毕业设计（论文）-家用蔬菜粉碎器的虚拟设计及运动仿真.doc

诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 家用蔬菜粉碎器的虚拟设计及运动仿真 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 112012138 学生： 马前前 指导教师（含职称）： 张爱荣（讲师） 1课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解机械产品的设计方案比选，材料选择及受力分析计算，零件工作图及装配图等方面的设计规范、计算方法及设计思想等内容，提高学生的自主设计能力和对专业知识的运用。为学生在毕业后从事机械电子工程的工作打好基础。2主要任务1)设计一款家用蔬菜粉碎设备，要求便于拆装，清洗，使用方便，快捷。2) 绘制其装配图和主要零件图。3) 用三维软件进行三维模型。4)完成运动仿真5) 撰写毕业论文3主要参考资料1 杨可桢，程光蕴机械设计基础M北京：高等教育出版社，2013.062 闻邦椿.机械设计手册M北京：机械工业出版社，2010053 林江工程材料及机械制造基础M.北京：机械工业出版社，2013094进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅资料，制定设计方案3月3日3月23日2选择部件材料，进行受力分析计算3月24日4月13日3利用三维软件建立三维模型，完成运动仿真4月14日5月4日4绘制所属部件的零件图及装配图5月5日6月1日5撰写毕业论文6月2日6月5日审核人： 年 月 日家用蔬菜粉碎器的虚拟设计及运动仿真摘 要：本论文研究了市场现有的蔬菜粉碎机，分析其优缺点并设计了一款新型家用蔬菜粉碎器。该粉碎器是一种通过电机的高速旋转，带动刀片对白菜、胡萝卜、猪肉等食材进行搅拌并粉碎，实现自动化制取固体饮料、做馅等一种家用小型电器。本论文主要对粉碎系统结构进行了系统设计，并对各部件进行了结构分析及设计。在Pro/E环境下完成了产品总体结构的三维建模及虚拟装配，其次完成蔬菜粉碎器的运动仿真，实现刀片的旋转运动。该产品实现了电动控制，方便快捷，为小家电产品的生产提供了一定依据。关键词：家用蔬菜粉碎器，结构设计，Pro/E，三维建模，运动仿真Virtual Design and Motion Simulation of Household Vegetable ShredderAbstract：This paper studies the existing vegetable shredder, analyzing its advantages and disadvantages , and designs a new type of household vegetable shredder. The shredder device is a small household electrical appliances through the high-speed rotation of the motor to drive the blade of cabbage, carrots, pork and other food stirring and shreding, realizing automation for preparing solid drink,making the filling etc. In this paper, the structure of the shredding system is not only designed, but also the structural analysis and design of the components were carried out.In the Pro/E environment, the 3D model and virtual assembly