袁昌富 張宏文 馬萬里 王 磊 陳明昌（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

番茄收獲機(jī)測產(chǎn)裝置，是和番茄收獲機(jī)相配套，進(jìn)行番茄產(chǎn)量實時監(jiān)測并獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)的裝置，是實現(xiàn)番茄收獲實時測產(chǎn)的自動化、智能化和信息化的保證，也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中實時獲取作物產(chǎn)量分布信息，并為處方農(nóng)作和科學(xué)管理提供重要參考的保障［1－4］。

稱量精度是測產(chǎn)裝置最重要的性能指標(biāo)之一，在測產(chǎn)裝置動態(tài)稱重過程中，如果番茄在稱重皮帶有效稱重段發(fā)生滾動或者碰撞，會產(chǎn)生不必要的慣性力、摩擦力、彈力等重力以外的力，影響測產(chǎn)裝置的稱量精度。為此，在進(jìn)入稱重皮帶有效稱重段前端設(shè)置緩沖區(qū)域，若番茄從色選皮帶拋下后，在緩沖區(qū)域內(nèi)與稱重皮帶不發(fā)生相對滾動，或者完成相對滾動后與稱重皮帶同速進(jìn)入有效稱重段，此時對稱量精度影響較??；若番茄進(jìn)入有效稱重段后繼續(xù)滾動，需及時調(diào)整色選皮帶的運行速度以降低番茄落入稱重皮帶的初始速度。

目前，中國番茄收獲的機(jī)械化程度雖然正在不斷普及和提高，但番茄收獲實時測產(chǎn)技術(shù)在中國的應(yīng)用研究尚屬空白。本試驗利用Solidworks Motion工具對番茄在稱重皮帶的運動進(jìn)行模擬研究，通過調(diào)整色選皮帶運動速度以盡量減少番茄運動對稱量精度的影響，對于提高番茄收獲實時測產(chǎn)裝置的稱量精度意義重大。

1 運動學(xué)理論分析

（1）當(dāng)相對速度Δv＝v0－v＞0時，番茄在稱重皮帶上的受力分析如圖2所示，則有以下幾種情況：

若f＞Ff，番茄在稱重皮帶上不發(fā)生相對滾動，即番茄被拋送到稱重皮帶上時就隨稱重皮帶穩(wěn)定前行，速度為v，那么v0應(yīng)滿足：

若f＜Ff，番茄在稱重皮帶上相對稱重皮帶會向前滾動一段距離，在摩擦力作用下直到番茄速度減小為v時，番茄才隨稱重皮帶穩(wěn)定前行。在此過程中有：

式中：

a1——番茄在滾動過程中發(fā)生減速時的加速度，m/s2；

t1——番茄發(fā)生減速過程的時間，s；

S1——番茄在稱重皮帶上相對滾動的距離，m；

S2——番茄在發(fā)生減速過程中稱重皮帶前行的距離，m。

圖1 番茄運動過程簡圖Figure 1 The movement of the tomato

圖2 番茄受力分析圖Figure 2 The force analysis of the tomato

綜合分析，色選皮帶運行速度v0必須滿足：

即

解得

（2）當(dāng)相對速度Δv＝v0－v＜0時，番茄在稱重皮帶上的受力分析如圖3所示，則有以下幾種情況：

若f＜Ff，番茄在稱重皮帶上相對稱重皮帶會向后滾動一段距離，在摩擦力作用下直到番茄速度增大為v時，番茄才隨稱重皮帶穩(wěn)定前行。在此過程中有：

式中：

a2——番茄在滾動過程中發(fā)生加速時的加速度，m/s2；

t2——番茄發(fā)生加速過程的時間，s；

S3——番茄在稱重皮帶上相對滾動的距離，m；

S4——番茄在發(fā)生加速過程中稱重皮帶前行的距離，m。

圖3 番茄受力分析圖Figure 3 The force analysis of the tomato

綜合分析，色選皮帶運行速度v0必須滿足：

若f＞Ff，番茄在稱重皮帶上不發(fā)生相對滾動，即番茄被拋送到稱重皮帶上時就隨稱重皮帶穩(wěn)定前行，速度為v，那么v0應(yīng)滿足：

（3）當(dāng)相對速度Δv＝v0－v＝0時，番茄在稱重皮帶上的受力分析如圖4所示，此時f＝Ff＝0，所以番茄在稱重皮帶上不發(fā)生相對滾動，那么v0應(yīng)滿足：

