结构设计及整体虚拟装配研究

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摘要：为解决快速切水果以及现有切果装置存在的安全问题，设计了一种新型的结构简单的便利切果器械。其具有结构简单、空间占有量小、易于操作和安全性好等优点，具有非常广阔的市场前景。文章对其主要运动结构进行了三维建模，详细介绍了其建模过程及整体虚拟装配的具体方法。

关键词：新型切果器；三维建模；整体虚拟装配

随着技术进步，人们对于如何快速切水果已经有了一定的设计和创造。以切西瓜为例，市场上已经存在手压盘形刀片式切瓜神器，虽然看着操作简单但存在的问题和缺陷也很明显。比如：使用者需要给予一定的速度，然后当刀片进入西瓜后需要继续用力按压。在此过程中，不仅存在着刀片突然断裂从而导致操作者受伤的安全问题，而且操作者需要施加很大的力及切瓜时刀具的尺寸限制问题。针对这些问题，如何去良好的解决呢？为更好地解决上述问题，我设计了便利切果器。它是一种全新的设计理念，不仅解决了安全、费力、刀具规格限制等问题，还保留了市场上已经出现的刀具低成本的优点。

1便利切果器的基本结构

图1便利切果器主要由手柄、圆轮、中心轴、平面连杆、刀具、伸缩支架、底部固定装置、定位轴孔、套筒九部分组成。

2整体传动方式

由操作者施加外力在手柄上，利用手柄和中心轴的偏心距以及圆轮的圆周运动，将力的作用传递到中心轴；然后利用中心轴的圆周运动，带动连接在轴上的平面连杆机构，进而在平面连杆往复运动的基础上，带动刀杆的上下往复运动。

3工作原理

使用者准备好要切块的水果，以西瓜为例：将西瓜固定在正对刀具下方的固定装置上，然后移动伸缩轴，调整合适的刀具高度，并将其固定。然后握住手柄，施加一个力的作用，从而带动圆轮转动，利用手柄和圆轮之间的偏心距以及圆轮自身的圆周运动带动中心轴转动，进而带动较短的连杆运动。力传递到通过铰链紧密连接的长杆上，在推动刀具沿定位轴套向下进行刀具进给运动的同时，实现力的放大作用。在这个过程中，使用者转动手柄，直至切瓜完成。最后取下固定针装置，升起刀具。

4便利切果器的虚拟装配

本文中对便利切果器各零件都建立了3D模型，这些模型的创建都是由Solidworks软件完成的。Solidworks可以较好的创建相关的3D实体参考模型，使用者在设计过程中可以人为的制定和模拟各零件间的约束关系并直观地感受到该便利切果器真实的装配效果。在装配过程中，可以利用现有的技术模拟机械的运动。出现干涉状况时，可直接通过更改模型尺寸进而消除干涉。方便快捷的同时，可以避免实物更改的浪费，进而实现良好的经济性。此外，利用Solidworks建模完成后可通过操作鼠标实现多角度切换观察。甚至可以通过视图变换、压缩、显示及隐藏、透明化显示模型等功能，实现对各零部件的观察，使设计更加清晰直观。4.1切果装置建模刀具的建模：制图时先画出刀杆和刀头的基本尺寸，再根据连接要求设计出连接位置。重点是刀片的建模，众所周知建模最重要的是建模平面的建立和选择，绘制出一个刀片后通过圆周阵列，完成其余刀片的建模。如图所示，刀具的固定：在向下实现进给运动时，为避免刀具偏离，安装时应穿过定位套孔进行切果的定位。4.2传动装置建模。图3主要由手柄、圆轮、中心轴、平面连杆组成。建模过程中存在的难点在于手柄的长度以及圆轮的设计，最后选择的模型如图3所示，先利用三维建模软件进行整体的尺寸设计，再利用拉伸、切割、圆周阵列等方式，最终完成圆轮和手柄的实体建模，从而使设计的零件在实际运动过程中能够有效地提高工作效率。主要的传动部分选择平面连杆是由于其以下优点：此机构为低副机构为面接触，压强小，承载能力大，耐冲击，加工制造容易，可靠性强等，最重的是利用连杆机构，在原动件运动规律不变的条件下，可以改变各构件的相对运动长度来使从动件得到不同的运动规律。此外，利用连杆机构还可以很方便的改变运动的传递方向、扩大行程、实现力的增大作用和远距离传动的目的。传动装置的安装：将圆轮固定在中心轴上并用套筒固定，以更好地实现圆周运动和力的传递作用。将平面连杆短杆固定在中心轴中间部位，两端用套筒锁死，保证平面连杆实现平稳、高效的往复运动。4.3固定装置建模。图4图5主要包括套筒、底部固定水果的固定针。众所周知，固定是保证机械平稳、安全运行的前提条件。便利切果器选用套筒进行轴端和平面连杆的固定是整个的机械设计中必不可少的一部分。先选好尺寸，再利用拉伸切除等操作指令进行尺寸的更改，最终完成符合要求的套筒建模。底部固定针选用三针结构，以达到稳固的设计目的。建模中，对其先进行凸台的绘制，然后利用拉伸完成针的实体建模。4.4便利切果器支撑架及定位装置。图6支撑架建模：本部分设计成伸缩轴，有利于调节切果的高度，适应范围广。首先完成底部凸台尺寸的设计并拉伸，然后选合适的尺寸完成伸缩轴的3D建模，最后在轴的上端完成中心轴孔的切除。定位装置：选择合适的尺寸，进行拉伸操作。在已完成的模型上，完成套孔的建模。该装置主要用于刀具上下进给时的固定，保证切果的准确性。4.5便利切果器整体虚拟装配。图7如图7所示，按照实际装配条件，选择适当的约束条件依次将各零件装配起来。要求除了零件方向上的自由度，其余部分完全固定，以确保零件正确的定位。装配完成后，检查零件有无干涉现象。如果存在干涉，修改零件的基本尺寸。修改完成后，整体运行，看看是否能正常工作。

5结语

水果作为人民生活中常见的物品，市场需求是非常巨大的。但现在市场上存在的手压盘形刀片式切瓜神器由于存在安全、规格限制、费力等问题，人民还未普遍接受。而便利切果器作为一种省力装置，不仅操作简单、可使用人群广，而且可以在一定程度上降低儿童误拿并操作时的风险，从而进一步突出安全可靠的优点，是一款适用更多年龄层的优秀产品。此外，便利切果器成本低、寿命长，易于家庭接受。

参考文献：

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作者:孙皆镇 董淑婧 单位:大连科技学院机械工程学院