典型农机具三维实体模型库建设_三维模型库
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典型农机具三维实体模型库建设
唐茜 郭辉 韩长杰 杨宛章（新疆农业大学机械交通学院）
摘要：农业机械学课程是农业机械化专业及农业机械设计、制造专业的主要专业课程。典型农机具三维实体模型库的建立对提高农业机械学课程的教学质量有较大的辅助作用。典型农机具三维实体模型库建设目标是使用SolidWorks软件建立各种典型农机具的三维实体模型，然后使用CosmosWorks软件对实体模型进行运动模拟及受力分析，最终将三维实体模型及其运动分析结果应用到教学当中以提高农业机械学课程的教学水平。
关键词：课程
三维仿真技术
引言：农业机械是机械工程学科中的一个大门类，它与其他通用机械有许多不同之处。农业机械学的研究领域主要是根据农业生产的实际需要、自然条件等，利用机械动力学、控制论及优化设计、随机过程、可靠性设计、机械设计及理论等研究农业机械的理论、结构、设计、试验和应用等问题。农业机械学是一门讲述常用农业机械基本构造、工作原理、理论分析及设计计算等内容的专业课程。是农业机械化及其自动化专业和机械设计制造及其自动化专业的主干课程，通过学习，使同学们能够掌握典型农业机械的基本知识，为今后从事农机化事业或其他农业工程工作打下坚实的理论基础。农业机械学是一门实践性很强的专业课程，必要的典型结构认识与关键零部件的运动规律是使学生理解和掌握课堂授课内容的重要手段。
一、典型农机具三维实体模型库建设的必要性
农业机械化及其自动化是新疆农业大学重点建设学科之一，农业机械学是本专业的主干课程。近些年，由于课时不断压缩，大量的结构试验课被压缩，学生对各种农机具的认识只能通过认识实习、春耕实习来进行，而这些实习只能使学生了解到各种农机具的外表结构形式，对于农机具的主要工作部件的结构及工作原理、运动形式、动作方式等都无从了解。这样就使得我们的学生毕业后只能学到一些表象的知识，而对于知识的运用能力就有所欠缺，这一点在学生的毕业设计当中就表现的十分突出，很多学生对于一些相通的、类似的机构就无从下手。比如说有一个学生在设计吊篮移栽机的打穴装置时，就是想象不出打穴装置的运动是如何实现的（打穴装置要求鸭嘴在转动过程当中始终保持方向一致），其实该装置的结构形式与拨禾轮的结构形式类似，运动方式也相同。就是因为在上课时学生无法清楚机构的内部结构以及机构的具体动作过程。类似的问题还有很多。
在农业机械学课程授课过程中，需要有大量的结构教学来使学生了解各种农机具的工作原理及复杂机构的运动规律。而现在，农业机械学的教学课时少，使学生没有足够的时间来进行机械结构的试验课程，因此我们就利用各种机构的三维实体模型贯穿到课程讲授的各个环节。
三维实体模型在使用时，能够对其任意位置进行平面剖切，来表达任意截面的内部构造。同时，还可利用机构的三维模型进行运动仿真授课，这样就能够简单明了的表达清楚复杂机构当中的各零部件的运动关系，同时，还能利用相关软件将各关键构件的运动学、动力学的分析结果以视频图像形式直观表达。通过这种手段，就可以在有限的教学课时内使学生尽可能多的了解各种常用农业机械设备的结构及运动分析。
为保证授课内容的丰富、全面、直观，农业机械学科组的各位教师采用了各种方法，并使用多媒体教学代替了传统的黑板授课。但是，农业机械内容丰富，典型的机构工作、运动原理复杂，现有的多媒体视频及图片都不能详细的表达机械零部件的内部结构，更无法准确表达结构相关零部件之间的关系，部分复杂零部件通过拆装实习，学生仅是认识了其外观结构，而无法对运动关系、运动规律认识透彻。
因此，我们真正需要的是能够完整表达各种机具的主要工作部件的详细结构、运动关系，运动规律的三维实体模型来进行授课，该模型必须与机具的实物模型相一致，能够反映出实物的内部结构——零部件之间的装配、运动关系，能够从不同视角对模型进行观察，模型各零部件之间的运动关系应当与实物的相一致，模型的运动模拟、动力学分析应当与实物的运动、受力情况相一致，简单的说就是模型的各种状态、参数应当与实物完全一致，这样才能够保证在授课过程中能够完全贴近真实机具。
二、典型农机具三维实体模型库的建设
建立典型农机具三维实体模型库的软件平台是SolidWorks三维设计软件，该软件简单易用，在学生的三维实体造型课程当中也是使用该软件，该软件在学生当中也具有一定的基础。在机具的三维实体模型建立完成后，使用CosmosWorks软件对实体模型进行运动模拟，并得到模型上指定点的运动速度曲线及加速度曲线，以便对机具特殊点位置的运动、受力分析。
1、机具三维实体模型建立的一般步骤
（1）对所需建立实体模型的机具进行结构分析，将其拆解围若干独立的部分；
（2）对各独立的部分进行拆分，分解为最小的单元——零件，然后建立零件的三维实体模型；
（3）将完成的零件实体模型进行虚拟装配，完成独立部件的装配，然后将各相对独立的部分再结合成机具整机。
机具模型的建立如图1所示：
图1 拨禾轮模型
2、机具实体模型运动模拟的一般步骤
（1）首先设定个零部件之间的运动关系，如图2所示：
图2 零部件间运动关系的设定
（2）根据零部件的运动特征设定运动模拟所需的相关运动参数，如图3所示：
图3 零部件运动参数的设定
（3）设定完零部件的运动参数后就可以进行运动模拟了，使用者可以根据需要在运动模拟的过程中显示出指定点处的运动、加速度等曲线图，如图4所示：
图4 运动模拟图
图4是联合收割机中切割器装置的运动模拟图，其中的曲线图就是切割器动刀顶尖处的加速度图（上）和速度图（下），在模拟运动时，速度图和加速度图中的指针可以实时指示指定点处的速度和加速度值。
三、结束语
典型农机具三维模型库在教学中的应用，使学生更好的理解和掌握农业机械一些关键复杂机构的装配关系、运动关系以及不同时刻各部件所具有的速度加速度等关系。尤其是在给农学系的同学上课时，由于他们对机械方面的知识了解甚少，以前给他们上课往往要对某个机具、部件解释很长时间，学生也不一定能够理解，尤其涉及到机构的运动时更是如此，现在使用三维实体模型进行讲解，学生很容易明白各种机具的结构，利用三维模型模拟机构的运动学生更是一目了然。
目前农业机械化发展迅速，各种新型农机具不断涌现，为了能够使农业机械类课程紧跟农业机械化的最新发展，我们需要不断地补充最新型农机具的三维实体模型，这样才能使学生及时深入了解现在农业机械化发展的最新动态。
参考文献
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郭辉，男，副教授，主要从事农业机械工程专业的教学和研究工作。
韩长杰，男，讲师，主要从事农业机械工程专业的教学和研究工作。
杨宛章，男，教授，主要从事农业机械工程专业的教学和研究工作。
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