多功能切菜機(jī)的設(shè)計(jì)

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1 多功能切菜機(jī)設(shè)計(jì) 1 摘要： 通過(guò)對(duì)切菜機(jī)的工作原理、分類(lèi)等學(xué)習(xí)，結(jié)合當(dāng)下主流的三維設(shè)計(jì)軟件 對(duì)所設(shè)計(jì)的切菜機(jī)產(chǎn)品的零部件進(jìn)行建模，通過(guò)軟件提供的虛擬裝配和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，在不需要投入資金制造實(shí)物的情況下，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析、外觀設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的操作，并且利用圖紙轉(zhuǎn)換功能將所設(shè)計(jì)的零部件生成二維工程圖圖紙。 關(guān)鍵字 ： 切菜機(jī)；虛擬裝配；運(yùn)動(dòng)仿真； ； 2 of 50064 , d do to in of on of of D 3D 3 任何時(shí)期 ，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)都離不開(kāi)市場(chǎng)的需求。伴隨著生活節(jié)奏的不斷加快，人們的生活壓力也在逐步增大，如何幫助人們更好的適應(yīng)現(xiàn)在的快節(jié)奏的生活，是每一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的責(zé)任和義務(wù)。本設(shè)計(jì)貼近生活，著眼于切菜這一危險(xiǎn)性的家務(wù)勞動(dòng)，提出了家用切菜機(jī)的設(shè)計(jì)方案，主要幫助人們解決生活中常見(jiàn)的根莖類(lèi)、塊類(lèi)蔬菜的切削工作，幫助人們擺脫切菜這個(gè)危險(xiǎn)性的工作，提升人們?cè)诳旃?jié)奏環(huán)境中的生活質(zhì)量。 1 切菜機(jī)發(fā)展情況概述 切菜機(jī)，一種將食品原材料進(jìn)行預(yù)處理的一種食品機(jī)械設(shè)備，其工作過(guò)程是利用剪切原理將食品原材料切斷或者切碎，通過(guò)物料和切刀 之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。切菜機(jī)所加工的對(duì)象是蔬菜，加工之后的形狀和規(guī)格也不同于切割機(jī)械，是一類(lèi)專(zhuān)用機(jī)械設(shè)備。 菜機(jī)分類(lèi) 目前市場(chǎng)上已有的切菜機(jī)實(shí)現(xiàn)蔬菜加工的原理主要是通過(guò)模擬人手工切菜，通過(guò)傳動(dòng)帶將蔬菜勻速向固定方向進(jìn)給，刀具在豎直方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)蔬菜的切削目的，這種切菜機(jī)可以通過(guò)控制進(jìn)給速度和刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率來(lái)滿足不同的切削要求。此類(lèi)切菜機(jī)體積龐大、效率高、能耗大，主要用來(lái)滿足大型食品加工廠或者大型的食堂等蔬菜需求量大的場(chǎng)所使用。 依據(jù)功能主要分為兩類(lèi)：?jiǎn)吻行秃投喙δ苄颓胁藱C(jī)。 單切 型切菜機(jī) 適用于片、段、絲、塊莖、葉菜類(lèi)的蔬菜的切削，一般多用于食品加工廠，專(zhuān)機(jī)專(zhuān)用，例如土豆切絲機(jī)等，可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。典型結(jié)構(gòu)為箱式。 多功能型切菜機(jī)在單切型的基礎(chǔ)上，將片、絲等切削功能融于一身，同時(shí)可對(duì)不同類(lèi)別的蔬菜圓進(jìn)行加工，豐富了產(chǎn)品的加工對(duì)象。此類(lèi)切菜機(jī)多用于大型飯店等場(chǎng)所。多功能型切菜機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為兩類(lèi)： 雙頭型切菜機(jī)： 一頭專(zhuān)切葉菜類(lèi)，由傳送帶送菜，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的刀具進(jìn)行切削；另一頭專(zhuān)切土豆等根莖類(lèi)、塊類(lèi)蔬菜，原料從傾斜的料筒送入，由旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行切削，可同時(shí)工作，通過(guò)更換刀盤(pán)，可以切出各種 規(guī)格的片、絲、條。 