基于SolidWorks的多功能煙草移栽機的結構設計

劉立新++楊雪玲++劉家平++張濤雄

摘要：打破了傳統(tǒng)的設計方法，利用SolidWorks軟件的虛擬設計功能，在SolidWorks環(huán)境中設計了集開壟、移栽、澆水、覆土、鋪膜于一體的多功能煙苗移栽機整體結構，介紹了由零件建模、部件裝配到裝配檢測的整個設計過程。通過虛擬設計，使樣機的試制節(jié)省了成本，提高了工作效率。樣機的田間試驗結果，驗證了虛擬設計方法的可行性。

關鍵詞：SolidWorks；虛擬設計；煙苗移栽機；多功能；結構設計

中圖分類號： S223.99文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）04-0191-03

一直以來，國內(nèi)外的煙草種植一直沿用手工和簡單農(nóng)具相結合的方式，勞動強度高，種植效率低。隨著煙草公司大力發(fā)展規(guī)模化種植，煙田集中度逐步增加，為高效率煙草農(nóng)業(yè)機械的使用提供了前提條件[1]。目前，隨著農(nóng)民工進城數(shù)量的增加，人均種植面積增大，煙草種植機械化更是勢在必行。目前，國內(nèi)外市場上的移栽機較少，價格過高，超出農(nóng)民購買能力，或自動化程度不高，工作效率、移栽質量較低。鑒于農(nóng)機市場的需求和現(xiàn)狀，從煙苗移栽要求和用戶建議出發(fā)，應用SolidWorks軟件的虛擬設計功能[2]，設計了集仿形、開壟、投苗、栽植、澆水、鋪膜于一體的自動煙苗移栽機。

[WTHZ]1SolidWorks虛擬設計的特點

1.1SolidWorks軟件簡介

SolidWorks是世界上第一個基于windows平臺的機械設計軟件，采用了參數(shù)化、特征造型技術，可以方便快捷地創(chuàng)建任何復雜的實體零件，迅速組成裝配體及靈活的生成工程圖，設計過程可全部編輯，零件設計、裝配設計和工程圖之間是全相關的，同時還可以進行裝配體干涉檢查、碰撞檢查功能及有限元分析、動態(tài)仿真等特性，不只是簡單的三維建模工具，而是一款高度集成的CAD/CAE/CAM一體化軟件，為工程設計人員提供了功能強大的虛擬工作平臺，因此，在產(chǎn)品研發(fā)過程中得到廣泛應用。

1.2虛擬設計的特點

虛擬設計是指設計者在虛擬環(huán)境中進行設計，主要表現(xiàn)在設計者可以用不同的交互手段在虛擬環(huán)境中對參數(shù)化的模型進行修改。就設計而言，傳統(tǒng)設計的所有設計工作都是針對物理原型或概念模型展開的，而虛擬設計所有的設計工作都是圍繞虛擬原型展開的，只要虛擬原型能達到設計要求，則實際產(chǎn)品就能達到設計要求。虛擬設計在產(chǎn)品開發(fā)中的應用主要有虛擬零件設計、虛擬裝配設計，虛擬零件設計是根據(jù)產(chǎn)品的設計方案，構思零件的基本形狀，但形狀與精確尺寸沒有最后確定，隨時可以根據(jù)需要進行變更，是生成、修改、查看零件的設計過程。虛擬裝配設計可以使產(chǎn)品在設計過程就考慮制造裝配環(huán)節(jié)的影響，能夠設計零件設計是否符合裝配性，是否滿足產(chǎn)品整體設計要求，找到零件設計中存在的問題并及時修改。通過虛擬設計，不僅能夠縮短設計周期，提高工作效率，還有效解決了關鍵結構技術難題。

1.3虛擬設計的工作流程

結合煙苗移栽的農(nóng)藝、移栽機田間作業(yè)要求，提出了移栽機的整體設計方案和各功能部件的結構設計思路，運用SolidWorks軟件的設計功能，完成了產(chǎn)品的零件建模及部件、整機的虛擬裝配，通過裝配檢測，修改調(diào)整設計方案。工作流程見圖1。

