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學士學位答辯論文（設計） 基于SolidWorks插秧機縱向進給機構動態(tài)仿真設計 學生姓名：于志祥 學 號：20054024151 指導教師：劉天祥 所在學院：工程學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 中國·大慶 2009 年 6 月 黑龍江八一農墾大學 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名： 于志祥 學 號： 20054024151 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 設計(論文)題目：缽育水稻栽秧機分秧縱向進給機構 指導教師： 劉天祥 2009年3 月 18 日 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 文 獻 綜 述 水稻栽秧機分秧進給機構的設計目的及意義： 水稻種植歷來以移栽為主。水稻移栽作業(yè)彎腰曲背，面朝黃土背朝天，勞動強度非常大，廣大農民無不夢寐以求實現農業(yè)現代化，但直到今天，我國水稻種植機械化水平仍然很低，水稻機械化示范工程已被國家農業(yè)部列為當前發(fā)展農業(yè)的四大工程之一。目前，制約水稻生產機械化發(fā)展的因素有育秧，栽植，收獲三大薄弱環(huán)節(jié)，大力推廣水稻缽盤工廠化育秧與拋、插、擺栽技術是突破育秧，栽植薄弱環(huán)節(jié)的障礙，快速發(fā)展水稻機械化生產的主要措施之一。 植質水稻缽育栽培是目前早育稀植中最先進的技術之一。它不僅可以有效的提高水稻的產量, 而且可以解決其它種植方法無法避免的諸如用土量大, 取土困難, 大量早田土、山地土、草炭土向水田轉移, 導致自然環(huán)境受到嚴重破壞等難題。我們經幾年的研究嘗試利用稻草、稻殼和廢紙并加人各種肥料及徽肥制成營養(yǎng)缽盤水稻秧苗載體〕, 進行植質缽育秧栽植, 并利用我國目前普遍使用的插秧機對其縱向進給機構、· 缽育水稻栽秧機進給機構結構設計 1縱、橫向進給機構的結構設計 紙盤水稻缽秧栽植機的工作過程是將早地里育好的水紙盤缽秧苗盤整體地置于栽植機秧箱上的柵板橡膠帶式縱向進給機構中, 縱、橫向進給機構與栽植育協(xié)調工作, 共同完成分秧并通過栽植份最終將缽秧苗植人田間。由于育秧盤的結構圖所示其穴缽縱、橫為經緯排列, 所以缽苗的株、行間距均為。這種機械傳統(tǒng)的插秧機無法完成, 因此, 對其雙響螺旋軸和縱向進給機構進行了改進。 1.1雙向螺旋進給機構的設計 秧箱、鏈箱、栽植臂等參數不變, 但移箱機構參數中原機分秧決數為18次, 橫向進給量15.6mm, 該項目分秧次數要求14次, 橫向進給食為20mm, 橫向移動總量為260mm, 為此必須改變工作箱中雙向螺旋軸的基本參數與相應量的結構見(圖1),由圖中可見在保證總移動量260mm的情況下, 將螺距由30.6mm改為40mm, 軸徑也相應加大, 由Φ26mm改為Φ35mm,其螺旋升角比原機還小見(圖2)。因此改變后增大了軸向推力,提高了螺旋軸的壽命。為此雙聯(lián)移動套也相應的作了變動。工作箱內其它部件均可通用。 1.2 縱向進給機構的設計 該機械要求縱向進給量為20mm。主動輪Φ38.4。, 轉60度角/次（原主動軸）, 故其鏈傳動增速比為1：2, 而且改變了原從動軸工作的缺陷。如圖3所示。柵板式橡膠帶裝置位于栽植機秧箱下方的秧門附近正中央其帶面為柵板形, 封閉的柵板橡膠帶分別套在秧箱背面的兩根步進軸的進給輪上, 其動力由工作箱箱出的擺動力通過擺竹及棘輪機構提供。橡膠柵板間間距與缽盤上的缽塊尺寸相吻合, 每排缽塊均與柵板嚙合, 并隨橡膠柵板帶前進無相對滑差, 進給準確。柵板橡膠帶的兩邊各有一排等距型孔, 進給輪爪插人其中。當進給輪轉過一個角度（一齒）時, 通過輪爪撥動膠帶前進一步, 使秧缽盤被推進一排均勻進給, 確保栽植機構準確分秧。 SolidWorks三維設計過程： 圖2 三維設計流程圖 Fig 2 Flow chart of three-dimensional design 應用Solidworks 進行設計的步驟和方法[2], 是在建立三維實體模型的基礎上, 不斷改進零件設計功能, 裝配關系合理；能進行動態(tài)模擬裝配； 進行靜、動態(tài)干涉檢查，產生裝配的爆炸圖和動態(tài)裝配錄像文件等， 自動生成二維工程圖, 線型粗細合理,尺寸標注和一些相關的注釋符合國家標準，隨時可編輯。同時零件設計、裝配設計和工程圖之間是全相關的, 高效地管理整個設計過程, 提高設計效率和質量, 縮短新產品開發(fā)周期, 提高了設計創(chuàng)新能力。SolidWorks三維設計過程的流程圖如圖2所示。 缽育水稻栽秧機進給機構的三維設計 利用SolidWorks軟件對機器的各個非非標準零件進行三維造型設計，其中包括機架總成、手輪、偏心輪、推桿、種箱、推桿連接板、容種板等構件。標準零件如連接螺栓、螺母、軸承、銷軸等可以直接從標準件庫直接調取使用。然后將所設計的零件、部件及相關的標準件利用相互間的裝配關系進行組裝，裝配后得到機器的裝配體如圖3所示。得到裝配體后可以利用SolidWorks軟件“干涉”分析功能對機器進行干涉檢驗，如果發(fā)現零件間的干涉，軟件會提示干涉的零件名稱，同時在繪圖區(qū)顯示干涉位置。這時需要對相關零件進行適當的修改，直至機器干涉為零為止。修改零件的同時裝配體、零件和工程圖是相互關聯(lián)的，不需要對工程圖進行單獨修改。最后完成工程圖紙，根據工程圖進行零件的加工，然后對加工完成的零件進行組裝。如果需要進行仿真運動，可以對手輪進行添加“旋轉馬達”動力，使用物理模擬功能進行計算模擬，得到機器的運動情況。 水稻植質缽育移植技術要求移植機的縱向進給和橫向進給準確到位, 同時分秧時秧盤處在秧門附近必須有剛性支撐, 以保證使用植質缽育秧盤這種秧苗特殊栽體時的準確分秧。為了滿足上述要求, 在我國現有普遍使用的插秧機上進行了改進, 除了上節(jié)描述的縱向進給機構以外, 又增加了如圖4所示的秧盤定位支撐切割裝置。圖中1為秧盤、2.秧門、3.栽植臂攤.4正在分秧中的秧苗、5.護秧舌、6.秧箱、7.托板、8.秧盤定位支撐切割器。由于橫向進給量與缽盤上缽塊的橫向間距相等, 但若秧箱上的缽 盤橫向自由度過大, 則嚴重影響栽植臂的準確分插。專用橫向進給分秧支撐切割裝置是由橫向為等距排列的, 并垂直與秧箱上平面從順縱向布局的若干鋼條組成, 其間距亦等于缽塊的橫向間距。該裝置位于秧箱的最下端秧門上方, 通過螺釘固定在秧箱上。當植質秧盤2縱向進給時, 兩個缽塊之間縫隙可沿支撐切割鋼條下滑, 同時缽盤橫向移動自由度受到限制, 實現橫向定位。當栽植臂4的分秧爪在秧門處分秧時, 其缽塊因其兩側有鋼條支撐, 便形成有支撐切割, 從而避免了缽塊連帶現象, 使其順利分秧并植人田間, 保證立苗度和均勻度。 　結語： 推桿式水稻缽育播種機的優(yōu)越性，主要有以下幾點：節(jié)省大量優(yōu)良種子，有利于機械化。由于精密播種用種量少，節(jié)省了輔助作業(yè)的勞動量以及種子的保管、貯存、清選、運輸和拌藥等工作量，并減少了物資消耗。幼苗分布均勻，通風透光性好。能充分利用土壤的營養(yǎng)和水分；苗期發(fā)育好，達到齊，壯，勻。精播行距準確，苗帶成線，偏差較小。 SolidWorks是一種專門用于機械設計的三維特征造型軟件, 它功能強、操作簡單, 并且具有較強的開放性, 能縮短產品設計周期, 并減少新產品投放市場的風險, 為新產品快速占領市場提供保證, 因此, 也越來越受到工程設計人員的歡迎。本文利用SolidWorks軟件進行推桿式水稻缽育播種機設計, 與以往二維設計相比, 縮短了設計周期, 減少了設計費用, 大大提高設計的精確性。 