哈密瓜分級裝置的設(shè)計(jì)含SW三維及15張CAD圖帶開題-獨(dú)家.zip
哈密瓜分級裝置的設(shè)計(jì)含SW三維及15張CAD圖帶開題-獨(dú)家.zip,哈密瓜,分級,裝置,設(shè)計(jì),SW,三維,15,CAD,開題,獨(dú)家
哈密瓜分級裝置的設(shè)計(jì)
摘要
目前我國的水果分級主要依靠人工完成，利用人工進(jìn)行水果品質(zhì)檢測和分級雖然可行，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，且由于個(gè)人視力差別、情緒、疲勞和光線強(qiáng)弱等因素的影響，分級的準(zhǔn)確性較差。因此，本文對哈密瓜分級機(jī)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。
本文根據(jù)分析改進(jìn)了哈密瓜分級機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，根據(jù)所確立基本原理和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了高效哈密瓜分級機(jī)的總體設(shè)計(jì)，描述了其分級過程。接著對每個(gè)功能模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了基本部件的選用，確定了幾大功能部件，分別是：自動(dòng)輸送裝置，稱重裝置，分級裝置。
本文利用SOLIDWORKS軟件完成哈密瓜分級機(jī)的3D總體設(shè)計(jì)圖，然后利用三維SOLIDWORKS完成分級機(jī)二維圖的導(dǎo)出。
關(guān)鍵詞：哈密瓜分級機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；分級裝置
Abstract
Atpresentourcountryfruitgradingmainlyrelyonartificialtocomplete,fruitqualitydetectionandclassificationofusingartificialalthoughfeasible,buttheintensityoflaborisbig,theefficiencyislow,andthedifferenceofpersonalvision,mood,fatigue,andthelightintensity,theinfluenceofsuchfactorsaspoorclassificationaccuracy.Therefore,thisarticlehascarriedontheresearchanddesignofhamimelongradingmachine.
Basedontheanalysisofhamimelongradingmachinemechanicalsystemwasimproved,accordingtothebasicprincipleandtechnicalindexwasestablishedeffectivehamimelongradingmachineoveralldesign,describestheclassificationprocess.Thenhascarriedonthedesignofeachfunctionmodule,determinetheselectionofbasiccomponents,anddeterminethefunctionofseveralmajorparts,respectivelyis:automaticconveyer,weighingdevice,gradingdevice.
Thispaper,byusingSOLIDWORKSsoftwaretocompletethecantaloupeclassifieroftheoveralldesign,3dandthenuseofcoilingmachine2dfigure3dSOLIDWORKS,export.
Keywords:hamimelongradingmachine;Structuredesign;Gradingdevice
目錄
摘要 I
Abstract II
1.緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.2.1國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1
1.2.2發(fā)展趨勢 4
1.3本文的研究內(nèi)容 5
1.4論文的結(jié)構(gòu) 5
2.總體方案的設(shè)計(jì) 7
2.1總體方案確定 7
2.2哈密瓜分級機(jī)原理方案確定 7
2.3 各個(gè)機(jī)構(gòu)說明 8
2.3.1輸送機(jī)構(gòu) 8
2.3.2 哈密瓜小車 9
2.3.4 稱重導(dǎo)軌 9
2.3.5 分級機(jī)構(gòu) 10
2.4本章小結(jié) 11
3.分級機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.1直線導(dǎo)軌與滑塊的選擇 12
3.2傳動(dòng)同步帶選擇與相應(yīng)帶輪的設(shè)計(jì) 15
3.3伺服電機(jī)的選擇與傳動(dòng)帶輪的設(shè)計(jì) 15
3.4本章小結(jié) 17
4.哈密瓜分級機(jī)三維建模的設(shè)計(jì) 18
4.1 Solidworks軟件簡介 18
4.2零件建模 20
4.2.1哈密瓜卸料板三維建模的形成 20
4.2.2 卸料料架的三維建模形成 20
4.2.3 TOOLBOX運(yùn)用 21
4.3零件裝配 22
4.4 三維向二維的轉(zhuǎn)換 23
4.5 本章小結(jié) 26
5.分級裝置主動(dòng)軸的有限元分析 27
5.1 有限元分析方法概述 27
5.2 有限元分析的基本思想 27
5.3 SOLIDWORKS SIMULATION的主要功能 28
5.4 SOLIDWORKS SIMULATION提供的分析類型 29
5.5 分級裝置主動(dòng)軸有限元分析 31
5.5.1 分級裝置主動(dòng)軸零件的三維建模 31
5.5.2 確定材料 31
5.5.3 添加夾具 32
5.5.4 施加載荷 33
5.5.5 生成網(wǎng)格 33
5.5.6 運(yùn)算求解 34
5.5.7 分析結(jié)果輸出 34
結(jié)論與展望 38
結(jié)論 38
展望 38
參考文獻(xiàn) 39
致謝 41
III
1.緒論
1.1研究背景及意義
近年來，隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，國內(nèi)外水果品種越來越多，人們對水果的品質(zhì)也有了更高的要求。為了提高水果的加工質(zhì)量和出品等級，需要對水果進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量分級和大小分級。目前，我國具備先進(jìn)水果分選設(shè)備的企業(yè)很少，有大型生產(chǎn)線的企業(yè)也僅僅是對質(zhì)量和大小進(jìn)行分選，裝備比較落后。因此，市場上銷售的水果大多數(shù)依靠機(jī)械配合人工的方式實(shí)現(xiàn)分級。人工分級的主要缺點(diǎn)是：勞動(dòng)量大、生產(chǎn)率低而且分選精度不穩(wěn)定；水果分選難以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確和無損化。截止到目前為止，國內(nèi)外已有不少學(xué)者及科研人員在此領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。根據(jù)水果檢測指標(biāo)的不同，水果分選機(jī)大致可分為大小分選機(jī)、重量分選機(jī)、外觀品質(zhì)分選機(jī)和內(nèi)部品質(zhì)分選機(jī)。
隨著科技的飛速進(jìn)步，全自動(dòng)哈密瓜分級機(jī)也逐步推向市場，這種全自動(dòng)高效哈密瓜分級機(jī)將盡可能減少人工的參與，人工操作起來也越來越方便輕松，不僅能節(jié)約成本，又能提高效率和生產(chǎn)質(zhì)量，進(jìn)而提高市場競爭力。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
