結(jié)構(gòu)設(shè)計及整體虛擬裝配研究

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摘要：為解決快速切水果以及現(xiàn)有切果裝置存在的安全問題，設(shè)計了一種新型的結(jié)構(gòu)簡單的便利切果器械。其具有結(jié)構(gòu)簡單、空間占有量小、易于操作和安全性好等優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣闊的市場前景。文章對其主要運(yùn)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，詳細(xì)介紹了其建模過程及整體虛擬裝配的具體方法。

關(guān)鍵詞：新型切果器；三維建模；整體虛擬裝配

隨著技術(shù)進(jìn)步，人們對于如何快速切水果已經(jīng)有了一定的設(shè)計和創(chuàng)造。以切西瓜為例，市場上已經(jīng)存在手壓盤形刀片式切瓜神器，雖然看著操作簡單但存在的問題和缺陷也很明顯。比如：使用者需要給予一定的速度，然后當(dāng)?shù)镀M(jìn)入西瓜后需要繼續(xù)用力按壓。在此過程中，不僅存在著刀片突然斷裂從而導(dǎo)致操作者受傷的安全問題，而且操作者需要施加很大的力及切瓜時刀具的尺寸限制問題。針對這些問題，如何去良好的解決呢？為更好地解決上述問題，我設(shè)計了便利切果器。它是一種全新的設(shè)計理念，不僅解決了安全、費(fèi)力、刀具規(guī)格限制等問題，還保留了市場上已經(jīng)出現(xiàn)的刀具低成本的優(yōu)點(diǎn)。

1便利切果器的基本結(jié)構(gòu)

圖1便利切果器主要由手柄、圓輪、中心軸、平面連桿、刀具、伸縮支架、底部固定裝置、定位軸孔、套筒九部分組成。

2整體傳動方式

由操作者施加外力在手柄上，利用手柄和中心軸的偏心距以及圓輪的圓周運(yùn)動，將力的作用傳遞到中心軸；然后利用中心軸的圓周運(yùn)動，帶動連接在軸上的平面連桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)而在平面連桿往復(fù)運(yùn)動的基礎(chǔ)上，帶動刀桿的上下往復(fù)運(yùn)動。

3工作原理

使用者準(zhǔn)備好要切塊的水果，以西瓜為例：將西瓜固定在正對刀具下方的固定裝置上，然后移動伸縮軸，調(diào)整合適的刀具高度，并將其固定。然后握住手柄，施加一個力的作用，從而帶動圓輪轉(zhuǎn)動，利用手柄和圓輪之間的偏心距以及圓輪自身的圓周運(yùn)動帶動中心軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動較短的連桿運(yùn)動。力傳遞到通過鉸鏈緊密連接的長桿上，在推動刀具沿定位軸套向下進(jìn)行刀具進(jìn)給運(yùn)動的同時，實(shí)現(xiàn)力的放大作用。在這個過程中，使用者轉(zhuǎn)動手柄，直至切瓜完成。最后取下固定針裝置，升起刀具。

