基于solidworks核桃去殼器設計與三維建模【擠壓式】【含圖紙】

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中國地質(zhì)大學長城學院2012屆畢業(yè)設計 1 緒 論 1.1 SolidWorks的發(fā)展和榮譽 SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術創(chuàng)新符合CAD技術的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機平臺CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎，其中僅從1999年起，美國權威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設計師大大縮短了設計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。 由于SolidWorks出色的技術和市場表現(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年由法國達索公司以三億一千萬美元的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風險投資商和股東，以一千三百萬美元的風險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術隊伍繼續(xù)獨立運作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司，SolidWorks三維機械設計軟件也成為達索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。 由于使用了Windows OLE技術、直觀式設計技術、先進的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術，SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機構的近145，000名學生通過SolidWorks的培訓課程。 據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD系統(tǒng)相比，與SolidWorks相關的招聘廣告比其它軟件的總合還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用SolidWorks，越來越多的企業(yè)雇傭SolidWorks人才。據(jù)統(tǒng)計，全世界用戶每年使用SolidWorks的時間已達5500萬小時。 在美國，包括麻省理工學院（MIT）、斯坦福大學等在內(nèi)的著名大學已經(jīng)把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學（教育機構）如清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、大連理工大學、北京理工大學、上海教育局等也在應用SolidWorks進行教學。 如下圖為solidworks2010所造的三維實體圖： 27 中國地質(zhì)大學長城學院2012屆畢業(yè)設計 1.2 本論文的背景和意義 核桃，原產(chǎn)于近東地區(qū)，又稱胡桃、羌桃，與扁桃、腰果、榛子并稱為世界著名的“四大干果”。既可以生食、炒食，也可以榨油、配制糕點、糖果等，不僅味美，而且價值營養(yǎng)很高，被譽為“萬歲子”、“長壽果”，據(jù)測定，每100克核桃中含脂肪50～64克，核桃中的脂肪71%為亞油酸，12%為亞麻酸，蛋白質(zhì)為15～20克，蛋白質(zhì)亦為優(yōu)質(zhì)蛋白，核桃中脂肪和蛋白是大腦最好的營養(yǎng)物質(zhì)。