大小分選機(jī)是按照水果大小進(jìn)行分選，在水果分選機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。目前可用于蘋果類圓形水果分選的方法有篩子分選法、回轉(zhuǎn)帶分選法、輥軸分選法、滾筒式分選法等。其中，前3種方法由于各自存在不同的缺點(diǎn)而未能推廣使用。滾筒式分選法其分選裝置主要由喂料機(jī)構(gòu)、V型槽導(dǎo)果板、分選滾筒、接果盤及傳動(dòng)系統(tǒng)組成。工作時(shí)，水果由傾斜輸送器提升后，先經(jīng)手選裝置由人工剔除傷殘果，然后通過輸送帶送人果箱，打開料門，輸送至導(dǎo)果槽板。在此，水果自然分行滾動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)水果堆積和阻礙現(xiàn)象。分選滾筒開有孔徑逐級增大的圓孔，水果從V型導(dǎo)果槽板流至滾筒外邊進(jìn)行自動(dòng)校徑的分選。小于分選孔的水果先從第一滾筒分選孔落人接果盤，大于分選孔的則經(jīng)V型導(dǎo)果槽繼續(xù)向前滾動(dòng)，直至遇到相應(yīng)分選孔落下，于是在不同的接果盤可得到不同等級的水果。此分選裝置結(jié)構(gòu)簡單，對水果損傷小，成本較低，分選精度和效率較高，適用于球形和近似球形物料的分選，在國外應(yīng)用較廣。為了減少水果碰撞，提高好果率，有的大小分選機(jī)是利用浮力、振動(dòng)和網(wǎng)格相配合的辦法進(jìn)行分選，但有關(guān)此方面的報(bào)道較少。
由以上可知，水果大小機(jī)械式分選法中，滾筒式分選法是最優(yōu)的一種。另外，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的發(fā)展，采用光電傳感器或CCD攝像機(jī)對水果的大小進(jìn)行測量判別已成為此類分選機(jī)的研究熱點(diǎn)。因?yàn)樗鼈兪菍λ拇笮∵M(jìn)行不損傷的非接觸性計(jì)量，適用于任何種類的水果。馮斌、汪懋華研究了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的水果大小檢測方法，試驗(yàn)表明該方法檢測速度快、正確率高、適用范圍寬，能夠滿足水果自動(dòng)檢測要求。
按重量進(jìn)行分選的分選機(jī)械早期是利用杠桿原理進(jìn)行分選的。目前，機(jī)械式重量分選機(jī)主要有固定衡量秤體、運(yùn)動(dòng)輸送盤式和固定限位裝置、運(yùn)動(dòng)衡量秤體式兩種機(jī)型。機(jī)械式重量分選對水果的損傷較小，而且具有較廣的通用性，但是由于各種誤差及摩擦影響等使分選精度不是很高。
近年來，隨著計(jì)算機(jī)和稱重傳感技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互滲透，電子稱重技術(shù)及應(yīng)用有了新的發(fā)展?；诖?，國內(nèi)外已開始研制電子稱重式分選機(jī)。電子稱重式分選機(jī)一般采用壓力傳感器稱量水果，微機(jī)系統(tǒng)對傳感器輸出信號進(jìn)行采樣、放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、運(yùn)算和處理，并控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分選。王新亭等在現(xiàn)有電子稱重式水果分選臺的基礎(chǔ)上，對其測控系統(tǒng)進(jìn)行了重新研制，將原有的Pc機(jī)控制替代為單片機(jī)控制。由于系統(tǒng)采用微機(jī)控制，可按需選擇準(zhǔn)確的分選基準(zhǔn)，具有更高精度和更高的控制靈活度，在實(shí)際中具有更廣的應(yīng)用前景。以色列ESHETEILON公司、美國AUTOLINE公司生產(chǎn)的電子稱重式分選機(jī)，在分選檢測技術(shù)上已經(jīng)很成熟，工作效率高，并具有較高的分選精度。但是由于該設(shè)備操作較為復(fù)雜，而且設(shè)備成本較高，難以在我國推廣使用。我國對該類型水果分選機(jī)的研制尚處于起步階段，需要科研人員充分利用國外已經(jīng)取得的研究成果，研制適合于我國實(shí)際情況的電子稱重式分選機(jī)。
外觀品質(zhì)分選機(jī)是按水果的大小、表面缺陷、色澤、形狀、成熟度等進(jìn)行分選的分選機(jī)。其分選方法包括：光電式色澤分選法和計(jì)算機(jī)圖像處理分選法。色澤分選法是根據(jù)顏色不同反射光的波長就不同的原理對水果顏色進(jìn)行區(qū)分。而計(jì)算機(jī)圖像處理分選法是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)一次性完成果梗完整性、果形、水果尺寸、果面損傷、成熟度等檢測，可以測得水果大小、果面損傷面積等具體數(shù)值，并根據(jù)其數(shù)值大小進(jìn)行分類。
國內(nèi)外學(xué)者在利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對水果外部品質(zhì)檢測方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了重大進(jìn)展。在缺陷檢測方面，TaoY等研制出的基于計(jì)算機(jī)視覺的蘋果缺陷檢測系統(tǒng)，達(dá)到了快速和全面檢測的效果。LeemansV．等研究了一個(gè)基于缺陷特征的水果實(shí)時(shí)分級方法。該方法的準(zhǔn)確率可達(dá)73％，其中錯(cuò)誤發(fā)生的一部分情況是良性的，而另一部分則由于缺陷是曬傷或撞傷，或者缺陷太靠近果梗和花萼很難被檢測到。在顏色檢測?方面，目前普遍采用色度直方圖計(jì)算各色度的累計(jì)值作為分級特征，且識別的方法仍然是統(tǒng)計(jì)模式方法居多。Kazuhiro采用二級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對蘋果進(jìn)行顏色分級，通過將蘋果果面沿花萼／梗方向分區(qū)并分別進(jìn)行處理，解決了因蘋果果面曲率不同而引起的反射梯度不同的問題。在國內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)蘋果顏色的在線檢測，李慶中等設(shè)計(jì)了蘋果顏色自動(dòng)分級系統(tǒng)，基本上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)分級的要求。在果形檢測方面，目前描述蘋果形狀的方法有多種，包括編碼法、統(tǒng)計(jì)法、幾何結(jié)構(gòu)法和光譜法等。邊界編碼法雖然能夠準(zhǔn)確地描述蘋果的形狀，但數(shù)據(jù)量大而且壓縮困難。統(tǒng)計(jì)學(xué)方法雖然效率較高，但描述形狀不規(guī)則的蘋果時(shí)精度較低。采用邊界半徑和傅立葉變換對蘋果的形狀進(jìn)行描述，不僅準(zhǔn)確性高而且速度快。Ingrid等的研究表明，蘋果的形狀可由前l(fā)2個(gè)正弦值和12個(gè)余弦值表達(dá)，此時(shí)相關(guān)性(尺)超過0．98。另外，在果梗檢測方面，應(yīng)義斌等通過計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)攝取黃花梨圖像，判別圖像中是否存在果梗，并對果梗的完好性進(jìn)行判斷。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法可以100％判斷果梗是否存在，判斷果梗是否完好的正確率達(dá)到93％，判別速度提高4～6倍；而且該算法具有一定的魯棒性，對旋轉(zhuǎn)、移位不敏感。徐娟等提出了利用圖像形態(tài)學(xué)可以更好地進(jìn)行果梗判別，同時(shí)還可以檢測邊緣，并為提高處理速度進(jìn)行了改進(jìn)。章文英“等研究了蘋果果梗與果體的識別方法和果面缺陷的查找方法；根據(jù)蘋果果梗的特性，提出用分塊掃描判斷果梗是否存在。