of the overall structure of the product is finished.in the next place, the motion simulation of the vegetable is also finished, achieving the rotation movement of the blade. The product realizes the electric control, convenient and fast, and provides certain basis for the production of small household electrical appliances.Keywords: Household vegetable shredder,Structure design,Pro/E,3D model, Motion simulation目 录1 前言11.1 课题背景11.2 国内外研究进展11.3 论文的主要结构内容22 粉碎原理与方案设计42.1 从力学的角度分析蔬菜的有效粉碎方式42.2 蔬菜有效的粉碎方式的分析62.3 建立粉碎器对蔬菜循环粉碎的模型82.4 系统方案设计122.5 本章小结123 蔬菜粉碎器的结构设计143.1 总体结构设计143.2 粉碎的系统设计153.2.1 刀片的结构设计153.2.2 扰流筋的设计173.2.4 电机的选择183.3 零部件材料选用及表面处理203.4 吸盘的选择213.5 本章小结214 蔬菜粉碎器的三维实体造型及运动仿真224.1 零件三维建模234.2 蔬菜粉碎器虚拟装配274.3 完成蔬菜粉碎器的运动仿真284.4 本章小结325 结 论 33参考文献34致 谢35II太原工业学院毕业设计1 前言1.1 课题背景随着社会的进步与发展,人们对自身的生活质量有了较高的要求。从21世纪开始，便捷与健康渐渐成为现代生活的潮流趋向，家用电器与人们的生活密切相关。因而家用电器是否具备便捷性与健康性，将直接影响到人们的生活。与此同时，小家电市场发展迅猛，方便快捷的家用蔬菜粉碎器就是其中一员。家用蔬菜粉碎器，一种将食品原材料进行预处理的一种食品机械设备，其工作过程是利用剪切原理将食品原材料切断或者切碎，通过物料和切刀之间产生的相对运动来完成1。蔬菜粉碎器所加工的对象是蔬菜，加工之后的形状和规格也不同于切割机械，是一类专用机械设备。从最一开始的几分钟制作蔬菜颗粒手摇式蔬菜粉碎器，到现在几十秒就可以达到粉碎效果的电动蔬菜粉碎器，它在技术上有很大的改进。1.2 国内外研究进展随着蔬菜消耗量的增加,家庭蔬菜粉碎近些年来有了很快的发展。此外,科学技术不断进步,也为粉碎机械的改进提供了不少方便之处，金属材料的进步为高强度耐磨刀片的出现提供了可能性。国外技术比较成熟,制造业发达国家家庭已普遍有蔬菜粉碎器，其中日本下村手摇式蔬菜粉碎器粉碎蔬菜较为均匀，相比较动手剁蔬菜而言，快捷方便，省时省力，同时，粉碎容量也在逐渐扩大，以适应家庭大型活动粉碎蔬菜的需要。电动蔬菜粉碎器也逐渐兴起，粉碎蔬菜效率会更高。国内蔬菜粉碎器起步较晚，对于中国传统食物饺子，包子而言，“做馅”促进了蔬菜粉碎器的发展。目前市场上已有的蔬菜粉碎器实现蔬菜加工的原理主要是通过模拟人手工切菜，通过传动带将蔬菜匀速向固定方向进给，刀具在竖直方向作往复运动，从而实现蔬菜的切削目的，这种蔬菜粉碎器可以通过控制进给速度和刀具往复运动的频率来满足不同的切削要求。此类蔬菜粉碎器体积庞大、效率高、能耗大，主要用来满足大型食品加工厂或者大型的食堂等蔬菜需求量大的场所使用。依据功能主要分为两类：单切型和多功能型蔬菜粉碎器。单切型蔬菜粉碎器适用于片、段、丝、块茎、叶菜类的蔬菜的切削，一般多用于食品加工厂，专机专用，例如土豆切丝机等，可以提高产品的生产效率。典型结构为箱式。多功能型蔬菜粉碎器在单切型的基础上，将片、丝等切削功能融于一身，同时可对不同类别的蔬菜进行加工，丰富了产品的加工对象。