趙春龍　楊傳華　韓　濤　魏天路　周海波,2　依紅杰　叢　軍

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移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)三維仿真

趙春龍1楊傳華1韓濤1魏天路1周海波1,2依紅杰1叢軍3

1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.天津理工大學(xué)；3.齊齊哈爾和平集團(tuán)有限責(zé)任公司

趙春龍（1983-）男，在讀碩士研究生 研究方向：移栽關(guān)鍵技術(shù)研究；通訊作者：楊傳華（1970-）男，博士，教授，主要從事移栽關(guān)鍵技術(shù)研究工作。

項(xiàng)目名稱及編號(hào)：國家自然科學(xué)基金 E050601；黑龍江省科學(xué)基金 E2015042；研究生科技創(chuàng)新LZZ2015_003；佳木斯大學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目 LZ2013-015

行業(yè)曲線

介紹Pro/E在移栽機(jī)設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，首先闡述在三維建模上的應(yīng)用，其次說明在運(yùn)動(dòng)仿真上的應(yīng)用，最后介紹Pro/E、Adams與PFC3D的耦合聯(lián)合仿真。從而闡明Pro/E在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中不可或缺的地位，以及與其他軟件聯(lián)合仿真的強(qiáng)大功能。

蔬菜生產(chǎn)在我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，伴隨著菜籃子工程的日益完善，我國的移栽產(chǎn)業(yè)正朝著多元化全自動(dòng)化方向發(fā)展。按照栽植器的類型可以大致分為鉗夾式、吊籃式、導(dǎo)苗管式和撓性圓盤式幾類。鉗夾式是由仿形機(jī)構(gòu)控鉗夾、鏈夾開合，但栽植速度比較慢，調(diào)整株距較為困難；導(dǎo)苗管式是由凸輪實(shí)現(xiàn)間歇?jiǎng)幼?，缽苗在?dǎo)苗管中靠自身的重力沿導(dǎo)苗管滑落，但影響該移栽機(jī)栽植效果；撓性圓盤式由開盤輪、開盤叉來控制撓圓盤的開合，但栽植深度不穩(wěn)定，且由于圓盤采用橡膠材料，壽命較短。目前，采用比較多的是吊籃式移栽機(jī)；但是由于吊籃式移栽機(jī)工作時(shí)靠凸輪和彈簧共同作用控制吊籃在回轉(zhuǎn)過程中的開合，因此機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，喂苗速度不能過高，株距調(diào)整不便。針對(duì)這些復(fù)雜的機(jī)構(gòu)就需要一個(gè)很強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)軟件，筆者認(rèn)為Pro/E應(yīng)是首選，其優(yōu)勢(shì)：1. Pro/E具有廣大的學(xué)者以及加工商在使用，即通用性好。2. Pro/E開發(fā)環(huán)境與仿真環(huán)境越來越接近實(shí)際需要，可以真實(shí)反應(yīng)機(jī)械各種性能參數(shù)。3. Pro/E的兼容性很好，高壓無功自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用它可以與Adams、PFC3D以及很多軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。

三維建模

建模設(shè)計(jì)思路

本文思路是將一部分回轉(zhuǎn)式移栽機(jī)構(gòu)與線性移栽機(jī)構(gòu)綜合使用，研究其移栽效率等指標(biāo)，回轉(zhuǎn)式移栽機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低效率高，能適應(yīng)惡劣的作業(yè)環(huán)境，并保持很高的可靠性，但其軌跡規(guī)劃是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，使研發(fā)周期變長。線性取苗機(jī)構(gòu)慣性力大，取苗率低。但是將二者組合起來取長補(bǔ)短，會(huì)達(dá)到一個(gè)理想效果?；剞D(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)削弱了慣性力帶來的影響，線性機(jī)構(gòu)簡化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。從而縮短了設(shè)計(jì)周期。具體說明見圖1機(jī)構(gòu)分析對(duì)比圖。

綜上所述，本文就是將滑道機(jī)構(gòu)、桿機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合，使設(shè)計(jì)難度降低的同時(shí)保證栽植效率。

Pro/E三維建模

首先進(jìn)入Pro/E三維建模環(huán)境選擇標(biāo)準(zhǔn)模型環(huán)境，開始各個(gè)部件的建模，根據(jù)設(shè)計(jì)需要建立所需各個(gè)零部件，達(dá)到移栽機(jī)的栽植參數(shù)。其次進(jìn)入裝配環(huán)境，按照各個(gè)零部件的機(jī)械連接方式為其添加相應(yīng)的約束，達(dá)到仿真環(huán)境所需。最后將創(chuàng)建好的裝配圖保存，移栽機(jī)三維模型如圖2所示。