即

圖4 番茄受力分析圖Figure 4 The force analysis of the tomato

綜上所述，v0的取值范圍應(yīng)該為：

2 運動仿真

2.1 仿真插件Motion介紹

Motion是Solidworks中功能較為強(qiáng)大的運動仿真分析模塊，Motion插件無縫集成了裝配運動仿真、干涉檢查等實用功能，通過Motion運動仿真分析，可以有效降低產(chǎn)品的制造成本及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計分析者可快速地了解產(chǎn)品的可行性［7］。

在Motion的運動仿真界面中，只需簡單的操作，便可完成對裝配體的運動仿真與分析。在裝配好的整機(jī)上，利用Motion對裝配體添加相應(yīng)的驅(qū)動、約束、力、彈簧、阻尼、接觸與碰撞等，并設(shè)定好運動初始條件和具體參數(shù)，即可實現(xiàn)對該裝配體的運動仿真分析，最后的仿真結(jié)果（如零部件運動軌跡、位移、速度、加速度、作用力、反作用力等）以動畫、圖形、數(shù)據(jù)等多種形式輸出［7－9］。

2.2 基于Motion的運動仿真

圖5為番茄收獲機(jī)測產(chǎn)裝置番茄運動仿真所建立的仿真模型。

圖5 運動仿真模型Figure 5 The simulation model of motion

（1）在仿真模型中，給番茄添加Y方向的引力，讓其離開色選皮帶后能夠做平拋運動掉落到測產(chǎn)裝置的稱重皮帶上，符合試驗中的實際情況，見圖6。

（2）給測產(chǎn)裝置稱重皮帶添加線性馬達(dá)（圖7），并設(shè)置好添加馬達(dá)的位置、方向、相對此項而移動的零部件、運動函數(shù)和速度大?。ń?jīng)分析，當(dāng)測產(chǎn)裝置稱重皮帶的速度越小時，其稱量精度越高，因此設(shè)置其運轉(zhuǎn)速度為最小值1m/s），點擊計算運動算例后稱重皮帶能夠順利的運轉(zhuǎn)起來。

圖6 添加引力Figure 6 The adjunction of gravity

圖7 添加馬達(dá)Figure 7 The adjunction of motor

當(dāng)番茄從色選皮帶上拋落到測產(chǎn)裝置稱重皮帶上時，為防止運動過程中零部件之間的彼此穿刺和彼此嵌入，因此需在番茄與稱重皮帶之間添加實體接觸（圖8），并設(shè)置好接觸參數(shù)（材料、動摩擦速度、動摩擦系數(shù)、靜摩擦速度、靜摩擦系數(shù)、彈性恢復(fù)系數(shù)等）。

圖8 添加接觸Figure 8 The adjunction of touching

（3）給番茄設(shè)置初始速度v0＝0，1 000，1 350m/s（圖9），觀察其掉落在稱重皮帶上以后的滾動運行情況，并通過運動分析找出番茄未進(jìn)入稱重皮帶有效稱重段時，向后發(fā)生相對滾動但不脫離稱重皮帶和番茄進(jìn)入稱重皮帶有效稱重段內(nèi)不發(fā)生相對滾動的初始速度的臨界條件。

圖9 初始速度的設(shè)定（v0＝0m/s）Figure 9 The setting of initial speed

3 仿真結(jié)果分析

運動仿真分析完成后，在“圖解和結(jié)果”中選取“線性速度”和“線性位移”，點擊“生成新圖解”，確認(rèn)后可以計算仿真分析結(jié)果，并且可生成番茄整個運動過程線X方向上線性速度和線性位移相對于時間的數(shù)據(jù)圖表，見圖10。當(dāng)番茄的初始速度為1 350mm/s時，其X方向上線性速度和線性位移相對于時間的數(shù)據(jù)圖像見圖11。

圖10 運動分析結(jié)果選?。ň€性速度v相對于時間t）Figure 10 The selection of motion analysis results（v—t）

圖11 番茄初始速度為1 350mm/s時的X方向上線性速度與位移Figure 11 The linear velocity and displacement on direction Xwith tomato initial velocity of 1 350mm/s

