小型多功能家用切菜机的设计【含CAD图纸13张及SW-3D建模】
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多功能切菜机设计摘要：通过对切菜机的工作原理、分类等学习，结合当下主流的三维设计软件Pro/E对所设计的切菜机产品的零部件进行建模，通过软件提供的虚拟装配和机构运动仿真环境，在不需要投入资金制造实物的情况下，对所设计的产品进行整体结构分析、外观设计、结构优化设计等传统设计方法无法实现的操作，并且利用图纸转换功能将所设计的零部件生成二维工程图图纸。关键字：切菜机；虚拟装配；运动仿真；Pro/E；任何时期，新产品设计开发都离不开市场的需求。伴随着生活节奏的不断加快，人们的生活压力也在逐步增大，如何帮助人们更好的适应现在的快节奏的生活，是每一个产品设计人员的责任和义务。本设计贴近生活，着眼于切菜这一危险性的家务劳动，提出了家用切菜机的设计方案，主要帮助人们解决生活中常见的根茎类、块类蔬菜的切削工作，帮助人们摆脱切菜这个危险性的工作，提升人们在快节奏环境中的生活质量。1 切菜机发展情况概述 切菜机，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。切菜机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。1.1 切菜机分类目前市场上已有的切菜机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，这种切菜机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。此类切菜机体积庞大、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：单切型和多功能型切菜机。单切型切菜机适用于片、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。 多功能型切菜机在单切型的基础上，将片、丝等切削功能融于一身，同时可对不同类别的蔬菜圆进行加工，丰富了产品的加工对象。此类切菜机多用于大型饭店等场所。多功能型切菜机按结构可分为两类：双头型切菜机：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。组合式切菜机： 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。1.2 切菜机的发展趋势通过对市场上的切菜机观察了解，对其结构和功能对比分析发现，切菜机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）规格两极化切菜机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、全自动化的切菜机设备，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，对家用切菜机的需求一定会不断增强，操作简便、轻巧时尚、功能多样的家用切菜机产品一定会受到市场的热烈欢迎。1.3 切菜机原始参数本文提出的切菜机设计方案主要处理对象是生活中常见的根茎类、块类蔬菜，主要的设计参数源自于对不同蔬菜的实验测量结果。表1-1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。表1-1蔬菜切削力测定蔬菜种类蔬菜特征切削力（N）切削力最大值（N）最大直径自重g1234马铃薯5620030.8740.5740.2837.7340.57山药6224010.3411.1710.0010.6811.17胡萝卜307043.5146.3546.4546.0646.45白萝卜7832023.3320.816.2716.4623.33藕6814072.1365.7656.5459.6872.13通过对表1-1的测量结果分析，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。考虑到块类蔬菜形状差异较大，限定本设计可加工的最大直径为80mm。依据烹饪对食材的不同尺寸要求，设定切削出的片厚度在3-10mm内可调节，可加工的丝状蔬菜分粗细两种。依据大多数家庭的生活习惯，确定该切菜机的工作时间为：使用年限10年，360天/年，2次/天，每次工作0.4h。本切菜机设计采用国家规范的产品设计要求标准，设计节能环保，安全使用，维修方便。2 原理方案设计2.1 方案设计家用切菜机不同于现在市场上存在切菜机产品，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，通过对现有切菜机的设计方案的分析，提出了本设计的设计方案：将蔬菜置于竖直或者向上倾斜的料筒内，依靠蔬菜自身重力或者给蔬菜施加外力，使它向下运动，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；刀具下方设计容器，利用重心或者离心力收集加工好的蔬菜。