參考文獻: ［1］丁元賀水稻機械化高產栽培《哈爾濱黑龍江科技出版社,》 ［2］中國農業(yè)機械化科學研究院，農業(yè)機械設計手冊，機械工業(yè)出版社，1988 ［3］陳恒高等水稻機制缽苗拋秧機的研究《北京農業(yè)機械學報》 ［4］鄭樹森主編.機械零件設計手冊.哈爾濱工業(yè)大學.1998 ［5］ 高英武, 任述光步進式水稻缽苗擺植機送秧機構的研究《北京農業(yè)機械學報》 ［6］李益民主編，機械制造工藝設計簡明手冊，機械工業(yè)出版社，2004 [6] 孫桓 陳作模主編，機械原理，高等教育出版社，2001 [7] 濮良貴 紀名剛主編，機械設計，高等教育出版社，2001 [8] <機械設計手冊>編委會編，機械設計手冊，機械工業(yè)出版社2005 [9] 成大先主編,機械設計手冊,化學工業(yè)出版社,2004  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 指導教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測： 指導教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日 8 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 院 工程學院 姓 名 于志祥 指導教師 劉天祥 設計題目 Solidworks缽育水稻栽秧機縱向進給機構的三維設計 畢業(yè)設計前期工作小結 前期我主要完成了與課題相關的分析工作，通過對相關的文獻資料進行細統(tǒng)的搜集、分析，選出了與設計有關的資料備用，分析了水稻栽秧機進給機構的情況。擬定了設計對象，對進給機構進行了系統(tǒng)分析，尋找最佳設計方案，按時完成了前期的工作計劃，并開始為下一階段的設計做準備。 畢業(yè)設計中期工作小結 經過前期大量的資料收集后選擇了插秧機進給機構作為對象，結合以前所學的知識，對其進行了結構分析系統(tǒng)比較，完成了進給參數的選擇和相應計算，制定了相應設計方案。在此過程中所遇到的問題通過與老師溝通，大部分已經得到解決，并開始著手最后階段的設計工作。 指導教師意見 指導教師簽名： 2009屆本科生畢業(yè)論文（設計）中期匯表 填表日期：2009-4-23 黑龍江八一農墾大學 本科生畢業(yè)論文（設計）任務書 論文題目 基于SolidWorks插秧機縱向進給機構動態(tài)仿真設計 學院名稱 工程學院 姓名 于志祥 專業(yè)班級 機械設計05-1 指導教師 劉天祥 課題類型 設計 畢業(yè)論文（設計）的內容摘要 1. 查閱水稻植質缽育技術相關文章及機構，了解國內外相關機械及工作原理。 2. 采用多種方式（機構設計）設計插秧機進給機構。 3. 畫出機構簡圖及機構裝配圖。 4. 應用SW對關鍵部件進行力學分析并對機構進行動態(tài)仿真。 畢業(yè)論文（設計）基本要求及工作量要求 1、論文基本要求：畢業(yè)論文（設計）按照工程學院基本要求的要求進行撰寫，注意可視界面設計的美化和完整性。 2、工作量要求：各機構二維裝配圖 主要零件圖數張 各機構SW實體文件、裝配文件齊全 SW分析圖數張 畢業(yè)論文（設計）的主要階段計劃（分前期、中期、后期） 前期：2009年3月02日至4月10日根據論文的基本條件進行資料查閱。 中期：2009年4月11日至5月14日確定方案，初步計算編輯和設計。 后期：2009年5月15日至5月30日論文撰寫與修改，準備答辯。 任務下發(fā)日期 2009-3-02 完成日期 2009-5-30 系主任 主管教學院長審批（簽字）： 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 I 摘要 本文根據目前我學院插秧機的研究現狀 結合國內外插秧機進給機構 提出兩套縱 向進給機構的設計與仿真 使用專業(yè) CAD 軟件 SolidWorks 先按照預定的軌跡 設計出 進給機構 然后根據機構設置具體零件 再裝配調試 并最終得到兩套設計方案 使用 SolidWorks 分別建立兩套方案的裝配文件及爆炸視圖 分別對兩套進給機構進行 Animator 仿真與 COSMOSMotion 仿真 最后使用 COSMOSMotion 分析整個設計機構 提出分析意見 本設計需要用 SolidWorks Office Premium SW 完全版 3 42GB 才能進 行 COSMOSMotion 仿真 文中多處介紹 COSMOSMotion 仿真工具的用法 要完美的模 擬仿真 還要用到 Microsoft NET Framework 2 0 和 DirectX 9 0c 本設計是以我學院自行 設計的插秧機基礎進行研究的 許多基礎數據來自假設 設計結果僅作為插秧機進給機 構的一種參考 關鍵詞 進給機構 插秧機 動畫仿真 SolidWorks 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 II 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 III 目錄 1 緒論 1 1 1 選題的意義 1 1 2 插秧機進給機構研究的現狀 1 1 2 1 縱向進給機構的結構設計 1 1 2 2 縱向進給機構的工作原理 2 1 2 3 雙向螺旋進給機構的設計 3 1 2 4 學院知識產權現狀 3 1 3 研究插秧機進給機構的步驟 3 1 4 論文的主要研究方法 4 2 SOLIDWORKS 動畫仿真與運動分析簡介 5 2 1 產品數字化變革與仿真設計發(fā)展 5 2 2 SOLIDWORKS 簡介 6 2 3 ANIMATOR 插件功能及特點 7 2 4 模擬工具簡介 8 2 5 COSMOSMOTION 基本知識 8 3 插秧機縱向進給機構設計 11 3 1 要解決的問題 11 3 2 解決方案分析 11 3 2 1 初步分析 11 3 2 2 具體分析 11 3 3 直線型從動擺臂機構的設計 方案 1 12 3 3 1 設計的前提條件 12 3 3 2 機構原理圖及運動分析 12 3 3 3 直線型從動擺臂機構主要零件的設計 13 3 3 4 直線型從動擺臂機構的裝配關系 19 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 IV 3 4 圓弧型從動擺臂機構的設計 方案 2 22 3 4 1 設計的前提條件 22 3 4 2 機構原理圖及運動分析 22 3 4 3 圓弧型從動擺臂機構主要零件的設計 23 3 4 4 圓弧型從動擺臂機構的裝配關系 24 4 插秧機進給機構的動畫仿真與運動分析 26 4 1 直線型從動擺臂機構動畫仿真 26 4 1 1 直線型從動擺臂機構的 ANIMATOR 仿真 26 4 1 2 直線型從動擺臂機構的 COSMOSMOTION 分析 28 4 2 直線型從動擺臂機構動運動分析 31 4 3 圓弧型從動擺臂機構動畫仿真 32 4 3 1 圓弧型從動擺臂機構的 ANIMATOR 仿真 32 4 3 2 圓弧型從動擺臂機構的 COSMOSMOTION 分析 32 4 4 圓弧型從動擺臂機構動運動分析 33 4 5 方案 1 與方案 2 對比分析 34 4 6 結論 35 5 結束語 36 參考文獻 37 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 1 1 緒論 1 1 選題的意義 水稻是我國種植面積最大 單產最高 總產最多的主要糧食作物 其常年種植面積 和總產約占我國糧食作物的 28 和 40 種植方式主要為傳統(tǒng)的人工插秧 雖然我國在 20 世紀 60 年代已開始水稻種植機械化研究 對插秧機關鍵部件的設計與研究有所突破 但使用成本高 可操作性差 遠不及水稻生產機械化中的耕作機械和收獲機械 與 我國經濟社會的發(fā)展狀況不協(xié)調 嚴重制約了我國水稻生產的發(fā)展 成為制約水稻生 產全程機械化的瓶頸 也限制了我國水稻生產的規(guī)?