基于CATIA的玉米播種機(jī)樣機(jī)建模

孫 健 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

基于CATIA的玉米播種機(jī)樣機(jī)建模

孫 健 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

根據(jù)玉米播種機(jī)的基本設(shè)計(jì)原則和機(jī)具要求，對(duì)玉米播種機(jī)的排種器、開(kāi)溝器、鎮(zhèn)壓輪等進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，得出各零部件的幾何參數(shù)，為后續(xù)基于CATIA的三維參數(shù)化建模提供理論依據(jù)。采用三維參數(shù)化造型軟件CATIA對(duì)各零部件進(jìn)行實(shí)體建模，并完成玉米播種機(jī)整機(jī)裝配和干涉檢查,以較為直觀的方式顯示玉米播種機(jī)中所有零部件的組裝情況，可為實(shí)物裝配路徑的制定提供參考，有效地提高設(shè)計(jì)速度。

玉米播種機(jī)；CATIA；虛擬設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的播種機(jī)設(shè)計(jì)要經(jīng)過(guò)樣機(jī)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、田間試驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)、再試制等多個(gè)步驟。這種設(shè)計(jì)方法存在的缺點(diǎn)有：產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)、成本高，機(jī)構(gòu)參數(shù)只能靠設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，在制造之前看不到零部件實(shí)物，許多問(wèn)題只有在制造出產(chǎn)品以后才能發(fā)現(xiàn)，且不能進(jìn)行預(yù)裝配和干涉檢驗(yàn)[1]。虛擬樣機(jī)技術(shù)是為了解決傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)弊端，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種技術(shù)[2]。使用該技術(shù)，工程師可以使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)零部件進(jìn)行特征建模并進(jìn)行虛擬裝配，從而獲得機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。在虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，觀察并試驗(yàn)各組成部件的相互運(yùn)動(dòng)情況。使用這種方法可以在計(jì)算機(jī)上方便地修改設(shè)計(jì)缺陷，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案后，再制造出物理樣機(jī)。

CATIA是IBM和Dassault System公司合作推出的CAD/CAE/CAM一體化軟件，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。CATIA的模塊具有全相關(guān)性，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)某一處進(jìn)行修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中,同時(shí)自動(dòng)更新裝配體、設(shè)計(jì)圖紙以及制造數(shù)據(jù)所有的工程文檔，方便快捷； CATIA便于裝配管理，它可以利用一些簡(jiǎn)單直觀的命令實(shí)現(xiàn)零件的裝配，支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理[3]。

本研究是基于現(xiàn)有播種機(jī)的使用情況，結(jié)合我國(guó)地塊小、拖拉機(jī)動(dòng)力小和農(nóng)民購(gòu)買力低等現(xiàn)狀而設(shè)計(jì)的懸掛式小型玉米免耕播種機(jī)，以期滿足我國(guó)實(shí)際生產(chǎn)的需要，該機(jī)可以一次性完成開(kāi)溝、施肥、播種、起壟、鎮(zhèn)壓等一系列作業(yè)[4]。

1 基于CATIA的玉米播種機(jī)建模設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要求

由于國(guó)外農(nóng)場(chǎng)的土地面積較大，拖拉機(jī)的功率也較大，所以免耕播種機(jī)一般是牽引式的，而且大多采用多梁結(jié)構(gòu)和多排開(kāi)溝器，各開(kāi)溝器之間間隔較大，防堵性能較好[5-7]。本研究所設(shè)計(jì)的玉米播種機(jī)采用三點(diǎn)懸掛掛接在小型拖拉機(jī)上，該機(jī)主要由肥料箱、機(jī)架、開(kāi)溝器、排種器、排肥器、鎮(zhèn)壓輪等部分組成。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮以下特點(diǎn)和要求：

(1)結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械馬力小的特點(diǎn)和實(shí)際的農(nóng)藝情況，以滿足我國(guó)使用需要的玉米播種機(jī)；

