Inventor軟件在機械設計教學中的應用淺嘗

莫蘭

中圖分類號： TP391.13；TH122-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）08-0178-005

0 引言

隨著制造業企業中三維軟件應用的越來越廣泛，“數字樣機”的概念已經為大多數的制造業企業所接受。而隨著“數字化”技術的發展，目前已經將三維模型的概念從三維設計逐步擴展到采購、生產制造、銷售、售后服務等多個企業的重要環節中。

尤其是“智造2025”規劃的提出，更為中國制造業企業在制造自動化方面指明了方向，這就要求未來的技工、技師們不僅能夠讀懂工程圖紙，依照二維工程圖提供的尺寸及公差要求進行生產，更需要能夠根據三維模型使用“數字化”的技術進行編程加工、三維掃描測量、增材制造等零件級的自動化加工，以及以三維模型為基礎，進行虛擬化裝夾、裝配等，甚至對整個產品級別的生產工藝、加工過程、裝配過程進行模擬，以求在投產前就能夠在制造部門進行虛擬化驗證。

正是在這樣的時代背景下，筆者認為技校的技工、技師教學應該嘗試引入三維軟件，并使之逐步融入各門專業課程的教學中，而本文僅是筆者個人在機械設計基礎課程設計中的一個簡單實踐，希望能夠為本課程的課程改革提供一點實際教學經驗。

由于本文討論的僅是一次機械設計基礎的課程設計，因此涉及的主要是三維軟件的初級應用，主要包含機械的結構設計、運動模擬、應力分析、工程圖紙等設計環節，當然這也是企業的三維數據源頭，后續的所有“數字樣機”的應用均以此為基礎，因此也應是教學任務的起點，是學生們從二維過渡到三維的基礎應用。其學習難度也較為符合目前技校學生的認知水平，學生們學習及應用起來也會比較得心應手。

1 項目介紹

通過三維軟件Inventor進行木瓜剖半機械的設計。

本文首先通過分析木瓜的幾何形狀特征，得出木瓜的三維模型。然后在研究切割原理中，選定了木瓜的切割方式、方向以及刀具。最后以木瓜模型為基礎，通過使用三維軟件工具設計出新型木瓜剖半機。該設備的整體設計成“L”字型，由定向排序輸送機構、物料調配機構、定位裝夾機構、切割機構和卸料機構等五大機構組成。定向排序輸送機構可以將一堆木瓜實現定向且有序輸送；物料分配機構中設計了擋料轉盤，可以保證定向排序輸送到定位裝夾輸送之間的秩序；切割機構包括了木瓜的定位裝夾、輸送帶和切割機構。

新型木瓜剖半機提高了木瓜剖切加工的成品率、降低了生產成本、簡化了機械結構、操作更方便，能夠滿足目前市場對木瓜剖切加工的要求，有一定的借鑒意義與推廣價值。

2 木瓜的幾何形狀分析

一切的鮮果加工設備都必須從研究鮮果的幾何外形開始，特別是像木瓜這類的鮮果，他們的外形差異性要比蘋果大很多，尺寸參差不齊。測定木瓜的幾何形狀特征，對正確制定加工工藝、選擇合理的加工方法及確定加工設備的結構參數都有著密切的關系。因此在進行加工設備的設計和試驗前，有必要首先測定木瓜的幾何形狀特征。

2.1 木瓜的形狀特征分析

由于木瓜的生長環境不同以及品種的不同，木瓜的形狀略有差異。但是，經過大量統計發現，其外觀形狀大致為兩頭直徑較小，中部直徑較大的類橢圓形，如圖1所示。

2.2 木瓜的尺寸分析

市場中重量在之間的木瓜占絕大多數，而在此重量范圍內木瓜的平均短軸長為，平均長軸長為，長短軸之比約為。同時還發現此重量區間的木瓜形狀還比較規則，所以選擇這一重量范圍的木瓜特性去建立其三維模型比較有代表性。

