王永振，樊桂菊，姜紅花，張曉輝

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

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基于虛擬樣機的果園升降平臺仿真分析

王永振，樊桂菊，姜紅花，張曉輝

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018)

果園升降平臺經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，自動化程度日漸提高，但在坡地作業(yè)實現(xiàn)平臺的自動調(diào)平依舊是一大難題。為提高平臺作業(yè)性能，在Pro/E中建立了果園升降平臺三維模型，并導(dǎo)入ADAMS中，通過添加約束和驅(qū)動，利用虛擬樣機模型測試升降油缸的受力并優(yōu)化升降油缸的安裝位置，分析了作業(yè)平臺運動過程偏移角的變化。同時，利用AMESim對升降平臺液壓系統(tǒng)進行仿真，分析自動調(diào)平系統(tǒng)的可行性，為果園升降平臺的設(shè)計提供了理論支持。

果園；升降平臺；虛擬樣機；動力學(xué)仿真；ADAMS；AMESim

0 引言

我國地域遼闊，果樹種植面積較大。果園地勢呈多樣性，丘陵山區(qū)是果園種植的主要地區(qū)，地塊起伏較大，以至于果園機械化程度一直處于落后狀態(tài)，現(xiàn)有的果園機械設(shè)備很難滿足作業(yè)要求[1-2]。目前，果園作業(yè)仍然是依靠廉價的勞動力，隨著種植規(guī)模的增加和水果季節(jié)性的增強，傳統(tǒng)的作業(yè)方式很難滿足現(xiàn)代的生產(chǎn)需求[3-5]。因此，研制一種能夠適應(yīng)丘陵山地的作業(yè)平臺對果園作業(yè)意義重大。

本文以丘陵山區(qū)的果園種植特點和現(xiàn)階段農(nóng)戶自有的拖拉機為基礎(chǔ)[6]，利用Pro/E建立能自動調(diào)平的適合丘陵山地的果園作業(yè)升降平臺的三維模型，運用ADAMS建立虛擬樣機模型進行整機的仿真分析，以期為果園作業(yè)機械研究提供設(shè)計參考。同時，運用AMESim進行整機液壓系統(tǒng)的仿真，驗證整機液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為后期動力分配提供參考。

1 果園升降平臺虛擬樣機模型

1.1 建立三維模型

本課題設(shè)計一種載人工作平臺，由動力裝置、升降機構(gòu)、調(diào)平機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、支撐機構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)等組成,如圖1所示。整機實測參數(shù)如表1所示。

1.拖拉機 2.豎梁 3.橫梁 4.工作臺 5.調(diào)平油缸 6.升降油缸 7.隨動油缸

項目單位技術(shù)參數(shù)配套動力：SF180kW13．2外形尺寸mm2400×740×2100工作臺尺寸mm640×740×1060結(jié)構(gòu)質(zhì)量kg360起升高度m1．5最大舉升質(zhì)量kg150擺動角度(°)±45最大爬坡角(°)20

1.2 三維模型的導(dǎo)入

ADAMS/view可以提供多種格式的模型數(shù)據(jù)交換接口，如Parasolid、STEP、IGES、SAT、DXF和DWG等格式。由于Parasolid格式文件導(dǎo)入到ADAMS的信息丟失少、保真度高，因此將Pro/E中建立的模型保存為Parasolid的中間格式(其擴展名為.X_T)[7-8]；導(dǎo)入ADAMS的幾何模型，經(jīng)添加約束和驅(qū)動，驗證所建模型的正確性。

三維軟件中所建模型在ADAMS中不能進行參數(shù)化計算及修改構(gòu)件的幾何尺寸，要修改幾何尺寸還必須返回到三維軟件中，在三維軟件中修改后再轉(zhuǎn)換到ADAMS中。因此，常用的方法是將專業(yè)的CAD建模軟件與ADAMS聯(lián)合。在模型導(dǎo)入前先進行簡化，將沒有相互運動的零件組成一個裝配體，以方便剛體的定義；然后，在ADAMS中進行作業(yè)平臺的參數(shù)化設(shè)計，升降平臺簡化模型需在ADAMS中完成，通過先構(gòu)建參數(shù)點，再通過toolbox中的連桿命令將各個點連接起來；最后，建立升降機構(gòu)的方式完成整個虛擬樣機的建模和關(guān)鍵點的參數(shù)化，實現(xiàn)動力學(xué)仿真，其基本步驟如圖2所示。

圖2 升降平臺仿真步驟

1.3 在ADAMS中定義約束、驅(qū)動

1)定義升降平臺的豎臂與大地之間采用旋轉(zhuǎn)副，并在旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動函數(shù)90d*sin(time),實現(xiàn)作業(yè)平臺的左右擺動。

2)定義升降油缸、隨動油缸和調(diào)平油缸的缸筒和缸桿為滑移副，在升降油缸的滑移副上添加驅(qū)動，IF(time:0,0,STEP5(time,0,0.0,2,100.0)+STEP5(time,2.0,0.0,6.0, -180.0)+STEP5(time, 6.0, 0.0,8.0, 80.0))，實現(xiàn)作業(yè)平臺上下運動。