；?專業(yè)化 商品和現代化的發(fā)展 國內對機插秧技術的設計與開發(fā)手段還較為傳統(tǒng) 很大一部分是借憑經驗進行類比 設計 一般只進行靜態(tài)分析而不注重動態(tài)特征分析 不像汽車制造 工程機械 航空航 天等工業(yè)產品應用先進虛擬樣機技術進行研發(fā) 基于SolidWorks 三維設計軟件虛擬樣機技 術解決方案 對水稻栽秧機器進給機構的模擬設計 運動仿真 具體解決其在運動中的 運動直觀圖 運用虛擬樣機技術可以較好地解決復雜的水稻插秧機的設計 動力學分析 和參數優(yōu)化 可大大減少研發(fā)成本和物理樣機制造 試驗的周期 具有巨大的工程實 用價值 對我國水稻插秧機設計水平的提高有極大的促進作用 加快水稻插秧機關鍵技術 的研發(fā)步伐 對推動我國水稻種植機械化的發(fā)展 對促進規(guī)模化生產 農業(yè)結構調整 農村勞動力轉移 新農村建設和實現農業(yè)現代化具有重要的意義 在設計階段中 熟悉掌握 SolidWorks 產品基本造型方法 必將對以后的工作與學習 有巨大幫助 1 2 插秧機進給機構研究的現狀 我國目前普遍使用的插秧機對其縱向進給機構 橫向進給機構 分秧機構進行了改進研 制成與該技術配套的植質水稻缽育栽植機 我院研究插秧機器已經很多年 在研究過程 中已獲得很多技術突破和關鍵性的成果 紙盤水稻缽秧栽植機的工作過程是將早地里育 好的水稻紙盤缽秧苗盤整體地置于栽植機秧箱上的柵板橡膠帶式縱向進給機構中 縱 橫 向進給機構與栽植育協(xié)調工作 共同完成分秧并通過栽植份最終將缽秧苗植人田間 1 2 1 縱向進給機構的結構設計 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 2 1 2 圖1 1 水稻植質缽育秧盤 1 缽育孔 2 進給孔 水稻植質缽育秧盤是將稻草粉為主要原料 添加水稻生長所必需的營養(yǎng)濟和凝結濟 經特殊加工工藝制成 如圖 1 1 秧盤長 580mm 寬 265mm 高 23mm 每只秧盤經緯 排列 29 行 14 列 共 406 穴 這種新型秧盤盛土充足 透氣性好 益于盤根 便于栽植 可育出帶蘗的缽塊壯秧 水稻栽植中 新型秧盤可保證秧苗根系完整 不緩苗 隨著水 稻生長 秧盤緩慢將解 可為水稻提供生長所需營養(yǎng) 水稻植質缽育栽植機的工作過程是將旱地里育好的水稻植質缽育秧盤整體地置于栽 植機秧箱上的柵板橡膠帶式縱向進給機構中 縱 橫向進給機構與栽植臂協(xié)調工作 共 同完成分秧并通過栽植臂最終將缽秧苗植入田間 由于育秧盤的結構 圖 1 1 所示 其穴缽 縱橫為經緯排列 所以缽苗的株 行間距均為 20mm 柵板橡膠帶裝置位于栽植機秧箱下 方的秧門附近正中央 其帶面為柵板形 封閉的柵板橡膠帶分別套在秧箱背面的兩根步 進軸的進給輪上 其動力由工作箱輸出的擺動力通過擺臂及棘輪機構提供 橡膠柵板間 間距與缽盤上的缽塊尺寸相吻合 每排缽塊均與柵板嚙合 并隨橡膠柵板帶前進無相對 滑差 進給準確 柵板橡膠帶的兩邊各有一排等距型孔 進給輪爪插入其中 當進給輪 轉過一個角度 一齒 時 通過輪爪撥動膠帶前進一步 使秧缽盤被推進一排均勻進給 確 保栽植機構準確分秧 1 2 2 縱向進給機構的工作原理 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 3 圖1 2 縱向進給機構 1 秧盤長壓條苗 2 秧盤短壓條 3 秧盤擋板 4 滑道 5 秧箱 6 護苗器 7 秧盤定位支撐切割裝置 8 方管 9 板式橡膠帶 10 驅動輪 11 植質缽育秧盤 如圖 1 2 所示 機器在插秧作業(yè)前打開長壓條 1 將秧盤置于板式橡膠帶 9 上 并使之 處于分秧位置 作業(yè)時分秧裝置每插一穴秧苗 橫向進給機構驅動秧箱移動一個穴距 20mm 當插完一排秧苗后 插秧機的自動縱向進給機構工作 其動力由機器的工作箱 提供的擺動力矩 轉變成棘輪棘爪機構的回轉運動 再通過鏈條傳動將運動傳給驅動輪 10 通過柵板橡膠帶帶動植質缽育秧盤 1 1 向前進給一個 穴距 20mm 完成縱向進給運 動 使縱向進給量的精度提高 有效地保證了秧苗的栽植精度 為了使每一盤的最后一 排秧苗均能順利分秧 本機械上設置了秧盤擋板 3 既保證了每盤的最后一排秧苗的分秧 又能確保與下一盤秧苗的適時連接 使插秧過程連續(xù)進行 有效地控制缺苗率 1 2 3 雙向螺旋進給機構的設計 秧箱 鏈箱 栽植臂等參數不變 但移箱機構參數中原機分秧決數為 18 次 橫向進 給量 15 6mm 該項目分秧次數要求 14 次 橫向進給量為 20mm 橫向移動總量為 260mm 為此必須改變工作箱中雙向螺旋軸的基本參數與相應量的結構 見圖 1 由圖中 可見在保證總移動量 260mm 的情況下 將螺距由 30 6mm 改為 40mm 軸徑也相應加大 由 26mm 改為 4 35mm 其螺旋升角比原機還小 見圖 1 3 因此改變后增大了軸向推力 提高了螺旋軸的壽命 為此雙聯(lián)移動套也相應的作了變動 工作箱內其它部件均可通用 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 4 圖1 3 雙向螺旋軸 1 2 4 學院知識產權現狀 植質水稻缽秧栽植技術及其配套機械是目前國內外位居先進地位的水稻移植技術和 機械 它的研究是一項融農業(yè) 農機 機械和造紙行業(yè)為一體的系統(tǒng)工程 在這項研究 中我院已向國家知識產權局申請了一項 發(fā)明專利 和兩項 實用新型專利 并獲批準 就栽植機而言 與目前國內外普通栽植機不同 它需要的縱 橫向進給均特別精確 為 了確保分秧精度 橫向進給機構是它的核心部件 如若進給不到位 則分秧后田間會出 現幾米內無秧苗 反之幾米內出現重苗 而采用我們研制的特殊 水稻植質缽秧栽植 縱向進給機構 可有效的確保進給準確 從而有效的保證分秧栽植的高精度要求 我院 自行設計的縱向傳動機構見圖 1 4 1 3 研究插秧機進給機構的步驟 本課題嘗試用專業(yè)的 CAD 軟件 SolidWorks 對水稻栽秧機進給機構進行設計和分析 嚴格計算各個構件的尺寸 對每一個構件進行運動軌跡的分析 發(fā)揮 SolidWork 強大的仿 真功能進行裝配和運動分析 并且模擬水稻栽秧機進給機構的運動過程 直觀的演示設 計結果 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 5 圖1 4 我院自行設計的縱向傳動機構 具體研究步驟 1 查閱水稻植質缽育栽植技術相關文章及機構 了解國內外相關機械及工作原理 2 采用多種方式 機構設計 設計插秧機進給機構 3 畫出機構簡圖及機構裝配圖 4 應用 SW 對關鍵部件進行力學分析并對機構進行動態(tài)仿真 1 4 論文的主要研究方法 本課題將從以下幾方面進行嘗試性產品數字化研究 1 研究符合學校自行設計插秧機的進給機構 2 進給機構的 Animator 仿真 3 用 COSMOSMotion 仿真分析 跟蹤零件的運動軌跡 分析機構中零件的速度 加速度 作用力 反作用力和力矩等 并用動畫 圖形 表格等多種形式輸出結果 2 SolidWorks 動畫仿真與運動分析簡介 2 1 產品數字化變革與仿真設計發(fā)展 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 6 隨著信息技術在各領域的迅速滲透 CAD CAM CAE 技術已經得到廣泛的應用 從 根本上改變了傳統(tǒng)的設計 生產 組織模式 對推動現有企業(yè)的技術發(fā)行 帶動整個產 品結構的變革 發(fā)展新興技術 促進經濟增長的都具有十分重要的意義 計算機輔助技術的在工業(yè)設計與制造領域的應用越來越廣泛 