机械毕业设计898基于SolidWorks插秧机纵向进给机构动态仿真设计.docx

1、机械毕业设计898基于SolidWorks插秧机纵向进给机构动态仿真设计摘要本文根据目前我学院插秧机的研究现状，结合国内外插秧机进给机构，提出两套纵向进给机构的设计与仿真。使用专业CAD软件SolidWorks先按照预定的轨迹，设计出进给机构。然后根据机构设置具体零件，再装配调试，并最终得到两套设计方案。使用SolidWorks分别建立两套方案的装配文件及爆炸视图。分别对两套进给机构进行Animator仿真与COSMOSMotion仿真，最后使用COSMOSMotion分析整个设计机构，提出分析意见。本设计需要用SolidWorks Office Premium（SW完全版 3.42GB）才能

2、进行COSMOSMotion仿真，文中多处介绍COSMOSMotion仿真工具的用法。要完美的模拟仿真，还要用到Microsoft.NET Framework 2.0和DirectX 9.0c。本设计是以我学院自行设计的插秧机基础进行研究的，许多基础数据来自假设。设计结果仅作为插秧机进给机构的一种参考。关键词：进给机构，插秧机，动画仿真，SolidWorks1. 绪论1.1 选题的意义水稻是我国种植面积最大、单产最高、总产最多的主要粮食作物， 其常年种植面积和总产约占我国粮食作物的28%和40%， 种植方式主要为传统的人工插秧。虽然我国在20 世纪60 年代已开始水稻种植机械化研究， 对插秧机

3、关键部件的设计与研究有所突破， 但使用成本高， 可操作性差， 远不及水稻生产机械化中的耕作机械和收获机械， 与我国经济社会的发展状况不协调， 严重制约了我国水稻生产的发展， 成为制约水稻生产全程机械化的瓶颈， 也限制了我国水稻生产的规模化、专业化、商品和现代化的发展。国内对机插秧技术的设计与开发手段还较为传统， 很大一部分是借凭经验进行类比设计， 一般只进行静态分析而不注重动态特征分析。不像汽车制造、工程机械、航空航天等工业产品应用先进虚拟样机技术进行研发。基于SolidWorks三维设计软件虚拟样机技术解决方案，对水稻栽秧机器进给机构的模拟设计，运动仿真，具体解决其在运动中的运动直观图，运用

4、虚拟样机技术可以较好地解决复杂的水稻插秧机的设计、动力学分析和参数优化， 可大大减少研发成本和物理样机制造、试验的周期， 具有巨大的工程实用价值,对我国水稻插秧机设计水平的提高有极大的促进作用。加快水稻插秧机关键技术的研发步伐， 对推动我国水稻种植机械化的发展， 对促进规模化生产、农业结构调整、农村劳动力转移、新农村建设和实现农业现代化具有重要的意义。 在设计阶段中，熟悉掌握SolidWorks产品基本造型方法，必将对以后的工作与学习有巨大帮助。1.2 插秧机进给机构研究的现状我国目前普遍使用的插秧机对其纵向进给机构、横向进给机构、分秧机构进行了改进研制成与该技术配套的植质水稻钵育栽植机。我院

5、研究插秧机器已经很多年，在研究过程中已获得很多技术突破和关键性的成果。纸盘水稻钵秧栽植机的工作过程是将早地里育好的水稻纸盘钵秧苗盘整体地置于栽植机秧箱上的栅板橡胶带式纵向进给机构中, 纵、横向进给机构与栽植育协调工作, 共同完成分秧并通过栽植份最终将钵秧苗植人田间。1.2.1 纵向进给机构的结构设计图1-1 水稻植质钵育秧盘1. 钵育孔 2. 进给孔水稻植质钵育秧盘是将稻草粉为主要原料，添加水稻生长所必需的营养济和凝结济，经特殊加工工艺制成。如图1-1，秧盘长580mm，宽265mm，高23mm，每只秧盘经纬排列，29行14列，共406穴。这种新型秧盘盛土充足，透气性好，益于盘根，便于栽植，可

