第7期 机械设计与制造 2012 年7月Machinery Design & Manufacture 33 文章编号:1001-3997(2012)07-0033-03 基于 SolidWorks 的称重式水果分选机设计 * 葛纪帅 1,2 黄文倩 1 张弛1密雅荣 2 (1 国家农业信息化工程技术研究中心,机电工程学院,北京 100097) (2 西北农林科技大学 机械与电子工程学院,杨凌 712100) Design of Fruit Sorting Machine of Weighing Type Based on SolidWorks GE Ji-shuai1,2,HUANG Wen-qian1,ZHANG Chi1,MI Ya-rong2 (1National Engineering Research Centre for Information Technology in Agriculture,Beijing 100097,China) (2College of Mechanical and Electric Engineering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China) 【摘要】称重式水果分选机在水果分级市场应用最为广泛, 对其传统的研究方法是以二维平面 图来设计其结构,抽象且很难修改。因此利用 SolidWorks 软件设计了一种新型称重式水果分选机,通过 SolidWorks 实现了对托盘称重式水果分选机支架、托盘、传动系统和链轮轴的设计,建立了电动机减速 器和轴承座的三维模型,最终实现了称重式水果分选机的整体装配,系统的对分选机零件进行三维建 模、虚拟装配、干涉分析和初步的有限元分析。结果表明,SolidWorks 有助于新型农业机械的设计,缩短 了其开发周期,提高其设计的质量。 关键词:机械设计;SolidWorks;水果分选;三维建模 【Abstract】Fruit sorting machine of weighing type was used most widely in fruit grading market, which study on its structure adopting traditional 2D plan method is too abstract to modify hardly.Therefore a new weighing type of fruit sorting machine was designed using SolidWorks,through which the design for stents,tray institutions,transmission system and sprocket shaft of the sorting machine was realized,and 3D model for the motor reducer and bearing socket was built so that the overall assembly for the fruit sorting machine was achieved.Afterwards,3D modeling,virtual assembly as well as compute clash and primary FEM analysis were carried out for parts of machine.The application results show that Solidworks is benefi- cial to new agricultural machinery design,which shall shorten the development cycle and improve the de- sign quality. Key Words:Design;SolidWorks;Fruit Grading;3D Modeling 中图分类号:TH12,TD455+.9 文献标识码:A 1 引言 周期,提高了农业机械装备的设计水平和质量。 在近 10 年以来,我国的水果产业有了较大发展,据2009 年国 2 新型水果分选机工作原理和设计流程 家统计局统计数据,我国的苹果(3168.1 万)t 、梨(2521.1 万)t 、柑桔 称重式水果分选机整体结构示意图,如图 1 所示。