內(nèi)部品質(zhì)包括水果的糖度、硬度、酸度和內(nèi)部缺陷等指標(biāo)，通常水果內(nèi)部品質(zhì)主要依靠破壞性檢驗(yàn)方法。目前用于水果硬度的檢測方法主要有變形法和聲學(xué)法。但由于變形法只能測量水果的局部硬度，聲學(xué)法易受噪音和機(jī)械振動(dòng)的影響等而限制了其應(yīng)用。而近紅外法和核磁共振法可用于水果糖度、硬度的檢測。近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)檢測方面發(fā)展較快，具有檢測速度快、可同時(shí)檢測多種內(nèi)部成分等優(yōu)點(diǎn)。其基本原理是當(dāng)用近紅外光照射水果時(shí)，不同的水果內(nèi)部成分對于不同波長的光學(xué)吸收和散射程度不同，而內(nèi)部光譜也會(huì)隨著水果內(nèi)部成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同而發(fā)生變化。利用這一特性，即可根據(jù)近紅外光譜特征分析水果中的主要成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。何東健等。利用近紅外分光法檢測水果內(nèi)部品質(zhì)，結(jié)果表明：近紅外分光法不但能檢測水果糖度、酸度，而且能檢測內(nèi)部缺陷，完全滿足在線檢測水果內(nèi)部品質(zhì)的要求。劉燕德等應(yīng)用近紅外漫反射光譜分析技術(shù)設(shè)計(jì)了一種近紅外光譜水果內(nèi)部品質(zhì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠快速地用于水果內(nèi)部品質(zhì)的無損檢測和分級。核磁共振技術(shù)作為一項(xiàng)新的檢測技術(shù)在水果內(nèi)部品質(zhì)檢測方面也有著較大的發(fā)展?jié)摿?。Kim等設(shè)計(jì)了1臺NMR在線分級設(shè)備并進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)鱷梨在帶速50mm／S的狀態(tài)下，所得油水的共振峰值比值與成熟度的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0．970。Chaughule等使用自由感應(yīng)衰減(FID)譜的方法對人參果中的可溶性碳水化合物進(jìn)行了測定。Zion等提出一種基于MRI進(jìn)行計(jì)算機(jī)檢測的快速方法，并對不同品種的蘋果進(jìn)行損傷檢測，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。另外，用超聲波檢測西瓜的內(nèi)部空心已比較成熟。其它缺陷的檢測目前有：x射線分析法、計(jì)算機(jī)視覺檢測方法、介電特性檢測方法、電子鼻技術(shù)等。利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行無損檢測也是近幾年研究的一個(gè)熱門課題，到目前該技術(shù)已比較成熟，應(yīng)用也日趨廣泛。隨著嗅覺傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，電子鼻技術(shù)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。Lakshmi等通過對變化的電子鼻傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了多元分析，把蘋果按成熟度分成未成熟、成熟和過成熟3種等級。通過判別式分析法，電子鼻技術(shù)的正確分級率達(dá)83％。
1.2.2發(fā)展趨勢
在眾多場合下，大小和重量分選機(jī)應(yīng)用較多。而且目前常用的大多數(shù)是機(jī)械式大小和重量分選機(jī)?；谟?jì)算機(jī)視覺的水果大小分選機(jī)雖已用于實(shí)際生產(chǎn)，但是由于價(jià)格昂貴，還未能推廣使用。外部品質(zhì)分選機(jī)和內(nèi)部品質(zhì)分選機(jī)還在進(jìn)一步研究中，研究過程還存在著一些難題：水果外部品質(zhì)檢測方面，水果的尺寸和顏色檢測技術(shù)已比較成熟，但是果面的缺陷檢測確是水果實(shí)時(shí)分級的難點(diǎn)，要快速準(zhǔn)確地測定水果表面的各種缺陷并與梗、萼凹陷區(qū)正確區(qū)分比較困難；內(nèi)部品質(zhì)檢測方面，多是就一種產(chǎn)品某一單項(xiàng)項(xiàng)目進(jìn)行檢測，對果品多種內(nèi)部品質(zhì)的綜合檢測方面研究較少。同時(shí)，由于內(nèi)部品質(zhì)檢測的方法比較復(fù)雜，所需設(shè)備成本較高，故用于實(shí)際檢測中的還很少。另外，在水果在線檢測分選機(jī)的研究中，水果品質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測和分級還存在檢測精度低、速度慢等問題，這就要求圖像信息的處理和識別算法必須簡單而有效，以滿足在線高生產(chǎn)率的要求。
計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、無損傷檢測技術(shù)以及自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代及未來的分級檢測技術(shù)提供了廣闊的空間。機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用已成為實(shí)現(xiàn)果蔬產(chǎn)品品質(zhì)自動(dòng)識別和分級的最有效的方法?？梢灶A(yù)見，將人工智能技術(shù)和圖像處理技術(shù)相結(jié)合，是今后應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行水果品質(zhì)評價(jià)的重要發(fā)展方向。
1.3本文的研究內(nèi)容
哈密瓜分級機(jī)自動(dòng)化是目前的演變趨勢，許多企業(yè)會(huì)添加購買自動(dòng)化設(shè)備對現(xiàn)有的分級機(jī)升級改良，有的也會(huì)自己設(shè)計(jì)制造哈密瓜分級機(jī)。本文結(jié)合現(xiàn)有的哈密瓜分級機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)思，設(shè)計(jì)出全自動(dòng)高效哈密瓜分級機(jī)本文對整個(gè)哈密瓜分級機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終目的是生產(chǎn)裝配出可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的分級設(shè)備。
本文對哈密瓜分級機(jī)原理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，總結(jié)國內(nèi)外研究成果，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，適當(dāng)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種能的全自動(dòng)高效分級機(jī)。論文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
（1）對分級機(jī)功能研究，確定了系統(tǒng)工作原理以及方案，并根據(jù)原理方案對哈密瓜分級機(jī)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
（2）主要結(jié)構(gòu)的選型，包括伺服電機(jī)的選型，同步帶，聯(lián)軸器的選型，氣缸的選型。
（3）分別對哈密瓜分級機(jī)分級模組裝置、自動(dòng)稱重裝置的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
（4）運(yùn)用SOLIDWORKS軟件完成哈密瓜分級機(jī)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
1.4論文的結(jié)構(gòu)
第一章：緒論，簡單闡述了本論文的研究背景及意義，國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r以及本文得主要研究內(nèi)容。
第二章：總體方案的確定，用3D圖展示了總體方案的設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了闡述，接著對原理方案進(jìn)行了確定，最后對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能進(jìn)行了簡單的描述。
第三章：主要部件的選型，對電機(jī)、絲桿、聯(lián)軸器進(jìn)行選型，確定其型號參數(shù)等。
第四章：運(yùn)用SOLIDWORKS完成哈密瓜分級機(jī)的三維建模設(shè)計(jì)。
第五章：完成主動(dòng)軸的有限元分析設(shè)計(jì)。
第六章：結(jié)論，對本論文的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，并提出了未來的工作展望。
5
2.總體方案的設(shè)計(jì)
2.1總體方案確定
總體方案如圖2-1所示
圖2-1總體設(shè)計(jì)圖
整機(jī)包括自動(dòng)輸送裝置，哈密瓜小車、稱重軌道，分級機(jī)構(gòu)和卸料架。本機(jī)哈密瓜裝在小車上，通過輸送裝置將哈密掛運(yùn)至稱重軌道上，稱重軌道上裝有稱重傳感器，通過稱重傳感器區(qū)分大、中、小三個(gè)規(guī)格的哈密瓜，經(jīng)過分級機(jī)構(gòu)分別將三種規(guī)格的哈密瓜進(jìn)行分類，達(dá)到分級的目的。
2.2哈密瓜分級機(jī)原理方案確定