(2)為了避免土壤被壓實(shí)，要減少播種機(jī)進(jìn)入土地的作業(yè)次數(shù)，采用復(fù)式作業(yè)，一次進(jìn)入作業(yè)地可完成將開(kāi)溝、施肥、播種、起壟、鎮(zhèn)壓等工作；

(3)要求播種機(jī)有良好的仿形功能和穩(wěn)定性，播量和播深均勻，具有播深調(diào)節(jié)裝置，能實(shí)現(xiàn)整體和微量的調(diào)節(jié)[8]；

(4)要求做到種肥分施，避免燒苗，且種子與肥料之間至少有5cm厚度的垂直土層；

(5)要求播種機(jī)上設(shè)計(jì)相應(yīng)的鎮(zhèn)壓、起壟裝置，以保證農(nóng)田水分的要求，避免土壤水分的流失；

(6)為了方便作業(yè)和降低成本，要在滿足功能要求和強(qiáng)度要求的前提下，盡量將整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，減輕整機(jī)的重量，節(jié)約使用材料，便于懸掛和田間運(yùn)輸。

1.2 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方案

圖1 虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)路線

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，虛擬樣機(jī)采用圖1所示的設(shè)計(jì)路線。

1.3 基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)

在以CATIAV5R19為技術(shù)平臺(tái)的零件實(shí)體建模技術(shù)中，特征是組成零件實(shí)體模型的基本元素，是描述產(chǎn)品信息的集合，也是設(shè)計(jì)或制造零部件的基本幾何體。

虛擬設(shè)計(jì)中零件實(shí)體建模技術(shù)中的特征詳細(xì)劃分如圖2所示。

圖2 特征分類圖

1.3.1 輔助特征

輔助特征主要包括工作軸、工作平面、工作點(diǎn)、構(gòu)造特征和特征管理樹(shù)，是進(jìn)行基于特征的零件實(shí)體建模設(shè)計(jì)的輔助工具。

1.3.2 幾何特征

根據(jù)創(chuàng)建方式的不同，幾何特征可分為直接生成特征和草圖特征。

圖3 用抽殼特征完成的機(jī)架圖

直接生成特征主要包括倒角特征、肋板特征、陣列特征、鏡像特征和抽殼特征等，是直接在實(shí)體模型上創(chuàng)建的特征，是系統(tǒng)已定義好的參數(shù)化特征。直接生成特征的關(guān)鍵是要進(jìn)行特征定位和定義特征變量化。在建模時(shí)，只需進(jìn)行特征定位和輸入特征變化量值即可形成該特征，大大提高了設(shè)計(jì)效率。草圖特征是將草繪出二維輪廓線或橫截面進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣形成的特征。如圖3所示的機(jī)架零件就是利用抽殼特征完成的。

1.4 基于特征的零件實(shí)體建模流程

基于特征的零件實(shí)體建模流程如圖4所示。

圖4 零件實(shí)體建模流程圖

1.5 零部件的實(shí)體建模

播種機(jī)的主要零部件包括開(kāi)溝器、排種器、機(jī)架、鎮(zhèn)壓輪和傳動(dòng)裝置等，其主要零部件的實(shí)體建模如圖5至圖9。

圖5 開(kāi)溝器裝配圖

圖6 排種器裝配圖

圖9 鏈條裝配圖

2 玉米播種機(jī)的虛擬裝配

虛擬裝配就是將各零部件按照一定的設(shè)計(jì)關(guān)系組裝在一起，使裝配體能完成某一項(xiàng)功能。虛擬裝配采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)上仿真裝配的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造，裝配和調(diào)試。虛擬裝配允許設(shè)計(jì)人員考慮可行的裝配序列，自動(dòng)生成裝配規(guī)劃，使產(chǎn)品的制造向著自動(dòng)化、數(shù)字化的方向發(fā)展，虛擬裝配是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

目前，產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)有2種方法：一種是自底向上的設(shè)計(jì)，即先完成零部件的實(shí)體造型，然后裝配成產(chǎn)品；另一種是自頂向下的設(shè)計(jì)，即從產(chǎn)品的功能的要求出發(fā)，先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立起約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，通過(guò)約束求解，獲得滿足功能要求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

