基于CATIA灭茬起垄机的螺旋板曲面实体建模

沈华英，冯明佳，丁伟东，明　哲

(吉林农业科技学院，吉林 吉林　132101)



基于CATIA灭茬起垄机的螺旋板曲面实体建模

沈华英，冯明佳，丁伟东，明哲

(吉林农业科技学院，吉林 吉林132101)

摘要：针对我国东北地区玉米作物种植前需要将根茬粉碎还田，现有耕整机灭茬刀辊仅能灭茬不能起垄等问题，设计开发了灭茬起垄机。该机采用在螺旋形刀盘上安装刀片的螺旋形刀辊，可以实现灭茬起垄作业同时完成。主要采用CATIA V5软件，对灭茬起垄机的螺旋形刀辊的螺旋板刀盘进行三维建模，详细介绍了其建模过程及使用CATIA软件的优点，在缩短产品的生产周期、提高产品质量、降低产品成本方面具有指导意义。田间试验结果表明：机具作业质量符合农艺要求，结构设计合理，为东北地区玉米根茬粉碎还田及起垄播种玉米提供了技术支持。

关键词：灭茬起垄机；CATIA；螺旋板；三维建模

0引言

灭茬起垄是保护性耕作的重要环节，灭茬起垄机作为作物根茬粉碎还田的主要机具，在我国广泛使用。目前，国内外对耕整机的研究报道有很多，其中的耕整机都是由碎茬、起垄两个机具组成，虽然能够顺利完成灭茬和起垄作业，但其结构复杂、工作效率低下，而仅仅依靠一个主要部件就可以同时完成这两项作业的耕整机还没有研究报道。此次研究的灭茬和起垄同时完成的机具关键部件是一个螺旋形刀辊，一次作业即可同时完成碎茬、起垄及垄型修复等作业[1]，螺旋板就是此刀辊的重要组成部分。对于螺旋板的设计建模是至关重要的一步，随着计算机技术的飞速发展，虚拟样机技术已经成为当前设计制造领域的一项新技术[2]。CATIA系统是法国达索 (Dassault)飞机公司Dassault Systems工程部开发的产品[3]，具有统一的用户界面、数据管理及兼容的数据库、应用程序接口。目前，使用较多的CAD/CAM 软件基本上都具有参数化建模功能，但有些还仍然需要通过软件接口进行编程加以完成，要求开发设计人员应该有一定水平的编程能力; 有些还无法实现可视化操作，需要设计研究人员对软件的有关命令和操作能够熟练掌握。CATIA V5的可视化工具能使设计人员在可视化的环境下，高速、高效地完成三维建模工作[4-5]。

利用CATIA软件能够成功建模机械零件，并将各部零件组装为虚拟样机，且可实现机械内部基本传动和虚拟环境作业,从而减少研发成本、提高研发效率。

1机器设计要求

1)现有灭茬机机结构比较复杂，机器需要多次重复进地工作，不能实现“碎茬、起垄、垄型修理”等组合作业，对于实施保护性耕作不利。

2)在不破坏土地表面具有的营养土前提下，尽量适应农作物良好生长发育的农艺要求，使土壤耕作层的厚度增加，为农作物的生长提供必要的营养、热量和水分。

3)保证农作物的播种位置土壤密实，利于保墒、种子发芽，使覆盖种子的土层尽量松软，利于透水、透气，并能促进农作物的发芽和出苗。

2机器研究设计方法

灭茬起垄机的研究设计遵照农机与农艺紧密结合的方针，严格按保护性耕作技术规范设计制造，并遵循实验室研究与田间试验紧密结合、产品开发与试验示范紧密结合的原则。利用CATIA、SolidWorks等三维建模软件进行三维实体设计，通过实验室及计算机对关键部件和机构的性能与参数进行优化，有助于产品改型设计及产品加工等。同时，可综合工业设计、机械设计、功能仿真和加工制造等功能，缩短产品开发的时间与流程。耕整机的研究方案包括产品设计、试验研究、样机试制及田间考核4个阶段。其中，产品设计内容分为部件研究、整机设计、改进设计和定型设计4个阶段，通过吉林农业科技学院机械创新工厂完成机器主要零部件加工制造及样机试制，通过田间试验分析提出进一步改进的措施，对装置进行改进设计并试制。

3机器总体结构设计

3.1主要技术参数

外形尺寸/mm：1 100×600×750

灭茬深度/mm：230

旋耕深度/mm：280

起垄高度/mm：250

灭茬破碎率/%：98

3.2工作原理

灭茬起垄机主要由牵引连接装置、机架、旋转轴、离合器、螺旋形刀辊、垄沟梳理器、变速箱、分土控制板、刀片、定位轮、调节螺栓、机盖、定位轮调节手柄及升降装置等组成，如图1所示。