糖類為10克，以及含有鈣、磷、鐵、胡蘿卜素、核黃素、維生素、胡桃葉酸、磷脂等營養(yǎng)物。 正因為其營養(yǎng)價值極高，所以是現(xiàn)代生活必不可少的食物。但其外殼堅硬無比，想吃到里面的果肉，真是難上加難。這個也是困擾很到想吃核桃但又不想費事的人。超市有買包裝好的核桃仁，但經(jīng)過加工后營養(yǎng)價值必定有所損失，所以用來撥核桃的工具就這樣誕生。臺式核桃夾，是我的設計與研究課題，其輕便快捷，價格實惠，操作簡單，深受廣大喜食核桃的消費者所喜歡。雖然結構簡單，但社會需求很大。所以對臺式核桃夾的研究、設計與改進有這重大意。 1.3 核桃夾的簡介 目前市場上撥核桃的工具分為兩類，一類為手鉗式，如圖1-1所示，這種核桃 圖1-1 手鉗式核桃夾 夾的工作原理是利用杠桿原理，在一個固定的位置上，手鉗的兩個鉗柄相對或者相向運動，用這個力壓碎核桃，這種核桃夾的優(yōu)點是結構簡單，價格便宜，便于攜帶。缺點也有，就是適合有力氣的人來用，老人小孩不適合用，因為需要很大力氣。有的時候力氣太大核桃會碎，容易滑落，并且距離不好調(diào)整，每次核桃的大小不一，不經(jīng)常用的人距離把握不準，所以使用起來特別不方便，適合經(jīng)常用的人使用，不然想看到完整的核桃仁是難。 另一種撥核桃的工具是臺式核桃夾，也是我的設計與研究課題，如圖1-2所示： 圖1-2 臺式核桃夾模擬實體 從圖上可以看出，臺式核桃夾相對于手鉗式的比較復雜，臺式核桃夾的工作原理是在利用杠桿原理的基礎上在利用連桿機構，手柄越長就越容易壓碎核桃。并且右邊的螺桿可以調(diào)節(jié)距離，當核桃大時候，或者者小的時候都可以調(diào)節(jié)到一定的距離然后手柄壓到底也不會壓碎核桃。另外臺式核桃夾的好處是其他一些堅果都可以用臺式核桃夾撥殼。另外老人和小孩都可以輕松的用。 2 設計內(nèi)容與方案 2.1核桃夾的受力分析 2.1.1確定夾核桃所需力 ① 目前最常用的核桃破殼方式是機械方法，利用擠壓或擊打方式使核桃果殼在機械外力作用下開裂或破壞，從而脫去果殼使核桃殼、仁分離。研制核桃破殼機首先要解決的問題就是確定最佳施力的方位。 現(xiàn)應用有限元受力分析軟件 ANSYS 對在不同位置上核桃受力應力分布進行分析和試驗，尋找最佳施力方位，為核桃破殼機的研制提供理論依據(jù)。 材料與方法 1） 原料 原料為薄皮核桃。試驗選用 3 種品種: 溫185、扎 343、新新 2。 2） 主要儀器 T-CS 電子計價臺秤(上海地久商貿(mào)有限公司)；核桃破殼試驗臺(農(nóng)業(yè)大學機械交通學院)；INV1601 型振動與控制教學實驗系統(tǒng)(北京東方振動和噪聲技術研究所)。 3） 試驗方法 每個品種的核桃各 60個，分成 3 組，每組20個，第一組沿核桃縫合面短軸方向夾持擊打；第二組將核桃縫合面垂直于打擊方向夾持擊打，第三組沿核桃長軸方向夾持擊打。通過計算機記錄試驗數(shù)據(jù)，由 DASP 振動分析儀自動繪制核桃破殼過程的受力曲線。核桃破殼后，收集半個和大于半個的核桃仁統(tǒng)計稱重記作一路仁，大于 1/ 4 仁且小于半個仁的統(tǒng)計稱重記作二路仁，小于 1/ 4 仁的統(tǒng)計稱重記作碎仁，沒有從殼中脫落出來的核桃仁記作破殼不完全。 圖2-1 加載方式模型 ①何義川;史建新.核桃殼力學特性分析與試驗.農(nóng)業(yè)大學學報，2009,32(6) 圖2-2 溫185破殼過程受力曲線圖 扎 343 破殼過程受力曲線見圖 圖2-3 扎343 破殼過程受力曲線圖 圖2-4 新新2破殼過程受力曲線圖 通過有限元分析軟件 A N SY S 建立了核桃的有限元模型，分析了在垂直于核桃縫合面短軸方向上受力的應力和應變分布狀態(tài)，可知在該種加載方式下核桃的應力、應變主要出現(xiàn)在垂直于核桃縫合面短軸方向曲面頂部, 這樣只會導致核桃殼局部破裂，不利于破殼。 