這一技術帶來的變革 之一就是產品數字化 產品數字化的發(fā)展歷程大致可以分為三個階段 第一階段為廣泛使用計算機輔助工具 CAD CAPP 計算機輔助工藝過程設計 CAE 等 第二階段是在 CAX 的基礎上應用并行工程 DFM 面向制造的設計 DFA 面向 裝配的設計 以 PDM 產品數字管理 為集成平臺 將這些應用集成為一個整體 第三階段是在并行工程的基礎上大量使用仿真手段 構建產品的數學化模型 進行 電 機 液等協(xié)同化仿真試驗 進行優(yōu)化設計 以減少開發(fā)成本 有益于產品的市場推 廣 當今的工業(yè)設計對市場開發(fā)的要求下越來越高 這就需要 CAD 進行面向市場的開發(fā) 工業(yè)設計技術的對象將從單個產品的造型設計發(fā)展為產品的研發(fā)策劃技術 使產品開發(fā) 始終圍繞市場和人的需求 特別注重企業(yè)無形資產的開發(fā) 如品牌 形象 計算機輔助 工業(yè)設計是工業(yè)設計領域的前沿 這不僅意味著設計手段的改變 同時也改變了工業(yè)設 計的思維方式 就產品制造中所涉及的模型種類來說 大致可分為三類 即產品模型 制造系統(tǒng)模 型和開發(fā)過程 包括設計 加工 裝配 測試等 模型 其中產品模型是所有活動的目 的和中心 制造系統(tǒng)模型是產品開發(fā)必須要考慮的約束 這里的制造系統(tǒng)是一個廣義的 概念 包括物料供應 加工 裝配和檢驗等所有方面 仿真技術的應用正是以這三類模型為中心展開的 1 以產品模型為中心的仿真 包括產品的形態(tài)和動態(tài)性能分析 產品的可制造性 分析 產品的可裝配必分析 在進行產品開發(fā)時 要考慮的不只局限于與功能需求有關 的方面 如形狀 尺寸 結構及各種物理特性 還要綜合考慮諸如制造 裝配 維護 成本等各方面的因素 因此 產品本身的仿真 如 CAE DFA 等 是仿真技術的制造業(yè) 應用的基本方面 2 以制造系統(tǒng)模型為中心的傳真 包括對于復雜制造裝備 如加工中心 機器人 等 的仿真 對于復雜制造系統(tǒng) 柔性制造車間的設計和運行 的仿真 仿真的目的在 于 確定設備能力的運行情況 包括加工路線 資源的分配 物料的供應等 3 以開發(fā)過程模型為中心的仿真 包括設計過程的仿真和制造過程的仿真 產品 的開發(fā)大致包括設計和制造兩個階段 在設計階段 產品的性能和成本就已基本上確定 了 而正是因為設計階段的重要必 以及設計過程中多學科輪作和反復設計 試驗帶來 的復雜性 設計過程的建模和傳真越來越受到人們的重視 仿真的目的在于縮短周期 降低成本 制造過各是仿真應用的傳統(tǒng)方面 制造過程的仿真必須把產品模型和制造系 統(tǒng)模型結合起來加以考慮 但它不僅僅是兩者的簡單相加 還需考慮控制策略 庫存能 力 負載能力等方面的問題 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 7 傳統(tǒng)的機械行業(yè)僅僅注重產品的前期功能性設計 例如工藝性 成本 生產周期等 這些領先一些常用的 CAD 軟件即可完成 在后期驗證產品功能時 輔助使用一些 CAE 軟件來進行有限元分析或者綜合動力學分析 在市場經濟條件下的產品開發(fā) 除了對產 品本身功能進行設計外 還需注意產品的后續(xù)宣傳和形象傳遞 其采用的形式多種多樣 如海報 說明書 產品操作動畫演示 渲染圖像等 特別是如何使用產品動態(tài)動作 符 合其實際的規(guī)律 并且把這種視像記錄下來 這是一門新興的學科 在產品開發(fā)過程中 正占據越來越重要的地位 動畫是一種傳遞設計思想 記錄仿真的良好的載體 它的特點已經形象和直觀 在 某些場合下 例如產品的內部結構非常復雜 僅僅領先文字或者敘述往往不易講解清楚 而使用動畫就能免去這種麻煩 達到交流的目的 高速的信息傳遞將為企業(yè)發(fā)展帶來新 的發(fā)展動力和生存方式 對于企業(yè) CI 形象 VI 視覺識別 BI 行為識別 MI 理念識別 的 宣傳也有很大的促進作用 2 2 SolidWorks 簡介 SolidWorks 是一套基于 Windows 的 CAD CAE CAM PDM 桌面集成系統(tǒng) 是由美國 SolidWorks 公司在總結和繼承了大型機構 CAD 軟件的基礎上 在 Windows 環(huán)境下實現的 第一個機械三維 CAD 軟件 于 1995 年 11 月研制成功 SolidWorks 是市場分額增長最快 技術發(fā)展最快 市場前景最好 性能價格比最優(yōu)的軟件 隨著 SolidWorks 版本的不斷提 高 性能的不斷增強 SolidWorks 已經能滿足一般企業(yè)的一般需求了 SolidWorks 軟件擁有以下特點 1 第一個在 Windows 操作系統(tǒng)下開發(fā)的 CAD 軟件 采用 Windows 系列 與 Windows 系統(tǒng)全兼容 是 Windows 的 OLE 2 產品 2 菜單少 使用直觀 簡單 界面友好 SolidWorks 一共只有 60 幾個命令 其 余所有命令與 Windows 命令是相同的 下拉菜單一般只有二層 三層的不超過 5 個 圖形菜單設計簡單明快 非常形象化 一看即知 系統(tǒng)的所有參數設置全部集中在一個 選項 option 中 容易查找和設置 動態(tài)引導具有智能化 一般情況下無須用戶去修改 特征樹獨具特色 實體及光源均可在特征樹中找到 操作特征非常方便 裝配約束所有 的概念非常簡單且容易理解 實體的建模和裝配完全符合自然的三維世界 對實體的放 大 縮小和旋轉等操作全部是透明命令 可以在任何命令過程中使用 實體的選取非常 容易 方便 3 數據轉換接口豐富 轉換成功率高 SolidWorks 支持的標準有 IGES DXF DWG SAT ACSI STEP STL ASC 或二進制的 VDAFS VDA 汽 車工業(yè)專用 VRML Parasolid 等 且與 CATIA Pro Engineer UG MDT Inventor 等設有專用接口 SolidWorks 與 I DEAS ANSYS Pro Engineer AutoCAD 等之間的數 據轉換均非常成功 流暢 4 獨特的配置功能 SolidWorks 允許建立一個零件而有幾個不同的配置 Configuration 這對于通用件或形狀相似零件的設計 可大大節(jié)約時間 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 8 5 特征管理器 特征管理器 PropertyManager 是 SolidWorks 的獨特技術 在不占 用繪圖區(qū)空間的情況下 實現對零件的操縱 拖曳等操作 6 自上而下的裝配體設計技術 top to down 目前只有 SolidWorks 提供自上而 下的裝配體設計技術 它可使設計者在設計零件 毛坯件時于零件間捕捉設計關系 在 裝配體內設計新零件 編輯已有零件 7 比例縮放技術 可以給模具零件在 X Y Z 方向給定不同的收縮而得到模具 型腔或型芯 8 曲面設計工具 用 SolidWorks 設計者可以創(chuàng)造出非常復雜的曲面 如 由兩 個或多個模具曲面混合成復雜的分型面 設計者亦可裁減曲面 延長曲面 倒圓角及縫 合曲面 2 3 Animator 插件功能及特點 SolidWorks Animator 插件是本仿真設計中用到的重要插件之一 Animator 插件是一個與 SolidWorks 完全集成的動畫制作軟件 它最大的特點在于能 夠方便地制作出的動畫效果 以演示產品的外觀和性能 增強客戶與企業(yè)之間的交流 Animator 是 SolidWorks Office 自帶的插件之一 用于制作產品的演示 動畫是交流 設計思想最好的途徑 能更有效地促進多方設計人員的協(xié)同工作 