6、育出带蘖的钵块壮秧。水稻栽植中，新型秧盘可保证秧苗根系完整，不缓苗。随着水稻生长，秧盘缓慢将解，可为水稻提供生长所需营养。水稻植质钵育栽植机的工作过程是将旱地里育好的水稻植质钵育秧盘整体地置于栽植机秧箱上的栅板橡胶带式纵向进给机构中，纵、横向进给机构与栽植臂协调工作，共同完成分秧并通过栽植臂最终将钵秧苗植入田间。由于育秧盘的结构(图1-1所示)其穴钵纵横为经纬排列，所以钵苗的株、行间距均为20mm。栅板橡胶带装置位于栽植机秧箱下方的秧门附近正中央，其带面为栅板形，封闭的栅板橡胶带分别套在秧箱背面的两根步进轴的进给轮上，其动力由工作箱输出的摆动力通过摆臂及棘轮机构提供。橡胶栅板间间距与钵盘上的钵

7、块尺寸相吻合。每排钵块均与栅板啮合，并随橡胶栅板带前进无相对滑差，进给准确。栅板橡胶带的两边各有一排等距型孔，进给轮爪插入其中。当进给轮转过一个角度(一齿)时，通过轮爪拨动胶带前进一步，使秧钵盘被推进一排均匀进给，确保栽植机构准确分秧。1.2.2 纵向进给机构的工作原理图1-2 纵向进给机构1.秧盘长压条苗 2.秧盘短压条 3.秧盘挡板 4.滑道 5.秧箱 6.护苗器 7.秧盘定位支撑切割装置 8.方管 9.板式橡胶带 10.驱动轮 11.植质钵育秧盘如图1-2所示，机器在插秧作业前打开长压条1将秧盘置于板式橡胶带9上，并使之处于分秧位置。作业时分秧装置每插一穴秧苗，横向进给机构驱动秧箱移动一

8、个穴距(20mm)。当插完一排秧苗后，插秧机的自动纵向进给机构工作。其动力由机器的工作箱提供的摆动力矩，转变成棘轮棘爪机构的回转运动，再通过链条传动将运动传给驱动轮10，通过栅板橡胶带带动植质钵育秧盘1 1向前进给一个，穴距(20mm)，完成纵向进给运动，使纵向进给量的精度提高，有效地保证了秧苗的栽植精度。为了使每一盘的最后一排秧苗均能顺利分秧，本机械上设置了秧盘挡板3，既保证了每盘的最后一排秧苗的分秧，又能确保与下一盘秧苗的适时连接，使插秧过程连续进行，有效地控制缺苗率。1.2.3 双向螺旋进给机构的设计秧箱、链箱、栽植臂等参数不变，但移箱机构参数中原机分秧决数为18次，横向进给量156mm

9、，该项目分秧次数要求14次，横向进给量为20mm，横向移动总量为260mm，为此必须改变工作箱中双向螺旋轴的基本参数与相应量的结构(见图1)，由图中可见在保证总移动量260mm的情况下，将螺距由306mm改为40mm，轴径也相应加大，由26mm改为4,35mm。其螺旋升角比原机还小(见图1-3)。因此改变后增大了轴向推力，提高了螺旋轴的寿命。为此双联移动套也相应的作了变动。工作箱内其它部件均可通用。图1-3 双向螺旋轴1.2.4 学院知识产权现状植质水稻钵秧栽植技术及其配套机械是目前国内外位居先进地位的水稻移植技术和机械，它的研究是一项融农业、农机、机械和造纸行业为一体的系统工程，在这项研究中

10、我院已向国家知识产权局申请了一项“发明专利”和两项“实用新型专利”并获批准。就栽植机而言，与目前国内外普通栽植机不同，它需要的纵、横向进给均特别精确。为了确保分秧精度，横向进给机构是它的核心部件，如若进给不到位，则分秧后田间会出现几米内无秧苗，反之几米内出现重苗。而采用我们研制的特殊“水稻植质钵秧栽植”纵向进给机构，可有效的确保进给准确，从而有效的保证分秧栽植的高精度要求。我院自行设计的纵向传动机构见图1-4。1.3 研究插秧机进给机构的步骤本课题尝试用专业的CAD软件SolidWorks对水稻栽秧机进给机构进行设计和分析，严格计算各个构件的尺寸，对每一个构件进行运动轨迹的分析。发挥Solid