原理方案是指從原理角度出發(fā)對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行，機(jī)械設(shè)計(jì)的原理性設(shè)計(jì)關(guān)系到機(jī)械最后生產(chǎn)工藝的順利進(jìn)行，可以說直接決定了設(shè)計(jì)的好壞，所以在進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)時(shí)加入原理方案的確定，這也是總體設(shè)計(jì)里面的關(guān)鍵內(nèi)容[5]。
在進(jìn)行原理方案設(shè)計(jì)師應(yīng)首先明確設(shè)計(jì)的背景，任務(wù)，目的及要求。明確容易出現(xiàn)的影響變量，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用和影響，外部環(huán)境對產(chǎn)品的作用及影響。其次應(yīng)該分模塊了解各個(gè)部件的設(shè)計(jì)目的以及底線的功能，盡可能將各個(gè)部件的功能連接起來，做到完整統(tǒng)一，同時(shí)也要明確主要矛盾及次要矛盾，找出解決方案，方便后續(xù)的設(shè)計(jì)。
當(dāng)我們在做任何的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，都要全面的分析，提出盡可能多的設(shè)計(jì)方案，然后對每個(gè)方案進(jìn)行分析和比較，保留好的部分，改進(jìn)不好的部分，經(jīng)過科學(xué)的分析和判斷，最后確定最優(yōu)的原理方案[6]。
通過對要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，選出最佳方案。要想保證哈密瓜分級機(jī)的高品質(zhì)必須做到以下兩個(gè)方面：
（1）保證哈密瓜能夠穩(wěn)定的輸送，同時(shí)對于重量能夠精確的測量。
（2）保證分級機(jī)構(gòu)能夠快速相應(yīng)，同時(shí)能夠穩(wěn)定正確的將不同規(guī)格的哈密瓜進(jìn)行正確的分類。
2.3 各個(gè)機(jī)構(gòu)說明
2.3.1輸送機(jī)構(gòu)
輸送機(jī)構(gòu)如下圖2-2所示：
圖2-2 輸送機(jī)構(gòu)
如圖2-2所示的輸送機(jī)構(gòu)，機(jī)架采用4040型材拼接而成。通過減速電機(jī)帶動(dòng)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到輸送的目的，本次設(shè)計(jì)的輸送鏈條采用特殊形式，如下圖2-3所示：
圖2-3 輸送鏈條
如圖2-3所示的輸送鏈條，其側(cè)邊設(shè)計(jì)為帶有安裝孔的連接結(jié)構(gòu)，方便與哈密瓜小車連接。：
2.3.2 哈密瓜小車
哈密瓜小車如下圖2-4所示：
圖2-4 哈密瓜小車
如圖2-4所示，哈密瓜小車配有托盤和運(yùn)行小車，運(yùn)行小車通過連接件與鏈條連接。
2.3.4 稱重導(dǎo)軌
稱重導(dǎo)軌如下圖2-5所示：
圖2-5 稱重導(dǎo)軌
如圖2-5所示，小車在軌道上運(yùn)行，軌道上裝有稱重傳感器和稱重板，讓小車運(yùn)行到次位置時(shí)，開始對其進(jìn)行稱重。
2.3.5 分級機(jī)構(gòu)
分級機(jī)構(gòu)如下圖2-6所示：
圖2-6 分級機(jī)構(gòu)
如圖2-6所示，分級機(jī)構(gòu)通過安裝在分級模組上的卸料板對哈密瓜進(jìn)行分級。模組由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)速度快。
2.4本章小結(jié)
本章對哈密瓜分級機(jī)進(jìn)行了整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的可行性。然后對設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)始終堅(jiān)持高效性，智能性，準(zhǔn)確性原則，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)分級。接著對分級機(jī)原理方案進(jìn)行了確定，最后對機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)功能進(jìn)行分別描述。
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3.分級機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1直線導(dǎo)軌與滑塊的選擇
計(jì)算條件：估算哈密瓜質(zhì)量為，卸料板質(zhì)量，滑塊上固定板質(zhì)量約。按設(shè)計(jì)要求，滑塊的最大速度，滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)由靜止至最大速度時(shí)間，勻速時(shí)間，減速時(shí)間，運(yùn)動(dòng)行程，加速度，。速度時(shí)間關(guān)系圖如圖3-1所示。
圖3-1速度時(shí)間關(guān)系圖
設(shè)計(jì)計(jì)算：
由已知條件可計(jì)算出，，。
（一）每個(gè)滑塊負(fù)荷的大小計(jì)算
1)等速時(shí)，徑向負(fù)荷大小
2)左行加速時(shí)，徑向負(fù)荷大小
3)左行減速時(shí)，徑向負(fù)荷大小
4)右行加速時(shí)，徑向負(fù)荷大小
5)右行減速時(shí)，徑向負(fù)荷大小
（二）等效負(fù)荷的計(jì)算
1)等速時(shí)
2)左行加速時(shí)
3)左行減速時(shí)
4)右行加速時(shí)
5)右行減速時(shí)
（三）擬選用導(dǎo)軌滑塊型號為H20FN（TBI直線導(dǎo)軌手冊）
基本額定動(dòng)負(fù)荷:,基本額定靜負(fù)荷：。
（四）靜安全系數(shù)計(jì)算
由以上計(jì)算可以得知，最大等效負(fù)載為,故安全系數(shù)應(yīng)為：
（五）每個(gè)滑塊的平均負(fù)荷計(jì)算
（六）額定壽命的計(jì)算
表3.1負(fù)載系數(shù)
振動(dòng)·沖擊
速度（V）
振動(dòng)（G）
微
小
大
查負(fù)載系數(shù)表3.1，取負(fù)載系數(shù)。
根據(jù)直線導(dǎo)軌的額定壽命計(jì)算公式，分別計(jì)算各導(dǎo)軌滑塊的壽命如下：
故直線導(dǎo)軌的壽命為：。
按每分鐘往復(fù)次數(shù)，折算成壽命時(shí)間為：
滿足需求。
3.2傳動(dòng)同步帶選擇與相應(yīng)帶輪的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)同步帶的選擇根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況選為：周節(jié)制帶L型，帶寬為19.1mm。
相應(yīng)帶輪根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)需要的設(shè)計(jì)見附圖。
3.3伺服電機(jī)的選擇與傳動(dòng)帶輪的設(shè)計(jì)
計(jì)算條件：由上幾節(jié)計(jì)算，導(dǎo)軌滑塊上移動(dòng)單位質(zhì)量共約，運(yùn)輸同步帶輪直徑為，負(fù)載與滑臺摩擦系數(shù)，電機(jī)處帶輪齒數(shù)比為，負(fù)載最高速度，加速度。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示：
圖3-2伸縮軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
設(shè)計(jì)計(jì)算：
（一）計(jì)算折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
按照負(fù)載慣量＜3倍電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量的原則，則
（二）計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需要的扭矩
克服摩擦力所需要轉(zhuǎn)矩
加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩
伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩,最大扭矩。
（三）計(jì)算電機(jī)所需轉(zhuǎn)速
根據(jù)以上計(jì)算分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際選擇ECMA-C△0807.