1.牵引座　2.机架　3.刀辊　4.刀片

灭茬起垄机基本工作原理：机具工作时，通过与牵引连接座与手扶拖拉机相连，机架上安装有离合器和变速箱，拖拉机的动力输出轴与变速箱的输入轴通过离合器连接；机架的中部安装刀辊的旋转轴，并连接变速箱的输出轴上，在灭茬起垄刀辊总成旋转作用下，完成碎茬和起垄作业；通过机器上分土控制板和调节螺栓可以控制垄的宽度，依靠螺旋形刀辊后端垄沟梳理器修正垄的形状。

4螺旋板建模过程

4.1建立平面和草绘

1)打开CATIA V5，进入“线框和曲面设计”命名“螺旋板”。

2)建立4个平面分别相对XY平面偏移85、85、42.5、42.5mm，把这4个平面分别命名为平面1到平面4；再相对刚建立的平面1偏移42.5mm的距离建立平面5，相对平面2偏移42.5mm建立平面6。

3)进入草绘界面，绘制点，分别进入刚刚建立的6个平面及平面XY绘制点。

4.2绘制样条曲线与扫掠

图2　样条曲线1定义

图3　样条曲线2定义

图4　样条曲线3定义

图5　样条曲线4定义

图6　扫掠定义

图7　完成后形体

4.3建立加强筋刀片安装孔及开槽

图8　旋转定义

图9　旋转槽定义

图10　加强筋和安装孔

4.4螺旋形刀辊组成

螺旋形刀辊主要由轴套(内六角)、螺旋板、和刀片3部分组成。其中，螺旋板是刀辊的核心零件，也是灭茬起垄机的创新之处，其结构示意图和照片如图13～图14所示。

图11　开槽定义

图12　螺旋板三维模型

图13　螺旋型刀辊示意图

图14　螺旋型刀辊实物照片

5结束语

应用CATIA软件对灭茬起垄耕整机进行螺旋板零件的三维实体建模，大大提高了机器的研发速度，缩短了开发周期，产品的设计质量得到明显提高，降低了产品的开发成本。

参考文献：

[1]明哲,权世华.基于CATIA的灭茬起垄机的设计[J].制造业自动化，2014(10):23-25.

[2]贾长治.MD ADAMS虚拟样机从入门到精通[M].北京.北京机械工业出版社,2010.

[3]丁任亮.CATIA V5基础教程[M].北京:机械工业出版社, 2007:214-257.

[4]尤春风.CATIA V5机械设计[M].北京: 清华大学出版社, 2002:30-33.

[5]单岩,谢龙汉. CATIA V5机械设计应用实例[M].北京: 清华大学出版社, 2004:111-125.

Based on CATIA Stubble Ridging Machine of the Spiral Plate Surface Entity Modeling

Shen Huaying， Feng Mingjia， Ding Weidong， Ming Zhe

(Jilin Agricultural Science and Technology University，Jilin 132101, China)

Abstract：Northeast China before the corn crop is grown in China need to root returning stubble crushing, existing tillage machine roller can only stubble stubble cleaning the knife, not ridging, stubble ridging machine was designed and developed. Installed on the machine USES the spiral cutter blade spiral knife roller, depending on whether the device can realize stubble ridging homework done at the same time. CATIA V5 software, this article USES the stubble ridging machine spiral knife roller screw BanDao plate with 3 d modeling, detailed introduced the modeling process and the advantages of using CATIA software, in a shortened the production cycle, improve product quality and reduced has the guiding significance to the low cost of products. The field experiment results show that the machine operating quality conforms to the agronomic requirements,machine structure design is reasonable, the returning of the northeast corn root crop crushing, ridging planting corn provides the technical support.

Key words：stubble ridging machine; CATIA; spiral plate; 3D solid modeling

文章编号：1003-188X(2016)04-0034-05

中图分类号：S222.4

文献标识码：A

作者简介：沈华英(1994-)，男，江西九江人，本科学生，(E-mail)86710849@qq.com。通讯作者：冯明佳(1987-)，女，黑龙江佳木斯人，助教，硕士。

基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目(吉教科合字[2015]第369号)；吉林市科技创新发展计划项目(201424006)；吉林农业科技学院种子基金项目(吉农院合字[2014]第Z06号)；吉林省高等学校大学生创新创业训练计划项目(2014)

收稿日期：2015-04-30