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多功能切菜機(jī)設(shè)計(jì)
摘要：通過對切菜機(jī)的工作原理、分類等學(xué)習(xí)，結(jié)合當(dāng)下主流的三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E對所設(shè)計(jì)的切菜機(jī)產(chǎn)品的零部件進(jìn)行建模，通過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；Pro/E；
Design of multi function cutting machine
Liu Cheng Yang Zhang Zhan Ling
(Department of Mechanical Engineering , Zhengzhou College of Science &Technology , Zhengzhou 450064 , China)
Abstract: The working principle, the cutting machine classification learning, combined with the current mainstream 3d design software Pro/E for modeling cutting machine product design components, software through the virtual assembly and simulation environment, do not need to invest money in real situation, analysis, design, traditional design method structure optimization design can not achieve the overall structure of the operation on the design of the product, drawing parts of generating 2D drawing conversion function and using the designed.
Keywords: machine Qiecai; 3D modeling; virtual assembly; mechanism simulation;
任何時(shí)期，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)都離不開市場的需求。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的根莖類、塊類蔬菜的切削工作，幫助人們擺脫切菜這個(gè)危險(xiǎn)性的工作，提升人們在快節(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，其工作過程是利用剪切原理將食品原材料切斷或者切碎，通過物料和切刀之間產(chǎn)生的相對運(yùn)動(dòng)來完成。切菜機(jī)所加工的對象是蔬菜，加工之后的形狀和規(guī)格也不同于切割機(jī)械，是一類專用機(jī)械設(shè)備。
1.1 切菜機(jī)分類
目前市場上已有的切菜機(jī)實(shí)現(xiàn)蔬菜加工的原理主要是通過模擬人手工切菜，通過傳動(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)可以通過控制進(jìn)給速度和刀具往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率來滿足不同的切削要求。此類切菜機(jī)體積龐大、效率高、能耗大，主要用來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所使用。
依據(jù)功能主要分為兩類：單切型和多功能型切菜機(jī)。
單切型切菜機(jī)適用于片、段、絲、塊莖、葉菜類的蔬菜的切削，一般多用于食品加工廠，專機(jī)專用，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)可對不同類別的蔬菜圓進(jìn)行加工，豐富了產(chǎn)品的加工對象。此類切菜機(jī)多用于大型飯店等場所。多功能型切菜機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為兩類：
雙頭型切菜機(jī)：
一頭專切葉菜類，由傳送帶送菜，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的刀具進(jìn)行切削；另一頭專切土豆等根莖類、塊類蔬菜，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，通過更換刀盤，可以切出各種規(guī)格的片、絲、條。
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)通過調(diào)節(jié)刀具的切削速度及原料的傳送速度來控制。
1.2 切菜機(jī)的發(fā)展趨勢
通過對市場上的切菜機(jī)觀察了解，對其結(jié)構(gòu)和功能對比分析發(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)，同過對結(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)品的市場競爭力。
（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，人們對家庭生活的舒適度要求也在提高，對家用切菜機(jī)的需求一定會(huì)不斷增強(qiáng)，操作簡便、輕巧時(shí)尚、功能多樣的家用切菜機(jī)產(chǎn)品一定會(huì)受到市場的熱烈歡迎。
1.3 切菜機(jī)原始參數(shù)
本文提出的切菜機(jī)設(shè)計(jì)方案主要處理對象是生活中常見的根莖類、塊類蔬菜，主要的設(shè)計(jì)參數(shù)源自于對不同蔬菜的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。
表1-1中列出的是對土豆、山藥、胡蘿卜、白蘿卜及藕這五類蔬菜切削力的測定結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)選用的是家庭生活中較為常見的蔬菜種類，切削刀具選用普通家用水果刀，在最大直徑處豎直切削，并通過電子稱測定切削時(shí)的最大重量，然后通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到對不同蔬菜切削時(shí)的近似切削力。
表1-1蔬菜切削力測定
蔬菜種類
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
馬鈴薯
56
200
30.87
40.57
40.28
37.73
40.57
山藥
62
240
10.34
11.17
10.00
10.68
11.17
胡蘿卜
30
70
43.51
46.35
46.45
46.06
46.45
白蘿卜
78
320
23.33
20.8
16.27
16.46
23.33
藕
68
140
72.13
65.76
56.54
59.68
72.13
通過對表1-1的測量結(jié)果分析，選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量精度等因素，確定設(shè)計(jì)參數(shù)切削力為90N?？紤]到塊類蔬菜形狀差異較大，限定本設(shè)計(jì)可加工的最大直徑為80mm。依據(jù)烹飪對食材的不同尺寸要求，設(shè)定切削出的片厚度在3-10mm內(nèi)可調(diào)節(jié)，可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0.4h。本切菜機(jī)設(shè)計(jì)采用國家規(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)
2.1 方案設(shè)計(jì)
家用切菜機(jī)不同于現(xiàn)在市場上存在切菜機(jī)產(chǎn)品，其體積小、質(zhì)量輕、操作簡便，并且要融合時(shí)尚因素，便于清洗等，通過對現(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；通過更換不同型號(hào)的刀具來實(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，并且通過旋轉(zhuǎn)切削可以不用考慮根莖類、塊類蔬菜不規(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。
2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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，對兩種結(jié)構(gòu)布置方式分析如下:
(1) 水平布置：目前最常見的布置形式，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)相對集中，對支撐機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度要求較高。
通過兩種布置形式的對比分析，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設(shè)計(jì)家用切菜機(jī)。
2.3 原理圖
