SolidWorks软件在农业机械机构创新设计中的应用

贾毕清+韩绿化

摘要：SolidWorks软件在机械设计领域具有强大功能。利用SolidWorks软件对新型取苗机构进行三维建模、仿真分析，实现了对农业机械新产品进行物理建模、装配，并进一步通过仿真试验比较、验证了模型参数，从而预知新机构的性能，大大提高了设计效率和创新能力。这为农业机械装置的创新设计提供了新的可能性。

关键词：SolidWorks软件；零件设计；装配设计；虚拟仿真

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）06-0012-03

随着农业现代化生产方式转变，现代农业机械设计需要为每一特定的情况制造出与之相适应的机械。机构创新设计为解决问题找到了通行的方法，为农机新产品开发提供了可实现的工具和路径。在所设计的新型农业机械执行机构中，由于没有得到制造、装配，特别是样机虚拟试验的验证，存在着许多不合理的设计，甚至是错误的设计，这些不当之处很难被发现。

随着计算机技术的快速发展，虚拟制造和运动仿真在新产品研发中得以应用，从而大大缩短了试制周期，降低了生产成本。将虚拟样机技术应用到农业机械设计中，不仅能够模拟农业机械的功能、结构，还能够及时发现设计阶段出现的样机缺陷，然后做出相应的改进，有效地在设计之初完善农业机械设计方案。本研究以SolidWorks软件为设计平台，对移栽机新型取苗机构进行设计，以验证该软件在农业机械设计领域的强大功能。

1 SolidWorks软件及其主要技术特征

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，其具有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，成为领先的、主流的三维CAD解决方案。在零件设计中，该软件支持参数驱动，可以随意更改设计数据；零部件与工程图之间以及零部件与装配图之间的参数更新完全同步；具有强大的复杂曲面造型能力，能轻松设计出表面形状复杂的曲面零件。同时，可以通过三维装配設计完善各零件之间的配合关系，还可以动态地仿真出构件间的传动关系，从而缩短产品的设计周期，降低设计成本，提高设计质量。另外，其二次开发功能强大，可与各种语言对接，实现图形与语言的函数结合；操作界面人性化，迎合人的思维习惯，易于学习。

2 新型取苗机构设计

2.1 机构规划

所设计的取苗机构由凸轮摆杆机构、双摆杆机构、摆杆滑块机构经Ⅰ型串联组合而成（如图1所示）。其中，摆杆滑块机构的滑块往复移动导轨为曲线导轨，形状如“L”型，取苗段为直线段，实现垂直取苗；投苗段为圆弧段，用来调整落苗姿态，实现直立投苗；中间过渡段为连接圆弧，实现取苗与投苗光顺连通。凸轮摆杆机构为前置子机构，用于改善后置子机构的运动特性，可实现任意的运动规律，以适应取苗和投苗零速度要求，即在取苗时保持静止稳定夹取，在投苗时保持安稳释放。中间子机构为双摆杆机构，其将前置子机构的运动特性转移到后置子机构，并放大运动行程，增加工作空间。

在具体设计中，根据工作空间要求，确定杆组的基本尺寸；采用几何规划法，通过给定取苗爪末端运动轨迹点，反求出未知凸轮和导向槽的形状尺寸。

2.2 零件设计

对取苗机构建模，首先要绘制零件图。使用SolidWorks软件设计零件，可以分为3种类型，即标准几何体、简单几何体及复杂几何体。标准几何体如轴承、螺栓、螺母等，可以从Solidworks软件“Toolbox”三维零件库调用；简单几何体如摆杆、连杆等，是在二维线框图的基础上，通过拉伸、旋转、切除等命令实现的；复杂几何体如导向槽等，是在简单几何体的基础上，通过凸台、腔体、镜像、抽壳等命令实现的。

