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摘要：打破了传统的设计方法，利用SolidWorks软件的虚拟设计功能，在SolidWorks环境中设计了集开垄、移栽、浇水、覆土、铺膜于一体的多功能烟苗移栽机整体结构，介绍了由零件建模、部件装配到装配检测的整个设计过程。通过虚拟设计，使样机的试制节省了成本，提高了工作效率。样机的田间试验结果，验证了虚拟设计方法的可行性。
关键词：SolidWorks；虚拟设计；烟苗移栽机；多功能；结构设计
中图分类号： S223.99文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）04-0191-03
一直以来，国内外的烟草种植一直沿用手工和简单农具相结合的方式，劳动强度高，种植效率低。随着烟草公司大力发展规模化种植，烟田集中度逐步增加，为高效率烟草农业机械的使用提供了前提条件[1]。目前，随着农民工进城数量的增加，人均种植面积增大，烟草种植机械化更是势在必行。目前，国内外市场上的移栽机较少，价格过高，超出农民购买能力，或自动化程度不高，工作效率、移栽质量较低。鉴于农机市场的需求和现状，从烟苗移栽要求和用户建议出发，应用SolidWorks软件的虚拟设计功能[2]，设计了集仿形、开垄、投苗、栽植、浇水、铺膜于一体的自动烟苗移栽机。
[WTHZ]1SolidWorks虚拟设计的特点
1.1SolidWorks软件简介
SolidWorks是世界上第一个基于windows平台的机械设计软件，采用了参数化、特征造型技术，可以方便快捷地创建任何复杂的实体零件，迅速组成装配体及灵活的生成工程图，设计过程可全部编辑，零件设计、装配设计和工程图之间是全相关的，同时还可以进行装配体干涉检查、碰撞检查功能及有限元分析、动态仿真等特性，不只是简单的三维建模工具，而是一款高度集成的CAD/CAE/CAM一体化软件，为工程设计人员提供了功能强大的虚拟工作平台，因此，在产品研发过程中得到广泛应用。
1.2虚拟设计的特点
虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计，主要表现在设计者可以用不同的交互手段在虚拟环境中对参數化的模型进行修改。就设计而言，传统设计的所有设计工作都是针对物理原型或概念模型展开的，而虚拟设计所有的设计工作都是围绕虚拟原型展开的，只要虚拟原型能达到设计要求，则实际产品就能达到设计要求。虚拟设计在产品开发中的应用主要有虚拟零件设计、虚拟装配设计，虚拟零件设计是根据产品的设计方案，构思零件的基本形状，但形状与精确尺寸没有最后确定，随时可以根据需要进行变更，是生成、修改、查看零件的设计过程。虚拟装配设计可以使产品在设计过程就考虑制造装配环节的影响，能够设计零件设计是否符合装配性，是否满足产品整体设计要求，找到零件设计中存在的问题并及时修改。通过虚拟设计，不仅能够缩短设计周期，提高工作效率，还有效解决了关键结构技术难题。
1.3虚拟设计的工作流程
结合烟苗移栽的农艺、移栽机田间作业要求，提出了移栽机的整体设计方案和各功能部件的结构设计思路，运用SolidWorks软件的设计功能，完成了产品的零件建模及部件、整机的虚拟装配，通过装配检测，修改调整设计方案。工作流程见图1。
2移栽机的虚拟结构设计
2.1移栽机的总体设计方案
移栽机在田间作业时，要完成行走、浇水、移栽、铺膜等系列动作，同时还要保证系列动作的一致性，因此在设计时，按照烟苗移栽机功能将总体结构分为5个设计模块，模块包括行走机构、浇水机构、移栽机构、铺膜机构和使系列功能于一体的传动机构。移栽机拖挂在拖拉机上，行走机构支承着移栽机，维持移栽机的水平平衡状态，控制秧苗移栽深度；移栽机构完成开垄、放苗、落苗、覆土的整个移栽过程。移栽株距由变速箱控制，变速箱可实现5级变速传动比，达到移栽株距可在40～60 cm之间调节。浇水系统和移栽机构在移栽过程中，要保持二者的同步性，同时浇水量能够根据实际情况实现大小可调；铺膜机构的铺膜架与机架相连，为铺膜机构提供动力，铺膜开沟梨、压膜轮和封土轮的位置可调，能够达到对不同宽幅的薄膜进行铺膜；移栽机采用链传动机构，地轮通过链传动为栽苗机构和浇水机构提供动力。