11、Work强大的仿真功能进行装配和运动分析，并且模拟水稻栽秧机进给机构的运动过程，直观的演示设计结果。图1-4 我院自行设计的纵向传动机构具体研究步骤：（1）查阅水稻植质钵育栽植技术相关文章及机构，了解国内外相关机械及工作原理。（2）采用多种方式（机构设计）设计插秧机进给机构。（3）画出机构简图及机构装配图。（4）应用SW对关键部件进行力学分析并对机构进行动态仿真。1.4 论文的主要研究方法本课题将从以下几方面进行尝试性产品数字化研究：（1）研究符合学校自行设计插秧机的进给机构。（2）进给机构的Animator仿真。（3）用COSMOSMotion仿真分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速

12、度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并用动画、图形、表格等多种形式输出结果。2. SolidWorks动画仿真与运动分析简介2.1 产品数字化变革与仿真设计发展随着信息技术在各领域的迅速渗透，CAD/CAM/CAE技术已经得到广泛的应用，从根本上改变了传统的设计、生产、组织模式，对推动现有企业的技术发行、带动整个产品结构的变革、发展新兴技术、促进经济增长的都具有十分重要的意义。计算机辅助技术的在工业设计与制造领域的应用越来越广泛，这一技术带来的变革之一就是产品数字化。产品数字化的发展历程大致可以分为三个阶段：第一阶段为广泛使用计算机辅助工具：CAD、CAPP(计算机辅助工艺过程设计)、CAE

13、等；第二阶段是在CAX的基础上应用并行工程、DFM（面向制造的设计）、DFA（面向装配的设计），以PDM（产品数字管理）为集成平台，将这些应用集成为一个整体；第三阶段是在并行工程的基础上大量使用仿真手段，构建产品的数学化模型，进行电、机、液等协同化仿真试验，进行优化设计，以减少开发成本，有益于产品的市场推广。当今的工业设计对市场开发的要求下越来越高，这就需要CAD进行面向市场的开发。工业设计技术的对象将从单个产品的造型设计发展为产品的研发策划技术，使产品开发始终围绕市场和人的需求，特别注重企业无形资产的开发，如品牌、形象。计算机辅助工业设计是工业设计领域的前沿，这不仅意味着设计手段的改变，同时

14、也改变了工业设计的思维方式。就产品制造中所涉及的模型种类来说，大致可分为三类，即产品模型、制造系统模型和开发过程（包括设计、加工、装配、测试等）模型。其中产品模型是所有活动的目的和中心，制造系统模型是产品开发必须要考虑的约束。这里的制造系统是一个广义的概念，包括物料供应、加工、装配和检验等所有方面。仿真技术的应用正是以这三类模型为中心展开的：（1）以产品模型为中心的仿真。包括产品的形态和动态性能分析、产品的可制造性分析、产品的可装配必分析。在进行产品开发时，要考虑的不只局限于与功能需求有关的方面，如形状、尺寸、结构及各种物理特性，还要综合考虑诸如制造、装配、维护、成本等各方面的因素。因此，产品

15、本身的仿真，如CAE、DFA等，是仿真技术的制造业应用的基本方面。（2）以制造系统模型为中心的传真。包括对于复杂制造装备（如加工中心、机器人等）的仿真、对于复杂制造系统（柔性制造车间的设计和运行）的仿真。仿真的目的在于，确定设备能力的运行情况，包括加工路线、资源的分配、物料的供应等。（3）以开发过程模型为中心的仿真。包括设计过程的仿真和制造过程的仿真。产品的开发大致包括设计和制造两个阶段。在设计阶段，产品的性能和成本就已基本上确定了，而正是因为设计阶段的重要必，以及设计过程中多学科轮作和反复设计、试验带来的复杂性，设计过程的建模和传真越来越受到人们的重视。仿真的目的在于缩短周期，降低成本。制造