使用 Animator 能將 SolidWorks 的三維模型實現動態(tài)的可視化 并且及時錄制產品設計的模擬裝配過程 模 擬拆卸過程和產品的模擬運行過程 將設計得的意圖更好的傳遞給客戶 SolidWorks Animator 提供如下的產品外觀展示能力 1 零件外觀漸隱效果與色彩改變 2 爆炸或解除爆炸動畫 展示裝配體中零部件的裝配關系 3 動畫裝配體的剖切視力 展示內部結構 4 利用專業(yè)的燈光控制以及為零件和特征增加材質 來產高質量生的動畫效果 5 零部件位置與視角變化 6 通過屏幕再現零件設計過程 Animator 和 PhotoWorks 無縫集成 可以充分利用 SolidWorks 獨有的實體模型和 PhotoWorks 的高品質的渲染功能 通過全相關來保證精度 包括保持配合約束關系和零 件設計 裝配設計和工程圖之間的同步更新 通過增強的圖形燈光控制來增強視覺效果 通過專業(yè)的燈光控制和為零件的特征增加材質 來產生高質量的動畫效果 依靠龐大的 材質 紋理和背景庫 增強視覺沖擊力 Animator 還能任何 VAB 宏生成一個自動的設計過程 結合函數與數學方程式以及 SolidWorks 關聯(lián)設計等 可以得到 豐富多彩的視覺影片 Animator 作為一款制作動畫的插件 其產生動畫的原理和一些 CAE 分析軟件得到的 動畫是不同的 Animator 得到的是視覺效果 它的作用在于記錄屏幕的視像變化 然后 再通過自動合成各帖來獲得影片 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 9 2 4 模擬工具簡介 SolidWorks 有四種模擬方式 1 線性馬達 模擬線性作用力 零部件移動的速度與其質量特性無關 當有外部作用 例如零部 件之間的碰撞 而使物體方向改變時 此線性作用力也會隨之發(fā)生變化 其方向是根據 零部件上的線 面或基準輔助面而定的 2 旋轉馬達 模擬旋轉力矩的作用 零部件旋轉的速度與質量特性無關 作用時亦不考慮摩擦力 和阻尼 如果選擇一線性邊線或基準軸 方向參考將繞連線或基準軸旋轉 如果選擇平 面 方向參考將繞面的旋轉 選擇圓形連線或圓柱 圓錐面為方向參考元素時 零部件 將繞該圓形連線或圓柱 圓錐面的中心軸線旋轉 3 線性彈簧 模擬彈性力作用 線性彈簧的一個端點必須位于零部件以外 另一個端點則必須在 零部件上 線性彈簧將使零部件向彈簧到達其自由長度的點移動 一旦彈簧到達其自由 長度 零部件的運動將停止 如果零部件上有多個彈簧 則零部件將在多個彈簧達到平 衡的點停止運動 馬達的運動優(yōu)先于彈簧的運動 零部件移動的速度與其質量特性有關 4 引力 所有零部件無論其質量如何都在引力效果下以相同速度移動 馬達的運動優(yōu)先于引 力的遠去 引力的作用與可以用線性馬達來代替 2 5 COSMOSMotion 基本知識 SolidWorks COSMOSMotion 插件也是本仿真設計中用到的重要插件之一 COSMOSMotion 是 SolidWorks 的 CAE 應用插件 它是廣大用戶實現數字化功能樣 機的優(yōu)秀工具 是一個全功能的運動仿真軟件 COSMOSMotion 可用于建立運動機構模型 進行機構的干涉分析 跟蹤零件的運動 軌跡 分析機構中零件的速度 加速度 作用力 反作用力和力矩等 并用動畫 圖形 表格等多種形式輸出結果 其分析結果可指導修改零件的結構設計 加長或縮短構件的 長度 修改凸輪開線 高速齒輪比等 或高速零件的材料 減輕或加重或增加硬度等 設計的更改可以反映到裝配模型中 再重新進行分析 一旦確定優(yōu)化的設計方案 設計 更改就可直接反映到裝配體模型中 此外還可以將零部件在復雜運動情況下的載荷情況 直接輸出到主流有限元分析軟件中以作出正確的強度和結構分析 COSMOSMotion 具有如下三個特點 1 功能強大 求解可靠 COSMOSMotion 可靠性和精確性經過成千上萬位工程師在各種不同行業(yè)的長期實際 應用而得到驗證 且求得的結果與實際非常吻合 可以滿足用戶的各種需求 是真正可 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 10 以實際使用的運動分析軟件 軟件支持多種約束 包括轉動副 移動副 圓柱副 球面副 萬向副 螺旋副 平 面副和固定約束 還支持共點 共線 共面 平動 平行軸 垂直等虛約束 可分別按 位移 速度或加速度添加各種運動 包括恒定值 步進 諧波 樣條線和函數等運動 利用 COSMOSMotion 可模擬系統(tǒng)各種受力情況 包括拉壓彈簧和扭轉彈簧 拉壓阻尼和 扭轉阻尼 作用力 作用力矩 反作用力 反作用力矩和碰撞力等 還有獨特而實用的 接觸 點線接觸 即兩個零件在作相對運動時 一個零件上的某一點可以沿另一個零件 上某一曲線運動 線線接觸 即兩個零件在作相對運動時 一個零件上某一曲線始終或 間歇地與另一個零件上某一個曲線接觸 和耦合定義功能 因此 用 COSMOSMotion 可 以建立各種復雜的實際系統(tǒng)的精確運動仿真模型 對運動仿真的結果 可以通過多種方式來研究 首先 在 CAD 環(huán)境中就能通過仿真 動畫直接觀察系統(tǒng)運動情況 還可以將結果輸出為通用的 AVI 格式動畫 若想在互聯(lián)網 上傳輸展示仿真結果 可以輸出為 VRML 格式的動畫 可以輸出到 Excel 表格中 以表 格可圖形的形式顯示數據 可以輸出為 Text 文件 當然還有功能強大 內容的各種 XY 圖形輸出 我們還可以進一步進行運動干涉檢查 不同于 CAD 軟件的靜態(tài)干涉檢查 將系統(tǒng)在復雜運動狀態(tài)下的精確載荷直接輸出到相應的 FEA 軟件中 以作出正確的結構 強度分析 2 與 SolidWorks 無縫集成 COSMOSMotion 與當今主流的三維 CAD 軟件 SolidWorks 無縫集成 用戶用 SolidWorks 完成產品實體造型設計 不用離開自己熟悉的 CAD 環(huán)境就可以進一步用 COSMOSMotion 實現運動仿真 研究所設計的機械系統(tǒng)的各種運動情況 感覺上好像是 在使用一個軟件 因此不需要學習新的軟件界面 并且 COSMOSMotion 可以自動將用戶 已經定義的裝配約束映射為運動約束 同時因為是無縫集成 不需要在不同軟件間打開 傳輸 轉換裝配體文件 從而保證了設計的完整性和統(tǒng)一性 3 使用簡單 操作方便 COSMOSMotion 定位于廣大普通的設計人員 因此它的一個的特點就是易學易用 COSMOSMotion 與 SolidWorks 無縫集成 保證在建立運動模型時將 SolidWorks 造型時定 義的裝配約束自動轉化為運動約束 直接使用 SolidWorks 的材料庫 當然 用戶也可以 根據需要隨時方便地添加新材料 自動給出零件的材料特性 與 SolidWorks 保持同一 界面 使用者無需再學習新界面 COSMOSMotion 是 Windows 原創(chuàng)軟件 支持拖放功能 用鼠標右鍵彈出快捷菜單等用戶非常熟悉的標準 Windows 軟件的操作 極大地方便了使 用 因此 COSMOSMotion 在保證功能強大 仿真可靠的同時 學習使用還很簡單 整 個運動仿真的操作簡單快捷 大多數設計人員并不需要很深的運動仿真的專業(yè)知識 僅 需幾個小時 就能看到自己設計的產品的運動情況 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 11 3 插秧機縱向進給機構設計 3 1 要解決的問題 縱向進給需要保證進給的時間周期性與進給的準確性 進給的時間周期性指 插秧機準確正常工作要求縱向進給機構要單向間歇性完成進 給 于是在插秧機工作時縱向進給機構呈現周期性進給工作 學院設計的插秧機為缽育 水稻栽秧機 根據其工作特點 需要縱向進給每一次工作都要保持嚴格準確與嚴格一致 