4便利切果器的虛擬裝配

本文中對便利切果器各零件都建立了3D模型，這些模型的創(chuàng)建都是由Solidworks軟件完成的。Solidworks可以較好的創(chuàng)建相關(guān)的3D實(shí)體參考模型，使用者在設(shè)計過程中可以人為的制定和模擬各零件間的約束關(guān)系并直觀地感受到該便利切果器真實(shí)的裝配效果。在裝配過程中，可以利用現(xiàn)有的技術(shù)模擬機(jī)械的運(yùn)動。出現(xiàn)干涉狀況時，可直接通過更改模型尺寸進(jìn)而消除干涉。方便快捷的同時，可以避免實(shí)物更改的浪費(fèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)性。此外，利用Solidworks建模完成后可通過操作鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)多角度切換觀察。甚至可以通過視圖變換、壓縮、顯示及隱藏、透明化顯示模型等功能，實(shí)現(xiàn)對各零部件的觀察，使設(shè)計更加清晰直觀。4.1切果裝置建模刀具的建模：制圖時先畫出刀桿和刀頭的基本尺寸，再根據(jù)連接要求設(shè)計出連接位置。重點(diǎn)是刀片的建模，眾所周知建模最重要的是建模平面的建立和選擇，繪制出一個刀片后通過圓周陣列，完成其余刀片的建模。如圖所示，刀具的固定：在向下實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動時，為避免刀具偏離，安裝時應(yīng)穿過定位套孔進(jìn)行切果的定位。4.2傳動裝置建模。圖3主要由手柄、圓輪、中心軸、平面連桿組成。建模過程中存在的難點(diǎn)在于手柄的長度以及圓輪的設(shè)計，最后選擇的模型如圖3所示，先利用三維建模軟件進(jìn)行整體的尺寸設(shè)計，再利用拉伸、切割、圓周陣列等方式，最終完成圓輪和手柄的實(shí)體建模，從而使設(shè)計的零件在實(shí)際運(yùn)動過程中能夠有效地提高工作效率。主要的傳動部分選擇平面連桿是由于其以下優(yōu)點(diǎn)：此機(jī)構(gòu)為低副機(jī)構(gòu)為面接觸，壓強(qiáng)小，承載能力大，耐沖擊，加工制造容易，可靠性強(qiáng)等，最重的是利用連桿機(jī)構(gòu)，在原動件運(yùn)動規(guī)律不變的條件下，可以改變各構(gòu)件的相對運(yùn)動長度來使從動件得到不同的運(yùn)動規(guī)律。此外，利用連桿機(jī)構(gòu)還可以很方便的改變運(yùn)動的傳遞方向、擴(kuò)大行程、實(shí)現(xiàn)力的增大作用和遠(yuǎn)距離傳動的目的。傳動裝置的安裝：將圓輪固定在中心軸上并用套筒固定，以更好地實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動和力的傳遞作用。將平面連桿短桿固定在中心軸中間部位，兩端用套筒鎖死，保證平面連桿實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高效的往復(fù)運(yùn)動。4.3固定裝置建模。圖4圖5主要包括套筒、底部固定水果的固定針。眾所周知，固定是保證機(jī)械平穩(wěn)、安全運(yùn)行的前提條件。便利切果器選用套筒進(jìn)行軸端和平面連桿的固定是整個的機(jī)械設(shè)計中必不可少的一部分。先選好尺寸，再利用拉伸切除等操作指令進(jìn)行尺寸的更改，最終完成符合要求的套筒建模。底部固定針選用三針結(jié)構(gòu)，以達(dá)到穩(wěn)固的設(shè)計目的。建模中，對其先進(jìn)行凸臺的繪制，然后利用拉伸完成針的實(shí)體建模。4.4便利切果器支撐架及定位裝置。圖6支撐架建模：本部分設(shè)計成伸縮軸，有利于調(diào)節(jié)切果的高度，適應(yīng)范圍廣。首先完成底部凸臺尺寸的設(shè)計并拉伸，然后選合適的尺寸完成伸縮軸的3D建模，最后在軸的上端完成中心軸孔的切除。定位裝置：選擇合適的尺寸，進(jìn)行拉伸操作。在已完成的模型上，完成套孔的建模。該裝置主要用于刀具上下進(jìn)給時的固定，保證切果的準(zhǔn)確性。4.5便利切果器整體虛擬裝配。圖7如圖7所示，按照實(shí)際裝配條件，選擇適當(dāng)?shù)募s束條件依次將各零件裝配起來。要求除了零件方向上的自由度，其余部分完全固定，以確保零件正確的定位。裝配完成后，檢查零件有無干涉現(xiàn)象。如果存在干涉，修改零件的基本尺寸。修改完成后，整體運(yùn)行，看看是否能正常工作。

5結(jié)語

水果作為人民生活中常見的物品，市場需求是非常巨大的。但現(xiàn)在市場上存在的手壓盤形刀片式切瓜神器由于存在安全、規(guī)格限制、費(fèi)力等問題，人民還未普遍接受。而便利切果器作為一種省力裝置，不僅操作簡單、可使用人群廣，而且可以在一定程度上降低兒童誤拿并操作時的風(fēng)險，從而進(jìn)一步突出安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，是一款適用更多年齡層的優(yōu)秀產(chǎn)品。此外，便利切果器成本低、壽命長，易于家庭接受。

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作者:孫皆鎮(zhèn) 董淑婧 單位:大連科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院