16、过各是仿真应用的传统方面，制造过程的仿真必须把产品模型和制造系统模型结合起来加以考虑，但它不仅仅是两者的简单相加，还需考虑控制策略、库存能力、负载能力等方面的问题。传统的机械行业仅仅注重产品的前期功能性设计，例如工艺性、成本、生产周期等，这些领先一些常用的CAD软件即可完成，在后期验证产品功能时，辅助使用一些CAE软件来进行有限元分析或者综合动力学分析。在市场经济条件下的产品开发，除了对产品本身功能进行设计外，还需注意产品的后续宣传和形象传递，其采用的形式多种多样，如海报、说明书、产品操作动画演示、渲染图像等。特别是如何使用产品动态动作，符合其实际的规律，并且把这种视像记录下来，这是一门新兴的

17、学科，在产品开发过程中正占据越来越重要的地位。动画是一种传递设计思想，记录仿真的良好的载体，它的特点已经形象和直观。在某些场合下，例如产品的内部结构非常复杂，仅仅领先文字或者叙述往往不易讲解清楚，而使用动画就能免去这种麻烦，达到交流的目的。高速的信息传递将为企业发展带来新的发展动力和生存方式，对于企业CI形象（VI:视觉识别BI:行为识别MI:理念识别）的宣传也有很大的促进作用。2.2 SolidWorks简介SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统，是由美国SolidWorks公司在总结和继承了大型机构CAD软件的基础上，在Windows环境下

18、实现的第一个机械三维CAD软件，于1995年11月研制成功。SolidWorks是市场分额增长最快、技术发展最快、市场前景最好、性能价格比最优的软件。随着SolidWorks版本的不断提高、性能的不断增强，SolidWorks已经能满足一般企业的一般需求了。SolidWorks软件拥有以下特点：（1）第一个在Windows操作系统下开发的CAD软件，采用Windows系列，与Windows系统全兼容，是Windows的OLE/2产品。（2）菜单少，使用直观、简单，界面友好。SolidWorks一共只有60几个命令，其余所有命令与Windows命令是相同的；下拉菜单一般只有二层，（三层的不超过5

19、个）；图形菜单设计简单明快，非常形象化，一看即知。系统的所有参数设置全部集中在一个选项（option）中，容易查找和设置。动态引导具有智能化，一般情况下无须用户去修改。特征树独具特色，实体及光源均可在特征树中找到，操作特征非常方便。装配约束所有的概念非常简单且容易理解。实体的建模和装配完全符合自然的三维世界。对实体的放大、缩小和旋转等操作全部是透明命令，可以在任何命令过程中使用，实体的选取非常容易、方便。（3）数据转换接口丰富，转换成功率高。SolidWorks支持的标准有：IGES、DXF、DWG、SAT（ACSI）、STEP、STL、ASC或二进制的VDAFS（VDA，汽车工业专用）、VR

20、ML、Parasolid等，且与CATIA、Pro/Engineer、UG、MDT、Inventor等设有专用接口。SolidWorks与I-DEAS、ANSYS、Pro/Engineer、AutoCAD等之间的数据转换均非常成功、流畅。（4）独特的配置功能。SolidWorks允许建立一个零件而有几个不同的配置（Configuration），这对于通用件或形状相似零件的设计，可大大节约时间。（5）特征管理器。特征管理器(PropertyManager)是SolidWorks的独特技术，在不占用绘图区空间的情况下，实现对零件的操纵、拖曳等操作。（6）自上而下的装配体设计技术（top-to-do

21、wn）。目前只有SolidWorks提供自上而下的装配体设计技术，它可使设计者在设计零件、毛坯件时于零件间捕捉设计关系，在装配体内设计新零件、编辑已有零件。（7）比例缩放技术。可以给模具零件在X、Y、Z方向给定不同的收缩而得到模具型腔或型芯。（8）曲面设计工具。用SolidWorks，设计者可以创造出非常复杂的曲面，如：由两个或多个模具曲面混合成复杂的分型面。设计者亦可裁减曲面、延长曲面、倒圆角及缝合曲面。2.3 Animator插件功能及特点SolidWorks Animator插件是本仿真设计中用到的重要插件之一。Animator插件是一个与SolidWorks完全集成的动画制作软件。它最