2移栽機的虛擬結構設計

2.1移栽機的總體設計方案

移栽機在田間作業(yè)時，要完成行走、澆水、移栽、鋪膜等系列動作，同時還要保證系列動作的一致性，因此在設計時，按照煙苗移栽機功能將總體結構分為5個設計模塊，模塊包括行走機構、澆水機構、移栽機構、鋪膜機構和使系列功能于一體的傳動機構。移栽機拖掛在拖拉機上，行走機構支承著移栽機，維持移栽機的水平平衡狀態(tài)，控制秧苗移栽深度；移栽機構完成開壟、放苗、落苗、覆土的整個移栽過程。移栽株距由變速箱控制，變速箱可實現(xiàn)5級變速傳動比，達到移栽株距可在40～60 cm之間調(diào)節(jié)。澆水系統(tǒng)和移栽機構在移栽過程中，要保持二者的同步性，同時澆水量能夠根據(jù)實際情況實現(xiàn)大小可調(diào)；鋪膜機構的鋪膜架與機架相連，為鋪膜機構提供動力，鋪膜開溝梨、壓膜輪和封土輪的位置可調(diào)，能夠達到對不同寬幅的薄膜進行鋪膜；移栽機采用鏈傳動機構，地輪通過鏈傳動為栽苗機構和澆水機構提供動力。

2.2部件機構零件建模

Solidwork作為機械設計自動化軟件[3]，造型方式實際上是基于實際加工的制作過程及模型鑄造過程。按照設計要求，通過以草圖的形體和尺寸為依據(jù)，運用SolidWorks軟件的拉伸、旋轉、掃描、放樣等基礎特征和切除、圓角、倒角、鉆孔等附加特征等功能，完成各機構的零部件的三維建模。在建模過程中，盡量減少各特征之間的父子關系，為后續(xù)設計的優(yōu)化奠定基礎。對于含有標準結構的零件，如變速箱齒輪，若采用正常的零件建模方式，僅草圖繪制就是一項很困難的事情，有時還有失準確。因此，齒輪零件建模時，利用了SolidWorks中的Toolbox零件庫，僅設置了模數(shù)、齒數(shù)、軸徑、面寬等齒輪零件相關參數(shù)，即得到了想要的齒輪造型。具體步驟，首先新建1個裝配體文件，在特征管理器設計樹的頂部單擊Toolbox，打開Toolbox對話框，選取GB下的動力傳動零件分類，指定零件項目為齒輪，選取正齒輪按住鼠標左鍵將其拖到視圖繪制窗口，此時系統(tǒng)顯示正齒輪對話框，在對話框中輸入齒輪設計參數(shù)（圖3），確定后齒輪即插入到當前裝配體文件中。單擊設計樹齒輪，在彈出的快捷菜單中單擊打開零件，進入齒輪零件的編輯界面，采用另存為的方法，命名零件變速箱一檔齒輪.sldprt，完成了齒輪的建模。如果局部結構有變化，可隨時在打開的齒輪零件中，運用拉伸、旋轉等命令修改齒輪結構。運用Toolbox零件庫，不僅可準確完成移栽機構中變速箱齒輪的設計[4]，而且大大縮短了設計時間，減少了設計工作量。

2.2部件與總體裝配

SolidWorks的裝配設計方法有2種，自下而上、自上而下設計，本次設計采用自下而上設計方法。首先生成零件并將其插入裝配體，然后根據(jù)要求配合零件。其優(yōu)點為配合的零件是獨立設計的，需要修改配合零件的特征和尺寸時，可以直接在相關文件中修改，系統(tǒng)將零件的編輯操作作用于裝配體中，保持了設計的意圖和連貫性。移栽機構中株距由齒輪變速箱控制，配苗、放苗機構應用了棘輪、萬向節(jié)的結構，澆水機構運用了凸輪結構，因此各部件裝配中，充分利用了SolidWorks裝配環(huán)境下的高級配合、機械配合功能，裝配各機構部件。為保證總體裝配要求和裝配體功能，在定位零部件時，及時運用移動零部件、旋轉零部件等工具，驗證零件自由度的運動為裝配體所需。

2.2.1行走機構

從圖4可以看出，行走機構由地輪、機架、升降液壓缸、可調(diào)鎮(zhèn)壓輪4部分組成。地輪支承著移栽機的前端，保持移栽機的水平平衡狀態(tài)；升降液壓缸通過液壓控制，可實時調(diào)節(jié)機架的高度，實現(xiàn)對秧苗移栽深度的調(diào)節(jié)；可調(diào)鎮(zhèn)壓輪能實現(xiàn)對移栽秧苗周邊土壤壓實程度的調(diào)節(jié)。