綜上以上原理分析結(jié)果，本切菜機(jī)的工作原理圖簡化為如圖2-1所示。
圖2-1切菜機(jī)原理圖
3 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 參數(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0.4h，電機(jī)的轉(zhuǎn)速：120r/min,采用立式布置形式，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：
其中：--切菜機(jī)切削時(shí)所需工作功率，W；
--電機(jī)主軸至切菜機(jī)切刀轉(zhuǎn)軸的總效率。
切菜機(jī)所需工作功率：
其中：F--切菜機(jī)的工作阻力，即最大切削力，N；
V--切菜機(jī)切刀的線速度，m/s；
n--切菜機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；
R—切菜機(jī)切削力作用半徑，mm；
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：
其中：為軸承額傳動(dòng)效率， 則
初步設(shè)計(jì)R=80mm,則可計(jì)算得：
主軸的輸入轉(zhuǎn)矩：
表3-1 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果
軸名
效率P（）
轉(zhuǎn)矩T（）
輸入
輸出
輸入
輸出
電機(jī)軸
115.35
113.04
9.18
9.02
結(jié)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/min，綜合考慮切菜機(jī)整體裝配要求，初步確定電機(jī)軸長L=250mm，伸出部分長度為180mm。通過對市場上電機(jī)的參數(shù)了解以及對網(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LRS-7512SHP-2080-160M，電機(jī)參數(shù)如表3-2電機(jī)主要參數(shù)表所示，其主要外形尺寸見圖3-1 LRS-7512SHP型電動(dòng)機(jī)主要外形及尺寸。
表3-2電機(jī)主要參數(shù)
型號(hào)
額定電壓
額定功率
負(fù)載參數(shù)
質(zhì)量Kg
轉(zhuǎn)速r/min
力矩N.m
LRS-7512SHP
220V
120W
120
25
0.5
圖3-1 LRS-7512SHP型電動(dòng)機(jī)主要外形及尺寸
3.2 刀軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核
3.2.1刀軸結(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3-2所示。
圖3-2軸的結(jié)構(gòu)尺寸圖
刀軸軸徑可按下式進(jìn)行確定：
式中：--軸傳遞的功率，kw；
--軸的轉(zhuǎn)速，r/min；
--材料系數(shù)；
根據(jù)GB9684-88《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SUS304，即1Cr19Ni9。查[1]表15-3取；
則軸直徑為：
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%）×7.84=9.016mm，將d取整為10mm.
3.2.2刀軸強(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（15-1）得 ：
式中： --扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
--軸所受的扭矩，；
--軸的抗扭截面系數(shù)，；
--許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
軸端危險(xiǎn)截面處軸的截面如圖3-3軸的危險(xiǎn)截面圖所示：
圖3-3 軸的危險(xiǎn)截面
查[1]表（15-4）抗彎、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：
由圖4-4可知d=10, b=7.1, t=1.5代入計(jì)算得：
則有：
由此可知此軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。
3.2.3刀軸剛度校核
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（15-15）得光軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計(jì)算公式為：
式中：--軸所受的扭矩，；
--軸的材料的剪切彈性模量，，對于鋼材，；
--軸截面的極慣性矩，，對于圓軸，；此處??；
則有：；
將帶入得：
故此軸滿足剛度要求。
3.3 切削部件設(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)件必須選擇無污染的防銹材料，還要注意將切削部件與電器元件隔離開來，降低原材料污染的可能性。
眾所周知，根莖類、塊類蔬菜不僅形狀不規(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GB9684-88《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（1Cr18Ni9Ti，0Cr19Ni9，1Cr18Ni9），確定切菜機(jī)刀片材料為0Cr19Ni9，即常說的SUS304鋼。
圖3-4 刀架
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，通過更換不同的刀片來實(shí)現(xiàn)切片切絲功能的轉(zhuǎn)換，同時(shí)，換刀過程必須簡單易操作，綜合考慮將刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖3-4所示結(jié)構(gòu)，設(shè)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，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增加或者減少墊片來調(diào)整刀片的切削厚度，從而實(shí)現(xiàn)了對切削厚度控制的功能。具體情況如圖3-5刀架結(jié)構(gòu)所示。
圖3-5 刀架結(jié)構(gòu)
4 基于Pro/e三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用
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CAD的二維設(shè)計(jì)層次轉(zhuǎn)向了三維實(shí)體設(shè)計(jì)，目前三維設(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，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)了同類零件的標(biāo)準(zhǔn)庫建立，極大的方便同類行業(yè)之間的技術(shù)交流。
本切菜機(jī)設(shè)計(jì)采用美國波士頓PTC公司研發(fā)的三維設(shè)計(jì)軟件Pro/e對產(chǎn)品全部零部件進(jìn)行了三維建模、虛擬裝配、機(jī)構(gòu)仿真、裝配動(dòng)畫、干涉檢查等工作，通過虛擬裝配模擬產(chǎn)品裝配過程，干涉檢查可以對虛擬裝配好的產(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)畫可以模擬真實(shí)的裝配效果，通過軟件的應(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。
4.1 虛擬裝配
4.2 爆炸視圖
4.3 干涉檢查
在經(jīng)過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程中相互之間沒有干涉，如果盲目制造實(shí)物，可能會(huì)因?yàn)橐恍┬〖?xì)節(jié)造成不必要的浪費(fèi)，為了避免這個(gè)問題，我們可以在Pro/e裝配環(huán)境下，對所組裝部件進(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”對話框中依次選擇“包括面組”、“包括小平面”、“精確”選項(xiàng)，即可對所完成的裝配組件進(jìn)行干涉檢查。采用此方法對所涉的切菜機(jī)進(jìn)行干涉檢查結(jié)果如下：
6 總結(jié)
（1）本次設(shè)計(jì)通過對現(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，同時(shí)填補(bǔ)了國內(nèi)家用切菜機(jī)的市場空白，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）通過對Pro/e三維設(shè)計(jì)軟件的使用，熟悉了通過三維設(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，并對本設(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)。
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