣金设计、运动仿真分析与之前的机构基本相同，就不再赘述，以下主要展示挡料转盘设计及应力分析。
4.3 挡料转盘设计
挡料转盘的外形轮廓和设计尺寸如图13所示。转盘凹陷部分的设计要求是保证木瓜能顺利滑出斜滑槽，所以它的开口宽度必须大于斜滑槽的宽度。现设计尺寸为，完全符合要求。而突出部分则需保证可以完全阻拦后面的木瓜，因此它必须能够挡住斜滑槽出口80%以上。经测量得斜滑槽口最上端离皮带轮轴心得距离约为，结合槽口高，挡料转盘外径，计算挡料转盘对斜滑槽口的遮挡率δ为：
综合以上两个校验，挡料转盘的外形尺寸符合设计要求。
挡料转盘中还设计了四个叶片状的通孔。这样的好处是在保证零件本身的刚度和强度同时，还可以减少零件制造时的材料用量，达到降低成本的目的。挡料转盘的物理特性如表1所示。
挡料转盘是一个受载荷的零部件。当有两个甚至三个木瓜堆积在斜滑槽并挤压挡料转盘时，挡料转盘会疲劳破坏。下面通过对转盘进行受力分析和应力分析来校验该设计。
出现两个木瓜堆积的斜滑槽口现象概率较高，因此本文对此情况进行了分析。由图14可知，对于木瓜A来说，它受到的力包括：自身的重力mg，木瓜B的压力F压，斜滑槽的支持力F支，挡料转盘的阻挡力F挡。
根据牛顿第三定律，相互作用的两个质点之间的作用和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。可知：F=F挡，F为挡料转盘受到的压力。因此我们只需对木瓜A进行受力分析（如图15），并用正交分解法求解F挡，即可知F的大小。
X方向上：
根据计算结果F=3.15N，在三维设计软件Inventor中对挡料转盘进行有限元分析。
首先，将挡料转盘定义材料为ABS塑料并划分网格；然后，在转盘的轴孔处添加固定约束，在突出部分的重心位置添加静载荷F=3.15N；最后求解模型。分析结果如下图16（a）、（b）、（c）、（d）所示。
分析结果表明：挡料转盘的安全系数15，Mises等效应力最大值0.268895 MPa，位移最大值0.465798mm，等效应变0.000113097。挡料转盘的设计安全可靠。
4.4 切割机构的总体设计
如图17所示，切割机构主要由圆盘切刀2、保护盖1、机架3、联轴器4、电机5等五个部件组成。圆盘切刀被两个固定盘固定，安裝在主动轴上，由一个带螺纹的定位套限制其轴向的移动，实现定位。选用6207深沟球轴承。切割机构的工作状况如图18所示。
5 结论与展望
三维软件引入到机械设计基础的教学中，可以在软件中进行完整的设计建模（包含结构设计、钣金设计、齿轮齿条设计、装配、工程图等），并以辅助运动仿真、应力分析、车间布局等功能全面训练学生对三维模型的理解与应用，对今后“数字样机”的扩展应用打下坚实的基础。 |
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发表于 2022-2-27 18:33:12