对于凸轮等具有运动规律的零件，可以先绘制平面轮廓曲线，再用拉伸、扫描等命令生成几何体。另外，在SolidWorks软件“Toolbox”工具箱中包含“凸轮”命令项，能直接生成模型。对于简单运动规律的凸轮，可直接输入运动规律来生成需要的轮廓曲线；复杂运动规律的可在Excel环境中生成凸轮轮廓的点坐标信息，存成文本格式，再在SolidWorks环境中利用“通过XYZ点的曲线”生成凸轮轮廓曲线。

2.3 装配设计

计算机虚拟装配是通过计算机软件实现对要设计和生产的产品进行虚拟装配的过程。虚拟装配的优点是不需要生产出实际的产品，便可对其做出评价和预测。对取苗机构采用自上向下装配方法，直接在装配模型中利用已有零件的点、边线或面等几何要素的相互关系与内在关联性，定义零件相互位置和配合关系，及时修复因零件更改而出现的各种错误提示，使装配模型的设计得到不断的调整和优化。

对轴—孔特征，约束同心、接触、距离，保证零件之间转动连接关系；对零件之间相对位置保持不变的配合关系，可以用锁定命令约束；对凸轮—滚子和导向滑槽中滚子装配时，约束对齐、接触特征。所设计的取苗机构三维结构如图2所示。

3 虚拟仿真分析

在使用SolidWorks三维设计软件建立取苗机构的三维零件模型与装配模型后，对模型添加质量、密度等相关信息，使用Cosmosmotion模块，对装配模型施加部件之间的摩擦约束以及驱动、重力等值，进行虚拟样机仿真分析。通过对取苗末端点跟踪路径，得到取苗机构末端的工作轨迹，如图3所示。可以看出，所设计的取苗机构能够垂直穴盘取苗，经姿态调整后，以近似竖直方向直立投苗，以此检验出所设计的取苗机构满足工作要求。

针对感兴趣的杆组，进一步生成图解结果，可以分析相应的运动学和动力学特性，提前预知机构的运动规律，掌握机械结构工作性能。例如：对取苗爪末端运动的水平速度求解，得到取苗过程中取苗爪末端速度变化曲线，如图4所示。通过对比分析，该机构在取苗和放苗点具有零速度特点，这样的设计使得取苗、放苗稳定。

经过一系列虚拟仿真试验后，可以清楚掌握所设计机械结构的运动规律和动力学性能，对设计方案可行性有了一定判断，可以进一步细化方案，使其符合加工制造需要。对虚拟仿真中有问题的零件和装配体，通过SolidWorks软件模型修改，再进行虚拟试验检验，即可比较各种设计方案的优劣，及时发现设计阶段出现的样机缺陷，然后做出相应的改进，最终得到较为完善的设计模型。这样借助于计算机完成农业机械新产品开发，能够大大提高设计效率和创新能力。

4 结论

利用SolidWorks软件对新型取苗机构进行三维建模、仿真分析，体现出该软件在农业机械创新设计领域的强大功能，为农业机械装置的研究设计提供了新的可能性。SolidWorks软件不仅可以对农业机械产品进行物理建模、装配，还能够进一步对其施加相当实际工况的载荷作用，通过仿真试验比较、验证模型的参数来优化物理模型，从而大大提高设计效率和创新能力。

参考文献

[1] 马斌强，顿文涛，郭延廷，等.虚拟样机技术及其在农业机械系统中的应用[J].机械与电子，2011（1）：105-106.

[2] 庄伟，富淼.虚拟样机技术在农业机械设计上的应用[J].现代农业科技，2016（4）：191.

[3] 朱金权.SolidWorks软件在机械设计中的应用与研究[J].新技术新工艺，2009（2）：41-44.

[4] 孙磊.新型穴盘苗旱地自动移栽机关键部件的设计与试验研究[D].镇江：江苏大学，2012.

[5] 高常青，曹树冲，王潍，等.基于SolidWorks的盘形凸轮设计与运动仿真[J].现代制造技术与装备，2008（5）：60-62.endprint