3)為了實現(xiàn)作業(yè)平臺能夠自動調(diào)平，在隨動油缸的缸筒和缸桿的質(zhì)心處添加兩個marker點，分別為marker_1和marker_2，此處添加測量兩點距離函數(shù)FUNCTION_JULI=DM(marker_1,marker_2)，調(diào)平油缸的驅(qū)動函數(shù)為MOTION=- (0.1771-FUNCTION_JULI)，使調(diào)平油缸的伸長量與隨動油缸的縮短量相同，利用三角形相似原理實現(xiàn)自動調(diào)平。

4)其他零部件間的約束以旋轉(zhuǎn)副和固定副為主。建立完整的虛擬樣機如圖3所示。

圖3 升降平臺虛擬樣機

2 虛擬樣機優(yōu)化分析

2.1 創(chuàng)建設(shè)計變量

建立坐標系以豎臂的低端作為坐標原點，以豎直向上的方向作為y軸的正方向，與豎臂垂直向右的方向作為x軸正方向。設(shè)升降油缸在豎臂上的安裝點為POINT_1，在橫臂上的安裝點為POINT_2，隨動油缸在豎臂上的安裝點為POINT_47，在橫臂上的安裝點為POINT_47_2，調(diào)平油缸在橫臂上的安裝點為POINT_49，在作業(yè)平臺的支柱上的安裝點為POINT_49_2。參數(shù)化后各點的坐標值如圖4所示。

圖4 參數(shù)化后各點的坐標值

2.2 升降油缸安裝點參數(shù)的優(yōu)化

對升降油缸的兩個安裝點進行參數(shù)化，以便尋找最佳安裝點，使升降油缸受力最小，對升降油缸安裝驅(qū)動以便實現(xiàn)升降作業(yè)。在驅(qū)動上添加測量力的函數(shù)F=MOTION(MOTION_1，0，1，0)作為優(yōu)化目標函數(shù)，以升降油缸的安裝點C、D作為約束條件。定義的優(yōu)化目標函數(shù)和約束條件為

對x、y的變量取值范圍設(shè)置4個默認水平得到4個分段點，然后進行16次DOE試驗優(yōu)化分析，最終得到力隨試驗次數(shù)的變化曲線如圖5所示，分段點的取值如表2所示。由圖5找出最佳安裝位置為(0.54,1.3)，在此位置安裝后測得力與時間的變化曲線如圖6所示。

表2 分段點的取值

圖5 受力與試驗次數(shù)的關(guān)系

圖6中，實線為優(yōu)化前受力曲線，虛線為優(yōu)化后的受力曲線。優(yōu)化前最大受力為10 556N，優(yōu)化后最大受力為7 932N，大大減小了升降油缸的承載能力，為進一步篩選油缸提供了理論支撐。

圖6 升降油缸受力曲線

2.3 虛擬樣機的調(diào)平與優(yōu)化

調(diào)平關(guān)系到升降平臺的作業(yè)質(zhì)量，因此在ADAMS中不斷調(diào)整隨動油缸和調(diào)平油缸的安裝位置，使得作業(yè)平臺盡量保持水平是實現(xiàn)工作穩(wěn)定的重要保證。設(shè)偏移角為作業(yè)平臺與x軸正方向的夾角，在作業(yè)平臺的水平面添加第3個marker點marker_3，添加測量偏移角函數(shù)YAW(marker_3)，以便檢測偏移角隨時間的偏移量。以隨動油缸和調(diào)平油缸的安裝點作為設(shè)計變量，以偏移角函數(shù)YAW(marker_3)作為目標函數(shù)，以橫臂為水平位置作為初始位置，在初始位置先調(diào)平作業(yè)平臺。對變量取值范圍設(shè)置3個默認水平得到3個分段點，然后進行9次DOE試驗優(yōu)化分析，最終得到了偏移角隨試驗次數(shù)的變化曲線，如圖7所示。

圖7 偏移角與試驗次數(shù)的關(guān)系

統(tǒng)計9次實驗的最大值，得到測試函數(shù)YAW(marker_3)的最大值曲線如圖8所示。

圖8 測試函數(shù)YAW(marker_3)的最大值曲線

由圖8可得偏移角最小值為3.8°，偏移角偏大不符合丘陵果園作業(yè)安全要求?，F(xiàn)調(diào)整方案，以作業(yè)平臺運行最低位置作為初始位置，在初始位置調(diào)平作業(yè)平臺，重新優(yōu)化，得到偏移角隨試驗次數(shù)的變化曲線，如圖9所示。

統(tǒng)計9次實驗的最大值，得到測試函數(shù)YAW(marker_3)的最大值曲線如圖10所示。由圖10可知：偏移角最小值為0.71°，遠遠小于3°，作業(yè)平臺運行過程基本保持水平，符合安全要求。因此，通過此次優(yōu)化設(shè)計，整機調(diào)平能力可比原設(shè)計提高約18%。同時，根據(jù)此次優(yōu)化后的參數(shù)改進作業(yè)平臺，果園試驗表明其調(diào)平能力顯著提高，在實際上驗證了理論的正確性。