2.2部件机构零件建模
Solidwork作为机械设计自动化软件[3]，造型方式实际上是基于实际加工的制作过程及模型铸造过程。按照设计要求，通过以草图的形体和尺寸为依据，运用SolidWorks软件的拉伸、旋转、扫描、放样等基础特征和切除、圆角、倒角、钻孔等附加特征等功能，完成各机构的零部件的三维建模。在建模过程中，尽量减少各特征之间的父子关系，为后续设计的优化奠定基础。对于含有标准结构的零件，如变速箱齿轮，若采用正常的零件建模方式，仅草图绘制就是一项很困难的事情，有时还有失准确。因此，齿轮零件建模时，利用了SolidWorks中的Toolbox零件库，仅设置了模数、齿数、轴径、面宽等齿轮零件相关参数，即得到了想要的齿轮造型。具体步骤，首先新建1个装配体文件，在特征管理器设计树的顶部单击Toolbox，打开Toolbox对话框，选取GB下的动力传动零件分类，指定零件项目为齿轮，选取正齿轮按住鼠标左键将其拖到视图绘制窗口，此时系统显示正齿轮对话框，在对话框中输入齿轮设计参数（图3），确定后齿轮即插入到当前装配体文件中。单击设计树齿轮，在弹出的快捷菜单中单击打开零件，进入齿轮零件的编辑界面，采用另存为的方法，命名零件变速箱一档齿轮.sldprt，完成了齿轮的建模。如果局部结构有变化，可随时在打开的齿轮零件中，运用拉伸、旋转等命令修改齿轮结构。运用Toolbox零件库，不仅可准确完成移栽机构中变速箱齿轮的设计[4]，而且大大缩短了设计时间，减少了设计工作量。
2.2部件与总体装配
SolidWorks的装配设计方法有2种，自下而上、自上而下设计，本次设计采用自下而上设计方法。首先生成零件并将其插入装配体，然后根据要求配合零件。其优点为配合的零件是独立设计的，需要修改配合零件的特征和尺寸时，可以直接在相关文件中修改，系统将零件的编辑操作作用于装配体中，保持了设计的意图和连贯性。移栽机构中株距由齿轮变速箱控制，配苗、放苗机构应用了棘轮、万向节的结构，浇水机构运用了凸轮结构，因此各部件装配中，充分利用了SolidWorks装配环境下的高级配合、机械配合功能，装配各机构部件。为保证总体装配要求和装配体功能，在定位零部件时，及时运用移动零部件、旋转零部件等工具，验证零件自由度的运动为装配体所需。 2.2.1行走机构
从图4可以看出，行走机构由地轮、机架、升降液压缸、可调镇压轮4部分组成。地轮支承着移栽机的前端，保持移栽机的水平平衡状态；升降液压缸通过液压控制，可实时调节机架的高度，实现对秧苗移栽深度的调节；可调镇压轮能实现对移栽秧苗周边土壤压实程度的调节。
[CM（26]2.2.2移栽机构
垄，移栽苗放置在放苗盘上，由操作人员将苗放在配苗盘的苗杯中，苗杯转到与导苗管对齐的位置时，苗杯盖打开，秧苗在重力作用下沿导苗管落入垄沟。配苗作业由曲柄摇杆机构和棘轮机构控制，曲柄摇杆机构将分力轴水平方向的旋转运动转化为绕竖直轴向摇摆运动。摇摆运动通过棘轮机构实现竖轴线的间歇旋转运动，带动配苗机构做间歇旋转运动，进而实现配苗作业完成秧苗的定距离移栽。移栽的株距由变速箱控制，变速箱由1个定轮、5个变轮和1个中间轮组成，改变变速箱的档位，可以实现株距在40～60 cm之间的调节。
2.2.3浇水机构
为保证移栽秧苗的成活率，移栽机设置了
浇水机构。浇水机构由凸轮机构、浇水阀、水箱组成，水箱放置在拖拉机上，凸轮机构安装在分力轴上，它由2片凸轮组成，调整2片凸轮的相对位置，可以改变凸轮凸起部分的大小，继而可以控制浇水时间。当凸起部分较小时，由凸轮控制的浇水阀打开的时间较短，浇水量减少；反之，浇水量增加。