以上述木瓜的平均尺寸為依據，決定本設計采用的木瓜三維模型的參數為：長軸長；短軸長；長短軸之比。木瓜的尺寸及三維模型如下圖2所示。

3 木瓜剖半機的整體方案設計

3.1 木瓜剖半機總體設計（使用Inventor建模）

本設計的木瓜剖半機主要由定向排序輸送機構、物料調配機構、定位裝夾機構、切割機構和卸料機構等5大機構所組成，如圖3所示。

三維軟件除了可進行機械結構的設計外，在車間布局方面也可輔助設計。木瓜剖半機的主體呈“L”字型，設備高度約，占地面積約。在實際廠房中的擺放效果如圖4所示。

該機與物料接觸的零部件均采用符合食品機械安全衛生要求的不銹鋼、鋁合金或工程塑料材料制成，保證食品安全衛生。木瓜排序輸送速度，定位裝夾輸送速度及切割刀具線速度可分別通過電機變頻進行調節，使機具在達到較高生產率的同時獲得最佳作業質量（梁勤安等，2008）。

3.2 木瓜剖半機的工作原理

設備工作時，工人們把一定數量的木瓜放進由鋁合金板料焊接而成的料斗1中，但一次裝入的木瓜不宜過多，避免木瓜大量堆疊而壓壞木瓜或者造成木瓜的卡死現象。與料斗的下方緊密連接的是輸送通道和滾子鏈輸送裝置。木瓜被喂入料斗之后，就會直接地落入到定向排序輸送裝置中。輸送裝置由一個個等間距的鞍形輪2組成，木瓜會均勻地落入由相鄰鞍形輪形成的窩孔中并隨鏈條帶動向前運動。鞍形輪在輸送進程中隨鏈條作直線運動的同時，在固定齒條3和鞍形錕小齒輪4的相互強制作用下，鞍形錕也會繞自身軸線旋轉，確保每個窩眼中只充填一個木瓜。木瓜通過定向排序輸送裝置后，會以一定的間距，一個接一個的有序地進入物料調配機構。木瓜會首先通過一個斜滑槽10，斜滑槽的另一端會被一個擋料轉盤9阻隔，當定位裝夾機構8通過斜滑槽口位置的時候，木瓜被放行，隨后落入定位裝夾機構上面，避免兩個或多個木瓜同時“上車”的現象。木瓜在裝夾機構中定位，并在輸送帶7的帶動下向切割裝置方向作直線運動。木瓜與高速運轉的圓盤刀5接觸，在輸送帶的作用之下，被切開一半，落入到卸料裝置6中。

4 主要機構的建模與設計

4.1 定向排序輸送機構設計（建模與運動模擬分析）

4.1.1 定向排序輸送機構的組成

該機構主要由V型輸送通道、料斗、鞍形錕、滾子鏈，滾子鏈輪、機架和電機組成。其中機蓋和料斗用螺釘緊固在一起；鞍形錕由鞍形輪、輪軸和小齒輪組成，如圖6所示。輸送機構呈斜向上擺放，與水平方向夾角為。

4.1.2 定向排序輸送機構的運動原理

整個定向排序輸送機構的V型輸送通道2和料斗1固定在一起，架在裝置之上。機構的核心部件是由鞍形錕軸軸3和鞍形輪4共同構成的鞍形錕傳送裝置。滾子鏈條6為空心銷軸輥子鏈條，每一個鏈節安裝一根鞍形輥軸，并且在輥軸上安裝了小齒輪5，在固定直齒條7的帶動下，強制鞍形輪做向前平動的同時，繞自身軸線做旋轉運動。使得木瓜在傳送鏈的帶動下，實現向前輸送的同時，繞自身軸線的旋轉運動，如圖7所示。

如圖8所示，木瓜的運動狀態為：木瓜整體在滾子鏈的帶動下，向水平傾斜的方向向前輸送；而在兩個鞍形輪的摩擦力作用下，木瓜以一定的角速度做順時針運動。木瓜開始會帶有輕微的跳動，待位置適應后進入穩定向前輸送狀態。

4.2 V型輸送通道和料斗的鈑金設計

如圖9所示，料斗和V型輸送通道通過螺釘緊固在一起。長度約為1254mm，寬度約為456mm。輸送通道內側的兩個斜面共同形成一個V形槽，可以起到擴大木瓜輸送通道空間的作用。