分別對在沿核桃縫合面長軸和短軸方向加載的受力狀態(tài)進行了有限元分析。由分析可知在核桃沿縫合面長軸和短軸方向施加擊打載荷時，應力、應變的分布范圍較廣且有一定的方向性，利于核桃有效破殼。 試驗結果驗證當沿平行于核桃縫合面短軸方向擊打核桃破殼時，從核桃的破殼效果分析, 一路仁、二路仁比例較其他兩種破殼方式(垂直于核桃縫合面短軸方向擊打破殼和沿核桃縫合面長軸方向擊打破殼)要高，碎仁率較低。同時，沿平行于核桃縫合面短軸方向擊打核桃破殼，破殼力的峰值最大為707.21 N，有效值也最大為87.66 N；有效值越大，核桃破殼過程所受到的沖擊力越大，越有利于破殼。這與有限元分析軟件 ANSYS 建立的核桃有限元模型分析的結果一致。 用有限元分析法，分別對溫185、扎343和新新2三種核桃進行力學特性分析。三種核桃的被夾開所需要的力如表1所示： 表1 夾開核桃所需力 核桃類型 溫185 扎343 新新2 最大力/N 704.23 716.58 707.21 有效力/N 103.51 114.41 87.66 所以，取最大力。 2.1.2建立機構模型，確定主要桿件尺寸 將核桃夾簡化成一個偏置曲柄滑塊機構，根據(jù)核桃大小確定連桿（1桿）長度為35mm，搖桿（2桿）長度為13mm，機構簡圖及受力如圖2-5所示，圖示位置為夾核桃的極限位置。 圖2-5 受力分析 紅色代表桿1受力，綠色代表桿2受力。，。 分析桿1受力如圖2-6所示： 圖2-6 桿1 受力情況分析 因此，人手所需施加的力為。 2.2校核桿1和桿2的強度 2.2.1桿1強度校核 計算項目 計算內(nèi)容 計算結果 材料選擇 45號鋼 結構尺寸 桿1由兩根相同的長方體桿件組成，尺寸為 橫截面積 桿受力分析 桿1為二力桿，只受軸向力， 因為桿1由兩根桿組成 橫截面上的正應力 應力集中分析 在桿1中螺栓孔處會發(fā)生應力集中，產(chǎn)生較大的正應力，所以，需考慮此處應力集中。 集中應力，其中 剪切應力分析 桿件上不存在剪切應力 許用應力 許用拉伸應力 許用剪切應力 結果分析 2.2.2桿2強度校核 計算項目 計算內(nèi)容 計算結果 材料選擇 45號鋼 結構尺寸 桿2由手柄，手柄桿和搖桿三部分組成，其中搖桿13mm，手柄桿124mm，手柄50mm。其中手柄桿的直徑最小而且最長，所以將桿2簡化成長為，橫截面積直徑的軸 桿受力分析 受力分析如圖2-7所示： ， 將桿件受力簡化到C點 將力簡化到C點，得 確定彎矩最大點 分析桿件所受彎矩，彎矩最大點在C點， 抗彎截面系數(shù) 最大彎曲正應力 許用應力 許用彎曲應力 結果分析 圖2-7 桿2受力分析圖 2.3 設計創(chuàng)新 本課題，我的主要任務是用Solidworks2010對臺式核桃夾經(jīng)行三維實體造型和設計改進，具體設計方案是省力，所以用杠桿和連桿機構。另外，因為臺式核桃夾屬于食品機械，所以對材料的選擇也是至關重要的。如下圖，臺式核桃夾有如下幾個零件組成。 l 底板 l 手柄組件 l 活動桿 l 調(diào)整螺桿 l 連接架和連接桿 這個幾個零件的選材一般會選擇健康無毒的材料。其中在活動桿和調(diào)整螺桿的兩個端面上加工的時候留有凸臺，如下圖： 這個凸臺的作用是在壓核桃的時候，防止核桃旋轉(zhuǎn)，另外有這個凸臺，核桃殼容易破碎，桃仁不容易碎掉。 臺式核桃夾的核心部分，也是區(qū)別臺式核桃夾和手鉗式核桃夾的主要區(qū)別地方，如下圖： 這個是利用了杠桿和連桿機構，下壓手柄的時候，連接架會利用連桿的原理左右移動，成一定角度。 但活動桿成水平左右移動，這樣的好處是使核桃受力均勻。有時候核桃大小不一樣，有時候夾的不一定是核桃，有可能是其他一些比核桃小的堅果，這個時候就要需要有調(diào)整機構，不然不是壓不到核桃就是容易把核桃壓碎。這個機構如下圖所示： 將螺桿向前調(diào)整時可以撥掉一些比核桃小的堅果，將螺桿向后調(diào)節(jié)，可以撥一些比核桃大一點的堅果。