2.2.4总体结构
烟草移栽机总体结构见图6。各机构固定安放在方钢焊接的机架上。移栽机在非作业时通过悬挂架悬挂在拖拉机后，作业时放置下移栽机，使地轮与地面接触，在拖拉机的带动下，依次完成地轮行走、秧苗开沟犁（扩口器）开垄、浇水阀打开浇水、棘轮机构、配苗机构实施放苗、镇压轮覆土以及由铺膜开沟犁、铺膜架、薄膜转轴、薄膜、压膜轮完成的铺膜工作，实现了浇水、移栽、铺膜一体化的移栽作业。各机构的同步性由传动机构保证。地轮通过链传动带动变速箱，变速箱的5级变速实现株距控制功能；移栽变速箱输出轴通过链传动传递动力给分力轴，栽苗机构的曲柄摇杆和浇水机构的凸轮与分力轴连接，同时获得分力轴的动力，使配苗机构和浇水同步完成。
2.4装配检测分析
在SolidWorks中，装配完成后，可以使用检测工具检测装配体各个零部件装配后的正确性和装配信息等。常用的检测工具有干涉检查（图7）和间隙验证。在机械设计中干涉检查是一个重要的环节，是避免设计失败的有效工具。在移栽机装配体的干涉检查中，共检测到100多处的干涉部位，对干涉部位逐一分析，忽略了对整机结构没有影响的干涉，對关键部位配合的干涉如浇水机构阀缸和浇水阀、曲柄摇杆的零件间的干涉，通过调节装配和修改零件建模尺寸的方法，消除了干涉现象。同时对装配体的活动部件进行了碰撞检查和动态
4结论
本次设计运用了虚拟设计的方法，在SolidWorks软件首先完成了各部件的零件建模，然后虚拟装配，通过装配体检测功能检测各个部件的工作性能，从而节约了试制成本，缩短了优化设计周期，提高了工作效率。样机的试验成功证实了此方法的可行性。
参考文献：
[1]黄伟华. 烟草移栽机国内外同类研究现状与发展趋势[J]. 中国科技信息，2011（18）：90-91.
[2]秦伟桦，王龙飞，王万章，等. 烟草旋转育苗机虚拟样机设计研究[J]. 农机化研究，2014（1）：144-147，151.
[3]赵建国，李怀正. SolidWorks三维设计及工程图应用[M]. 北京：电子工业出版社，2012.
[4]曹岩，李建华. SolidWorks产品设计实例精解[M]. 北京：机械工业出版社，2004.
关键词：SolidWorks；虚拟设计；烟苗移栽机；多功能；结构设计
中图分类号： S223.99文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）04-0191-03
一直以来，国内外的烟草种植一直沿用手工和简单农具相结合的方式，劳动强度高，种植效率低。随着烟草公司大力发展规模化种植，烟田集中度逐步增加，为高效率烟草农业机械的使用提供了前提条件[1]。目前，随着农民工进城数量的增加，人均种植面积增大，烟草种植机械化更是势在必行。目前，国内外市场上的移栽机较少，价格过高，超出农民购买能力，或自动化程度不高，工作效率、移栽质量较低。鉴于农机市场的需求和现状，从烟苗移栽要求和用户建议出发，应用SolidWorks软件的虚拟设计功能[2]，设计了集仿形、开垄、投苗、栽植、浇水、铺膜于一体的自动烟苗移栽机。
[WTHZ]1SolidWorks虚拟设计的特点
1.1SolidWorks软件简介
SolidWorks是世界上第一个基于windows平台的机械设计软件，采用了参数化、特征造型技术，可以方便快捷地创建任何复杂的实体零件，迅速组成装配体及灵活的生成工程图，设计过程可全部编辑，零件设计、装配设计和工程图之间是全相关的，同时还可以进行装配体干涉检查、碰撞检查功能及有限元分析、动态仿真等特性，不只是简单的三维建模工具，而是一款高度集成的CAD/CAE/CAM一体化软件，为工程设计人员提供了功能强大的虚拟工作平台，因此，在产品研发过程中得到广泛应用。
1.2虚拟设计的特点
虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计，主要表现在设计者可以用不同的交互手段在虚拟环境中对参數化的模型进行修改。就设计而言，传统设计的所有设计工作都是针对物理原型或概念模型展开的，而虚拟设计所有的设计工作都是围绕虚拟原型展开的，只要虚拟原型能达到设计要求，则实际产品就能达到设计要求。虚拟设计在产品开发中的应用主要有虚拟零件设计、虚拟装配设计，虚拟零件设计是根据产品的设计方案，构思零件的基本形状，但形状与精确尺寸没有最后确定，随时可以根据需要进行变更，是生成、修改、查看零件的设计过程。虚拟装配设计可以使产品在设计过程就考虑制造装配环节的影响，能够设计零件设计是否符合装配性，是否满足产品整体设计要求，找到零件设计中存在的问题并及时修改。通过虚拟设计，不仅能够缩短设计周期，提高工作效率，还有效解决了关键结构技术难题。
1.3虚拟设计的工作流程
结合烟苗移栽的农艺、移栽机田间作业要求，提出了移栽机的整体设计方案和各功能部件的结构设计思路，运用SolidWorks软件的设计功能，完成了产品的零件建模及部件、整机的虚拟装配，通过装配检测，修改调整设计方案。工作流程见图1。
2移栽机的虚拟结构设计
2.1移栽机的总体设计方案
移栽机在田间作业时，要完成行走、浇水、移栽、铺膜等系列动作，同时还要保证系列动作的一致性，因此在设计时，按照烟苗移栽机功能将总体结构分为5个设计模块，模块包括行走机构、浇水机构、移栽机构、铺膜机构和使系列功能于一体的传动机构。移栽机拖挂在拖拉机上，行走机构支承着移栽机，维持移栽机的水平平衡状态，控制秧苗移栽深度；移栽机构完成开垄、放苗、落苗、覆土的整个移栽过程。移栽株距由变速箱控制，变速箱可实现5级变速传动比，达到移栽株距可在40～60 cm之间调节。浇水系统和移栽机构在移栽过程中，要保持二者的同步性，同时浇水量能够根据实际情况实现大小可调；铺膜机构的铺膜架与机架相连，为铺膜机构提供动力，铺膜开沟梨、压膜轮和封土轮的位置可调，能够达到对不同宽幅的薄膜进行铺膜；移栽机采用链传动机构，地轮通过链传动为栽苗机构和浇水机构提供动力。
2.2部件机构零件建模
Solidwork作为机械设计自动化软件[3]，造型方式实际上是基于实际加工的制作过程及模型铸造过程。按照设计要求，通过以草图的形体和尺寸为依据，运用SolidWorks软件的拉伸、旋转、扫描、放样等基础特征和切除、圆角、倒角、钻孔等附加特征等功能，完成各机构的零部件的三维建模。在建模过程中，尽量减少各特征之间的父子关系，为后续设计的优化奠定基础。对于含有标准结构的零件，如变速箱齿轮，若采用正常的零件建模方式，仅草图绘制就是一项很困难的事情，有时还有失准确。因此，齿轮零件建模时，利用了SolidWorks中的Toolbox零件库，仅设置了模数、齿数、轴径、面宽等齿轮零件相关参数，即得到了想要的齿轮造型。具体步骤，首先新建1个装配体文件，在特征管理器设计树的顶部单击Toolbox，打开Toolbox对话框，选取GB下的动力传动零件分类，指定零件项目为齿轮，选取正齿轮按住鼠标左键将其拖到视图绘制窗口，此时系统显示正齿轮对话框，在对话框中输入齿轮设计参数（图3），确定后齿轮即插入到当前装配体文件中。单击设计树齿轮，在弹出的快捷菜单中单击打开零件，进入齿轮零件的编辑界面，采用另存为的方法，命名零件变速箱一档齿轮.sldprt，完成了齿轮的建模。如果局部结构有变化，可随时在打开的齿轮零件中，运用拉伸、旋转等命令修改齿轮结构。运用Toolbox零件库，不仅可准确完成移栽机构中变速箱齿轮的设计[4]，而且大大缩短了设计时间，减少了设计工作量。
2.2部件与总体装配
