基于UG的果蔬切割机切割机构的优化设计
摘要 随着科技的不断发展，各行各业都在向自动化机械化迈进，果蔬切割也不例外。国内外不乏对果蔬切割的研究和对果蔬切割机的设计，本文尝试在这些研究和设计的基础上利用CAD、UG这种制图、建模软件来对果蔬切割机的切割机构进行优化设计。本次设计采用条刀作为切割机构中执行切割的部分，考虑到国内外果蔬切割机切丁技术都存在切丁断面弧度大的问题，本次设计将着重从理论方面着手对丁断面及长度进行分析，以此调整刀片弧度、长度等数据，尽量减小丁断面弧度。为了让整个机构具有结构紧凑、装配简便等特点，本次设计以阶梯轴为核心，利用螺栓与刀架连接，从而带动刀架转动。并采用圆锥滚子轴承与套筒和轴的过盈配合来固定轴和套筒，这样既简化了设计，降低了装配难度，切割过程中由轴转动带来的噪音又很低。而刀架外层与果蔬接触的表面无通孔，完全隔离了果蔬产品和传动部分，杜绝了来自机械内部诸如润滑油之类的污染。
关键词 果蔬切割 切割机构 切丁断面
第二章切割机构条刀的设计与分析
2.1 条刀和刀架的形状设计
2.1.1 条刀和刀架的装配方案设计
在整个切割机构中，条刀直接切割果蔬物料，是对切丁精度影响最大的零件。合理设计条刀的形状不仅能提高切丁精度、还能降低装配难度。根据三维切割技术原理，多个条刀装配在刀架上，然后传动部件带着刀架旋转从而让条刀在圆周运动中将丝状物料切割成丁状，所以条刀必须和刀架配合设计。据此，现设计出两种条刀和刀架装配的设计方案，如图2-1所示。方案一选择将条刀用螺栓固定在刀架的凸台上，条刀只需在刃口稍作加工，结构简单、加工方便，但是这种方案存在一个较大的缺陷，在介绍三维切割技术的时候就已提到过，在切割不同规格的丁时需要换用不同规格的条刀，用螺栓固定条刀和刀架就意味着更换条刀时需要一个一个拧下螺栓，再一个一个拧上去，毫无疑问大大增加了更换条刀的困难程度。方案二采用带有角度的条刀，将条刀卡入刀架的刀槽中，再用端盖从刀架两边顶紧所有条刀的两端，如果要更换不同规格的条刀，只需将端盖卸下就能将条刀顺着刀槽沿水平方向抽出，这样的设计略微增加了条刀加工的难度，但条刀的更换极为简便，远胜方案一。并且，在当今的加工工艺之下，这点难度的增加不值一提。据此，本课题选择方案二作为条刀和刀架的装配设计方案。
图2-1 条刀和刀架配合的方案示意
2.1.2 条刀的形状设计
条刀形状如图2-2所示。让条刀在中段弯折一定角度，上半段用于对果蔬进行切割，下半段装配入刀架之中，这样可以让刀架上的刀槽处于刀架形状圆的半径线上，便于刀槽的加工。条刀接近底部设计两个对称的V字型卡槽，以此来将条刀卡紧在刀槽中，不会再高速旋转的切割过程中滑脱，避免机器发生损坏，带来危险。
图2-2 条刀的形状示意图
2.1.3 刀架结构的设计
刀架的轴向结构如图2-3所示。在刀槽底部同样有V字型卡槽的设计，和条刀底部卡槽的设计对应，以此固定条刀。刀架外部与果蔬物料接触的表面和内部与轴、轴承等传动部件接触的表面完全隔绝，杜绝了来自机械内部诸如润滑油之类的污染，保证了产品的洁净。
图2-3 刀架形状示意图
第三章 各零部件的设计
3.1 设计工具的选用及介绍
本课题选用了UG和AutoCAD作为设计各零部件的工具。UG全程Unigraphics NX，是当今世界上最可靠、应用范围最广的三维参数化设计软件之一。它集CAD/CAM/CAE于一体，大规模运用于工业设计、产品设计、CNC加工、模具设计等多种领域。而AutoCAD则是在国际上广为流行的具有二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计等功能的计算机辅助设计软件。本次课题运用CAD绘制了所有非标准件的零件图，并且用UG建立了其中部分零件的三维视图。
3.2 条刀总成部分零件设计
3.2.1 条刀的零件图及三维图
条刀形状和角度设计在第二章已经有所探讨，根据其结果对条刀进行了零件图绘制。
图3-2-1 条刀零件图
如图3-2-1所示，条刀加工的较大难点在于120˚的弯曲角度和略复杂的刀尖。考虑到一套切割机构要用到15个条刀，并且条刀在使用中磨损相对其他零件最为严重，更换频率高，可以用模具来生产，降低制造成本。
3.2.2 刀架的零件图
刀架是承载刀具，连接条刀轴的部件，其大致外型在第二章同样探讨过。首先，在外表面有15个均匀分布的刀座，刀槽内的V字型卡槽和条刀的V字型卡槽相对应，是配合挡圈固定条刀的一个要素。在刀架两侧的外环分别有五个阵列的螺纹孔，用于固定挡圈，内环打出三个无螺纹的贯通孔，用于和条刀轴连接来传动。刀架的零件图如图3-2-2所示。
图3-2-2 刀架零件图
3.2.3 挡圈的零件及三维图
挡圈的尺寸和刀架配合，用于将条刀固定在刀架上。在挡圈的外环有一个突出的V字构造，可以卡入刀架、条刀的V字型卡槽，固定条刀。如图3-2-3a和图3-2-3b所示。
图3-2-3a 挡圈零件图
图3-2-3b 挡圈三维图
3.3 传动零件设计
3.3.1 条刀轴零件图及三维图
条刀轴是传动用的阶梯轴，上面有和刀架对应的螺纹孔，可用螺栓来和刀架连接。在阶梯轴的最右端有一个长70mm，宽14mm，深约4.38mm的键槽，用于和小套筒键连接。同时在右侧平面开有深约25mm的螺纹孔，用于固定端盖。条刀轴的构造如图3-3-1a和图3-3-1b所示。
图3-3-1a 条刀轴零件图
3.4 总装配图
总装配图如图3-4所示。其中所用到的诸如螺栓，圆锥滚子轴承等标准件在CAD图中由详细标注。
图3-4 总装配图
第四章 条刀轴的校核
由于本课题仅对切割机构进行设计，并未指定具体的电机型号。所以在对条刀轴进行校核时，仅从性能、经济性、尺寸以及最常用等方面考虑，选用YVP系列变频调速三相异步电动机，满载转速为1440r/min，额定功率为4kW。
由于未对传动机构进行设计，传动比不得而知，则直接假设传动比为1:1以校核轴在较大转矩下的强度仍然符合条件。
图4-1a 条刀轴的设计图
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