每次進給 20mm 這就是所謂的進給準確性 3 2 解決方案分析 3 2 1 初步分析 結合現有插秧機縱向進給機構 初步確定本設計使用凸輪機構與棘輪機構相配合完 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 12 成進給工作 凸輪機構用來完成間歇傳動 凸輪由主動凸輪和從動盤組成 主動凸輪連續(xù)轉動 從動盤作間歇分度運動 由于從動盤的運動完全取決于主動凸輪的輪廓曲線開關 故只 要適當設計出凸輪的輪廓 就可使從動盤獲得所預期的運動規(guī)律 它無需采用其他的定 位裝置 就可獲得高垢定位精度 機構結構緊湊 是當前被公認的一種較理想的高速高 精度的分度機構 其缺點是加工成本較高 對裝配 調整要求嚴格 棘輪機構用來完成單向傳動 其結構簡單 制造方便 運動可靠 而且棘輪軸每次 轉過角度的大小可以在較大的范圍內調節(jié) 這些都是它的優(yōu)點 其缺點是工作時有較大 的沖擊和噪聲 由于插秧機是田間工作機械 田間空間開闊 聲音散失較為容易 所以 可以忽略棘輪機構的噪聲影響 適當增加棘輪軸的軸徑可以克服沖擊載荷帶來的對整個 機械的傷害 在設計棘輪機構進 難點在與保證棘輪機構工作的可靠性 在工作行程時 棘爪應能順利地滑入棘輪齒底 3 2 2 具體分析 本設計中動力由凸輪傳入 棘輪傳出 為了使機構緊湊實用 設計中使凸輪的從動 件與棘輪同軸 以下設計中稱之為棘輪 凸輪軸 插秧機正常工作要求送秧傳送帶周期 性縱向進給 送秧傳送帶的動力軸就是棘輪傳出動力的棘輪 凸輪軸 從而要保證棘輪 每次轉過角度機同及凸輪的從動擺臂件 具體結構下文會詳細論述 每次需轉過相同的 角度 現提出兩種方案解決問題 方案 1 直線型從動擺臂機構 方案 2 圓弧型從動擺臂機構 3 3 直線型從動擺臂機構的設計 方案 1 3 3 1 設計的前提條件 本課題只做機構分析 需要預先假定一些尺寸以做為已知尺寸 在實際制造過程中 應根據實際情況適當調整各零件尺寸 假定動力傳入軸與動力傳出軸的軸距為已經尺寸 由于本機構的特點 為了便于設 計計算及畫圖 軸距定為 50 mm 取值 70 71mm 2 3 3 2 機構原理圖及運動分析 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 13 W R 5 0 4 5 2 3 7 0 7 1 A 1 R 5 0 4 B 1 0 4 5 圖3 1 方案1機構原理圖 1 凸輪的從動擺臂件 2 滾子 3 凸輪的主動回轉臂 4 加在作用點上的彈性力 非實物 如圖 3 1 所示 凸輪的主動回轉臂 3 連續(xù)轉動 滾子 2 與主動回轉臂 3 相鉸接 主動 回轉臂 3 轉到 A 點時 帶動滾子 2 推動從動件 1 使從動件 1 轉過一定角度 此045 時主動回轉臂恰好轉到 B 點 使從動件 1 轉過最大的極限角度 轉過 B 點以后 從動件 1 在彈力 4 的作用下返回到原有位置 以等待下一次被滾子推動 自動度分析 滾子為局部自由度 分析時可除去 只考慮為一點 即 2 個活動構件 2 個低副和 1 個高副 則 1 2 3 2 3 hlpnF 所以此機構有確定運動 主動回轉臂 3 每完成一個行程 此機構簡單精確的使凸輪軸轉過相同度數 045 由于棘輪與凸輪同軸 使棘輪也轉過相同度數 能滿足起初的設計要求 故啟用此機構 3 3 3 直線型從動擺臂機構主要零件的設計 1 棘輪輪體的設計 本設計為外接棘輪機構 棘輪輪體共 8 齒 設計初衷是在棘爪帶動下棘輪每次轉一 個齒 每次恰好轉過 045 制造精度 此棘輪機構為一般工作機械 速度不高 故選用 7 級精度 GB10095 88 材料選擇 棘輪為主要工作部件 工作面易受到磨損 應選用耐磨材料制造 故選 用 40Cr 調質 硬度為 280HBS 結構尺寸如圖 3 2 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 14 1 5 1 1 3 0 1 5 6 M 3 5 T 4 8 R 1 5 2 0 4 5 圖3 2 棘輪輪體結構尺寸 利用 SW2007 實體設計 如圖 3 3 詳情見此件對應的實體設計文件 棘輪 SLDPRT 圖3 3 棘輪輪體實體造型 2 棘爪的設計 棘爪與棘輪輪體相配合 產生定向分度過去 共同完成預定的單向間歇傳動 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 15 制造精度 此棘輪機構為一般工作機械 速度不高 故選用 7 級精度 GB10095 88 材料選擇 棘輪為主要工作部件 工作面易受到磨損 應選用耐磨材料制造 故選 用 40Cr 調質 硬度為 280HBS 結構尺寸如圖 3 4 R 1 2 6 2 1 1 5 5 7 1 0 3 圖3 4 棘爪結構尺寸 SW2007 實體設計 如圖 3 5 圖3 5 棘爪實體造型 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 16 詳情見此件對應的實體設計文件 棘齒 SLDPRT 3 凸輪從動擺臂件的設計 該零件的設計合理于否直接影響整個設計成果 是設計的重點 從動擺臂件要完成固定角度的周期性擺動 而且棘輪結構的棘爪與裝配在從動擺臂 件上 故結構比較特殊 精度等級 7 級 材料選擇 45 鋼 結構尺寸如圖 3 6 2 2 2 1 0 1 9 2 9 1 5 2 5 R 1 0 R 1 5 0 8 R 1 2 R 4 R 2 4 5 2 圖3 6 凸輪從動擺臂件結構尺寸 未注圓角 R1 未注倒角 o4 制造方式 厚鋼條焊接在管體上 鋼條上再焊接一個圓柱鋼銷 從而形成特殊結構 零件體 焊接時要保證精度 SW2007 實體設計 如圖 3 7 詳情見此件對應的實體設計文件 特殊件 SLDPRT 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 17 圖3 7 凸輪從動擺臂件實體造型 4 凸輪主動回轉臂的設計 凸輪主動回轉臂是一個曲柄件 是力的一個承接件 從主動軸獲得力轉動力矩 再 把主動力矩傳轉化為推力遞給安裝在其上的圓柱銷 圓柱銷結構以及相互裝配的結構見 3 3 4 精度等級 7 級 材料選擇 45 鋼 結構尺寸如圖 3 8 4 5 1 53 M 5 M 8 R 6 R 1 5 圖3 8 凸輪主動回轉臂結構尺寸 未注圓角 R1 未注倒角 o451 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 18 SW2007 實體設計 如圖 3 9 圖3 9 凸輪主動回轉臂實體造型 詳情見此件對應的實體設計文件 曲頭 SLDPRT 5 棘輪 凸輪軸的設計 通過觀察江蘇東洋制造的 PF455S 型手扶插秧機 P600 型高速插秧機 及學院 自行設計的插秧機 型號不明 發(fā)現各品牌系列插秧機的棘輪 凸輪軸均采用六棱軸 六棱軸可以看成是一個正六邊形的拉伸體 有三對相互平行的平面的 被用與安裝 在六棱軸上的零件多為注塑件 注塑件六棱軸孔一般采用一次性注塑完成 所以各零件 在六棱軸上的配合與定位非常容易 六棱軸廣泛應用于各種農來機械的傳動裝置中 如聯(lián)合收割機割刀傳動裝置 畜牧 打捆機傳動裝置 播種機排種盒傳動裝置等 由于六棱軸有上述優(yōu)點 本設計也繼續(xù)使用六棱軸作為棘輪 凸輪軸 精度等級 7 級 材料選擇 45 鋼 結構尺寸如圖 3 10 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 19 1 1 R 1 2 1 5 0 圖3 10 棘輪 凸輪軸結構尺寸 由于此件幾何結構比較簡單 說明書中不再添加此件的 SW2007 實體設計圖 詳情見此件對應的實體設計文件 zhou SLDPRT 6 棘輪固定座的設計 此零件作用是把棘輪固定在棘輪 凸輪軸 六棱軸 上 使棘輪與六棱軸能同步轉 動 