切片机CAD/CAE/CAM一体化设计及3D打印技术的应用

陆天龙，马泽飞，王睿鹏，向　楠，刘　栋北方民族大学，宁夏银川　750021



切片机CAD/CAE/CAM一体化设计及3D打印技术的应用

陆天龙，马泽飞，王睿鹏，向楠，刘栋
北方民族大学，宁夏银川750021

摘要计算机技术在我国工业起到了不可替代的作用，本文通过了计算机辅助设计CAD三维软件对切片机的整体设计，计算机辅助工程CAE对切片机主要零件进行分析，计算机辅助制造CAM对切片机零件进行模拟数控加工，通过一整套的计算机模拟、分析减少了实物实验时材料的浪费。利用3D打印技术打印出切片机精密度高的零件。最后对各零部件进行再次检查，若满足安全使用、生产要求，产品将投入生产。

关键词切片机；CAD/CAE/CAM；3D打印；模拟

切片机是在生活中占有很大比例的机械产品，如：食品切片机、蔬菜切片机、药理切片机、工业切片机等。但是，这些切片类机器主要应用在企业工厂、学校食堂和手工作坊等一些需求量比较大的场合。在家庭中使用存在着体积大、移动不方便、耗电多、成本大、不易操作、功能单一等缺点。本文中介绍的切片机，在设计上考虑到产品装配和维修的机械结构设计问题、怎么提高了精度的结构设计、人机学的结构设计问题。该作品其具有有体积小、移动方便、低耗能、操作方便、机械传动节约资源等优点，很好的解决在家庭中使用的受限的问题。

利用计算机虚拟模拟该产品加工、受力情况可以知道产品的不足以及加工过程中出现的问题，及时改正，减少生产的废品率。

1　整机结构及工作原理及结构设计

家用式切片机采用全有机玻璃做外壳，造型美观，易清理，无毒无害，切片机主要由电机、减速器、切片机构、自动输出料机构、机座等组成，如图1所示。

图1　切片机的CAD的三维建模

电机和减速器通过联轴器连接，通过主动齿轮和从动齿轮间的啮合转动带动切刀的运动，从而实现切片机的功能，切刀与减速器之间通过简单的连杆机构连接，实现了切刀的往复运动，本文所设计的蔬菜切片机所满足的要求如下：

1）若蔬菜的种类不同，采用调节装置，改变刀片的倾角，实现切片时的长度、厚度切片工作速度约60 次/min。

2）切片机在家庭中使用，操作使用方便，所以必须选用机构、简单、轻便。

3）切片机在使用时须保证切片大小，厚度的统一。

4）必须保证使用者的人身安全以及周围环境不受切片机工作影响。

2　主要部件的CAD三维造型及CAE有限元分析

2.1齿轮

齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用功率、速度和尺寸范围大，所以齿轮机构在机械产品中的使用非常广泛，为了使切片机运行稳定从而设计减速器来实现这一要求，通过相关的计算得到减速器上齿轮的参数，然后再通过CAD三维软件绘制出齿轮后，再利用CAM软件对齿轮、最后和其他的零件进行装配，得到减速器。

齿轮的计算：

齿顶高：ha=ha*m

齿根高：hf=（ha*+c*）m

分度圆直径：d=mz

基圆直径：db=dcosα

齿顶圆直径：da=d+2ha

齿根圆直径；df=d-2hf

齿距：p=πm

2.2对刀片进行有限元分析

首先将该刀片和CAE软件关联，创建有限元模型。然后对刀片设计约束条件并施加载荷。接下来进行计算求解及相关进行数据处理并在特殊情况下进行求解。最后对该材料的刀片强度进行校核。

3　零部件的3D打印

3D打印即快速成型现代技术之一，它以数字模型文件作为基础，现在只能运用一些粉末状金属或塑料等可粘合的材料进行打印，然后采用逐层打印、堆积的方式来构造物体的技术。常在模具制造、工业设计等领域

被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的单件小批量、不易直接加工的产品进行直接制造，但3D打印费用较高，在生产过程中还是受到限制。本实验只对切片机的主要零部件进行3D打印。

4　CAM及数控加工

CAM计算机辅助制造的核心是数控。数控技术也是计算机快速发展在工业生产的产物。数控的核心是用计算机来对加工过程中的信息进行处理和控制，从而实现加工过程的自动化。现阶段我国的数控技术与国外仍有很大的差距，主要表现在精确度、稳定性、可靠性等差距。现代工业革命德国工业4.0和中国工业2025很大程度上都对数控加工技术提出了更高的要求。平时在使用数控加工切片机工件时大致分为以下阶段：1）明确一个数控加工的方案，对加工的方式进行大致设计；2）进行工艺处理，用CAM数控加工切片机零部件时，注意使用合理的数控加工工艺从而保证工件的合格率。例如，为了维护数控机床，先用传统机床进行粗加工，再用数控机床进行精加工，这样不但方维护了数控机床的精度，同时也保证了零部件的加工精度；3）进行相应的数学坐标处理，该步骤影响了工件的加工精度，所以必须严肃对待；4）计算各种刀具的运动轨迹信息；5）根据不同的数控机床，使用不同介质，并对相应的程序步骤进行检查。

5　结论

1）通过计算机辅助工具对切片机的零件进行设计装配和模拟加工，避免问题的产生，提高产品设计生产速率、降低了产品研发成本；2）通过CAD三维软件的装配功能可以知道切片机设计的可行性，CAE有限元分析功能解决了主要零件受力情况，通过3D打印技术打印出主要零部件。CAM对切片机零件进行模拟数控加工减少工件材料和能源的消耗，从而可以降低成本。

参考文献

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［2］段建中，王晓阳.SolidWorks机械设计实战教程：有限元分析［M］.北京：电子工业出版社，2009.

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［4］伍咏辉，李爱平，张曙.三维打印成型技术的新发展［M］.北京：机械制造，2005.

［5］胡占齐，杨莉.机床数控技术［M］.北京：机械工业出版社，2007.

中图分类号G2

文献标识码A

文章编号1674-6708（2016）165-0118-01