SOLIDWORKS 在小型農機 設計中的應用

文|南京熊貓電子裝備有限公司 何杏興

隨著現代農業的飛速發展，農業市場對農機產品的需求不斷增加，在農機企業開發新產品時面對的挑戰越來越大。以小型甘蔗收割機為例，在農機企業研發新產品時，由于所設計的產品還未得到制造、裝配和樣機實驗，可能會存在相當多的錯誤設計造成裝配困難。隨著CAD 技術的發展，許多農機企業采用SOLIDWORKS 進行虛擬裝配、零件和部件的有限元仿真，大大縮短了樣機的試制周期，降低研發和生產成本。

一、SOLIDWORKS 軟件的特點

SOLIDWORKS 是Dassault Systèmes S.A. 旗 下 的 品牌，它幫助數百萬工程師和設計師通過創新取得成功。SOLIDWORKS 在產品設計、仿真、發布、數據管理和環境影響評估方面可提供直觀的使用體驗，其軟件模塊圖如圖1 所示。

圖1 SOLIDWORKS 軟件模塊圖

SOLIDWORKS 是一款基于Windows 的三維設計軟件，通過SOLIDWORKS 可進行三維零件設計和虛擬裝配，基于三維模型可以支持參數驅動，通過模型的參數驅動可以自動更新二維圖紙，實現三維數據和二維工程圖的雙向驅動。設計人員可以在SOLIDWORKS 中實現農機產品的虛擬裝配，可以仿真出零件和零件之間的裝配關系，實現零件間的傳動關系，實時監測農機虛擬裝配中的碰撞、干涉等。

SOLIDWORKS 除了機械設計模塊外，還可以有以下增強模塊，涵蓋電氣設計、設計仿真、MBD 設計和設計數據管理等。

SOLIDWORKS Electirical：集成的三維電氣設計工具包，可以實現農機產品三維環境下電氣布線，并可以自動統計電氣零件清單，自動計算電氣線纜長度等。

SOLIDWORKS Simulation：集成的仿真模塊，可以仿真農機產品中零件和裝配體實際工況下的變形、計算最大應力和預測產品壽命等。

SOLIDWORKS Inspect ：集成的質檢模塊，可以自動出具農機產品零件的首件質檢報告，大大縮短質檢人員手工填寫質檢報告的時間。

SOLIDWORKS PDM：基于Windows 平臺的設計數據管理系統，幫助農機設計人員妥善的管理圖紙版本、實現數據重用、工作流程管理、工程更改管理、更好的管理產品開發、產品開發活動的自動化以及建立有效的產品開發技術數據結構。

SOLIDWORKS 可以全方位的幫助農機企業從研發、制造、管理和生產各個方面提高工作效率，降低設計成本、提高設計質量。因此被廣泛的應用于產品開發中，成為比較主流的設計開發工具。

二、小型甘蔗機械的結構特點

甘蔗一般生長在南方熱帶地區，如廣東、廣西、海南和云南等。這些地區以丘陵地段為主，只適合小型甘蔗收獲機進行作業，小型甘蔗機械非常講究尺寸結構的緊湊性以適應丘陵地形，且需要實現人性化設計保證轉彎性能好和工作方便。研究出小型化、緊湊型且保證使用性能的甘蔗機械，實現甘蔗收獲全程機械化，對降低農民工作強度，提高甘蔗收割效率都具備實際意義，小型剝葉機如圖2 所示。

圖2 小型甘蔗剝葉機

三、SOLIDWORKS 環境下的農機零件和部件設計和仿真

SOLIDWORKS 提供了廣泛且實用的零件設計功能，如平面草圖、拉伸、切除和抽殼等，對于特殊零件如農機設計中常用的鈑金零件、焊接件設計也有相對應的簡單明了功能來實現。集成在SOLIDWORKS 零件設計環境中的特征樹功能可以詳細記錄建模過程，農機設計人員可以在設計中途任意修改之前的設計尺寸元素，如尺寸標注方式、尺寸驅動方式等。設計人員在調用歷史設計模型時，可以通過設計樹快速變更尺寸達到快速創建新零件模型，相對應的工程圖也會自動更新。

對于小型農機而言，整機的尺寸及重量尤為關鍵。設計人員在使用SOLIDWORKS 設計軟件之前通常只能根據二維設計圖紙進行粗略的估算，結構往往會和實際產品重量相差巨大。設計人員使用SOLIDWORKS 進行三維建模后，零件和部件的質量能夠自動進行精確計算，如圖3 所示。設計人員可以在設計過程中根據需求來調整農機的各個部件進行配重設計。

圖3 小型農機快速計算重量

在小型農機中，大量結構為對稱的焊接件和鈑金件，設計人員可以使用SOLIDWORKS 中的對稱建模和對稱裝配方式快速完成原型機的設計，如圖4 所示，極大的提高設計人員的工作效率，實現快速出圖。

圖4 對稱建模和對稱裝配示意

對于農機設計人員之前用二維CAD 軟件設計過的圖紙，可以非常方便的導入SOLIDWORKS 中，將二維圖塊快速生成為三維模型，再用SOLIDWORKS 自帶的工程圖模塊進行出圖，在SOLIDWORKS 工程圖中，設計人員可以根據實際虛擬裝配的零件目錄，自動計算材料明細表，材料明細表中可包含零件的屬性信息，如零件名稱、圖號、材料屬性和重量等，總裝圖如圖5 所示。

圖5 SOLIDWORKS 設計環境下的農機產品總裝圖

在農機產品開發過程中，往往許多零件是比較類似的，可以將這些類似的零部件的三維模型進行歸納和總結，形成標注件或常用件，方便設計人員進行借用或調用。對于部分比較規律的常用件，可以將其尺寸參數輸入SOLIDWORKS，借助于SOLIDWORKS 內嵌的Excel 表，可以實現通過調整Excel 中的參數達到修改模型尺寸的目的，如圖6 所示。

圖6 參數化農機模型

通過制作參數化農機零件模型，可以大幅度的減少設計錯誤，設計人員在使用參數化模型時，只能按照前期定義的參數進行選擇或輸入，模型自動變更尺寸模型，自動更新工程圖，提高工作效率，并減少了設計錯誤。使用參數化農機零件模型配置標準或比較規律的圖號命名，減少設計過程中的隨意零件名稱和圖號命名，提高零件的重用率，減少零部件數量和種類，為后續的生產和采購節約成本。

對于農業機械而言，其零部件的一般尺寸精度要求不高，但是農業機械一般的工作環境比較惡劣，對零部件的性能要求比較高，設計人員需要考慮結構強度和產品疲勞壽命，利用SOLIDWORKS Simulation 可以對關鍵零部件進行有限元模擬和動力學分析，檢測其應變應力和其他性能是否滿足工況要求，對于應力變化幅度較大的區域進行優化設計，從而提高農機產品的耐用性，仿真圖如圖7 所示。

圖7 SOLIDWORKS Simulation 對農機關鍵部件的計算仿真

四、結論

在農村經濟快速發展下，一些地區已經出現比較嚴重的勞動力不足的現象，要提高農田的生產效率，降低農民生產成本，在農村中推廣小型農機的是必要的，我國已經在廣大農村地區大批量推廣農業機械。如何研發出高性能、低價格的小型農機以適應農村市場的生產力提升要求，是農機設計人員應該重點考慮的內容。使用三維設計工具軟件Solidworks 可以幫助設計人員高效設計小型農機，減少設計誤差，通過相關的仿真手段可以使農機產品性能更加優異，產品更加耐用。