電機(jī)處傳動(dòng)同步帶型號為：圓弧型5M,帶寬20mm。相應(yīng)帶輪結(jié)構(gòu)見附圖。
3.4本章小結(jié)
本章對分級模組部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。結(jié)合計(jì)算對同步帶，電機(jī)等進(jìn)行了選型，以及結(jié)合實(shí)際對帶輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)。然后用Solidworks畫出三維圖見圖3-3,用AutoCAD畫出二維圖（見附圖）。
圖3-3分級模組部分
4.哈密瓜分級機(jī)三維建模的設(shè)計(jì)
4.1 Solidworks軟件簡介
首先我要對Solidworks進(jìn)行介紹一下，它是一種先進(jìn)的，智能化的參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件，在業(yè)界被稱為“3D機(jī)械設(shè)計(jì)方案的領(lǐng)先者”，易學(xué)易用，界面友好，功能強(qiáng)大，在機(jī)械制圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，掌握和使用Solidworks已經(jīng)成為最基本的技能之一。
與傳統(tǒng)的2D機(jī)械制圖相比，參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件具有許多優(yōu)越性，是當(dāng)代機(jī)械制圖設(shè)計(jì)軟件的主流和發(fā)展方向。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)通常是按照一定的比例關(guān)系，從正視，側(cè)視，俯視等角度，根據(jù)投影，透視效果逐步繪出所需要的各個(gè)單元，然后標(biāo)注相應(yīng)尺寸，這就要求制圖和看圖人員都必須具備良好的繪圖和三維空間想象能力。如果標(biāo)注尺寸發(fā)生變化，幾何圖形的尺寸不會(huì)同步變更；如果改變了幾何圖行，其標(biāo)注尺寸也不會(huì)發(fā)生變化，還要重新繪制，標(biāo)注，因此繪圖工作相當(dāng)繁重。
參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件，是參數(shù)式和變量式的統(tǒng)稱。在繪制完草圖后，可以加入尺寸等數(shù)值限制條件和其他幾何限制條件，讓草圖進(jìn)入完全定義狀態(tài)，這就是參數(shù)式模式。由于軟件自動(dòng)加入了關(guān)聯(lián)屬性，如果修改了標(biāo)注尺寸，幾何圖形的尺寸就會(huì)同步更新。也可以暫時(shí)不充分的限制條件，讓草圖處于欠定義狀態(tài)，這就是變量式操作模態(tài)。
美國Solid Works公司是一家專門從事開發(fā)三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的高科技公司，公司宗旨是使每位設(shè)計(jì)工程師都能在自己的微機(jī)上使用功能強(qiáng)大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系統(tǒng)，公司主導(dǎo)產(chǎn)品是世界領(lǐng)先水平的Solid Works軟件。
90年代初，國際微機(jī)市場發(fā)生了根本性的變化，微機(jī)性能大幅提高，而價(jià)格一路下滑，微機(jī)卓越的性能足以運(yùn)行三維CAD軟件。為了開發(fā)世界空白的基于微機(jī)平臺的三維CAD系統(tǒng)，1993年P(guān)TC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁成立SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks軟件，引起世界相關(guān)領(lǐng)域的一片贊嘆。在SolidWorks軟件的促動(dòng)下，1998年開始，國內(nèi)、外也陸續(xù)推出了相關(guān)軟件；原來運(yùn)行在UNIX操作系統(tǒng)的工作站CAD軟件，也從1999年開始，將其程序移植到Windows操作系統(tǒng)中。
由于SolidWorks出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風(fēng)險(xiǎn)投資商和股東，以原來一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術(shù)隊(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司。
功能描述
（1） Top?Down(自頂向下)的設(shè)計(jì)
（2） Down?Top?(自下向上)的設(shè)計(jì)
（3） 配置管理
（4） 易用性及對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的支持
（5） 零部件鏡像
（6） 裝配特征
（7） 工程圖
（8） eDrawing
Solidworks模形由零件，裝配體和工程圖等文件組成，沒有生成零件之前的圖紙稱為草圖。由2D，3D草圖直接生成3D模形和工程圖時(shí)，如果修改了草圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和工程圖會(huì)同步更新；相反，如果修改了工程圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和草圖也會(huì)同步更新。軟件使用起來非常方便，大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，提高了工作效率。
通常，從打開一個(gè)零件文件或建立一個(gè)新零件文件開始，繪制草圖、生成基體特征、然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以從其他軟件導(dǎo)入曲面或幾何實(shí)體開始，編輯特征，生成零件和裝配體工程圖。這是常用的設(shè)計(jì)方法，也就是自下而上的設(shè)計(jì)方法。
草圖繪制從零件文件開始，對于一個(gè)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，要首先建立零件文件。
由于零件、裝配體及工程圖的相關(guān)性，所以當(dāng)其中一個(gè)視圖改變時(shí)，其他兩個(gè)視圖也會(huì)自動(dòng)改變。
Solidworks2014允許自定義功能,選擇菜單欄中的“工具”-“選擇”命令,可以顯示.定義”系統(tǒng)選項(xiàng)”和”文件屬性”選項(xiàng)卡.
Solidworks2014可以自動(dòng)保存工作.自動(dòng)恢復(fù)功能可以自動(dòng)保存零件,裝配體或工程圖文件的信息,在系統(tǒng)死機(jī)時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù).如果設(shè)定此選項(xiàng),則選擇”工具”_”選項(xiàng)”菜單命令.在”系統(tǒng)選項(xiàng)”選項(xiàng)卡上,單擊”備份”選項(xiàng),選擇”每(n)次更改后,自動(dòng)恢復(fù)信息”復(fù)選框,然后設(shè)定信息自動(dòng)保存前應(yīng)發(fā)生的變更次數(shù).
