劉 靜，詹琦平，曾令亮，曹盛利

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

1 引 言

每年11月左右，為了防止蟲害和凍傷，園林工人需為樹木刷上石灰藥液，俗稱“涂白”。目前刷樹工作沒(méi)有專用機(jī)器,只能采用手工涂刷的方法，工作效率低，完成這項(xiàng)工作需耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。為了提高“涂白”工作效率，減輕園林工人勞動(dòng)強(qiáng)度，本項(xiàng)目研究一種四自由度樹干噴涂機(jī)，由機(jī)械手完成施藥動(dòng)作，能夠?qū)π螤罡鳟惖臉涓蛇M(jìn)行藥液噴涂，操作簡(jiǎn)單、噴涂均勻、靈活性強(qiáng)、效率高，可適用于城市、鄉(xiāng)村大部分的樹木。

2 四自由度樹干噴涂機(jī)的工作原理

四自由度樹干噴涂機(jī)是一種可以實(shí)現(xiàn)噴液和涂刷相結(jié)合的專用涂白機(jī)器。整機(jī)由底座、機(jī)械手、供液裝置和控制部分等組成。如圖1所示，機(jī)械手1模擬人的雙手將樹干環(huán)抱，水泵9抽取石灰藥液，從水箱10經(jīng)水管流入機(jī)械手，由均勻分布在機(jī)械手內(nèi)的小孔噴出。為適應(yīng)形狀各異的樹木，機(jī)械手設(shè)計(jì)有4個(gè)自由度，可上下移動(dòng)、水平張合移動(dòng)、前后擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。由電機(jī)11通過(guò)卷筒和鋼絲繩帶動(dòng)機(jī)械手1水平張合移動(dòng)；電機(jī)3驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)2，帶動(dòng)機(jī)械手上下移動(dòng)；液壓缸5、活塞4、機(jī)械手支撐桿6、機(jī)架7構(gòu)成搖塊機(jī)構(gòu)，使機(jī)械手前后擺動(dòng)；蝸桿傳動(dòng)8帶動(dòng)機(jī)械手左右擺動(dòng)。

圖1 四自由度樹干噴涂機(jī)工作原理示意圖1.鏈條 2.鏈傳動(dòng) 3.電機(jī) 4.活塞 5.液壓缸 6.支撐桿 7.機(jī)架 8. 蝸桿傳動(dòng) 9.水泵 10.水箱 11.電機(jī)

3 四自由度樹干噴涂機(jī)主要零件三維建模

四自由度樹干噴涂機(jī)的三維建模主要包括車體、機(jī)械手、鏈傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)的建模、各軸的建模和輔助零件的建模。其中鏈傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)的建模是難點(diǎn)，下面主要以蝸桿傳動(dòng)為例，在Pro/E軟件中進(jìn)行蝸輪的三維參數(shù)化建模[1]。其主要步驟如下。

(1) 蝸輪的畫法和直齒輪畫法類似:先進(jìn)入草繪模式繪制分度圓，完成后再在同一平面繪制漸開線，具體方法是“插入”-“模型基準(zhǔn)”-“曲線” > “從方程”，在彈出的rel.ptd記事本中輸入蝸輪的漸開線方程，繪制出該蝸輪的漸開線。

(2) 利用“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“剪切”、“陣列”等命令繪制蝸輪的齒形。

(3) 使用Pro/E強(qiáng)大的參數(shù)化建模功能，在“參數(shù)”下修改蝸輪的基本參數(shù)后(如模數(shù)、齒數(shù)等)，然后點(diǎn)擊“再生”就可以產(chǎn)生新的蝸輪模型。其結(jié)果如圖2所示。

4 四自由度樹干噴涂機(jī)虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真

Pro/E Wildfire的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊Mechanism可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真,該模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的定義,使機(jī)構(gòu)中的零件移動(dòng)以及對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析研究?？山⒘慵g的連接及裝配的自由度,對(duì)輸入軸添加相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng)，在分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以觀察和記錄分析過(guò)程的一些參數(shù),如位置、力、速度等[2]。

虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真主要要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：創(chuàng)建模型—檢測(cè)模型—添加驅(qū)動(dòng)器—分析模型—獲得結(jié)果。

4.1 創(chuàng)建模型

虛擬裝配就是利用零部件的鏈接關(guān)系建立裝配。進(jìn)行零件裝配時(shí)最重要的步驟就是對(duì)零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。在Pro/E中建立裝配關(guān)系是用貼合、平面和基準(zhǔn)面對(duì)齊、坐標(biāo)系各個(gè)軸相互對(duì)齊等約束命令將所有的零部件按要求裝配在一起[3]。