此类蔬菜粉碎器多用于大型饭店等场所。多功能型蔬菜粉碎器按结构可分为两类：双头型蔬菜粉碎器：一头专切叶菜类，由传送带送菜，往复运动的刀具进行切削；另一头专切土豆等根茎类、块类蔬菜，原料从倾斜的料筒送入，由旋转刀具进行切削，可同时工作，通过更换刀盘，可以切出各种规格的片、丝、条。组合式蔬菜粉碎器：水平传送带传送原料，由在传送带上间隔分布的成一定角度的多个刀具进行切削，根据需要原料在传送带上经一次或多次切削后成形，成品的形状参数通过调节刀具的切削速度及原料的传送速度来控制。通过对市场上的蔬菜粉碎器观察了解，对其结构和功能对比分析发现，蔬菜粉碎器的发展主要倾向于以下这两个特点： （1）功能集成化 在保证基本功能的同时，同过对结构修改和优化，将不同产品的功能融于一身，实现一机多用，提升产品的使用价值，降低产品的成本。类似于豆浆机和榨汁机的融合，既减轻了消费者的成本，又提升了产品的市场竞争力。 （2）规格两极化 蔬菜粉碎器是一种蔬菜加工机械，其适用范围因地点而异。大规模的食品加工厂和酒店，需要高效率、全自动化的蔬菜粉碎器设备，同时对其加工效果的要求也会不断提高。但是随着生活水平的提高，人们对家庭生活的舒适度要求也在提高，对家用蔬菜粉碎器的需求一定会不断增强，操作简便、轻巧时尚、功能多样的家用蔬菜粉碎器产品一定会受到市场的热烈欢迎。1.3论文的主要结构内容本论文的主要结构内容如下面的流程图所示：分析蔬菜粉碎方式系统总体方案设计蔬菜粉碎器结构设计实体三维建模模型运动仿真图1.1 论文结构框架图2 粉碎原理与方案设计2.1 从力学的角度分析蔬菜的有效粉碎方式本节将从蔬菜颗粒运动与变形的角度分析其有效的粉碎方式2-4。将切成条状的或块状的蔬菜放入蔬菜粉碎器的容器中，可以看成由很多质点组成，现建立如图2.1所示的几何模型。图中坐标轴为L、Z、T的坐标系为绝对坐标系，我们知道，蔬菜中有很多纤维，在该模型中假设L为蔬菜颗粒纤维长度方向，坐标轴为u、v、w的坐标系为原点建立在颗粒D点的相对坐标系。图2.1 蔬菜颗粒模型蔬菜在流场中有三种运动方式：（1）平行移动：蔬菜颗粒在不同时间在绝对坐标系中处于不同位置；（2）转动：在相对坐标系中，蔬菜颗粒像刚体一样绕D点做旋转运动；（3）变形：变形又分为角变形和线变形。其中角变形是指比如过D点有三个正交面，每个正交面的两正交线之间角度发生变化，从而引起蔬菜颗粒的形状变化。线变形是指过D点的三条正交线的伸长或者缩短，从而引起蔬菜颗粒体积的变化。根据工程力学5的知识可知，在绝对参考系中，A点的速度可以表达为：式中为蔬菜颗粒绕D点旋转角速度在绝对坐标系L、Z、T坐标轴上的分量。假如不考虑蔬菜颗粒的变形，即把其当成刚体看的话则A点的速度可以表达为：该公式反映的是蔬菜颗粒在流场中的宏观运动。正是通过该运动蔬菜颗粒才可能形成很好的循环，从而与刀片不断接触。假如不考虑蔬菜颗粒的宏观运动，只考虑其变形则A点的速度可以表达为：该运动反映的是蔬菜在蔬菜粉碎器中被粉碎变形的情况式中反映的蔬菜颗粒在D点三条正交线方向上的变形速率，当蔬菜被挤压时的值会比较大; 反映的是通过某点三个正交面上的角变形速率，当蔬菜受到剪切或者研磨作用时的值会比较大。蔬菜颗粒被粉碎一般是综合作用所引起的。所以可以用下面矩阵来反映蔬菜颗粒在刀片作用下的变形张量当蔬菜颗粒主要由变形导致粉碎的时候可以称其为L型损伤，当蔬菜颗粒主要由 变形导致粉碎的时候可以称其为ZT型损伤, 以此类推蔬菜颗粒一共有L、Z、T、ZT、TL、LZ六种类型的损伤。接下来将从损伤类型的角度分析蔬菜有效的粉碎方式。2.2 蔬菜有效的粉碎方式的分析根据之前对蔬菜结构的研究发现蔬菜中含有很多纤维物质，而纤维比较有效的破裂方式有如图2.2所示的两种6-7：图2.2 蔬菜粉碎方式第一种是粉碎器刀片将蔬菜从其纤维长度方向上直接剪切，当蔬菜颗粒比较大时，通过这种方式对蔬菜的粉碎作用很显著，所以在粉碎器开始工作时，刀片对蔬菜的粉碎效率很高。对于蔬菜颗粒模型，在刀片剪切作用下引起其ZT平面的角变形，另外颗粒之间的相互碰撞及蔬菜发热膨胀引起的L方向的线变形都会使得蔬菜颗粒沿纤维长度方向断裂。