所设计出切菜机减少了传送带结构，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，只需要设计合理的供压机构就可以满足设计要求。2.2 结构设计产品的整体结构布置形式可以分为水平和立式两种布置方式，对两种结构布置方式分析如下:(1) 水平布置：目前最常见的布置形式，在水平方向，依次布置动力机构、传动机构、切削机构，最后是料筒。刀具在竖直平面内旋转，蔬菜被放入料筒后，因自重沿筒壁向下运动实现进给。加工好的蔬菜在自重及离心力作用下落入位于刀具下方的收集容器内。主要优点是水平布置分散受力，结构稳定，各个机构独立性较好。缺点是料筒位置固定，不易做到蔬菜的分类收集，相比立式布置占用空间较大。(2) 立式布置：在竖直方向依次布置供压机构、料筒、切削机构、传动机构、动力机构，其中传动机构和动力机构可平行布置。立式布置的优点是：料筒竖直布置，占用空间小，可在刀具旋转路径上布置多个进料口，并且蔬菜的运动总是竖直向下，各个料筒的工作不会互相干涉。缺点比较明显，立式布置结构相对集中，对支撑机构的强度要求较高。通过两种布置形式的对比分析，结合家用切菜机的设计要求，综合考虑，决定选择立式布置形式来设计家用切菜机。2.3 原理图综上以上原理分析结果，本切菜机的工作原理图简化为如图2-1所示。图2-1切菜机原理图3 主要部件结构设计3.1 参数计算有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：120r/min,采用立式布置形式，将电机轴与刀具直接连接。由以上数据可计算切菜机工作时需要的总功率： 其中：-切菜机切削时所需工作功率，W； -电机主轴至切菜机切刀转轴的总效率。切菜机所需工作功率： 其中：F-切菜机的工作阻力，即最大切削力，N； V-切菜机切刀的线速度，m/s； n-切菜机的转速，r/min； R切菜机切削力作用半径，mm；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， 则初步设计R=80mm,则可计算得：主轴的输入转矩：表3-1 运动和动力参数计算结果轴名效率P（）转矩T（）输入输出输入输出电机轴115.35113.049.189.02结合以上计算结果，跟据切菜机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120r/min，综合考虑切菜机整体装配要求，初步确定电机轴长L=250mm，伸出部分长度为180mm。通过对市场上电机的参数了解以及对网络资源的利用，确定选择深圳市龙威实业有限公司生产的永磁直流电机，型号为LRS-7512SHP-2080-160M，电机参数如表3-2电机主要参数表所示，其主要外形尺寸见图3-1 LRS-7512SHP型电动机主要外形及尺寸。表3-2电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N.mLRS-7512SHP220V120W120250.5图3-1 LRS-7512SHP型电动机主要外形及尺寸3.2 刀轴结构设计及校核3.2.1刀轴结构设计根据刀片安装方式和装配要求，设计出刀轴的结构如图3-2所示。图3-2轴的结构尺寸图刀轴轴径可按下式进行确定： 式中：-轴传递的功率，kw；-轴的转速，r/min；-材料系数；根据GB9684-88不锈钢食具容器卫生标准的要求，选择电机轴的材料为SUS304，即1Cr19Ni9。查1表15-3取；则轴直径为： 考虑到轴端的扁平结构和螺纹，为此将轴径放大15%以确保轴的强度，则轴的最小直径可取d=（1+15%）7.84=9.016mm，将d取整为10mm.3.2.2刀轴强度校核根据切菜机工作原理，得知此轴仅受较小的弯矩，因此只需要按照扭转强度进行校核，查1式（15-1）得 ： 式中： -扭转切应力，MPa；-轴所受的扭矩，；-轴的抗扭截面系数，；-许用扭转切应力，MPa；轴端危险截面处轴的截面如图3-3轴的危险截面图所示：图3-3 轴的危险截面查1表（15-4）抗弯、抗扭截面系数计算公式可知该危险截面的抗扭截面系数计算公式为： 由图4-4可知d=10, b=7.1, t=1.5代入计算得：则有：由此可知此轴强度设计满足要求。3.2.3刀轴刚度校核根据切菜机工作原理，得知此轴的弯曲变形很小，因此仅按照轴的扭转刚度进行轴的刚度校核。查1式（15-15）得光轴的扭转刚度校核计算公式为： 式中：-轴所受的扭矩，；-轴的材料的剪切弹性模量，对于钢材，；-轴截面的极惯性矩，对于圆轴，；此处取；则有：；将带入得： 故此轴满足刚度要求。