Solidworks2014具有很強(qiáng)的文件交換功能,可以輸入,輸出數(shù)十種文件格式,可以與AutoCAD，pro/ENGINEER,Solid Edge,CAM等軟件很方便地進(jìn)行文件交換。
Solidworks2014在草圖繪制模式及工程圖中提供顯示網(wǎng)格線和捕捉網(wǎng)格線功能?？蓪⒕W(wǎng)格線與模型邊線對齊，還可捕捉到角度。網(wǎng)格線和捕捉功能在Solidworks2014中不太使用，因?yàn)镾olidWorks是參變量軟件，尺寸和幾何關(guān)系已提供了所需的精度。
4.2零件建模
4.2.1哈密瓜卸料板三維建模的形成
在SolidWorks中，哈密瓜卸料板的形成比較容易實(shí)現(xiàn)，通過拉伸、陣列等指令，哈密瓜卸料板的三維模型如圖4-1所示。
圖4-1 哈密瓜卸料板三維圖
4.2.2 卸料料架的三維建模形成
由于卸料料架的三維模型比較復(fù)雜，運(yùn)用了拉伸，切除，圓角，等特征，形成卸料料架的三維模型。如圖4-2所示
圖4-2 卸料料架三維圖
4.2.3 TOOLBOX運(yùn)用
另外，SolidWorks里toolbox里包含了各種傳動(dòng)件，螺栓，螺母，螺釘，軸承等數(shù)據(jù)，可直接調(diào)用輸入自己參數(shù)即可。 軸承的建模，從toolbox中選擇軸承，滾動(dòng)軸承如圖4-3所示
圖4-3 添加軸承
4.3零件裝配
零件設(shè)計(jì)好了，可以將其在組建模式下通過一定的方式組合在一起，從而造成一個(gè)組件或完整產(chǎn)品模型。
零件裝配需要在專門的組件設(shè)計(jì)模式下進(jìn)行。在Solidworks2014 中，可以按照以下步驟來創(chuàng)建一個(gè)組件設(shè)計(jì)文件：
單擊新建按鈕，打開“新建”對話框。
在“類型”選項(xiàng)組中選擇“組件”單選按鈕，在“子類型”選項(xiàng)組中尋則“設(shè)計(jì)”單選按鈕，在“名稱”文本框中輸入組件名稱，清除“使用缺省模板”復(fù)選框，然后單擊“確定”按鈕。
彈出“新建文件選項(xiàng)”對話框。從“模板”選項(xiàng)組的列表框中選擇“mmns _SLDASM_design”，單擊“確定”按鈕。
在組件設(shè)計(jì)中（裝配設(shè)計(jì)），主要有兩種主流設(shè)計(jì)思路，即自底向上設(shè)計(jì)和自頂而下設(shè)計(jì)。通俗一點(diǎn)而言，前者是將已設(shè)計(jì)好的零部件按照一定的裝配方式添加到裝配體中；而后者則是從頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)著手，由頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計(jì)規(guī)范到所有相關(guān)子系統(tǒng)，從而有利于高效地對整個(gè)設(shè)計(jì)流程項(xiàng)目進(jìn)行協(xié)作管理。
在組件設(shè)計(jì)模式下，系統(tǒng)允許采用多種方法將元件添加到組件，包括使用放置定義集（簡稱約束集）和使用元件界面自動(dòng)放置等。通常元件放置根據(jù)放置定義集而定，這些集合決定了元件與組件的相關(guān)方式及位置，這些集既可以是由用戶定義的，也可以是預(yù)定義的。用戶定義的約束集含有0個(gè)或多個(gè)約束；預(yù)定義約束集（也叫連接）具有預(yù)定義數(shù)目的約束。
約束放置是較為常用的裝配方式。在 Solidworks2014元件放置操控板的約束列表框中，提供了多種放置約束的類型選項(xiàng)，包括缺省、固定、曲面上的邊、曲面上的點(diǎn)、直線上的點(diǎn)、相切、坐標(biāo)系、插入、匹配、對其、和自動(dòng)。
在使用約束放置選項(xiàng)時(shí)，需要注意約束放置的一般原則及注意事項(xiàng)。例如，“匹配”約束或“對齊”約束的一組參照的類型要相同（平面對平面、旋轉(zhuǎn)對旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)對點(diǎn)、軸對軸）；一次只能添加一個(gè)也是，譬如不能使用一個(gè)單一的“匹配”約束選項(xiàng)將一個(gè)零件上的兩個(gè)不同的平面與另一個(gè)零件上的兩個(gè)不同的平面配對，二必須定義兩個(gè)單獨(dú)的“匹配”約束；元件的裝配需要定義放置約束集，放置約束集由若干個(gè)放置約束構(gòu)成，用來組合定義元件的放置和方向。
裝配通過一個(gè)中心線重合，面重合或給定距離來配合圓弧曲面的零件。首先進(jìn)行部裝，在得到哈密瓜分級機(jī)的裝配圖，總裝配圖見下圖4-4所示：
圖4-4 哈密瓜分級機(jī)三維裝配體
4.4 三維向二維的轉(zhuǎn)換
SolidWorks作為一套功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助繪圖和設(shè)計(jì)軟件，可以建立零件的三維實(shí)體圖，三維裝配體圖及二維工程圖，且大多數(shù)生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員對二維繪圖軟件，如autocad，caxa電子圖版，等更加熟悉，而且二維軟件在繪制，尤其是標(biāo)注裝配體，零件圖時(shí)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。所以，充分利用SolidWorks和二維圖之間的轉(zhuǎn)換，把SolidWorks自動(dòng)生成的工程視圖與二維軟件的標(biāo)注結(jié)合起來，達(dá)到“以二維之長補(bǔ)三維之短”的目的。一下是三維建模生成二維工程圖的詳細(xì)過程。
在SolidWorks中生成二維工程圖。在SolidWorks中的新建模板中，新建一個(gè)工程圖模板，打開工程圖工具條，在工程圖工具條中點(diǎn)擊“新建”按鈕，并在作圖區(qū)域中單擊右鍵，“從文件中選擇”，確認(rèn)要生成工程圖的三維模型，并選擇要形成工程圖的視圖方向；在繪制區(qū)域內(nèi)單擊左鍵，以確定圖形位置，單擊“確定，完成工程圖的繪制，并將其保存為“dwg/dxf”格式的文件。如圖4-5所示
圖4-5新建工程
選用標(biāo)準(zhǔn)圖紙，或自定義圖紙大小，如圖4-6所示
圖4-6選擇圖紙
打開需要生成工程圖的零件，并將其拖入此工程圖。左鍵確定位置，繼續(xù)移動(dòng)鼠標(biāo)，會(huì)顯示鼠標(biāo)移動(dòng)方向的視圖。從而確定所需工程圖，如圖4-7所示。
圖4-7工程圖創(chuàng)建
此外，還可通過上方的工具來分析剖視圖。也可標(biāo)注此裝配體的零件及其名稱。因此圖還將在CAD中修改，故在此未標(biāo)注零件序號及名稱，最后完成的工程圖如圖4-8所示：
圖4-8哈密瓜分級機(jī)工程圖紙
4.5 本章小結(jié)
本章對整個(gè)哈密瓜分級機(jī)進(jìn)行三維建模，完成三維的設(shè)計(jì)。
5.分級裝置主動(dòng)軸的有限元分析
5.1 有限元分析方法概述
有限元法是一種離散化的數(shù)值解法，是用于求解各類實(shí)際工程問題的方法。應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問題及熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)以及高速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)問題都可以通過有限元法得到解決。
有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。
20 世紀(jì) 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算有限元概念的克拉夫（CloSOLIDWORKSh）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz 法＋分片函數(shù)”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個(gè)定義域邊界條件的允許函數(shù)的 RayleighRitz 法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一
5.2 有限元分析的基本思想
