基于CAD/CAE/CAM技术对气力排种轮的研究

气吹式排种器是一种性能良好的排种方式，排种轮是其关键零件。笔者曾参与研制了气吹式精密播种装置并对排种轮的型孔形式进行了研究，发现椭圆锥型孔的排种杂交水稻的均匀性高，空穴率低。本文以气力排种轮为例，对CAD/CAE/CAM技术进行了初步研究。

　　1 排种轮CAD/CAE/CAM系统组成

　　排种轮CAD/CAE/CAM系统要完成其功能，必须具有硬件系统和软件系统两个方面的保证，其系统组成如图1所示。硬件系统有计算机及其外围设备和加工设备组成，如主机、存储器、输入输出设备和NC机床等;软件系统通常有支程序及相关文档，包括系统软件、支撑软件和应用软件。支撑软件是CAD/CAE/CAM系统的核心，一般包括二维绘图软件(AutoCAD)、数据库管理软件(ORACLE，FOXPRO等)、CAD软件(Pro/E，UG，SOK丁DWORKS，CAXA,CATIA，IDIAS等)、CAE软件(ANSYS，NASTRAN,ABAQUS,ADINA，SAP等)、CAM软件(UG,MasterCAM,Pro/E，CATIA，CIMATRON等)。在本项研究中，排种轮CAD软件采用Pro/E，CAE软件采用ANSYS,CAM软件采用MasterCAM。

　　2 排种轮CAD/CAE/CAM技术应用

　　2.1 排种轮的计算机辅助设计(CAD)

　　采用Pro/E软件进行排种轮的CAD设计。该软件是美国PTC公司1989年开发的三维CAD/CAF/CAM软件，尤其以其强大的CAD功能著称。它以单一数据、参数化、基于特征、全相关性和工程数据再利用等改变了传统的工程设计理念，是非常普及的一个系统。

　　笔者设计制造的气力播种试验装置基本结构，如图2所示。

　　排种轮主要参数为:椭圆锥型孔锥角50°，孔深lOmm;椭圆展开图大端长轴19.3mm,短轴13.3mm;推种槽宽1.5mm,深2mm;每周共有10个型孔均匀分布在外径为106mm的排种轮上。采用Pro/E软件建立排种轮的3D模型，如图3所示范。

　　2.2排种轮的计算机辅助工程(CAE)

　　CAE的核心技术是有限元理论和数字计算方法，用计算机辅助求解复杂工程和产品的力学性能及结构性能的优化设计等问题。采用ANSYS软件对排种轮进行CAF分析，该软件由美国ANSYS公司于1970年研究开发，是一个融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS分析工程问题的基本流程包括前置处理、解题程序和后置处理等。

　　为了对排种轮进行CAE分析，先将Pro/E建立的3D几何模型导入CAE软件ANSYS,单元类型采用SOLIDE45 3D结构实体单元，如图4所示(为六面体8节点单元，可退化为三棱柱6节点或四面体4节点单元)。适当控制网络等级，采用自由网格划分方法，最后建立的排种轮有限元模型如图5所示。其共具有22091个节点和93758个元素。结合材料特性、几何条件、外力和边界条件等可以对排种轮进行相关的CAE分析、计算和优化设计，以提高产品性能，缩短设计周期。

　　2.3 排种轮的计算机辅助制造(CAM)

　　广义的CAM指利用计算机辅助完成从生产准各到产品制造整个过程的活动，而狭义的CAM通常指数控(NC)加工，其输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。由于普通机床难以加工排种轮的椭圆锥型孔，考虑用数控机床(或加工中心)进行加工，采用CAM软件MasterCAM进行NC编程。

　　MasterCAM软件是美国CNC Sofitware INC公司1981年所研制开发的CAD/CAM系统，特别以其强大的CAM加工功能闻名于世，是工业界和学校广泛采用的软件系统。MasterCAM可以直接读取Pro/E建立的排种轮3D实体模烈。设定毛坯大小及其中心与系统坐标系原点重合，工艺分析采用粗精铣削加工。

　　编制的刀具路径如下:

　　型孔曲面挖槽粗加工(M4.40 平刀)—曲面等高外形精加工(M4.40平刀)—刀具路径复制平移—曲面流线精加工(M.400平刀)—刀具路径复制平移—曲面流线精加工(M2.00平刀)—刀具路径复制平移—螺旋式渐降斜插外形铣削(M1.00平刀〕—刀具路径复制平移。

　　这样就可以完成轴向一排椭圆锥型孔的加工;通过分度头的分度，即可以完成加工周向多排孔。

　　3 结论

　　本文分别利用CAD，CAE，CAM软件建立了排种轮的3D实体模型、有限元模型和数控加工编程，以此为例说明了CAD/CAE/CAM技术在农机设计制造中的应用。事实表明，这些技术将成为今后研究农业机械问题的重要方法。