所以第一种破裂方式通过 TZ、 L型损伤实现，按照第一种方式粉碎时蔬菜颗粒的变形张量可以用下面矩阵表示：第二种是蔬菜纤维层与层之间的分离断裂，这也是一种有效的断裂方式。刀片对蔬菜的剪切研磨作用，物料相互之间的碰撞，及受热膨胀都可以让蔬菜按这种方式破坏。对于蔬菜颗粒模型 LZ、 TL平面的角变形； Z、 T方向的线变形会使得蔬菜纤维层与层之间破坏。所以第二种方式通过 LZ、TL、Z、T型损伤来使得蔬菜粉碎，按照第二种方式粉碎时蔬菜颗粒的变形张量可以用下面矩阵表示：综上所述在粉碎器中，蔬菜颗粒通过线变形和角变形的共同作用可以按两种方式进行有效得粉碎。对于市面上的蔬菜粉碎器，其粉碎装置为弯形的刀片，其刀刃对蔬菜有剪切作用。刚开始蔬菜比较大时刀片按第一种方式对蔬菜进行高效率的剪切粉碎，当蔬菜颗粒比较小时主要按第二种方式对蔬菜进行有效的研磨粉碎另外有的粉碎装置通过挤压或者撞击的方式来使得物料粉碎。这种粉碎方式对于物料颗粒引起的主要是 L、Z、T长度方向线变形，其损伤类型为 L、Z、T。蔬菜颗粒的变形张量可以用下面矩阵表示：与之前的变形张量对比，其仅有线变形。由于对于软类蔬菜韧性和弹性都很好，所以通过挤压或者撞击来使得蔬菜粉碎这种方式效果不好。2.3 建立粉碎器对蔬菜循环粉碎的模型粉碎器在粉碎蔬菜的过程中，由于蔬菜受到粉碎的情况有区别，就会出现蔬菜的粒度大小会有差别。这里把蔬菜的粒度分为n个级别8-9，把没有经过粉碎的大小达到平均值的蔬菜的粒度级别定为1。粒度级别为n的蔬菜的粒度大小是最小的，是一个比较理想化的粒度极小的状态。现在定义如下的一个阶梯矩阵B：其中的参数 代表的含义是粒度级别为的蔬菜经过蔬菜粉碎器粉碎装置一次粉碎后成为粒度级别为i蔬菜的质量百分比，很明显在这里。比如，矩阵B第一列的系数代表的含义分别是粒度级别为1的蔬菜经过蔬菜粉碎器刀片一次粉碎后成为粒度级别为蔬菜的质量百分比。同样的道理，矩阵B的第 列的参数 代表的含义是粒度级别为 的蔬菜经过蔬菜粉碎器刀片一次粉碎后成为粒度级别为蔬菜的质量百分比。很明显在这里。综上所述矩阵B可以表示蔬菜在一次循环中被蔬菜粉碎器刀片粉碎后的碎裂函数。下面给出两个矩阵：p 代表的含义是蔬菜粉碎器中蔬菜在进入下一次循环前粒度级别为的蔬菜的质量1、2、3n分别为;代表的含义是蔬菜经过循环粉碎后粒度级别为1、2、3n的蔬菜的质量分别为。根据以上分析蔬菜在一次循环前后的状态变化可以用以下矩阵式表达：根据质量守衡定律粉碎前后蔬菜质量总和变 ： 。上面三个矩阵 p、B、f之间的关系可表达为由于通过实验的方式可以得到、两个矩阵，从而可以通过上面公式计算得到矩阵B。矩阵B的意义是从中可以看出经过一次循环粉碎后蔬菜的粒度从一个级别粉碎到另外一个级别的规律。所以通过研究矩阵B可以从理论上了解不同的蔬菜粉碎器对蔬菜的粉碎情况。在蔬菜粉碎器中蔬菜主要被旋转的刀片所粉碎，也就是说蔬菜在一次循环中要与刀片接触才能被刀片粉碎变成粒度更小的蔬菜。而不同粒度级别的蔬菜在一次循环中能不能被蔬菜粉碎器刀片粉碎具有随机性。很显然当蔬菜颗粒比较大时，其经过刀片旋转产生的覆盖区域时被粉碎的几率大，当蔬菜颗粒很小时可能在一次循环中碰不到刀片，也就不能被刀片所粉碎。所以不同粒度级别的蔬菜在一次循环中被粉碎的几率是不一样的。所以这里提出一个对角矩阵S：Si的含义是粒度级别为i的蔬菜在一次循环中与刀片进行接触粉碎的质量比重，所以粒度级别为i的蔬菜在一次循环中被粉碎的质量为。下面建立一个的矩阵式：在家用蔬菜粉碎器粉碎系统中S 与蔬菜粉碎器的循环效果有关系，好的循环效果指蔬菜粉碎器中有明确的排料及吸料区，从而保证物料在每次循环中能经过刀片，另外S 与蔬菜粉碎器电机转速也有很大关系。由于某些原因没有被粉碎的蔬菜的总质量可以通过来表述。这里的I 是单位矩阵，其表达式如下：所以蔬菜在一次循环后不同粒度级别的蔬菜质量可用表示。通过前面的分析知道蔬菜被粉碎的时候具有一定的随机性，蔬菜经过一次粉碎，并不能全部变成粒度极小的状态。