4 組合式切菜機(jī)： 水平傳送帶傳送原料，由在傳送帶上間隔分布的成一定角度的多個(gè)刀具進(jìn)行切削，根據(jù)需要原料在傳送帶上經(jīng)一次或多次切削后成形，成品的形狀參數(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)刀具的切削速度及原料的傳送速度來(lái)控制。 菜機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上的切菜機(jī)觀察了解，對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，切菜機(jī)的發(fā)展主要傾向于以下這兩個(gè)特點(diǎn)： （ 1）功能集成化 在保證基本功能的同時(shí)，同過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)修改和優(yōu)化，將不同產(chǎn)品的功能融于一身，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提升產(chǎn)品的使用價(jià)值，降低產(chǎn)品的成本。類(lèi)似于豆?jié){機(jī)和榨汁機(jī)的融合， 既減輕了消費(fèi)者的成本，又提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 （ 2）規(guī)格兩極化 切菜機(jī)是一種蔬菜加工機(jī)械，其適用范圍因地點(diǎn)而異。大規(guī)模的食品加工廠和酒店，需要高效率、全自動(dòng)化的切菜機(jī)設(shè)備，同時(shí)對(duì)其加工效果的要求也會(huì)不斷提高。但是隨著生活水平的提高，人們對(duì)家庭生活的舒適度要求也在提高，對(duì)家用切菜機(jī)的需求一定會(huì)不斷增強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便、輕巧時(shí)尚、功能多樣的家用切菜機(jī)產(chǎn)品一定會(huì)受到市場(chǎng)的熱烈歡迎。 菜機(jī)原始參數(shù) 本文提出的切菜機(jī)設(shè)計(jì)方案主要處理對(duì)象是生活中常見(jiàn)的根莖類(lèi)、塊類(lèi)蔬菜，主要的設(shè)計(jì)參數(shù)源自于對(duì)不同蔬菜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié) 果。 表 1藥、胡蘿卜、白蘿卜及藕這五類(lèi)蔬菜切削力的測(cè)定結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選用的是家庭生活中較為常見(jiàn)的蔬菜種類(lèi)，切削刀具選用普通家用水果刀，在最大直徑處豎直切削，并通過(guò)電子稱測(cè)定切削時(shí)的最大重量，然后通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到對(duì)不同蔬菜切削時(shí)的近似切削力。 表 1蔬菜種類(lèi) 蔬菜特征 切削力（ N） 切削力最大值（ N） 最大直徑 自重 g 1 2 3 4 5 馬鈴薯 56 200 藥 62 240 蘿卜 30 70 蘿卜 78 320 68 140 過(guò)對(duì)表 1定藕的最大切削力作為本設(shè)計(jì)的參照，在綜合考慮原料形狀及測(cè)量精度等因素，確定設(shè)計(jì)參數(shù)切削力為 90N?？紤]到塊類(lèi)蔬菜形狀差異較大，限定本設(shè)計(jì)可加工的最大直徑為 80據(jù)烹飪對(duì)食材的不同尺寸要求，設(shè)定 切削出的片厚度在 3加工的絲狀蔬菜分粗細(xì)兩種。 依據(jù)大多數(shù)家庭的生活習(xí)慣，確定該切菜機(jī)的工作時(shí)間為：使用年限 10年，360天 /年， 2 次 /天，每次工作 切菜機(jī)設(shè)計(jì)采用國(guó)家規(guī)范的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)節(jié)能環(huán)保，安全使用，維修方便。 2 原理方案設(shè)計(jì) 案設(shè)計(jì) 家用切菜機(jī)不同于現(xiàn)在市場(chǎng)上存在切菜機(jī)產(chǎn)品，其體積小、質(zhì)量輕、操作簡(jiǎn)便，并且要融合時(shí)尚因素，便于清洗等，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有切菜機(jī)的設(shè)計(jì)方案的分析，提出了本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案： 將蔬菜置于豎直或者向上傾斜的料筒內(nèi)，依靠蔬菜自身重力或 者給蔬菜施加外力，使它向下運(yùn)動(dòng)，刀具在水平面作高速旋轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)蔬菜加工功能；通過(guò)更換不同型號(hào)的刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)切片切絲功能；刀具下方設(shè)計(jì)容器，利用重心或者離心力收集加工好的蔬菜。 