在對(duì)噴涂機(jī)進(jìn)行虛擬裝配時(shí),需對(duì)其裝配層次、約束關(guān)系等進(jìn)行分類和定義,按照零部件間的設(shè)計(jì)邏輯依附關(guān)系來(lái)確定模型的父子關(guān)系, 先將車體部分、機(jī)械手支架部分和機(jī)械手部分的各個(gè)零件裝配好，再進(jìn)行總裝。基本連接關(guān)系生成以后，根據(jù)實(shí)際需要，還要添加生成一些特殊連接，比如齒輪副連接等。例如蝸桿傳動(dòng)中，除了定義銷釘連接外，還需添加齒輪副連接，齒輪副連接可約束兩個(gè)連接軸的速度，可以直接指定齒數(shù)比而不必創(chuàng)建新的齒輪。添加好約束的三維模型圖如圖3所示。

圖2 蝸輪的三維建模 圖3 添加好約束的三維模型圖

4.2 檢測(cè)模型

創(chuàng)建模型后,使用“機(jī)構(gòu)”(Mechanism)-“連接”(Connect) 命令可運(yùn)行組件分析。以交互方式拖動(dòng)主體，使用拖動(dòng)方法研究機(jī)構(gòu)移動(dòng)方式的一般特性以及主體可到達(dá)的位置范圍，可以檢驗(yàn)之前定義的連接是否能產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動(dòng)[4]。

4.3 添加驅(qū)動(dòng)器

創(chuàng)建模型并確保其連接正確后，即可添加伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)模型，以便在不考慮所需力的情況下或在不考慮主體間干涉的情況下滿足指定的位置、速度或加速度要求。

4.4 分析模型

使用“分析定義”，可得出模型在伺服電動(dòng)機(jī)作用下的運(yùn)動(dòng)?？蛇x擇分析期間要使用的伺服電動(dòng)機(jī)，并指定其在分析期間的開始和終止時(shí)間。如果僅對(duì)模型某部分的運(yùn)動(dòng)感興趣，可使用“分析定義”(Analysis Definition) 對(duì)話框內(nèi)“優(yōu)先選項(xiàng)”(Preferences) 選項(xiàng)卡中的主體鎖定或連接鎖定選項(xiàng)，以消除某些允許的自由度。使用運(yùn)動(dòng)分析可計(jì)算機(jī)構(gòu)中的點(diǎn)或連接軸的位置、速度和加速度。

4.5 獲取結(jié)果

保存結(jié)果并檢查干涉：如果要在其它進(jìn)程中運(yùn)行分析結(jié)果，則必須將其保存為回放文件。使用“機(jī)構(gòu)”-“回放” 命令打開“回放”對(duì)話框。使用其中的選項(xiàng)保存、恢復(fù)、刪除及導(dǎo)出分析結(jié)果。也可通過(guò)“回放”對(duì)話框回放分析及檢查干涉情況[5]。蝸輪軸的位移曲線如圖4所示。蝸輪分度圓的加速度曲線如圖5所示。

圖4 蝸輪軸位移曲線 圖5 蝸輪分度圓加速度曲線

利用Pro/E的運(yùn)動(dòng)分析可以獲得以下信息:幾何圖元和連接的位置速度及加速度隨時(shí)間變化的情況，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)軌跡。這里針對(duì)蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,因?yàn)槲仐U需要正反轉(zhuǎn),而在Pro/E軟件中只有余弦電機(jī)才能正反轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在定義電機(jī)時(shí),采用余弦電機(jī)近似表示，其中定義A=60，T=120，A代表電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，T代表一個(gè)完整的周期是120 s。上圖中表示蝸輪軸運(yùn)行一個(gè)周期為120 s,蝸輪的直徑為160 mm，且圖形為正弦曲線，由于電機(jī)的速度為余弦曲線，因此說(shuō)明該仿真

失真度不大。分析結(jié)果中沒(méi)有出現(xiàn)加速度突變,且最大加速度數(shù)值也不大,所以滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)四自由度樹干噴涂機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理分析的基礎(chǔ)上，利用Pro/E強(qiáng)大的三維建模功能，實(shí)現(xiàn)了從建立模型、裝配到仿真分析的全過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)了虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，以此來(lái)檢驗(yàn)各主要參數(shù)計(jì)算的正確性。借助三維CAD軟件和仿真技術(shù)，可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡仁喜.Pro/E Engineer Wildfire 3.0 中文版機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2] 林清安.Pro/E野火3.0中文版動(dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真. 北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[3] 牛軍龍，張 淳.基于Pro/E的三環(huán)減速器三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真[J]. 煤礦機(jī)械,2012,33(5):247-248.

[4] 周爾民,肖 乾.基于Pro/E Wildfire實(shí)現(xiàn)變速器的虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真[J]. 煤礦機(jī)械,2007,28(2):78-80.

[5] 劉 靜.自動(dòng)爬樓梯輪椅的虛擬設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用,2012(6):133-137.