圖9 偏移角與試驗次數(shù)的關(guān)系

圖10 測試函數(shù)YAW(marker_3)的最大值曲線

3 AMESim建模仿真及結(jié)果分析

3.1 AMESim簡介

AMESim作為一種非常優(yōu)秀的仿真軟件，為流體、機械、控制及電磁等工程系統(tǒng)提供了一個較為完善的綜合仿真環(huán)境和解決方案。AMESim用于建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)建模，并依次進行仿真計算和深入分析，也可以在該平臺上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能[9-11]。本文著重運用AMESim對果園升降平臺的液壓驅(qū)動進行建模仿真與動載分析。

3.2 在AMESim中建立液壓系統(tǒng)模型

丘陵山地果園升降平臺的液壓系統(tǒng)建模時忽略了部分元件的影響，對于其液壓原理圖及相應(yīng)的外部構(gòu)件，在草圖模式下應(yīng)用AMESim標準庫建立的模型如圖11所示。

使用首先子模型后，進入?yún)?shù)模式按表3進行主要元件的參數(shù)設(shè)置;最后進入運行模式，設(shè)置仿真時間2s，時間精度0.01s，得到物體初始仿真結(jié)果。

圖11 AMESim仿真模型

名稱單位主要參數(shù)原動機轉(zhuǎn)速r/min1500泵轉(zhuǎn)速r/min2000泵流量mL/r6．4升降油缸缸徑mm63升降油缸桿徑mm35升降油缸最大行程mm630調(diào)平油缸缸徑mm40調(diào)平油缸桿徑mm25調(diào)平油缸最大行程mm480

3.3 調(diào)平液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與仿真

升降平臺調(diào)平機構(gòu)原理如圖12所示。其中，A、B點是隨動油缸的連接點，A′、B′點是調(diào)平油缸的連接點，在△AOB和△A′O′B′中，OA、OB和O′A′、O′B′邊固定不變，并且在安裝過程中保持OA=O′A′，OB=O′B′，AB邊為隨動油缸，A′B′邊為調(diào)平油缸。調(diào)平油缸的工作腔與隨動油缸的工作腔相連，回油腔與回油腔相連，兩者組成一個封閉系統(tǒng)，保持油缸伸長量相同。根據(jù)液壓油體積不變的原理得

(1)

為使結(jié)構(gòu)簡單，取D1=D2，則

ΔS1+ΔS2=0

(2)

其中，D1為調(diào)平油缸缸徑(m)；D2為隨動油缸缸徑(m)；△S1和△S2為油缸長度改變量(m)。所以，ΔS1=-ΔS2。由此可得，兩油缸運動保持同步，方向相反。

按照此原理設(shè)計液壓信號，結(jié)果如圖13所示。

圖12 調(diào)平機構(gòu)模型

圖13 油缸位移曲線圖

由圖13可知：隨動油缸伸長量與調(diào)平油缸的伸長量基本一致，在調(diào)平過程中雖有偏差，但符合ADAMS中調(diào)平誤差在3°以內(nèi)的要求。由此證明了建立的自動調(diào)平液壓系統(tǒng)模型圖正確性及該系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)論

1)利用ADAMS軟件建立力丘陵山區(qū)果園作業(yè)升降平臺的參數(shù)化模型。

2)合理確定了設(shè)計變量、目標函數(shù)及約束條件，在此基礎(chǔ)上利用ADAMS優(yōu)化工具對機構(gòu)進行了參數(shù)優(yōu)化，得到了最優(yōu)工作參數(shù)值組合。優(yōu)化后的升降油缸受力減小約24%，并通過實際驗證。結(jié)果表明：作業(yè)平臺調(diào)平能力得到顯著提高，為進一步改進作業(yè)平臺提供了理論支持。

3)運用AMESim軟件建立了果園升降平臺液壓系統(tǒng)，分析了調(diào)平系統(tǒng)的誤差所在，為進一步研究果園升降平臺液壓驅(qū)動提供了理論支持。

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Simulation Analysis of Lifting Platform for Orchards Based on Virtual Prototype

Wang Yongzhen , Fan Guiju , Jiang Honghua , Zhang Xiaohui

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai'an 271018, China)

After half a century of development, Orchard lifting platform has high level in automation. However, the platform leveling system is still a major problem in sloping fields. In order to improve operating performance , lifting platform model is established in the Pro/E. Then three-dimensional model is imported into ADAMS and added constraints and driving. The virtual prototype is used to test the force of the lift cylinder and optimizes the position of the lift cylinder, analyzes angle changes of platform movement. Hydraulic system is simulated by using the AMESim, analyzing the feasibility of automatic leveling system. The results provide theoretical support for orchards lifting platforms.

orchards; lifting platform；virtual prototype； dynamics simulation； ADAMS； AMESim

2016-01-18

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAD20B10-2-4)；農(nóng)業(yè)發(fā)展研究院智能化農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)項目(24124)

王永振(1992-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，(E-mail)yongzhen560@163.com。

張曉輝(1961-)，男，山東東阿人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)Zhangxh@sdau.edu.cn。

S233.74

A

1003-188X(2017)02-0032-05