所設(shè)計(jì)出切菜機(jī)減少了傳送帶結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品整體空間縮小，并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)切削可以不用考慮根莖類(lèi)、塊類(lèi)蔬菜不規(guī)則的外觀，就可以獲得很好的切削效果，而且動(dòng)力采用人力或者電動(dòng)機(jī)均可，只需要設(shè)計(jì)合理的供壓機(jī)構(gòu)就可以滿足設(shè)計(jì)要求。 構(gòu)設(shè)計(jì) 6 產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)布置形式可以分為水平和立式兩種布置方式，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)布置方式分析如下 : (1) 水平布置：目前最常見(jiàn) 的布置形式，在水平方向，依次布置動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)，最后是料筒。刀具在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，蔬菜被放入料筒后，因自重沿筒壁向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。加工好的蔬菜在自重及離心力作用下落入位于刀具下方的收集容器內(nèi)。主要優(yōu)點(diǎn)是水平布置分散受力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各個(gè)機(jī)構(gòu)獨(dú)立性較好。缺點(diǎn)是料筒位置固定，不易做到蔬菜的分類(lèi)收集，相比立式布置占用空間較大。 (2) 立式布置：在豎直方向依次布置供壓機(jī)構(gòu)、料筒、切削機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)，其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)可平行布置。立式布置的優(yōu)點(diǎn)是：料筒豎直布置，占用空間小，可在刀具旋轉(zhuǎn)路徑上布置多 個(gè)進(jìn)料口，并且蔬菜的運(yùn)動(dòng)總是豎直向下，各個(gè)料筒的工作不會(huì)互相干涉。缺點(diǎn)比較明顯，立式布置結(jié)構(gòu)相對(duì)集中，對(duì)支撐機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度要求較高。 通過(guò)兩種布置形式的對(duì)比分析，結(jié)合家用切菜機(jī)的設(shè)計(jì)要求，綜合考慮，決定選擇立式布置形式來(lái)設(shè)計(jì)家用切菜機(jī)。 理圖 綜上以上原理分析結(jié)果，本切菜機(jī)的工作原理圖簡(jiǎn)化為如圖 2 圖 23 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)計(jì)算 有原始參數(shù)得知完成切削時(shí)的最大切削力： F=90N，工作時(shí)間 :使用年限 10年， 360天 /年， 2次 /天，每次工作 機(jī)的轉(zhuǎn)速： 120r/用立式布 7 置形式，將電機(jī)軸與刀具直接連接。 由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算切菜機(jī)工作時(shí)需要的總功率： ??P ?其中：W； ?? 切菜機(jī)所需工作功率： 02 ???其中： 最大切削力， N； m/s； r/ R— 切菜機(jī)切削力作用半徑， 傳動(dòng)裝置總效率??為組成傳動(dòng)裝置的各部分運(yùn)動(dòng)效率之乘積，在本設(shè)計(jì)中即為電機(jī)軸承的傳遞效率： 1??? ?其中： 1? 為軸承額傳動(dòng)效率， ? 則 ? ?? ?初步設(shè)計(jì) R=80可計(jì)算得： w ????????? ?? 3 ?????主軸的輸入轉(zhuǎn)矩： ??? ? 