料斗和輸送通道都跟木瓜都有直接的接觸，因此都采用國家食品機械安全衛生要求的不銹鋼制作。下圖10、11分別是料斗和輸送通道設計的主要尺寸。

4.3 物料分配機構的設計

如圖12所示，物料調配機構主要由斜滑槽1和擋料轉盤3組成。其中斜滑槽通過螺釘固定在機架4上，連接著定向排序輸送機構和定位裝夾輸送機構，木瓜通過定向排序輸送機構之后就會滑落到斜滑槽中。而擋料轉盤被固定在定位輸送機構的皮帶輪軸上，隨著輪軸的轉動而轉動，并且與定位裝夾機構2有相同的角速度，擋料轉盤3與定位裝夾機構2保持相對靜止。

物料調配機構的結構設計、鈑金設計、運動仿真分析與之前的機構基本相同，就不再贅述，以下主要展示擋料轉盤設計及應力分析。

4.3 擋料轉盤設計

擋料轉盤的外形輪廓和設計尺寸如圖13所示。轉盤凹陷部分的設計要求是保證木瓜能順利滑出斜滑槽，所以它的開口寬度必須大于斜滑槽的寬度。現設計尺寸為，完全符合要求。而突出部分則需保證可以完全阻攔后面的木瓜，因此它必須能夠擋住斜滑槽出口80%以上。經測量得斜滑槽口最上端離皮帶輪軸心得距離約為，結合槽口高，擋料轉盤外徑，計算擋料轉盤對斜滑槽口的遮擋率δ為：

綜合以上兩個校驗，擋料轉盤的外形尺寸符合設計要求。

擋料轉盤中還設計了四個葉片狀的通孔。這樣的好處是在保證零件本身的剛度和強度同時，還可以減少零件制造時的材料用量，達到降低成本的目的。擋料轉盤的物理特性如表1所示。

擋料轉盤是一個受載荷的零部件。當有兩個甚至三個木瓜堆積在斜滑槽并擠壓擋料轉盤時，擋料轉盤會疲勞破壞。下面通過對轉盤進行受力分析和應力分析來校驗該設計。

出現兩個木瓜堆積的斜滑槽口現象概率較高，因此本文對此情況進行了分析。由圖14可知，對于木瓜A來說，它受到的力包括：自身的重力mg，木瓜B的壓力F壓，斜滑槽的支持力F支，擋料轉盤的阻擋力F擋。

根據牛頓第三定律，相互作用的兩個質點之間的作用和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。可知：F=F擋，F為擋料轉盤受到的壓力。因此我們只需對木瓜A進行受力分析（如圖15），并用正交分解法求解F擋，即可知F的大小。

X方向上：

根據計算結果F=3.15N，在三維設計軟件Inventor中對擋料轉盤進行有限元分析。

首先，將擋料轉盤定義材料為ABS塑料并劃分網格；然后，在轉盤的軸孔處添加固定約束，在突出部分的重心位置添加靜載荷F=3.15N；最后求解模型。分析結果如下圖16（a）、（b）、（c）、（d）所示。

分析結果表明：擋料轉盤的安全系數15，Mises等效應力最大值0.268895 MPa，位移最大值0.465798mm，等效應變0.000113097。擋料轉盤的設計安全可靠。

4.4 切割機構的總體設計

如圖17所示，切割機構主要由圓盤切刀2、保護蓋1、機架3、聯軸器4、電機5等五個部件組成。圓盤切刀被兩個固定盤固定，安裝在主動軸上，由一個帶螺紋的定位套限制其軸向的移動，實現定位。選用6207深溝球軸承。切割機構的工作狀況如圖18所示。

5 結論與展望

三維軟件引入到機械設計基礎的教學中，可以在軟件中進行完整的設計建模（包含結構設計、鈑金設計、齒輪齒條設計、裝配、工程圖等），并以輔助運動仿真、應力分析、車間布局等功能全面訓練學生對三維模型的理解與應用，對今后“數字樣機”的擴展應用打下堅實的基礎。