圖1　機(jī)構(gòu)分析對(duì)比圖

仿真分析

模擬參數(shù)設(shè)置

打開移栽機(jī)裝配環(huán)境，在其中選擇應(yīng)用程序按鈕，選擇應(yīng)程序下的機(jī)構(gòu)按鈕進(jìn)入機(jī)構(gòu)環(huán)境，在機(jī)構(gòu)環(huán)境下為其添加電機(jī)，即為裝置添加動(dòng)力來源。我們選擇兩個(gè)電機(jī)，第一個(gè)電機(jī)我們安裝在機(jī)架上，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，第二個(gè)電機(jī)作為齒輪的動(dòng)力來源。下一步為電機(jī)設(shè)置參數(shù)，具體如下：

圖2　移栽機(jī)三維模型

圖3　取苗抓運(yùn)動(dòng)軌跡

第一個(gè)電機(jī)設(shè)置為常值速度類型：

第二個(gè)電機(jī)設(shè)置為位置函數(shù)類型：

期中變量分別是：V 電機(jī)轉(zhuǎn)速、Y為齒輪旋轉(zhuǎn)位置函數(shù)、t代表機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（與第一個(gè)電機(jī)時(shí)間同步）。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M軌跡線

在模擬環(huán)境下，在取苗抓頂端設(shè)置一個(gè)跟蹤點(diǎn)，從而記錄下取苗抓運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。對(duì)軌跡進(jìn)行分析得到如下結(jié)論。首先當(dāng)電機(jī)一轉(zhuǎn)動(dòng)一周即為一次取投苗行程，時(shí)間為6s，一分鐘內(nèi)投苗十次，共計(jì)栽植120株秧苗，即為高速移栽。此曲線最大的特點(diǎn)就是在秧盤斜向下運(yùn)動(dòng)與取苗手的前后直線以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，這樣可以避免取苗手與秧盤的碰撞，并且在秧盤間歇性運(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔內(nèi)便可以將秧苗從缽盤中取出。此曲線大大減小取苗手的上下震動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都到達(dá)投苗點(diǎn)時(shí)速度均為零，取苗手打開是在停止后的瞬間，這樣秧苗下落時(shí)是垂直于接苗器，這樣可以保證秧苗豎直進(jìn)入導(dǎo)苗管，從而減少對(duì)圖缽苗的破壞，加強(qiáng)對(duì)根系的保護(hù)，確保有效栽植。

Pro/E與其他三維軟件聯(lián)合仿真

Pro/E與Adams聯(lián)合仿真

Adams中建立非常復(fù)雜的模型比較困難，因?yàn)锳dams一般進(jìn)行的仿真都是簡化的結(jié)構(gòu)，只考慮輸入輸出形式而中間細(xì)節(jié)過程簡化，用較為簡單的結(jié)構(gòu)代替復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這樣許多學(xué)者均發(fā)現(xiàn)如此仿真的結(jié)果與實(shí)際有一定的差距。因此有了一些軟件的數(shù)據(jù)接口可以與其聯(lián)合仿真。這樣使他們的兼容性增大，在仿真上達(dá)到互補(bǔ)的效果。Pro/E有這樣的數(shù)據(jù)接口，當(dāng)我們建立完成三維設(shè)計(jì)之后將其保存副本為.x_ t格式的文件后，Adams既可以實(shí)現(xiàn)他們的數(shù)據(jù)交互。這樣降低了三維設(shè)計(jì)的難度，增強(qiáng)了仿真的可靠性。聯(lián)合仿真彌補(bǔ)了Pro/E的柔體仿真的缺陷，提高了Adams的仿真效率。

Pro/E與PFC3D聯(lián)合仿真

在PFC3D中進(jìn)行仿真時(shí)，無論是墻還是球都需要計(jì)算大量的坐標(biāo)或者復(fù)雜的程序來完成，但如果我們?cè)诜抡嬷霸赑ro/E中將三維模型創(chuàng)建完，然后在PFC3D直接導(dǎo)入后為其書寫地址分配函數(shù)即可，這樣求墻都具有獨(dú)立的地址或者地址段，從而可以直接為其編寫仿真函數(shù)，使仿真過程按預(yù)先指定的過程進(jìn)行。模擬真實(shí)環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)形式，進(jìn)而得到我想要獲得測(cè)量值以及仿真過程。這樣聯(lián)合仿真減少了程序設(shè)計(jì)量的編寫以及大量的空間點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算，還有降低了對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的要求。

結(jié)語

Pro/E強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)功能受到廣大科研工作者的青睞，為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了很大的方便，也為機(jī)械加工方面做出了卓越的貢獻(xiàn)，其不可想象的兼容性為聯(lián)合仿真創(chuàng)造了更為優(yōu)越的條件。希望以后Pro/E可以開發(fā)出更多的功能，比如開發(fā)出與Design-Expert 兼容的數(shù)據(jù)接口，將仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行正交試驗(yàn)等，從而使機(jī)械設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)更為方便。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.021