013 表 3動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果 軸名 效率 P（ W ） 轉(zhuǎn)矩 T（ ） 輸入 輸出 輸入 輸出 電機(jī)軸 合以上計(jì)算結(jié)果，跟據(jù)切菜機(jī)的工作環(huán)境和家庭的電源條件，選擇立式封閉型直流電動(dòng)機(jī)，額定電壓 220V，額定功率 120W，轉(zhuǎn)速 120r/合考慮切菜機(jī)整體裝配要求，初步確定電機(jī)軸長(zhǎng) L=250出部分長(zhǎng)度為 1808 通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上電機(jī)的參數(shù)了解以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用，確定選擇深圳市龍威實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的永磁直流電機(jī)，型號(hào)為 機(jī) 參數(shù)如表 3主要外形尺寸見(jiàn)圖 3 表 3型號(hào) 額定電壓 額定功率 負(fù)載參數(shù) 質(zhì)量 速 r/矩 20V 120W 120 25 3 刀軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)刀片安裝方式和裝配要求，設(shè)計(jì)出刀軸的結(jié)構(gòu)如圖 3 圖 3刀軸軸徑可按下式進(jìn)行 確定：30 ?式中： P 9 n r/ 0 根據(jù) 不銹鋼食具容器衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求，選擇電機(jī)軸的材料為 1 [1]表 1500 ?A ； 則軸直徑為： 30 ?????考慮到軸端的扁平結(jié)構(gòu)和螺紋，為此將軸徑放大 15%以確保軸的強(qiáng)度，則軸的最小直徑可取 d=（ 1+15%） × 0軸強(qiáng)度校核 根據(jù)切菜機(jī)工作原理，得知此軸僅受較小的彎矩，因此只需要按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核，查 [1]式（ 15 ： ][ T ?? ?? 式中： t? T ； 3 T? 軸端危險(xiǎn)截面處軸的截面如圖 3 圖 3的危險(xiǎn)截面 查 [1]表（ 15彎、抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式可知該危險(xiǎn)截面的抗扭截面系數(shù)計(jì)算公式為：d 2 )(1623 ??? ? 10 由圖 4d=10, b=t= 22323 9102 )16 102 )(16 ?? ????????? ?? 則有： M P 5~20][500 ????? ??由此可知此軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。 軸剛度校核 根據(jù)切菜機(jī)工作原理，得知此軸的彎曲變形很小，因此僅按照軸的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行軸的剛度校核。查 [1]式（ 15光軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算公式為： ?? 式中： T ； G 對(duì)于鋼材， ? ； 4對(duì)于圓軸，324 ；此處取 0? ； 則有： 444 132 1032 p ???? ??； 將 ?? 得： P/)(1~)(0 1 44 ???????????? ??故此軸滿足剛度要求。 削部件設(shè)計(jì) 切削機(jī)構(gòu)作為本設(shè)計(jì)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部分，既要考慮使用性能，又要兼顧材料的安全性及產(chǎn)品使用之后 的清洗工作。出于安全考慮，其構(gòu)件必須選擇無(wú)污染的防銹材料，還要注意將切削部件與電器元件隔離開(kāi)來(lái)，降 11 低原材料污染的可能性。 眾所周知，根莖類(lèi)、塊類(lèi)蔬菜不僅形狀不規(guī)則，而且硬度大難切削，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量及果，本設(shè)計(jì)的切削刀片采用光滑刃口平板刀作為切片刀，切絲選用梳形刃口刀片。刀片材料結(jié)合 不銹鋼食具容器衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求選用奧氏體型不銹鋼（ 101確定切菜機(jī)刀片材料為 0常說(shuō)的 因?yàn)橐獜牡毒呱蠈?shí)現(xiàn)切片切絲功能的轉(zhuǎn)換 ，所以考慮將刀片與刀架分離，通過(guò)更換不同的刀片來(lái)實(shí)現(xiàn)切片切絲功能的轉(zhuǎn)換，同時(shí)，換刀過(guò)程必須簡(jiǎn)單易操作，綜合考慮將刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖 3計(jì)三個(gè)刀片安裝槽，在刀具下方采用內(nèi)六角螺釘固定，在需要換刀時(shí)，將刀具下方的盛菜容器取出，將固定刀片的內(nèi)六角螺釘松開(kāi)，從側(cè)邊就可以將刀片取出，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了切片切絲功能，而且減少了換刀的時(shí)間。 