22、大的特点在于能够方便地制作出的动画效果，以演示产品的外观和性能，增强客户与企业之间的交流。Animator是SolidWorks Office自带的插件之一，用于制作产品的演示。动画是交流设计思想最好的途径，能更有效地促进多方设计人员的协同工作。使用Animator能将SolidWorks的三维模型实现动态的可视化，并且及时录制产品设计的模拟装配过程、模拟拆卸过程和产品的模拟运行过程，将设计得的意图更好的传递给客户。SolidWorks Animator提供如下的产品外观展示能力：（1）零件外观渐隐效果与色彩改变。（2）爆炸或解除爆炸动画，展示装配体中零部件的装配关系。（3）动画装配体的剖切视

23、力，展示内部结构。（4）利用专业的灯光控制以及为零件和特征增加材质，来产高质量生的动画效果。（5）零部件位置与视角变化。（6）通过屏幕再现零件设计过程。Animator和PhotoWorks无缝集成，可以充分利用SolidWorks独有的实体模型和PhotoWorks的高品质的渲染功能。通过全相关来保证精度，包括保持配合约束关系和零件设计、装配设计和工程图之间的同步更新。通过增强的图形灯光控制来增强视觉效果。通过专业的灯光控制和为零件的特征增加材质，来产生高质量的动画效果。依靠庞大的材质、纹理和背景库，增强视觉冲击力。Animator还能任何VAB宏生成一个自动的设计过程，结合函数与数学方程式

24、以及SolidWorks关联设计等，可以得到 丰富多彩的视觉影片。Animator作为一款制作动画的插件，其产生动画的原理和一些CAE分析软件得到的动画是不同的。Animator得到的是视觉效果，它的作用在于记录屏幕的视像变化，然后再通过自动合成各帖来获得影片。2.4 模拟工具简介SolidWorks有四种模拟方式：（1）线性马达模拟线性作用力，零部件移动的速度与其质量特性无关。当有外部作用，例如零部件之间的碰撞，而使物体方向改变时，此线性作用力也会随之发生变化。其方向是根据零部件上的线、面或基准辅助面而定的。（2）旋转马达模拟旋转力矩的作用，零部件旋转的速度与质量特性无关。作用时亦不考虑摩擦

25、力和阻尼。如果选择一线性边线或基准轴，方向参考将绕连线或基准轴旋转。如果选择平面，方向参考将绕面的旋转。选择圆形连线或圆柱、圆锥面为方向参考元素时，零部件将绕该圆形连线或圆柱、圆锥面的中心轴线旋转。（3）线性弹簧模拟弹性力作用。线性弹簧的一个端点必须位于零部件以外，另一个端点则必须在零部件上。线性弹簧将使零部件向弹簧到达其自由长度的点移动，一旦弹簧到达其自由长度，零部件的运动将停止。如果零部件上有多个弹簧，则零部件将在多个弹簧达到平衡的点停止运动。马达的运动优先于弹簧的运动。零部件移动的速度与其质量特性有关。（4）引力所有零部件无论其质量如何都在引力效果下以相同速度移动。马达的运动优先于引力的

26、远去。引力的作用与可以用线性马达来代替。2.5 COSMOSMotion基本知识SolidWorks COSMOSMotion插件也是本仿真设计中用到的重要插件之一。COSMOSMotion是SolidWorks的CAE应用插件，它是广大用户实现数字化功能样机的优秀工具，是一个全功能的运动仿真软件。COSMOSMotion可用于建立运动机构模型，进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等，并用动画、图形、表格等多种形式输出结果，其分析结果可指导修改零件的结构设计（加长或缩短构件的长度、修改凸轮开线、高速齿轮比等）或高速零件的材料（减轻或加重或

27、增加硬度等）。设计的更改可以反映到装配模型中，再重新进行分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可直接反映到装配体模型中。此外还可以将零部件在复杂运动情况下的载荷情况直接输出到主流有限元分析软件中以作出正确的强度和结构分析。COSMOSMotion具有如下三个特点：（1）功能强大，求解可靠。COSMOSMotion可靠性和精确性经过成千上万位工程师在各种不同行业的长期实际应用而得到验证，且求得的结果与实际非常吻合，可以满足用户的各种需求，是真正可以实际使用的运动分析软件。软件支持多种约束，包括转动副、移动副、圆柱副、球面副、万向副、螺旋副、平面副和固定约束。还支持共点、共线、共面、平动、平行轴