由圖11可知，當(dāng)運行時間t＝0.19s時，番茄的平拋運動恰好結(jié)束并掉落到稱重皮帶的緩沖區(qū)域內(nèi)，同時勻減速運動開始，說明在此過程中番茄相對于稱重皮帶向前滾動；當(dāng)t＝0.42s時，番茄的勻減速運動結(jié)束，勻速運動開始，此時對應(yīng)的線性位移為500mm，與緩沖區(qū)域的長度恰好相等，說明番茄在進(jìn)入稱重皮帶有效稱重段的瞬間由勻減速運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥Q重皮帶等速的勻速運動，此時的線性速度大小可作為番茄進(jìn)入稱重皮帶有效稱重段內(nèi)不發(fā)生滾動的右端臨界條件。

當(dāng)番茄的初始速度為1 000mm/s時，其X方向上線性速度和線性位移相對于時間的數(shù)據(jù)圖像見圖12。

圖12 番茄初始速度為1 000mm/s時的X方向上線性速度與位移Figure 12 The linear velocity and displacement on direction Xwith tomato initial velocity of 1 000mm/s

由圖12可知，番茄平拋掉落到稱重皮帶上后做勻速運動，即在稱重皮帶上沒有發(fā)生相對滾動就直接進(jìn)入了稱重皮帶有效稱重段。

當(dāng)番茄的初始速度為0mm/s時，其X方向上線性速度和線性位移相對于時間的數(shù)據(jù)圖像見圖13。

圖13 番茄初始速度為0mm/s時的X方向上線性速度與位移Figure 13 The linear velocity and displacement on direction Xwith tomato initial velocity of 0mm/s

由圖13可知，當(dāng)運行時間t＝0.19s時，番茄的平拋運動恰好結(jié)束并掉落到稱重皮帶的緩沖區(qū)域內(nèi)，同時勻加速運動開始，說明在此過程中番茄相對于稱重皮帶向后滾動；當(dāng)t＝1.00s時，番茄的勻加速運動結(jié)束，勻速運動開始，此時對應(yīng)的線性位移為420mm，小于緩沖區(qū)域的長度，說明番茄在進(jìn)入稱重皮帶緩沖區(qū)域以前就由勻加速運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥Q重皮帶的勻速運動，此時的線性速度大小可作為番茄未進(jìn)入稱重皮帶有效稱重段時向后發(fā)生相對滾動但不脫離稱重皮帶的左端臨界條件。

綜上所述，當(dāng)番茄的初始速度范圍在0mm/s≤v0≤1 350mm/s時，番茄在稱重皮帶有效稱重段不發(fā)生相對滾動，此時對測產(chǎn)裝置的稱量精度影響較小。

4 結(jié)論

（2）通過運動仿真分析，確定了番茄未進(jìn)入稱重皮帶有效稱重段時向后發(fā)生相對滾動，但不脫離稱重皮帶；番茄進(jìn)入稱重皮帶有效稱重段內(nèi)不發(fā)生相對滾動，這兩種情況下番茄的初始速度的臨界條件v0為0mm/s≤v0≤1 350mm/s。

（3）本研究并未考慮稱重皮帶表面形狀對番茄稱量精度的影響，測產(chǎn)裝置可選用表面形狀為大小均勻方格狀的稱重皮帶，對掉落到稱重皮帶上的番茄可以起到固定和緩沖的作用，可保證番茄在稱重皮帶上不發(fā)生相對滾動或者撞擊，從而進(jìn)一步提高測產(chǎn)裝置的稱量精度。

1 張宏文，陳明昌，王磊，等.番茄收獲機(jī)測產(chǎn)裝置：中國，CN103759795A［P］.2014—04—30.

2 陳明昌，魏敏，劉巧，等.番茄收獲機(jī)測產(chǎn)裝置的設(shè)計［J］.食品與機(jī)械，2014，30（5）：151～153，157.

3 李光樂.FFS包裝機(jī)伺服電子定量秤研究［J］.食品與機(jī)械，2013，29（4）：118～121.

4 林鑫潔，馬蓉，安光輝，等.基于CAN總線的棉花在線測產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：179～182.

5 董云峰，崔亞平.理論力學(xué)［M］.第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

6 胡文績.理論力學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

7 韓銳.基于SolidWorks的機(jī)構(gòu)運動仿真研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2004.

8 謝昱北，許曄.SolidWorks2007中文版機(jī)械設(shè)計與典型范例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

9 蔡文書，程志紅，沈春豐.基于SolidWorks的液壓支架三維建模和運動仿真［J］.煤礦機(jī)械，2008，29（11）：165～167.