實(shí)現(xiàn)切片切絲功能的同時(shí)，我們還要考慮對(duì)切片厚度的不同需求，本設(shè)計(jì)中，在刀架與刀片之間預(yù)留了一定的空間，在刀片與刀架之間通過(guò)增加或者減少墊片來(lái)調(diào)整刀片的切削厚度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì) 切削厚度控制的功能。具體情況如圖 3 圖 3架結(jié)構(gòu) 4 基于 e 三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用 圖 3架 12 伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)從 前三維設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天、建筑等行業(yè)。其三維建模的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，極大的縮短了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的周期，減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了同類(lèi)零件的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)建立，極大的方便同類(lèi)行業(yè)之間的技術(shù)交流。 本切菜機(jī)設(shè)計(jì)采用美國(guó)波士頓 司研發(fā)的三維設(shè)計(jì)軟件 模、虛擬裝配、機(jī)構(gòu)仿真、裝配動(dòng)畫(huà)、干涉檢查等工作，通過(guò)虛擬裝配模擬產(chǎn)品裝配過(guò)程，干涉檢查可以對(duì)虛擬裝配好的產(chǎn)品進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)零部件之間的裝配干涉問(wèn)題，機(jī)構(gòu)仿真可以真實(shí)的了解到產(chǎn)品的工作情況，裝配動(dòng)畫(huà)可以模擬真實(shí)的裝配效果，通過(guò)軟件的應(yīng)用，不僅減輕了設(shè)計(jì)者的工作壓力，同時(shí)節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，加快了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期和產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。 擬裝配 炸視圖 13 涉檢查 在經(jīng)過(guò)虛擬裝配和爆炸視圖的工作之后，我們并不能保證零部件在裝配的過(guò)程中相互之間沒(méi)有干涉，如果盲目制造實(shí)物，可能會(huì)因 為一些小細(xì)節(jié)造成不必要的浪費(fèi)，為了避免這個(gè)問(wèn)題，我們可以在 所組裝部件進(jìn)行干涉檢查，確保各部件配合尺寸正確，各零部件之間裝配吻合。對(duì)裝配好的零部件進(jìn)行干涉檢查的操作方法如下：依次單擊“分析” -“模型” -“全局干涉”命令，在“全局干涉”對(duì)話框中依次選擇“包括面組”、“包括小平面”、“精確”選項(xiàng)，即可對(duì)所完成的裝配組件進(jìn)行干涉檢查。采用此方法對(duì)所涉的切菜機(jī)進(jìn)行干涉檢查結(jié)果如下： 14 6 總結(jié) （ 1）本次設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有切菜機(jī)的了解，提出了一套全新的家用切菜機(jī)設(shè)計(jì)方案，家用切菜機(jī)設(shè)計(jì)不僅 豐富了家用食品機(jī)械的種類(lèi)，同時(shí)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)家用切菜機(jī)的市場(chǎng)空白，在家用切菜機(jī)產(chǎn)品方向還有很大的研究空間，應(yīng)進(jìn)一步研究，實(shí)現(xiàn)其一機(jī)多用的功能。 （ 2）通過(guò)對(duì) 悉了通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的流程以及三維軟件的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真等操作，不僅豐富了三維設(shè)計(jì)軟件在食品機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用案例，同時(shí)為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1] 家用和類(lèi)似用途電器的安全 電動(dòng)食品加工器具的特殊要求 . 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006. 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