所以蔬菜在蔬菜粉碎器中要形成一个不断往复的循环，才能被很好得粉碎。矩阵B主要与蔬菜粉碎器结构和蔬菜的性质有关，在同一款蔬菜粉碎器中可以认为其是定矩阵。所以蔬菜在蔬菜粉碎器中经过n次循环后，不同粒度级别蔬菜的质量分布可用矩阵式表示。从该式中可以看到随着循环次数的增加小颗粒蔬菜占的比重会越来越大，在形成很好循环的基础上，经过足够多次数的循环粉碎后蔬菜理论上可以达到粒度极小的状态。2.4 系统方案设计家用蔬菜粉碎器不同于现在市场上存在蔬菜粉碎器产品，其体积小、质量轻、操作简便，并且要融合时尚因素，便于清洗等，通过对现有蔬菜粉碎器的设计方案的分析，提出了本设计的设计方案：将蔬菜直接放入粉碎室内，刀具在水平面作高速旋转，即可实现蔬菜加工功能；通过更换不同型号的刀具来实现切片切丝功能。所设计出蔬菜粉碎器减少了传送带结构，使产品整体空间缩小，并且通过旋转切削可以不用考虑根茎类、块类蔬菜不规则的外观，就可以获得很好的切削效果，而且动力采用人力或者电动机均可（本论文采用电动机）产品粉碎系统采用电机带动粉碎刀片在蔬菜中高速旋转使蔬菜按照上述规律多次经过刀片的原理，使蔬菜与旋转的刀片多次碰撞后，最终被粉碎。根据以上原理针对蔬菜粉碎器的粉碎系统设计简图如图2.3所示。这种结构使加工物料形成有规律的旋转涡流转动反弹切割循环的力学和流场效应的进行。图2.3 家用蔬菜粉碎器设计简图2.5 本章小结(1) 通过对蔬菜的结构的研究发现蔬菜纤维可以按照两种有效的方式断裂：1.沿蔬菜纤维长度方向断裂2.纤维层与层之间分离；(2) 通过从流体力学的角度分析发现两种断裂方式可以有效得粉碎蔬菜：1. TZ、L型断裂方式；2. LZ 、 TL、Z、T型断裂方式。而这两种方式蔬菜粉碎器刀片都可以提供。对于家用蔬菜粉碎器，刚开始时蔬菜比较大，刀片按第一种方式对蔬菜进行高效率的剪切粉碎，当蔬菜颗粒比较小时主要按第二种方式对蔬菜进行有效的研磨粉碎。另外蔬菜颗粒得在角变形和线变形的共同作用下才能有效的粉碎，由于软类蔬菜纤维韧性和弹性比较大纯粹的线变形引起的粉碎效果并不好；(3) 通过蔬菜粉碎器对蔬菜循环粉碎的数学模型发现一个好的循环对于蔬菜粉碎器的重要性在形成好的循环的基础上当循环次数足够多的时候，打出来的蔬菜粒度理论上可以达到粒度极小的状态。所以有没有形成好的循环是评价家用蔬菜粉碎器好坏的一个重要指标；(4)确定了蔬菜粉碎器的简图与设计方案。3 蔬菜粉碎器的结构设计3.1 总体结构设计蔬菜粉碎器壳体用来直接放需要粉碎的蔬菜，所以它的壳体就等于粉碎室。根据壳体容积设计满足公式: , (3-1)式中为容积比,为壳体的总容积,为标称容积。对于蔬菜粉碎器=1，根据家庭所用的蔬菜粉碎器粉碎一次就能达到一般四个人所食用的原则,又根据产品规格，选取=2.0L，所以得到壳体总容积为2.0L。将粉碎器壳体近似看成一个圆柱体，由： （3-2）取壳体内径A=170mm，代入上式得：=mm=88.16mm （3-3）圆整后取=88mmPP壳体规格如表3.1所示:表3.1 PP壳体规格壳体规格材料容积高度h壳体底径A1壳体上径A2斜度PP2.0L88mm140mm180mm10根据壳体的所确定的规格尺寸，选择机头的配合直径为175mm，底盘配合直径为115mm。10-11根据工业设计要求，对产品进行整体布局，本设计采用机头和壳体组合的立式结构，将电机、控制开关放于机头组件正提布局如图3.1所示：图3.1 整体布局3.2 粉碎的系统设计根据设计方案,产品的粉碎系统是刀片在电机的带动下高速旋转,由于刀片自身的结构使得粉碎室里的蔬菜形成涡流,在涡流的作用下蔬菜与刀片充分接触,在经过不断的接触、撞击剪切的作用下，蔬菜被粉碎至所需要求。同时，由于离心力的作用，蔬菜在做水平转动时与壳体壁上的扰流筋碰撞后沿筋的切线方向向中间汇聚，从而达到充分剪切的作用。3.2.1 刀片的结构设计(1)刀具类型的选择：由于切割的物料多为蔬果，肉类等块状物料。加工对象的力学性质不同，适宜的刀片形状也各种各样。