28、、垂直等虚约束。可分别按位移、速度或加速度添加各种运动，包括恒定值、步进、谐波、样条线和函数等运动。利用COSMOSMotion可模拟系统各种受力情况，包括拉压弹簧和扭转弹簧、拉压阻尼和扭转阻尼、作用力、作用力矩、反作用力、反作用力矩和碰撞力等。还有独特而实用的接触（点线接触，即两个零件在作相对运动时，一个零件上的某一点可以沿另一个零件上某一曲线运动；线线接触，即两个零件在作相对运动时，一个零件上某一曲线始终或间歇地与另一个零件上某一个曲线接触）和耦合定义功能。因此，用COSMOSMotion可以建立各种复杂的实际系统的精确运动仿真模型。对运动仿真的结果，可以通过多种方式来研究。首先，在CAD

29、环境中就能通过仿真动画直接观察系统运动情况；还可以将结果输出为通用的AVI格式动画；若想在互联网上传输展示仿真结果，可以输出为VRML格式的动画；可以输出到Excel表格中，以表格可图形的形式显示数据：可以输出为Text文件；当然还有功能强大、内容的各种XY图形输出。我们还可以进一步进行运动干涉检查（不同于CAD软件的静态干涉检查），将系统在复杂运动状态下的精确载荷直接输出到相应的FEA软件中，以作出正确的结构强度分析。（2）与SolidWorks无缝集成。COSMOSMotion与当今主流的三维CAD软件SolidWorks无缝集成，用户用SolidWorks完成产品实体造型设计，不用离开自

30、己熟悉的CAD环境就可以进一步用COSMOSMotion实现运动仿真，研究所设计的机械系统的各种运动情况，感觉上好像是在使用一个软件，因此不需要学习新的软件界面，并且COSMOSMotion可以自动将用户已经定义的装配约束映射为运动约束。同时因为是无缝集成，不需要在不同软件间打开、传输、转换装配体文件，从而保证了设计的完整性和统一性。（3）使用简单、操作方便。COSMOSMotion定位于广大普通的设计人员，因此它的一个的特点就是易学易用。COSMOSMotion与SolidWorks无缝集成，保证在建立运动模型时将SolidWorks造型时定义的装配约束自动转化为运动约束；直接使用Solid

31、Works的材料库（当然，用户也可以根据需要随时方便地添加新材料），自动给出零件的材料特性；与SolidWorks保持同一界面，使用者无需再学习新界面；COSMOSMotion是Windows原创软件，支持拖放功能，用鼠标右键弹出快捷菜单等用户非常熟悉的标准Windows软件的操作，极大地方便了使用。因此，COSMOSMotion在保证功能强大、仿真可靠的同时，学习使用还很简单。整个运动仿真的操作简单快捷，大多数设计人员并不需要很深的运动仿真的专业知识，仅需几个小时，就能看到自己设计的产品的运动情况。3.插秧机纵向进给机构设计3.1 要解决的问题：纵向进给需要保证进给的时间周期性与进给的准确性

32、。进给的时间周期性指，插秧机准确正常工作要求纵向进给机构要单向间歇性完成进给，于是在插秧机工作时纵向进给机构呈现周期性进给工作。学院设计的插秧机为钵育水稻栽秧机。根据其工作特点，需要纵向进给每一次工作都要保持严格准确与严格一致（每次进给20mm）。这就是所谓的进给准确性。3.2 解决方案分析3.2.1 初步分析结合现有插秧机纵向进给机构，初步确定本设计使用凸轮机构与棘轮机构相配合完成进给工作。凸轮机构用来完成间歇传动。凸轮由主动凸轮和从动盘组成，主动凸轮连续转动，从动盘作间歇分度运动。由于从动盘的运动完全取决于主动凸轮的轮廓曲线开关，故只要适当设计出凸轮的轮廓，就可使从动盘获得所预期的运动规律。它无需采用其他的定位装置，就可获得高垢定位精度，机构结构紧凑，是当前被公认的一种较理想的高速高精度的分度机构。其缺点是加工成本较高，对装配、调整要求严格。棘轮机构用来完成单向传动。其结构简单、制造方便、运动可靠；而且棘轮轴每次转过角度的大小可以在较大的范围内调节，这些都是它的优点。其缺点是工作