從而把棘輪的加力傳輸給六棱軸 精度等級 7 級 材料選擇 45 鋼 結構尺寸如圖 3 11 1 5 1 5 62 5 M 3 2 5 1 1 4 1 5 圖3 11 棘輪固定座結構尺寸 SW2007 實體設計 如圖 3 12 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 20 圖3 12 棘輪固定座實體造型 詳情見此件對應的實體設計文件 棘輪固定座 SLDPRT 7 支撐座的設計 此件用于與軸套配合 用來連接秧架與棘輪 凸輪軸 精度等級 7 級 材料選擇 45 鋼 結構尺寸如圖 3 13 SW2007 實體設計 如圖 3 16 2 8 2 0 1 0 6 0 3 0 2 4 4 2 0 6 0 圖3 13 支撐座結構尺寸 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 21 圖3 14 支撐座實體造型 詳情見此件對應的實體設計文件 支撐座 SLDPRT 3 3 4 直線型從動擺臂機構的裝配關系 方案 1 型縱向進給機構裝配關系如圖 3 15 圖 3 16 圖3 15 方案1爆炸圖 1 銷軸 2 棘輪固定座 3 棘輪輪體 4 棘爪 5 棘輪 凸輪軸 6 軸套 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 22 7 凸輪從動擺臂件 8 動力輸入軸 9 凸輪主動回轉臂 10 滾子 圖3 16 方案1實體裝配圖 1 銷軸 2 棘輪固定座 3 棘輪輪體 4 棘爪 5 棘輪 凸輪軸 6 軸套 7 凸輪從動擺臂件 8 動力輸入軸 9 凸輪主動回轉臂 10 滾子 圖 3 15 圖 3 16 均省去了標準件螺栓 5 個 分別為 GB T 5785 2000 5 34 M 10 扭力彈簧 2 個 分別提供棘爪 從動擺臂的保持力 開口銷 2 個 GB T 91 8M 2000 2 10 具體結構細節(jié)詳見說明書配圖 SolidWorks 裝配細節(jié)如下 1 為了便于后續(xù)的動畫仿真 除了要用 SW 做出各零件的實體造型 還有用到一 些輔助件 如圖 3 17 新建好裝配體文件后先要定位這個輔助件 使輔助件的前視基準 面 上視基準面 右視基準面分別與裝配體的前視基準面 上視基準面 右視基準面重 合 讓輔助件充當機架的作用 然后再依次用 同軸心 距離 與 平行 等定位 圖 3 16 中的 3 2 5 6 7 件 本節(jié)中提到 件 全部參考圖 3 16 當定位完成以后 為了美觀 再把輔助件隱藏便可 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 23 圖3 17 輔助件說明圖 2 為了最大程度的仿真 裝配時要結合機器工作的實際情況 如圖 3 18 為了保 證棘爪在完成一個行程后能順利彈加到下一個棘齒里 初步安裝時需要留一個間隙 為 了保證安裝間隙 在用 SW 裝配時 要使件 7 的上視基準面與裝配體的上視基準面保持 一個角度 5 度 如圖 3 19 3 件 8 與件 9 是固定性配合 之間沒有相互轉動 在用 同心軸 和 距離 約 束完兩者后 要再添加一個仿止相互轉動的約束 這里用到的是 平行 同理 件 1 與件 9 之間同樣是固定性配合 也要仿止相互轉動 圖3 18 預留間隙 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 24 圖3 19 裝配角度要求 3 4 圓弧型從動擺臂機構的設計 方案 2 3 4 1 設計的前提條件 方案 2 是在方案 1 確定后開始研究的 故各初始參數復用方案 1 具體參數參見 3 3 1 3 4 2 機構原理圖及運動分析 圖3 20 方案2機構原理圖 1 凸輪的從動擺臂件 2 滾子 3 凸輪的主動回轉臂 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 25 如圖 3 20 主動回轉臂 3 帶動滾子 2 順時針轉動 轉動扭矩通過滾子 2 與從動擺臂 件 1 的碰撞與摩擦傳遞給從動擺臂件 1 從面完成由主動回轉臂 3 的主運扭矩轉化為從動 擺臂件 1 的被動扭矩 主動回轉臂 3 每完成一個回轉行程 從動擺臂件 1 被動轉過 50 度 考慮到預留間隙 預留 5 度間隙 如圖 3 18 自動度分析 滾子為局部自由度 分析時可除去 只考慮為一點 即 2 個活動構件 2 個低副和 1 個高副 則 1 2 3 2 3 hlpnF 所以此機構有確定運動 主動回轉臂 3 每完成一個行程 此機構簡單精確的使凸輪軸轉過相同度數 05 由于棘輪與凸輪同軸 使棘輪也轉過相同度數 能滿足起初的設計要求 故啟用此機構 3 4 3 圓弧型從動擺臂機構主要零件的設計 為了統(tǒng)一設計方便 方案 2 盡量少的改支方案 1 的零件 這里主要改動凸輪的從動 擺臂件 其它零件結構參見 3 3 3 1 凸輪的從動擺臂件的設計 精度等級 7 級 材料選擇 45 鋼 結構尺寸如圖 3 21 2 0 R 5 0 R 2 0 4 7 1 0 3 2 5 5 2 5 2 0 1 0 1 9 6 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 26 圖3 21 凸輪的從動擺臂件結構尺寸 未注倒角為 0 5 o45 利用 SW2007 實體設計 如圖 3 22 圖3 22 凸輪的從動擺臂件實體造型 3 4 4 圓弧型從動擺臂機構的裝配關系 方案 2 型縱向進給機構裝配關系如圖 3 23 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 27 圖3 23 方案2實體裝配圖 1 棘爪 2 棘輪固定座 3 棘輪輪體 4 凸輪從動擺臂件 5 棘輪 凸輪軸 6 軸套 7 凸輪主動回轉臂 8 動力輸入軸 9 滾子 10 銷軸 圖 3 23 省去了標準件螺栓 5 個 分別為 GB T 5785 2000 10 5 34 M8 扭力彈簧 2 個 分別提供棘爪 從動擺臂的保持力 開口銷 2 個 GB T 91 2000 2 10 具體結構圖詳見 說明書配圖 SolidWorks 裝配細節(jié)省略 詳見相應的原文件 4 插秧機進給機構的動畫仿真與運動分析 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 28 4 1 直線型從動擺臂機構動畫仿真 4 1 1 直線型從動擺臂機構的 Animator 仿真 4 1 1 1 Animator 仿真前的工作 1 仔細審查裝配體文件各配合 查找各零件間約束是否完全 補齊應有的約束 2 想出要仿真的機構的運動方式 分析各零件間的主動從動關系和各零件間相互 運動行式 3 了解 Animator 中不存在摩擦力 許多阻尼可以省略 4 1 1 2 分析并添加模擬方式 直線型從動擺臂機構可再分為兩部分小的機構 一個凸輪機構與一個棘輪機構 關于凸輪機構的分析 由于 Animator 會自動識別 3D 碰撞 只需在主動軸件 8 圖 3 16 上加一個 旋轉馬達 順時針方向 在動畫仿真模擬時 Animator 會自動識別件 10 與件 7 的碰撞 從而達到運動的傳遞效果 把主動軸 8 的轉動力矩傳給了件 7 變?yōu)?