有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本思想是用較為簡單的問題代替比較復(fù)雜的問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互聯(lián)子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所替代。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元法不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜情況，因而有限元分析成為行之有效的工程分析手段。
有限元法的基本思想可歸結(jié)為兩個(gè)方面，一是離散，二是分片插值。
離散就是將一個(gè)連續(xù)的求解域人為地劃分為一定數(shù)量的單元，單元又稱網(wǎng)格，單元之的連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，單元間的相互作用只能通過節(jié)點(diǎn)傳遞，通過離散，一個(gè)連續(xù)體便分割為由有限數(shù)量單元組成的組合體。離散的目的就是將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個(gè)節(jié)點(diǎn)變量的代數(shù)方程組，以利于用計(jì)算機(jī)求解。
有限元法的離散思想借鑒于差分法，但做了適當(dāng)改進(jìn)。首先，差分法是對計(jì)算對象的微分方程和邊界條件進(jìn)行離散，而有限元法是對計(jì)算對象的物理模型本身進(jìn)行離散，即使該物理模型的微分方程尚不能列出，但離散過程依然能夠進(jìn)行。其次，有限元法的單元形狀并不限于規(guī)則網(wǎng)格，各個(gè)單元的形狀和大小也并不要求一樣，因此在處理具有復(fù)雜幾何形狀和邊界條件以及在處理具有像應(yīng)力集中這樣的局部特性時(shí)，有限元法的適應(yīng)性更強(qiáng)，離散精度更高。
變分法是在整個(gè)求解域用一個(gè)統(tǒng)一的試探函數(shù)逼近真實(shí)函數(shù)，當(dāng)真實(shí)函數(shù)性態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時(shí)，這種處理是合理的。但如果真實(shí)函數(shù)的性態(tài)很復(fù)雜，再用統(tǒng)一的試探函數(shù)就很難得到較高的逼近精度，或者說要得到較高的精度就需要階次很高的試探函數(shù)。同時(shí)由于不能在求解域的不同部位對試探函數(shù)提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求問題的求解很困難。所以這類方法一般用于求解函數(shù)交規(guī)則和邊界條件較簡單的問題。
分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個(gè)重要區(qū)別，它是針對每一個(gè)單元選擇試探函數(shù)（也稱插值函數(shù)），積分計(jì)算也是在單元內(nèi)完成。由于單元形狀簡單，所以容易滿足邊界條件，且用低階多項(xiàng)式就可獲得整個(gè)區(qū)域的適當(dāng)精度。對于整個(gè)求解域而言，只要試探函數(shù)滿足一定條件，當(dāng)單元尺寸縮小時(shí)，有限元就能收斂于實(shí)際的精確解。
從以上分析可知，有限元法是差分法的一種發(fā)展，又可以看成是里茲法的一種新形式。它兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實(shí)用性。
5.3 SOLIDWORKS SIMULATION的主要功能
SOLIDWORKS SIMULATION有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，目前，有限元法從它最初應(yīng)用的固體力學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)推廣到溫度場、流體場、電磁場、聲場等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學(xué)領(lǐng)域，有限元法不僅可以用于線性靜力分析，也可以用于動(dòng)態(tài)分析，還可以用于非線性、熱應(yīng)力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問題的研究。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。
前處理模塊
前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。SOLIDWORKS SIMULATION的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。
分析計(jì)算模塊
分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。
后處理模塊
后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了200種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。
5.4 SOLIDWORKS SIMULATION提供的分析類型
SOLIDWORKS SIMULATION軟件提供的分析類型如下：
結(jié)構(gòu)靜力分析
用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。SOLIDWORKS SIMULATION程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。SOLIDWORKS SIMULATION可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。
結(jié)構(gòu)非線性分析
結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。SOLIDWORKS SIMULATION程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。
動(dòng)力學(xué)分析
結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力、加速度等得時(shí)間歷程），以確定結(jié)構(gòu)的承載能力的動(dòng)力特性等。SOLIDWORKS SIMULATION程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。
熱分析
程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。
電磁場分析
主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。
流體動(dòng)力學(xué)分析
SOLIDWORKS SIMULATION流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。
聲場分析
SOLIDWORKS SIMULATION把聲學(xué)歸為流體，程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。
壓電分析
壓電效應(yīng)分析是一種結(jié)構(gòu)－電場耦合分析，給壓電材料加電壓會(huì)產(chǎn)生位移，反之使壓電材料振動(dòng)則產(chǎn)生電壓，一個(gè)典型的壓電分析的應(yīng)用是壓力換能器。SOLIDWORKS SIMULATION壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。
5.5 分級裝置主動(dòng)軸有限元分析
首先，對分級裝置主動(dòng)軸的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。完成三維建模后，再對相應(yīng)部分進(jìn)行有限元分析。由于分級裝置主動(dòng)軸的螺栓、導(dǎo)向桿等零件無需單獨(dú)進(jìn)行受力分析，而且如果對分級裝置主動(dòng)軸整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，將會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間將會(huì)持續(xù)幾天甚至更多。所以為了使計(jì)算更加精確，縮短系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間，我們在這里只對分級裝置主動(dòng)軸主體進(jìn)行分析，即直接將分級裝置主動(dòng)軸主體分離出來單獨(dú)進(jìn)行靜態(tài)分析，以確保系統(tǒng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。分級裝置主動(dòng)軸有限元分析的具體步驟如下：