常用的刀片根据刀片形状及刃口形状不同主要分为12类：1）锯行刃口圆盘刀；2）光滑刃口圆盘刀；3）圆锥形刀片；4）圆弧形凸刃口刀；5）光滑刃口平安刀；6）梳行刃口刀片；7）鱼鳞行刃口刀；8）锯行刃口平板刀；9）三角刃口刀片；10）螺线形凹刃口刀片；11）螺线形凸刃口刀片12）双面磨刃刀片；其中平板刀应用最广泛，本设计中采用的光滑刃口平板刀作为切片刀。（2）刀片结构参数设计：刀片总体长度应小于粉碎室的半径，所以刀片总长定位85mm，这样能够粉碎蔬菜；刀片厚度对于粉碎蔬菜没有相关性，定位1mm；刀片倾角为5；片数定位4片，四刀驱动，充分粉碎壳体内蔬菜。刀片上下间距为10mm。占据刀轴一般长度。图3.2 刀片(3)刀片的材料的选取蔬菜粉碎器刀片是与是与食物直接接触部件，其材料选择应符合GB9684-88不锈钢食具容器卫生标准，外观平整光滑，材料选用奥氏体不锈钢。选择刀片材料为0Cr19Ni9，即常所说的SUS304钢。其材料成分为表3.2所示:表3.2 刀片材料成分规格材料成 成分材料CSiMnPSNiCrSUS3040.151.002.000.050.036.0-8.016.0-18.0表3.3 SUS304材料性能材料牌号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率%断面伸缩率%SUS3042055024060刀片表面硬度及热处理要求：刀具的刃口需钝化及表面抛光，刀具的硬度应满足HRC3844，在正常工作状态下，连续完成800次蔬菜粉碎循环，试验完成后，刀片不能有卷刃，裂纹，断裂，缺口等缺陷。 10-113.2.2 扰流筋的设计为配合搅打涡流，在上表面与旋转力相互作用使蔬菜随流体形成向中心汇聚的作用，在粉碎室内壁上设置扰流筋。传统扰流挡板采用单筋结构，为加强扰流效果，通常筋的尺寸比较大，使得加工不易且外形不美观。同时，由于是单个筋体，扰流系统受力不均匀，易产生振动，机体平衡性较差。本蔬菜粉碎器对传统单筋结构进行改进设计，采用四筋结构方案，四个筋体沿壶身90度对称分布，结构对称，受力均匀，整机提高稳定性。同时由于四筋的效率相当于单筋的四倍，因此在保证扰流效率的前提下，四筋单个筋体的尺寸形状都可以减小。参照市面上蔬菜粉碎器其位置及设计要求为：筋的长度在50mm70mm，筋的高度不低于5mm 12图3.3 扰流筋3.2.4 电机的选择(1)原始数据：表3.4中列出的是对土豆、山药、胡萝卜、白萝卜及藕这五类蔬菜切削力的测定结果，本实验选用的是家庭生活中较为常见的蔬菜种类，切削刀具选用普通家用水果刀，在最大直径处竖直切削，并通过电子称测定切削时的最大重量，然后通过数据转换得到对不同蔬菜切削时的近似切削力。选定藕的最大切削力作为本设计的参照，在综合考虑原料形状及测量精度等因素，确定设计参数切削力为90N。表3.4 蔬菜切削力测定（2）参数计算：由原始参数得知完成切削时的最大切削力：F=90N；工作时间:使用年限10年，360天/年，2次/天，每次工作0.4h；电机的转速：7000r/min；采用立式布置形式，将电机轴与刀具直接连接。由以上数据可计算蔬菜粉碎器工作时需要的总功率： （3-4） 其中：蔬菜粉碎器切削时所需工作功率，单位W；电机主轴至粉碎器刀具转轴的总效率。蔬菜粉碎器所需工作功率： （3-5） 其中：T蔬菜粉碎器的工作扭矩，即最大切削力时的电动机转矩，单位n蔬菜粉碎器的转速，r/min；传动装置总效率为组成传动装置的各部分运动效率之乘积，在本设计中即为电机轴承的传递效率：其中：为轴承额传动效率，=0.98，=0.98；R应为刀片长度85mm，由于刀片长度整体受力，平均取一半,刀片而且为四片得： （3-6） （3-7）表3.5 运动和动力参数计算结果轴名功率p（W）转矩T（）输入输出输入输出电机轴116.3114.439.038.3结合以上计算结果，跟据蔬菜粉碎器的工作环境和家庭的电源条件，选择立式封闭型直流电动机，额定电压220V，额定功率120W，转速3200r/min，综合考虑蔬菜粉碎器整体装配要求，初步确定电机轴长L=105mm，伸出部分长度为30mm，头部增加六角结构制造，以便配合刀轴。