整条生产 (1426.3 万)t 的产量均居世界第一,但是水果产后商品化处理率不 线由传动系统、称重模块、控制装置、卸料装置和托盘机构组成。 足10%,而有些发达国家水果采后简单商品化处理率超过 95%[1]。发 利用现有的水果上料机械实现水果的自动疏离和上料,从而使水 达国家对水果采后分级处理设备的研究起步较早,水果采后分级检 果逐个进入托盘机构,实现水果的逐个输送;水果随托盘机构运 测设备已经商品化,但由于价格昂贵等因素不适合中国国情,因而 动到达称重台位置,与称重台接触,完成称重;称重传感器将水果 发展适合中国国情的水果采后分级处理设备变的非常重要。目前称 的重量信息逐一传送至控制模块,控制模块根据水果的国家标准 重式水果分选机以其价格便宜和分级速度较快的优点使其在国内 进行分级,得到每一个水果的等级信息,然后由控制模块发出信 应用的最广泛。基于 SolidWorks 软件设计了一种新型称重式水果 号,将水果在对应等级的出口卸料,完成水果准确分级。利用三维 分选机的核心部分,具有结构简单,成本较少,适应性较好的特点。 软件 SolidWorks 设计称重式水果分选机,首先要根据设计任务 传统的设计方法一般是以平面图来表现产品的结构,抽象、不直观, 确定样品的大致结构和尺寸;其次根据功能要求设计传动方案和 且很难修改,因此将三维建模引入水果分选机的研究领域,利用 整体结构;然后细化要求,计算零部件的尺寸,建立零件模型;然SolidWorks 软件对一种新型称重式水果分选机整体进行的三维参 后对零件组装,得到样品的装配体;进而进行零部件之间的干涉 数化设计,分析其结构和生产加工工艺,为水果分选机的有限元分 检查,并对关键零部件进行有限元分析;最后生成二维图纸,交由 析和生产加工奠定了良好的基础,减少了新型农业机械装备的开发 工厂加工。 *来稿日期:2011-09-25 *基金项目:北京市农林科学院青年科研基金(QN201119) 34 葛纪帅等:基于 SolidWorks 的称重式水果分选机设计 第7期 水果分选机 同步控制装置 图像处理及重 量等级判别系统 4 链条,多组水果托盘机构等间距地安装在链条 K 型附件上,可以随 着输送链条的运动而运动;链条传动振动较大,会影响生产线测量 卸料装置 结果的精确性,为了减少链条振动对水果重量精度的影响和保证托 3 盘在同一高度,在输送链条紧边链条下方安装有支撑板和支撑板支 2 1 架,因而水果分选机在工作过程中,输送链条紧边链条滚子可以沿 5 6 7 89 10 11 12 图1水果分选机整体示意图 1.电动机 2.动力输出链轮 3.从动链轮 4.摄像机 5.输送链轮 6.光电编码器 7.输送链条 8.托盘机构 9.分级箱 10.称重传感器 11.称重台 12.光源 支撑板滚动。水果托盘机构由水果托盘、水果托盘支架、限位铁条和 钢球组成。水果托盘支架可以通过铆钉或者螺栓与输送链条 K 型 附件紧固联接,水果托盘安装方向与输送链条运动方向垂直,水果 托盘与限位铁条紧固联接,水果托盘可与限位铁条绕水果托盘支架 翻转一定角度,限位铁条可以限制其翻转角度,钢球在称重位置与 3 零部件设计 称重台接触,钢球自身的耐磨性,可以保证生产线的长时间运行。 零件设计是三维设计的基础,也是整体装配的基础,SolidWorks 8 软件的零件模块可以快速准确的建立零件,通过拉伸、旋转、扫描、 放样、阵列等建模方法建立零件实体,在建模的过程中可以通过修 改草图等方法改变实体的大小。装配体装配有自下而上设计零件和 自上而下设计零件两种方法。自下而上设计法是一种传统的方法, 在自上而下设计中,先生成零件并将其插入装配体中,再根据设计 要求配合零件,这种方法的主要优点是零部件之间的重建行为和相 互关系比较简单;自上而下设计法是从装配体开始设计,这种方法 1 2 34 5 6 7 图3水果托盘详细结构示意图 1.限位铁条 2.支撑板支架 3.支撑板 4.输送链条及附件 5.水果托盘支架 6.水果托盘 7.称重台 8.钢球 使用一个零件的几何体来辅助定义另一个零件,或生成组装零件后 再添加加工特征,这种方法的优点是可以从整体上考虑零部件之间 的相互配合和相互影响,可以方便的改变零部件外形尺寸。在设计 中由于称重式水果分选机零部件比较多,并且有较多重复零件,配 合关系复杂,有些尺寸不易确定,因此本设计结合自下而上设计零 件和自上而下设计零件两种设计方法。 3.1 托盘设计与装配 水果托盘设计流程图,如图 2 所示。