結構設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有切果裝置存在的安全問題，設計了一種新型的結構簡單的便利切果器械。其具有結構簡單、空間占有量小、易于操作和安全性好等優點，具有非常廣闊的市場前景。文章對其主要運動結構進行了三維建模，詳細介紹了其建模過程及整體虛擬裝配的具體方法。

關鍵詞：新型切果器；三維建模；整體虛擬裝配

隨著技術進步，人們對于如何快速切水果已經有了一定的設計和創造。以切西瓜為例，市場上已經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，然后當刀片進入西瓜后需要繼續用力按壓。在此過程中，不僅存在著刀片突然斷裂從而導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，我設計了便利切果器。它是一種全新的設計理念，不僅解決了安全、費力、刀具規格限制等問題，還保留了市場上已經出現的刀具低成本的優點。

1便利切果器的基本結構

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動，將力的作用傳遞到中心軸；然后利用中心軸的圓周運動，帶動連接在軸上的平面連桿機構，進而在平面連桿往復運動的基礎上，帶動刀桿的上下往復運動。

3工作原理

使用者準備好要切塊的水果，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，從而帶動圓輪轉動，利用手柄和圓輪之間的偏心距以及圓輪自身的圓周運動帶動中心軸轉動，進而帶動較短的連桿運動。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行刀具進給運動的同時，實現力的放大作用。在這個過程中，使用者轉動手柄，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，這些模型的創建都是由Solidworks軟件完成的。Solidworks可以較好的創建相關的3D實體參考模型，使用者在設計過程中可以人為的制定和模擬各零件間的約束關系并直觀地感受到該便利切果器真實的裝配效果。在裝配過程中，可以利用現有的技術模擬機械的運動。出現干涉狀況時，可直接通過更改模型尺寸進而消除干涉。方便快捷的同時，可以避免實物更改的浪費，進而實現良好的經濟性。此外，利用Solidworks建模完成后可通過操作鼠標實現多角度切換觀察。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，實現對各零部件的觀察，使設計更加清晰直觀。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，再根據連接要求設計出連接位置。重點是刀片的建模，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：在向下實現進給運動時，為避免刀具偏離，安裝時應穿過定位套孔進行切果的定位。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在于手柄的長度以及圓輪的設計，最后選擇的模型如圖3所示，先利用三維建模軟件進行整體的尺寸設計，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體建模，從而使設計的零件在實際運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點：此機構為低副機構為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊，加工制造容易，可靠性強等，最重的是利用連桿機構，在原動件運動規律不變的條件下，可以改變各構件的相對運動長度來使從動件得到不同的運動規律。此外，利用連桿機構還可以很方便的改變運動的傳遞方向、擴大行程、實現力的增大作用和遠距離傳動的目的。傳動裝置的安裝：將圓輪固定在中心軸上并用套筒固定，以更好地實現圓周運動和力的傳遞作用。將平面連桿短桿固定在中心軸中間部位，兩端用套筒鎖死，保證平面連桿實現平穩、高效的往復運動。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，固定是保證機械平穩、安全運行的前提條件。便利切果器選用套筒進行軸端和平面連桿的固定是整個的機械設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構，以達到穩固的設計目的。建模中，對其先進行凸臺的繪制，然后利用拉伸完成針的實體建模。4.4便利切果器支撐架及定位裝置。圖6支撐架建模：本部分設計成伸縮軸，有利于調節切果的高度，適應范圍廣。首先完成底部凸臺尺寸的設計并拉伸，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給時的固定，保證切果的準確性。4.5便利切果器整體虛擬裝配。圖7如圖7所示，按照實際裝配條件，選擇適當的約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象。如果存在干涉，修改零件的基本尺寸。修改完成后，整體運行，看看是否能正常工作。

5結語

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、規格限制、費力等問題，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險，從而進一步突出安全可靠的優點，是一款適用更多年齡層的優秀產品。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 董淑婧 單位:大連科技學院機械工程學院