通过对市场上电机的参数了解以及对网络资源的利用，电机参数如表3.6电机主要参数表所示，其主要外形尺寸见图3.4 LRS-7512SHP型电动机主要外形及尺寸10-11：表3.6 电动机主要参数型号额定电压额定功率负载参数质量Kg转速r/min力矩LRS-7512SHP220V120W7000400.5图3.4 电动机主要外形及尺寸3.3 零部件材料选用及表面处理为减轻产品重量,满足产品复杂结构外形的生产，节约材料成本,蔬菜粉碎器壳体零部件选用塑料材料，分析常用工程塑料性能与价格，结合蔬菜粉碎器对塑料材料的要求及食品塑料制品及原材料卫生管理办法，确定壳体零部件材料为PP材料及表面处理如下：表3.7 零部件材料选用及表面处理材料零件表面处理比重g/cm表面硬度抗张强度kg/cm弯曲屈服强度kg/cm压缩强度kg/cm熔点分解温度注塑温度采购价格元/吨PP机头上盖机头下盖底座、刀轴壳体否0.9D50-96310550-700260-560170300180-26010400PP材料有如下优势：1、硬度高，熔点高2、较低的热扭曲温度（100）、低透明度、低光泽度、低刚性3、抗冲击强度高，PP的强度随着乙烯含量的增加而增大4、表面刚度和抗划痕特性好，PP板采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性，流动率MFR范围在140，低MFR的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。因此，通常PP板不存在环境应力开裂问题。 5、PP板的收缩率相当高。PP板由于是半结晶性材料，收缩率一般为1.82.5%。并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。 6、具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。133.4 吸盘的选择在蔬菜粉器的底盘安装四个真空吸盘，用以固定由于蔬菜粉碎器自身振动的位置。选择市面上使用最广的塑料真空吸盘,不仅价格便宜,而且满足吸力要求。133.5 本章小结1.本章主要对蔬菜粉碎器进行了总体设计，并确定了壳体，刀具，电动机进行了设计计算。2.对整体装配关系制作出了要求3.对零部件材料选取及吸盘做出了选择。4 蔬菜粉碎器的三维实体造型及运动仿真Pro/Engineer 是美国PTC公司的产品，于1988年问世。10多年来，经历20余次的改版，已成为全世界及中国地区最普及的3D CAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行业。 Pro/E是全方位的3D产品开发软件包，和相关软件Pro/DESINGER（造型设计）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能，从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程；国际上有27000多企业采用了PRO/ENGINEER软件系统，作为企业的标准软件进行产品设计。Pro/E独树一帜的软件功能直接影响了我们工作中的设计、制造方法。与其他同类三维软件（MDT、UG、CATIA等）相比，Pro/ENGINEER的不同之处在于以下几点：（1）基于特征的（Feature-Based）Pro/ENGINEER是一个基于特征的（Feature-Based）实体模型建模工具，利用每次个别建构区块的方式构建模型。设计者根据每个加工过程，在模型上构建一个单独特征。特征是最小的建构区块，若以简单的特征建构模型，在修改模型时，更有弹性。（2）关联的（Associative）通过创建零件、装配、绘图等方式，可利用Pro/ENGINEER验证模型。由于各功能模块之间是相互关联的，如果改变装配中的某一零件，系统将会自动地在该装配中的其他零件与绘图上反映该变化。