了件 7 的轉動力矩 圖4 1 草繪點說明圖 插秧機實際工作中 需要件 7 的從動擺臂在與凸輪主動部件發(fā)生一次 3D 碰撞后 從 動擺臂還能返回到原有位置 以等待下一次的碰撞 在實際機械中 會用一個與件 5 同 軸的鈕轉彈簧提供件 7 從動擺臂的回彈力 然后再用一個拉絲限制從動擺臂回彈過量 Animator 中沒有扭矩彈簧 在用 Animator 模擬此運動時 要用到一個 線性彈簧 先在 棘輪體 件 3 正上方草繪一點 讓這點到件 7 前端邊線前角上的點的距離為 80mm 然 后添加草繪點與件 7 前端邊線前角上的點之間一個 線性彈簧 常態(tài)時 80mm 這樣能 比較完美的模擬回彈運動 如圖 4 1 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 29 關于棘輪機構的分析 此機構傳動形式是棘爪 件 4 帶動棘輪體 件 3 轉動 棘 爪是主動力 實際機械中 為了保證棘爪的前端始終與棘輪體相接觸 會把一個扭矩彈 簧與棘爪一起裝配在件 7 的橫桿上 在用 Animator 模擬此運動時 也要用到一個 線性 彈簧 代替實際工作中的扭矩彈簧 可以在棘爪前端找一個點 與棘輪中心軸之間建立 一個所需要的 線性彈簧 如圖 4 2 圖4 2 線性彈簧連結點 4 1 1 3 Animator 仿真并輸出 AVI 動畫 在完成所需約束并添加完所需的模擬方式后 便可以進行 Animator 仿真模擬了 點 擊 模擬工具欄 中的 計算模擬 圖標 零部件會根據模擬成分在其自由度之內移動 自由度由零部件的配合與其他零部件的碰撞來決定 這步需要消耗一段的時間 詳情見此件對應的動畫模擬文件 棘輪試裝 AVI Animator 使用基于 關鍵點 的界面 所謂 關鍵點 Key Frame 就是零部件的 某個特定的狀態(tài) 例如在幾何可變機構中 零部件依據自由度進行移動或者旋轉 平衡 或者轉動之后 它的空間位置狀態(tài)就發(fā)生了變化 關鍵點 就是零部件運動前后的兩個 狀態(tài) 支持空間位置的變化 也支持模型材質 顏色 透明度等的變化 用 Animator 工具欄 動畫向導 在時間線上添加以前生成的爆炸視圖動畫并添加解 除爆炸視圖動畫 同時 使用 視圖定向 轉動裝配體到合適角度 最后再用 動畫向 導 添加一個 物理模擬 完成 Animator 仿真 觀看制作的仿真符合預想狀態(tài)后 生成 AVI 動畫 詳情見此件對應的動畫模擬文件 第一方案 Animator 棘輪試裝 AVI 4 1 2 直線型從動擺臂機構的 COSMOSMotion 分析 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 30 4 1 2 1 認識 COSMOSMotion 1 理解 COSMOSMotion 仿真與 Animator 仿真的不同 學會使用約束 鉸接副 圓柱副 平面副 球形副 移動副 邁向副 固定副 螺旋副 平行副 點在直線上 點在面內 垂直軸 方向 約束的使用是難點 2 理解 COSMOSMotion 的碰撞機理 本設計中要用到幾個 3D 碰撞 COSMOSMotion 不自動識別碰撞 需要自行設置 3 COSMOSMotion 能模仿真實環(huán)境 需要定義阻尼 在這此設計中需要添加一個 扭轉阻尼 阻尼是一個機構對象 它消耗能量 逐步降低運動的響應 對物體的運動起 反力 常用于控制彈簧的反作用力 4 1 2 2 設置機構參數與默認值 1 本機構實際受重力影響甚小 為了避免仿真過程中不必要的麻煩 可不設置重 力參數 在 運動 選項 地球 標簽 去掉 施加重力 的復選框 2 系統(tǒng)默認值 里其它參數 顯示 仿真 動畫 結果 不變 4 1 2 3 定義和分析機構并用 COSMOSMotion 仿真 1 再次審核裝配圖 分析各零件之間如何連接 以及該部分的運轉需要什么驅動 這部分在 4 1 1 2 中不詳細論述 這里只做不做介紹 2 定義裝配體 選擇 運動零部件 與 靜止零部件 此機構中每個零件都參 加運動 全部為 運動零部件 只有個別添加的輔助件為靜止 本仿真需要用到四個輔 助件 以下說明要用到的四個輔助件 第一個輔助件與在 3 3 4 中介紹的是同一輔助件 見 圖 3 17 第二個輔助件是一個小正方體 與件 7 圖 3 16 下表面接觸 見圖 4 3 第 三個輔助件也是一個小正方體 見圖 4 4 圖中正方體最靠外的頂點與圖 4 2 中下側的點 重合 并且該小正方體附著于件 5 圖 3 16 是四個輔助件中唯一運動的部件 第四個 輔助件也為小正方體 見圖 4 5 圖中正方體最下側頂點與圖 4 1 中草繪點重合 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 31 圖4 3 輔助件說明圖 3 設置件 1 見圖 3 16 件 10 件 9 附著于件 8 即把件 1 件 8 件 9 件 10 看為一個零件 同理設置件 2 件 5 件 6 附著于件 3 這樣設置以后把參與運動的零件 簡化表達為四個 便于 COSMOSMotion 仿真計算 能有效節(jié)省 COSMOSMotion 的計算 時間 第一次試驗時沒有設置 附著 只一項仿真計算就消耗了大概十五分鐘的時間 圖4 4 輔助件說明圖 4 在 約束 中添加 3D 碰撞 前文中已經提到 COSMOSMotion 不自動識別 碰撞 需要手工添加 本設計需要添加三對 3D 碰撞 分別為件 10 與件 7 件 3 與件 4 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 32 件 7 與圖 4 13 中輔助件 詳情見相關文件 試裝配 SLDASM 圖4 5 輔助件說明圖 5 在 約束 中添加 運動 件 8 圖 3 16 相對于整個裝配體 順時針轉動 在件 8 上添加 motion 電機 6 在 力 中添加 彈簧 與 4 1 1 2 中添加的兩個 線性彈簧 一樣 不同的 是彈簧要與圖 4 4 圖 4 5 的輔助件中相應的點相接 圖 4 5 中添加的 線性彈簧 最終被 替換為一個在件 7 上的 扭轉彈簧 這樣更符合實際 詳情見相關原文件 7 在 力 中添加 阻尼 通過觀察實際機械 通過在件 5 圖 4 13 上添加與 之同心的壓力彈簧 用摩擦片產生旋轉阻力矩 以用來防止件 5 在不受作用力時發(fā)生轉 動 這里通過在件 3 與圖 3 15 中輔助件之間添加一個扭轉阻尼 模擬實際受力情況 8 為了不影響視覺效果 隱藏輔助件 添加完所需的 約束 與 力 后 效果如圖 4 6 9 點擊 COSMOSMotion 工具欄 的 仿真 圖標 完成直線型從動擺臂機構動 畫仿真 觀看制作的仿真符合預想狀態(tài)后 生成 AVI 動畫 詳情見此件對應的動畫模擬文件 第一方案 COSMOS 裝配 AVI 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 33 圖4 6 方案1添加 約束 與 力 后效果圖 4 2 直線型從動擺臂機構動運動分析 本節(jié)將使用 COSMOSMotion 對直線型從動擺臂機構進行運動分析 圖4 7 方案1件3角速度圖 設計本機構的目的在于使一個主動力矩 件 8 提供 圖 3 16 轉變?yōu)榧?5 圖 3 16 的間歇且準確的轉動 所以主要需要分析件 5 的角速度及件 5 的角加速度 在 4 1 2 3 中 黑龍江八一農墾大學畢業(yè)設計 34 已經介紹過 件 5 附著在件 3 上 件 5 與件 3 可簡化的看為同一零件 所以對件 3 進行 角速度及角加速度分析便可 件 3 的角速度與件 3 最外側一點線速度見圖 4 7 圖 4 8 兩圖是在棘輪模擬完成前 兩次行程后生成的 由于運動參數完部來源于假設 故圖像中數值不反映現實情況 只 表示一個運動趨勢 看圖分析得知 在件 10 與件 7 進行碰撞剛接觸時 棘輪 件 3 的 角速度與其最外側一點線速度迅速提高到最高點 當碰撞完成后 件 5 由于受到扭轉阻 尼作用 角速度與角加速度的值又快速回落到 0 點 當第二次碰撞來臨時 又重復上述 過程 機構設計符合原始設計構思與原始設計要求 圖4 8 方案1件3最外側點線速度圖 4 3 圓弧型從動擺臂機構動畫仿真 4 3 1 圓弧型從動擺臂機構的 Animator 仿真 方案 2 仿真裝配與方案 1 相似 這里略寫 強調一點 裝配時要保證預留間隙 圖 3 18 詳情見此件對應的動畫模擬文件 第二方案 Animator 棘輪試裝 AVI 4 3 2 圓弧型從動