根据设计的生产线传动 部分和托盘机构的功能要求,设计出比较合理的水果托盘机构, 建立水果托盘的三维实体模型;根据设计的水果托盘,虚拟装配 到水果分级生产线上;验证水果托盘是否能满足功能要求,如果 不满足功能要求,则重新设计新的水果托盘机构,如果满足功能 1 23 45 67 图4水果托盘三维结构示意图 1.限位铁条 2.支撑板支架 3.支撑板 4.输送链条及附件 5.水果托盘支架 6.水果托盘 7.钢球 3.2 传动设计 与其他传动方式相比,链条传动有如下的优点:(1)无弹性滑动 要求,则托盘各个参数对托盘性能的影响,根据各个参数来对水 和打滑现象,平均传动比准确;(2)效率较高,效率能达到 0.95~0.98; 果托盘进行优化设计,最终建立结构和参数都比较合理的水果托 (3)机构尺寸比较紧凑;(4)由于不需要很大的张紧力,所以作用在轴 盘三维实体模型,最终加工水果托盘机构,并生产线实验验证。 建立水果托盘的三维实体模型 研究托盘参数对性能的影响 上的载荷较小;(5)可以再温度较高及灰尘较大的环境下工作;(6)安 装精度比较低,成本较小,尤其在远距离传动中,有着齿轮传动无法 具备的简单和轻便[2]。基于称重式水果分级生产线的设计定位为可满 建立水果分级生产线模拟模型 托盘结构优化设计 足水果现场分级,工作现场灰尘和噪音较大。根据工作环境和链传动 的优点,传动方案确定为链传动。传动方案,如图 5 所示。 模型功能验证 优化后托盘模拟 6 结果? 结果? 得到托盘结构模型 加工托盘样品 图2水果托盘设计流程图 水果托盘详细结构示意图,如图 3 所示。水果托盘三维结构示 意图,如图 4 所示。水果分选机生产线选用输送链条来带动水果托 盘机构的运动,输送链条选用带有 K 型附件的双节距大滚子输送 1 2 34 5 图5传动方案 1.电动机 2.摆式针轮减速器 3.动力输出链轮 4.从动链轮 5.6.输送链轮 根据功能要求和计算选用 1.5kW 电动机和摆线针轮式减速 No.7 July.2012 机械设计与制造 35 器,根据实际尺寸建立的电动机和减速器的三维模型,如图 5 所示。根据功能要求和计算得到动力输出链轮设计成齿数为 23 个12A 链轮,从动链轮设计成齿数为 25 个12A 链轮,输送链轮设 计成为齿数为 38 齿的 20A 链轮[3]。根据实际尺寸建立零件的三 维模型,如图 6 所示。 查、间隙验证、干涉检查和装配体零件统计等功能,用来保证装配 体中各个零部件装配后的正确性,可判断零部件之间有无干涉, 从而确保任意两个零件在空间上不出现相互重叠的现象。通过移 动或旋转来检查零部件之间的间隙,避免实物安装时产生干涉, 发现问题及时对模型进行修改,直到获得满意的结果,通过测量 得到装配体装配完成后的各个尺寸。 图6水果分选机重要零部件设计 1.电动机与减速器 2.动力链轮 3.从动链轮 4.输送链轮 3.3 链条选择与装配 根据功能要求选用 12A 和C210A 两种链条。分别建立两种 链条三维模型,如图 7 所示。链条的装配精度要求较高,直接装配 将使这个装配体具有大量的自由度,很难控制每个链节的空间位 置,所以采用增加辅助曲面来完成装配[4]。(1)根据链轮之间的中 心距和链轮分度圆尺寸来建立草图,得到装配后链条的运动轨 迹,草图执行“套和曲线”的命令后,拉伸曲面得到链条运动轨迹 平面,如图 8 所示。(2)新建装配体,将建立好的链节和链条轨迹 导入,将连接的前视图和装配体前视图设为重合,打开“链节”的 “销轴”零件.在“销轴”的端面绘制一个位于端面圆圆心的草图 点。通过设置配合“点重合在面上”的装配关系,可以是链节很好 的定位,重复加入链节,两个链节设置“面重合”和“同轴心”的装 配关系。最后装配链轮,得到链条的装配图,如图 9 所示。 图7链条三维模型 图8链条运动轨迹 (a)动力链条 (b)输送链条 图9链条装配三维模型 3.4 整体装配 根据功能需要设计出轴,选用 SN208 轴承座[5],设计合适的 链轮张紧装置,最后装配后得到整体的装配图,如图 10 所示。 4 干涉分析和初步有限元分析 SolidWorks2011 软件对装配体进行的检查主要包括碰撞检 (a)轴测图 (b)左视图 (c)俯视图 图10 整体装配三维模型 称重式水果分选机在工作过程中链轮和链轮轴是主要的传 动和动力部件,可以利用 SolidWorks 自带插件 SimulationXpress 有限元分析软件对链轮主轴进行分析计算[6]。