SolidWorks的装配设计方法有2种，自下而上、自上而下设计，本次设计采用自下而上设计方法。首先生成零件并将其插入装配体，然后根据要求配合零件。其优点为配合的零件是独立设计的，需要修改配合零件的特征和尺寸时，可以直接在相关文件中修改，系统将零件的编辑操作作用于装配体中，保持了设计的意图和连贯性。移栽机构中株距由齿轮变速箱控制，配苗、放苗机构应用了棘轮、万向节的结构，浇水机构运用了凸轮结构，因此各部件装配中，充分利用了SolidWorks装配环境下的高级配合、机械配合功能，装配各机构部件。为保证总体装配要求和装配体功能，在定位零部件时，及时运用移动零部件、旋转零部件等工具，验证零件自由度的运动为装配体所需。 2.2.1行走机构
从图4可以看出，行走机构由地轮、机架、升降液压缸、可调镇压轮4部分组成。地轮支承着移栽机的前端，保持移栽机的水平平衡状态；升降液压缸通过液压控制，可实时调节机架的高度，实现对秧苗移栽深度的调节；可调镇压轮能实现对移栽秧苗周边土壤压实程度的调节。
[CM（26]2.2.2移栽机构
垄，移栽苗放置在放苗盘上，由操作人员将苗放在配苗盘的苗杯中，苗杯转到与导苗管对齐的位置时，苗杯盖打开，秧苗在重力作用下沿导苗管落入垄沟。配苗作业由曲柄摇杆机构和棘轮机构控制，曲柄摇杆机构将分力轴水平方向的旋转运动转化为绕竖直轴向摇摆运动。摇摆运动通过棘轮机构实现竖轴线的间歇旋转运动，带动配苗机构做间歇旋转运动，进而实现配苗作业完成秧苗的定距离移栽。移栽的株距由变速箱控制，变速箱由1个定轮、5个变轮和1个中间轮组成，改变变速箱的档位，可以实现株距在40～60 cm之间的调节。
2.2.3浇水机构
为保证移栽秧苗的成活率，移栽机设置了
浇水机构。浇水机构由凸轮机构、浇水阀、水箱组成，水箱放置在拖拉机上，凸轮机构安装在分力轴上，它由2片凸轮组成，调整2片凸轮的相对位置，可以改变凸轮凸起部分的大小，继而可以控制浇水时间。当凸起部分较小时，由凸轮控制的浇水阀打开的时间较短，浇水量减少；反之，浇水量增加。
2.2.4总体结构
烟草移栽机总体结构见图6。各机构固定安放在方钢焊接的机架上。移栽机在非作业时通过悬挂架悬挂在拖拉机后，作业时放置下移栽机，使地轮与地面接触，在拖拉机的带动下，依次完成地轮行走、秧苗开沟犁（扩口器）开垄、浇水阀打开浇水、棘轮机构、配苗机构实施放苗、镇压轮覆土以及由铺膜开沟犁、铺膜架、薄膜转轴、薄膜、压膜轮完成的铺膜工作，实现了浇水、移栽、铺膜一体化的移栽作业。各机构的同步性由传动机构保证。地轮通过链传动带动变速箱，变速箱的5级变速实现株距控制功能；移栽变速箱输出轴通过链传动传递动力给分力轴，栽苗机构的曲柄摇杆和浇水机构的凸轮与分力轴连接，同时获得分力轴的动力，使配苗机构和浇水同步完成。
2.4装配检测分析
在SolidWorks中，装配完成后，可以使用检测工具检测装配体各个零部件装配后的正确性和装配信息等。常用的检测工具有干涉检查（图7）和间隙验证。在机械设计中干涉检查是一个重要的环节，是避免设计失败的有效工具。在移栽机装配体的干涉检查中，共检测到100多处的干涉部位，对干涉部位逐一分析，忽略了对整机结构没有影响的干涉，對关键部位配合的干涉如浇水机构阀缸和浇水阀、曲柄摇杆的零件间的干涉，通过调节装配和修改零件建模尺寸的方法，消除了干涉现象。同时对装配体的活动部件进行了碰撞检查和动态
4结论
本次设计运用了虚拟设计的方法，在SolidWorks软件首先完成了各部件的零件建模，然后虚拟装配，通过装配体检测功能检测各个部件的工作性能，从而节约了试制成本，缩短了优化设计周期，提高了工作效率。样机的试验成功证实了此方法的可行性。
参考文献：
[1]黄伟华. 烟草移栽机国内外同类研究现状与发展趋势[J]. 中国科技信息，2011（18）：90-91.
[2]秦伟桦，王龙飞，王万章，等. 烟草旋转育苗机虚拟样机设计研究[J]. 农机化研究，2014（1）：144-147，151.
[3]赵建国，李怀正. SolidWorks三维设计及工程图应用[M]. 北京：电子工业出版社，2012.
[4]曹岩，李建华. SolidWorks产品设计实例精解[M]. 北京：机械工业出版社，2004.