差不多大小的堅果，調(diào)節(jié)到一定距離后，手柄壓到底也不會壓碎果仁。 3 簡述零件設計過程 下面我簡述零件的設計過程，找主要零件活動桿來展示零件的建模過程，從繪制二維草圖開始，直到生成三維圖。 第一步，進入solidworks2010 選擇前視基準面，進入草圖繪制。 第二步，畫一個直徑為24mm的圓，結束草圖繪制后選擇凸臺拉伸，給定深度選擇30mm 得到后的拉伸實體如下圖： 第三步，在所形成的實體上選擇草圖繪制，畫出直徑為12mm的圓，并拉伸出深度為10mm的圓柱體。 第四步，將實體的外邊線倒角。 第五步，再畫如是圓形。 利用拉伸切除實體命令將上述圓柱打孔。 得到如下效果。 第七步，將實體翻轉(zhuǎn)，選取其底面，選擇草繪，繪制直徑為12mm的圓于其底面。 添加幾何關系，使所繪制的圓與外邊線的圓的全等。并拉伸實體，拉伸深度為10mm。 第八步，選擇切除-拉伸命令，將上一步驟的底面進行給切除，并形成如下圖所示的實體。 將其底面邊線倒角，得到如下圖。 第九步，畫如下圖所示的小矩形，使矩形的一邊與底面同角度。 選擇旋轉(zhuǎn)命令，選取矩形的上邊進行旋轉(zhuǎn)，得到下圖。 第十步，選取圓周陣列命令，形成如圖所示的實體。 第十一步，加以潤色修飾，形成如圖三維實體。 4 臺式核桃夾各部件的選材 如下圖是臺式核桃夾的三維實體圖： 圖4-1 臺式核桃夾的三維實體圖 1底板；2調(diào)節(jié)螺桿；3 手柄；4 手柄桿；5 搖桿；6連桿；7本體；8活動桿 因為臺式核桃夾是屬于食品機械，所以選材是食品機械設計的重要部分，在本次設計中，我將臺式核桃夾用三部分材料組成，件2、4、5、6、8用45鋼加工，然后電鍍硬鉻，既美觀又實惠；件7用材料厚4mm的SUS304板折彎然后加工而成；件1、3用木頭加工而成，既環(huán)保又自然。 以上選擇材料除了電鍍，其余都是我們所熟悉的，在這里不多講，重點講一下電鍍。電鍍電鍍就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程。電鍍時，鍍層金屬做陽極，被氧化成陽離子進入電鍍液；待鍍的金屬制品做陰極，鍍層金屬的陽離子在金屬表面被還原形成鍍層。為排除其它陽離子的干擾，且使鍍層均勻、牢固，需用含鍍層金屬陽離子的溶液做電鍍液，以保持鍍層金屬陽離子的濃度不變。電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層（deposit），改變基材表面性質(zhì)或尺寸。電鍍能增強金屬的抗腐蝕性（鍍層金屬多采用耐腐蝕的金屬）、增加硬度、防止磨耗、提高導電性、潤滑性、耐熱性、和表面美觀。 利用電解作用在機械制品上沉積出附著良好的、但性能和基體材料不同的金屬覆層的技術。電鍍層比熱浸層均勻，一般都較薄，從幾個微米到幾十微米不等。 通過電鍍，可以在機械制品上獲得裝飾保護性和各種功能性的表面層，還可以修復磨損和加工失誤的工件。鍍層大多是單一金屬或合金，如鋅、鎘、金或黃銅、青銅等；也有彌散層，如鎳-碳化硅、鎳-氟化石墨等；還有覆合層，如鋼上的銅-鎳-鉻層、鋼上的銀-銦層等。電鍍的基體材料除鐵基的鑄鐵、鋼和不銹鋼外，還有非鐵金屬，如ABS塑料、聚丙烯、聚砜和酚醛塑料，但塑料電鍍前，必須經(jīng)過特殊的活化和敏化處理。 在盛有電鍍液的鍍槽中，經(jīng)過清理和特殊預處理的待鍍件作為陰極，用鍍覆金屬制成陽極，兩極分別與直流電源的正極和負極聯(lián)接。電鍍液由含有鍍覆金屬的化合物、導電的鹽類、緩沖劑、pH調(diào)節(jié)劑和添加劑等的水溶液組成。通電后，電鍍液中的金屬離子，在電位差的作用下移動到陰極上形成鍍層。 陽極的金屬形成金屬離子進入電鍍液，以保持被鍍覆的金屬離子的濃度。在有些情況下，如鍍鉻，是采用鉛、鉛銻合金制成的不溶性陽極，它只起傳遞電子、導通電流的作用。電解液中的鉻離子濃度，需依靠定期地向鍍液中加入鉻化合物來維持。