3.3 切削部件设计切削机构作为本设计的执行机构，是本设计的重点部分，既要考虑使用性能，又要兼顾材料的安全性及产品使用之后的清洗工作。出于安全考虑，其构件必须选择无污染的防锈材料，还要注意将切削部件与电器元件隔离开来，降低原材料污染的可能性。众所周知，根茎类、块类蔬菜不仅形状不规则，而且硬度大难切削，结合实验测量及果，本设计的切削刀片采用光滑刃口平板刀作为切片刀，切丝选用梳形刃口刀片。刀片材料结合GB9684-88不锈钢食具容器卫生标准的要求选用奥氏体型不锈钢（1Cr18Ni9Ti，0Cr19Ni9，1Cr18Ni9），确定切菜机刀片材料为0Cr19Ni9，即常说的SUS304钢。图3-4 刀架因为要从刀具上实现切片切丝功能的转换，所以考虑将刀片与刀架分离，通过更换不同的刀片来实现切片切丝功能的转换，同时，换刀过程必须简单易操作，综合考虑将刀架结构设计成如图3-4所示结构，设计三个刀片安装槽，在刀具下方采用内六角螺钉固定，在需要换刀时，将刀具下方的盛菜容器取出，将固定刀片的内六角螺钉松开，从侧边就可以将刀片取出，这样不仅实现了切片切丝功能，而且减少了换刀的时间。实现切片切丝功能的同时，我们还要考虑对切片厚度的不同需求，本设计中，在刀架与刀片之间预留了一定的空间，在刀片与刀架之间通过增加或者减少垫片来调整刀片的切削厚度，从而实现了对切削厚度控制的功能。具体情况如图3-5刀架结构所示。图3-5 刀架结构4 基于Pro/e三维设计软件的应用伴随着计算机技术的发展进步，计算机辅助设计技术已经从CAD的二维设计层次转向了三维实体设计，目前三维设计软件已经广泛应用于机械、电子、航空航天、建筑等行业。其三维建模的设计优势，极大的缩短了产品研发设计的周期，减轻了设计人员的劳动强度，同时还实现了同类零件的标准库建立，极大的方便同类行业之间的技术交流。本切菜机设计采用美国波士顿PTC公司研发的三维设计软件Pro/e对产品全部零部件进行了三维建模、虚拟装配、机构仿真、装配动画、干涉检查等工作，通过虚拟装配模拟产品装配过程，干涉检查可以对虚拟装配好的产品进行检查，发现零部件之间的装配干涉问题，机构仿真可以真实的了解到产品的工作情况，装配动画可以模拟真实的装配效果，通过软件的应用，不仅减轻了设计者的工作压力，同时节约了设计成本，加快了产品设计周期和产品设计质量。4.1 虚拟装配4.2 爆炸视图4.3 干涉检查在经过虚拟装配和爆炸视图的工作之后，我们并不能保证零部件在装配的过程中相互之间没有干涉，如果盲目制造实物，可能会因为一些小细节造成不必要的浪费，为了避免这个问题，我们可以在Pro/e装配环境下，对所组装部件进行干涉检查，确保各部件配合尺寸正确，各零部件之间装配吻合。对装配好的零部件进行干涉检查的操作方法如下：依次单击“分析”-“模型”-“全局干涉”命令，在“全局干涉”对话框中依次选择“包括面组”、“包括小平面”、“精确”选项，即可对所完成的装配组件进行干涉检查。采用此方法对所涉的切菜机进行干涉检查结果如下：6 总结（1）本次设计通过对现有切菜机的了解，提出了一套全新的家用切菜机设计方案，家用切菜机设计不仅丰富了家用食品机械的种类，同时填补了国内家用切菜机的市场空白，在家用切菜机产品方向还有很大的研究空间，应进一步研究，实现其一机多用的功能。（2）通过对Pro/e三维设计软件的使用，熟悉了通过三维设计软件进行产品设计的流程以及三维软件的设计优势，并对本设计进行了虚拟装配、运动仿真等操作，不仅丰富了三维设计软件在食品机械产品设计方面的应用案例，同时为计算机辅助设计三维软件设计技术的进一步研究打下基础。参考文献1 家用和类似用途电器的安全 电动食品加工器具的特殊要求. 北京：中国标准出版社，2006.2 田卫军. 基于Pro/E机械设计实例精解M. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.1；3 单泉 陈砚 汪殿龙. Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版参数化设计从入门到精通M. 北京：高等教育出版社，2007；4 雪茗斋电脑教育研究室. Pro/Engineer野火版机构仿真运动实例精讲.北京：人民邮电出版社，2008.5；5 蒋迪青，唐伟强.食品通用机械与设备TS.北京：国防工业出版社，2005；6 李长林，白乔，项辉宇，罗红旗.Pro/e参数化技术在食品机械通用零部件设计中的应用J.北京：包装与食品机械，2011年第29卷第6期；Design of multi function cutting machineLiu Cheng Yang Zhang Zhan Ling(Department of Mechanical Engineering , Zhengzhou Co
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