5.5.1 分級裝置主動(dòng)軸零件的三維建模
利用SOLIDWORKS軟件對分級裝置主動(dòng)軸零件進(jìn)行三維模型，這個(gè)的具體繪圖過程就不一一詳細(xì)描述。得到的三維模型如圖5-1所示。
圖5-1 分級裝置主動(dòng)軸模型
5.5.2 確定材料
零件的反應(yīng)取決于其所構(gòu)成的材料，程序必須知道零件材料的彈性屬性，通過從材料庫選擇材料來給零件指派材料。由于分級裝置主動(dòng)軸承受重量大，分級裝置主動(dòng)軸主體會(huì)受到較大的壓力和拉應(yīng)力，所以分級裝置主動(dòng)軸材料選擇普通碳鋼。但在用Solidworks Simulation對分級裝置主動(dòng)軸進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，由于材料庫沒有這一材料，因此選擇近似的材料碳鋼，具體選擇如下圖5-2所示。
圖5-2 材料選取
5.5.3 添加夾具
在夾具選項(xiàng)卡中，可以定義固定約束。每個(gè)約束可以包含多個(gè)面。受約束的面在所有方向都受到約束。必須至少約束零件的一個(gè)面，以防由于剛性實(shí)體運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致分析失敗。在對分級裝置主動(dòng)軸主體進(jìn)行應(yīng)力分析前，首先要確定其夾具固定的部分。如圖5-3所示，選擇分級裝置主動(dòng)軸兩軸承固定段為固定端，即模擬夾具夾住分級裝置主動(dòng)軸兩軸承固定段部分。
圖5-3添加夾具
5.5.4 施加載荷
分級裝置主動(dòng)軸我們設(shè)定載荷為皮帶拉力為140N。在載荷選項(xiàng)卡上，可以應(yīng)用力和壓力載荷至模型的面，可以應(yīng)用多個(gè)力至單個(gè)或多個(gè)面。由分級裝置主動(dòng)軸實(shí)際工況得出其受力情況見圖5-4
圖5-4 分級裝置主動(dòng)軸豎直方向施加載荷
5.5.5 生成網(wǎng)格
接下來需對分級裝置主動(dòng)軸劃分網(wǎng)格。實(shí)體模型的網(wǎng)格化由兩個(gè)基本階段組成。在第一階段，網(wǎng)格器將節(jié)放置于邊界上，此階段稱為曲面網(wǎng)格化。如果第一個(gè)階段成功，網(wǎng)格程序開始第二個(gè)階段，將在內(nèi)部生成節(jié)，以四面單元填充體積，并將中側(cè)節(jié)放置于邊線上。在實(shí)際操作中，我們先要選擇網(wǎng)格的參數(shù)，如圖5-5所示，將網(wǎng)格密度設(shè)置為良好。選擇好網(wǎng)格參數(shù)之后，對分級裝置主動(dòng)軸模型生成定義的網(wǎng)格。
圖5-5 分級裝置主動(dòng)軸網(wǎng)格化
5.5.6 運(yùn)算求解
網(wǎng)格化參數(shù)后點(diǎn)擊運(yùn)行，軟件開始自動(dòng)對算例進(jìn)行計(jì)算分析，求解過程如下圖5-6所示。
圖5-6運(yùn)行算例分析
當(dāng)運(yùn)行結(jié)束后，就可以得到分級裝置主動(dòng)軸模型應(yīng)力、應(yīng)變、位移和安全系數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)的有限元分析結(jié)果。
5.5.7 分析結(jié)果輸出
Simulation的結(jié)果選項(xiàng)卡中生成的圖解可以生動(dòng)形象的表現(xiàn)出分級裝置主動(dòng)軸各部位的應(yīng)力—應(yīng)變情況、位移情況及安全系數(shù)情況，如圖5-7所示。結(jié)果選項(xiàng)卡的第一個(gè)屏幕顯示分級裝置主動(dòng)軸所有位置的最小安全系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)則通常要求安全系數(shù)為 1.5 或更大。對于給定的最小安全系數(shù)，Simulation程序會(huì)將可能的安全與非安全區(qū)域分別繪成藍(lán)色與紅色。分級裝置主動(dòng)軸主體部分有限元分析的應(yīng)力、位移、應(yīng)變及合位移分布云圖如圖5-8至5-11所示。
圖5-7 輸出結(jié)果
圖5-8 合位移圖
圖5-9 位移分布圖
圖5-10 應(yīng)變分布圖
圖5-11 應(yīng)力分布圖
由圖5-11可知，分級裝置主動(dòng)軸在工況載荷下，施加載荷時(shí)候的最小安全系數(shù)是1.05，。根據(jù)圖5-10所示，分級裝置主動(dòng)軸的屈服力大約為220MPA，而所用材料的抗拉強(qiáng)度為490MPA，完全符合設(shè)計(jì)要求。
結(jié)論與展望
結(jié)論
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向未來工程師重要的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從最初的選題，開題到計(jì)算、繪圖直到完成設(shè)計(jì)。其間，查找資料、老師指導(dǎo)、與同學(xué)交流、找相關(guān)人士咨詢、反復(fù)修改圖紙，每一個(gè)過程都是對自己能力的一次檢驗(yàn)和知識的運(yùn)用。
通過這次設(shè)計(jì)，我了解了的哈密瓜分級機(jī)的的用途及工作原理，熟悉了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)步驟，鍛煉了工程設(shè)計(jì)實(shí)踐能力，培養(yǎng)了自己的獨(dú)立設(shè)計(jì)能力。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎(chǔ)知識一次實(shí)際檢驗(yàn)和鞏固，同時(shí)也是走向工作崗位前的一次熱身。
畢業(yè)設(shè)計(jì)收獲很多，比如學(xué)會(huì)了查找相關(guān)資料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的繪圖能力，懂得了許多經(jīng)驗(yàn)公式的獲得，是不懈努力的結(jié)果。同時(shí)，仍有很多課題需要在以后的工作中去努力去完善。但是畢業(yè)設(shè)計(jì)也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解等等。這次實(shí)踐是對自己大學(xué)四年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長，以后更應(yīng)該在工作中不斷努力學(xué)習(xí)，努力使自己成為一個(gè)對社會(huì)有所貢獻(xiàn)的人，為中國機(jī)械行業(yè)添上自己的微薄之力。
展望
這次設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識到機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要性，只有完成了結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)，才有可能進(jìn)行后續(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性需要反復(fù)的驗(yàn)證，只有各個(gè)部件的完美配合，才能實(shí)踐預(yù)期的功能。
通過這一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，自己開始對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有了一定的認(rèn)識和了解，在設(shè)計(jì)工作過程中培養(yǎng)了獨(dú)立思考，細(xì)心專研的學(xué)習(xí)態(tài)度，相信對以后的工作學(xué)習(xí)會(huì)有很大的幫助。在這次設(shè)計(jì)過程中，充分認(rèn)識到理論結(jié)合實(shí)踐的重要性，一定要充分理解消化書本中的理論知識，并將其運(yùn)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)中，只有這樣才能設(shè)計(jì)出合理優(yōu)秀的產(chǎn)品。
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