電鍍時，陽極材料的質(zhì)量、電鍍液的成分、溫度、電流密度、通電時間、攪拌強度、析出的雜質(zhì)、電源波形等都會影響鍍層的質(zhì)量，需要適時進行控制。 電鍍分為掛鍍、滾鍍、連續(xù)鍍和刷鍍等方式，主要與待鍍件的尺寸和批量有關。掛鍍適用于一般尺寸的制品，如汽車的保險杠,自行車的車把等。滾鍍適用于小件，如緊固件、墊圈、銷子等。 連續(xù)鍍適用于成批生產(chǎn)的線材和帶材。刷鍍適用于局部鍍或修復。電鍍液有酸性的、堿性的和加有絡合劑的酸性及中性溶液，無論采用何種鍍覆方式，與待鍍制品和鍍液接觸的鍍槽、吊掛具等應具有一定程度的通用性。 鍍層分類 鍍層分為裝飾保護性鍍層和功能性鍍層兩類。 裝飾保護性鍍層　主要是在鐵金屬、非鐵金屬及塑料上的鍍鉻層,特別是鋼的銅-鎳-鉻層，鋅及鋼上的鎳-鉻層。為了節(jié)約鎳，人們已能在鋼上鍍銅-鎳／鐵-高硫鎳-鎳/鐵-低固分鎳-鉻層。與鍍鉻層相似的錫／鎳鍍層，可用于分析天平、化學泵、閥和流量測量儀表上。 功能性鍍層這種鍍層種類很多，如：①提高與軸頸的相容性和嵌入性的滑動軸承罩鍍層，鉛-錫,鉛-銅-錫,鉛-銦等復合鍍層；②用于耐磨的中、高速柴油機活塞環(huán)上的硬鉻鍍層，這種鍍層也可用在塑料模具上，具有不粘模具和使用壽命長的特點；③在大型人字齒輪的滑動面上鍍銅，可防止滑動面早期拉毛；④用于防止鋼鐵基體遭受大氣腐蝕的鍍鋅；⑤防止?jié)B氮的銅錫鍍層；⑥用于收音機、電視機制造中釬焊并防止鋼與鋁間的原電池腐蝕的錫-鋅鍍層。適用于修復和制造的工程鍍層，有鉻、銀、銅等，它們的厚度都比較大，硬鉻層可以厚達300微米。 以上就是對電鍍的解釋和說明，以及談了電鍍的原理和分類。 結 論 此次畢業(yè)設計是我們從大學畢業(yè)生走向未來工程師重要的一步。從最初的選題、開題到計算、繪圖直到完成設計。其間，查找資料、老師指導、與同學交流、反復修改圖紙，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗和充實。 通過這次實踐，我了解了臺式核桃夾工作原理，熟悉了本裝置的設計步驟，鍛煉了工程設計實踐能力，培養(yǎng)了自己獨立設計能力。此次畢業(yè)設計是對我專業(yè)知識和專業(yè)基礎知識一次實際檢驗和鞏固，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。 畢業(yè)設計收獲很多，比如學會了查找相關資料相關標準、分析數(shù)據(jù)，提高了自己的繪圖能力，懂得了更多的電鍍知識。同時，仍有很多課題需要后輩去努力去完善。但是畢業(yè)設計也暴露出自己專業(yè)基礎的很多不足之處。比如缺乏綜合應用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解，等等。這次實踐是對自己大學四年所學的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學之路還很長，以后更應該在工作中學習，努力使自己成為一個對社會有所貢獻的人。 當然本設計由于時間和本人水平有限，肯定有很多不足之處，還請導師多批評和指正。 參考文獻 [1] 徐憬.機械設計手冊.機械工業(yè)出版社，2000.6 [2] 張普禮.機械加工工藝裝備.東南大學出版社，2002.2 [2] 劉思.食品機械的開發(fā)與研究,2000.7 [4] 正亞軍.食品材料的應用于研究,2001.2 [5] 周長城.Solidworks2010高級應用于研究,1997.7 [6] 何義川;史建新.核桃殼力學特性分析與試驗.農(nóng)業(yè)大學學報，2009,32(6) [7] 董遠德, 史建新, 喬園園. 核桃不同破殼方式的破殼取仁效果[ J] . 農(nóng)產(chǎn)品加工學刊, 2007( 9) : 4 5. 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