[CM（26]2.2.2移栽機構

壟，移栽苗放置在放苗盤上，由操作人員將苗放在配苗盤的苗杯中，苗杯轉到與導苗管對齊的位置時，苗杯蓋打開，秧苗在重力作用下沿導苗管落入壟溝。配苗作業(yè)由曲柄搖桿機構和棘輪機構控制，曲柄搖桿機構將分力軸水平方向的旋轉運動轉化為繞豎直軸向搖擺運動。搖擺運動通過棘輪機構實現(xiàn)豎軸線的間歇旋轉運動，帶動配苗機構做間歇旋轉運動，進而實現(xiàn)配苗作業(yè)完成秧苗的定距離移栽。移栽的株距由變速箱控制，變速箱由1個定輪、5個變輪和1個中間輪組成，改變變速箱的檔位，可以實現(xiàn)株距在40～60 cm之間的調(diào)節(jié)。

2.2.3澆水機構

為保證移栽秧苗的成活率，移栽機設置了

澆水機構。澆水機構由凸輪機構、澆水閥、水箱組成，水箱放置在拖拉機上，凸輪機構安裝在分力軸上，它由2片凸輪組成，調(diào)整2片凸輪的相對位置，可以改變凸輪凸起部分的大小，繼而可以控制澆水時間。當凸起部分較小時，由凸輪控制的澆水閥打開的時間較短，澆水量減少；反之，澆水量增加。

2.2.4總體結構

煙草移栽機總體結構見圖6。各機構固定安放在方鋼焊接的機架上。移栽機在非作業(yè)時通過懸掛架懸掛在拖拉機后，作業(yè)時放置下移栽機，使地輪與地面接觸，在拖拉機的帶動下，依次完成地輪行走、秧苗開溝犁（擴口器）開壟、澆水閥打開澆水、棘輪機構、配苗機構實施放苗、鎮(zhèn)壓輪覆土以及由鋪膜開溝犁、鋪膜架、薄膜轉軸、薄膜、壓膜輪完成的鋪膜工作，實現(xiàn)了澆水、移栽、鋪膜一體化的移栽作業(yè)。各機構的同步性由傳動機構保證。地輪通過鏈傳動帶動變速箱，變速箱的5級變速實現(xiàn)株距控制功能；移栽變速箱輸出軸通過鏈傳動傳遞動力給分力軸，栽苗機構的曲柄搖桿和澆水機構的凸輪與分力軸連接，同時獲得分力軸的動力，使配苗機構和澆水同步完成。

2.4裝配檢測分析

在SolidWorks中，裝配完成后，可以使用檢測工具檢測裝配體各個零部件裝配后的正確性和裝配信息等。常用的檢測工具有干涉檢查（圖7）和間隙驗證。在機械設計中干涉檢查是一個重要的環(huán)節(jié)，是避免設計失敗的有效工具。在移栽機裝配體的干涉檢查中，共檢測到100多處的干涉部位，對干涉部位逐一分析，忽略了對整機結構沒有影響的干涉，對關鍵部位配合的干涉如澆水機構閥缸和澆水閥、曲柄搖桿的零件間的干涉，通過調(diào)節(jié)裝配和修改零件建模尺寸的方法，消除了干涉現(xiàn)象。同時對裝配體的活動部件進行了碰撞檢查和動態(tài)

4結論

本次設計運用了虛擬設計的方法，在SolidWorks軟件首先完成了各部件的零件建模，然后虛擬裝配，通過裝配體檢測功能檢測各個部件的工作性能，從而節(jié)約了試制成本，縮短了優(yōu)化設計周期，提高了工作效率。樣機的試驗成功證實了此方法的可行性。

參考文獻：

[1]黃偉華. 煙草移栽機國內(nèi)外同類研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 中國科技信息，2011（18）：90-91.

[2]秦偉樺，王龍飛，王萬章，等. 煙草旋轉育苗機虛擬樣機設計研究[J]. 農(nóng)機化研究，2014（1）：144-147，151.

[3]趙建國，李懷正. SolidWorks三維設計及工程圖應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4]曹巖，李建華. SolidWorks產(chǎn)品設計實例精解[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.