2.1 玉米播種機(jī)的虛擬裝配方法

對(duì)于復(fù)雜裝配體的虛擬裝配設(shè)計(jì)，首先要對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將其分解成若干個(gè)功能模塊，然后分別進(jìn)行裝配。若某些功能模塊結(jié)構(gòu)仍較復(fù)雜，可重復(fù)分解，直至得到一系列簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)。虛擬裝配的順序是先裝配最底層也是最簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)，然后將其作為一個(gè)整體裝配到上一個(gè)較為復(fù)雜的功能模塊。按照此法，分別完成各功能模塊的裝配，最后完成總裝和干涉檢驗(yàn)，以進(jìn)一步檢測(cè)虛擬裝配的可靠性。此裝配方法，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，可有效地提高設(shè)計(jì)和裝配效率。

在現(xiàn)實(shí)中用鉚接、焊接、螺栓連接等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配，而虛擬裝配則采用面與面之間的對(duì)齊、匹配、垂直以及銷釘連接、圓柱連接、槽連接等裝配關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。在虛擬裝配過(guò)程中應(yīng)注意零件之間的約束關(guān)系，考慮零件在裝配后應(yīng)有的自由度，裝配的結(jié)果直接影響后續(xù)的有限元分析和動(dòng)態(tài)仿真。

基于上述分析，在玉米播種機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本研究采用了自底向上的裝配方法。在虛擬裝配前，首先對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其系統(tǒng)的主要組成模塊如圖10所示；其次，完成開(kāi)溝器、排種器、機(jī)架和地輪等全部零件設(shè)計(jì)和建模，然后分別獨(dú)立完成其虛擬裝配，并保存為相應(yīng)組件，這就完成了系統(tǒng)最底層的虛擬裝配；最后將各個(gè)模塊的裝配體匯總裝配即可。玉米播種機(jī)總裝配如圖11 所示[9]。

圖10 玉米播種機(jī)組成模塊圖

圖11 玉米播種機(jī)總裝配圖

2.2 動(dòng)態(tài)干涉檢查

干涉檢查是對(duì)虛擬裝配效果的有效評(píng)價(jià)，對(duì)播種機(jī)裝配體進(jìn)行干涉檢查可初步評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，若無(wú)干涉則可以在現(xiàn)實(shí)中完成裝配，否則需要通過(guò)公差分析來(lái)檢驗(yàn)零件的干涉情況。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可對(duì)模型進(jìn)行修改，直到獲得滿意的結(jié)果，并可動(dòng)態(tài)模擬裝配體上零件的運(yùn)動(dòng)效果。通過(guò)虛擬裝配可以及早地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并以較小的代價(jià)解決問(wèn)題。

在CATIAV5R19平臺(tái)上，通過(guò)對(duì)各部件的運(yùn)動(dòng)分析，利用干涉檢查工具對(duì)播種機(jī)裝配體進(jìn)行全局干涉檢查，發(fā)現(xiàn)整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，未出現(xiàn)有干涉的區(qū)域，表明不存在干涉，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，只要各零件在加工時(shí)工藝得到保證就可以順利地完成現(xiàn)場(chǎng)裝配。

3 總結(jié)

應(yīng)用CATIA軟件對(duì)玉米播種機(jī)進(jìn)行特征下的實(shí)體建模，進(jìn)行零部件虛擬設(shè)計(jì)，最后完成了虛擬裝配設(shè)計(jì)和干涉檢查。以較直觀的方式顯示了玉米播種機(jī)中零部件的組裝狀況，優(yōu)化了裝配路徑，可以有效地提高設(shè)計(jì)速度，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品研發(fā)成本[10]。

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10.3969/j.issn.1673-1409(S).2012.08.014

TH122；S223.2

A

1673-1409(2012)08-S042-04

2012-08-01

孫 健(1975-)，男，安徽安慶人，碩士生，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究。