（3）构造曲面（surface）复杂曲面的生成主要有三种方法：1）由外部的点集，生成三维曲线，再利用Pro/E下surface的功能生成曲面。2）直接输入由Pro/desinger（造型设计）产生的曲面。3）利用import（输入）功能，以IGES、 SET、VDA、Neutral等格式，输入由其他软件或三维测量仪产生的曲面。（4）在装配图中构建实体根据已建好的实体模型，在装配（component）中，利用其特征（平面，曲面轴线）为基准，直接构建（Create）新的实体模型。这样建立的模型便于装配，在系统默认（default）状态下，完成装配。在软件开发过程中的应用本论文还主要用到了动态仿真。该功能是由软件自带的机构模块实现的。机构模块（Mechanisms）主要有两大功能：定义机构和机构仿真运动。由此可见，该模块主要应用于产品结构检测及仿真设计。 产品各零件之间的装配关系，可使用仿真模块模拟实际操作。它可快速、准确地检测零部件的干涉、物理特征，模拟使用产品的操作过程，直观显示存在问题的区域及相关的零部件，指导设计者直接、快速地修改模型，从而缩短修改时间，提高设计效率。14-154.1 零件三维建模（1）蔬菜粉碎器的主要组成零件：底座，壳体，刀具与刀轴，电机，上盖。（2）零部件三维建模1.底座绘制主要特征是包括“拉伸”，“旋转”，“倒圆角”“阵列”等。整体效果图如下：图4.1 底座2.壳体的绘制图4.2 壳体3.刀具与刀轴图4.3 刀具图4.4 刀轴4.电机图4.5 电机5.主机上盖与下盖图4.6 机头上盖图4.7 主机下盖4.2 蔬菜粉碎器虚拟装配虚拟装配是(Virtual Assembly)是在计算机上完成产品零部件实体造型,并进行计算机装配。虚拟装配一般过程：建立各部件的实体模型；从共享数据库中提取相应的结构模型；建立模型间的具体装配约束关系；计算机装配（简称CMU）14-15装配图如下：图4.8 蔬菜粉碎器装配图4.3 完成蔬菜粉碎器的运动仿真1. 仿真运动的参数设置蔬菜粉碎器的仿真运动参数设置比较单一，只要将电机的连接轴设置在“圆柱”的连接方向轴上就能使机构运动起来，具体操作流程如下：（1）打开上一节装配好的蔬菜粉碎器结构文件图；单机菜单命令“应用程序”“机构”，系统会自动切换到机构设计操作界面；（2）单击菜单命令“插入”伺服电动机，系统会自动弹出“伺服电动机定义”对话框；图4.1 伺服电动机对话框（3）保持对话框里的名称设置不变，在绘图区单击刀轴上的矩形符号，将其作为连接轴；（4）选取连接轴后，绘图区会自动更新，同时对话框会添加参数设置；图4.2 参数设置（5）如果选择旋转轴相反的方向，单击“伺服电动机定义”对话框里的“反向”按钮，即可更改方向；（6）切换到“轮廓”选项卡，设置参数，然后单击底部的确定按钮，关闭“伺服电动机定义”对话框，确定伺服电机的设置。2. 模拟仿真的运动效果伺服电机设置好后就可以模拟仿真运动效果了，这里还需要对个别参数设置，具体操作步骤如下：（1）单击菜单命令“分析”“机构分析”，系统会弹出分析对话框图4.4 “分析定义”对话框（2）设置“分析定义”对话框里的参数；（3）切换到电动机选项卡，确认电动机已添加，然后单击底部“运行”按钮，检测运行状况，无误后关闭“分析定义”对话框；图4.5 分析定义对话框（4）单击菜单命令“分析”，“回放”，系统会自动弹出如图所示“回放”对话框；图4.6 “回放对话框”（5）单击对话框中的“播放当前结果集” 按钮，系统会自动弹出如图所示“动画”对话框图4.7 动画对话框6）单击对话框中“播放”，按钮，即可连续观测运动效果；4.4 本章小结本章节主要对蔬菜粉碎器的主要零件进行建模，进行虚拟装配并实行运动仿真。5 结 论结论本文通过对目前市场上已有的蔬菜粉碎器进行原理分析，完成了蔬菜粉碎器的结构设计工作。主要是粉碎室，底座，刀片，扰流筋的设计及其电机的选择。通过Pro/E对所设计的产品进行了三维实体造型，在Pro/E下进行虚拟装配，完善了产品结构设计中传统设计中传统设计无法关注的细节