李 輝,楊愛茜,李建平,王利源,劉俊峰,楊 欣
(1.河北農(nóng)業(yè)大學 機電學院,河北 保定 071000;2.衡水學院,河北 衡水 053000)
長期以來,我國水果種植保持著“非集約式”管理模式。隨著機械化水平的提高,其技術(shù)繁雜、耗時費力、生產(chǎn)成本高的弊端逐漸顯露出來。近年來,隨著我國土地大面積集中流轉(zhuǎn)政策的實施,喬砧栽培的老齡化果園將被矮砧集約栽培種植模式逐漸替代。矮砧集約栽培種植模式具有農(nóng)業(yè)機械化水平高、生產(chǎn)成本低、適合大規(guī)模果園管理的優(yōu)勢。
針對矮砧集約栽培種植現(xiàn)代果園中每年剪枝后產(chǎn)生的大量枝條的現(xiàn)象,采取粉碎處理直接還田的措施,不僅增加土壤中有機質(zhì)含量、增強土壤保水保肥能力的效果,且可以達到減少化肥施用量、保護環(huán)境的目的。由于這種栽培種植模式果園行間距小,大型枝條粉碎設(shè)備無法進入果園內(nèi)移動作業(yè),因此需要一種適合果園行間高效移動式處理枝條的設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)代果園修剪的枝條具有直徑小、大樹叉少、修剪后枝條整體大部分緊貼地表等特點,研究了拖拉機懸掛式枝條處理設(shè)備的關(guān)鍵性部件—彈齒滾筒式枝條撿拾器[1-3]。撿拾器軸向彈齒數(shù)量多,具有軸向排列密度高、漏枝率低、整體質(zhì)量輕及耗能低的優(yōu)點。
如圖1所示:枝條撿拾器屬彈齒滾筒式結(jié)構(gòu),ΔABC在轉(zhuǎn)動過程中形狀是固定不變的,彈齒在圍繞O點轉(zhuǎn)動的過程中,同時受到滑道的束縛,產(chǎn)生擺動效果,并不斷地變換空間姿態(tài),完成撿拾過程的一系列動作。了解其基本結(jié)構(gòu)及工作原理[4-14],建立數(shù)學模型如下:
以O(shè)點為中心,建立坐標系,中心軸以ω的角速度順時針勻速轉(zhuǎn)動。設(shè)A點坐標為(x1,y1),∠EOA=α,OA=r,α=ωt,t為時間(s),則有
x1=rcosα
(1)
y1=rsinα
(2)
設(shè)彈齒AC與水平坐標軸夾角為β,彈齒長度AC=L2,C點坐標為(x2,y2),則
x2=x1+L2cosβ
(3)
y2=y1+L2sinβ
(4)
設(shè)B點坐標為(x3,y3),曲柄長度為L1,BC=L3,則
L12=(x3-x1)2+(y3-y1)2
(5)
L32=(x3-x2)2+(y3-y2)2
(6)
設(shè)彈齒與曲柄的夾角為θ,∠CAB=θ,根據(jù)余弦定理得
L32=L12+L22-2L1L2cosθ
(7)
由式(5)、式(6)得
x12-x22+2x3(x2-x1)+y12-y22+
2y3(y2-y1)=L12-L32
(8)
將式(7)代入式(8),可得
x12-x22+2x3(x2-x1)+y12-y22+
2y3(y2-y1)=2L1L1cosθ-L22
(9)
式(9)、式(5)組成關(guān)于B點坐標(x3,y3)的二次二元方程式,假設(shè)方程式為
Py32+Qy3+R=0
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
將式(12)~式(14)代入式(11)中,即可得兩個y3值。將y3值代入式(9),即可解得x3值,即
(15)
建立彈齒滾筒式撿拾器數(shù)學模型,由式(11)~式(14)可以看出:涉及的變量參數(shù)有L1、L2、L3、α、β、θ、r、ω和t等,A點坐標(x1,y1)與C點坐標(x2,y2)均可以由上述變量參數(shù)求得,因此B點坐標值(x3,y3)也能由上述變量參數(shù)求得。B點坐標是由上述變量參數(shù)決定的變化坐標點,B點坐標的變量精度是由旋轉(zhuǎn)角度α的變化精度決定的,即為滑道任意點坐標值,將坐標點進行擬合,即為滑道函數(shù)曲線。
為了滿足撿拾器“撿拾”地表上枝條的動作要求,將彈齒旋轉(zhuǎn)1周視為1個周期,并對旋轉(zhuǎn)十字架的旋轉(zhuǎn)角度α進行分段設(shè)計。按照彈齒順時針旋轉(zhuǎn)方向,以x軸為起始點(見圖1),依次分為:①彈齒與枝條分離階段,旋轉(zhuǎn)角α1=∠EOD;②彈齒放齒劃地聚攏枝條階段,旋轉(zhuǎn)角α2=∠DOH;③撿拾枝條階段,α3=∠HOF;抬升回攏枝條階段,α4=∠FOG;④向后推送枝條階段,α5=∠GOE。
1.彈齒 2.曲柄 3.護板 4.滑道 5.旋轉(zhuǎn)十字架 6.旋轉(zhuǎn)中心軸圖1 枝條撿拾器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of structure for pick up mechanical
(a) 彈齒與枝條分離階段
(b) 彈齒放齒劃地聚攏枝條階段
(c) 撿拾枝條階段
(d) 抬升回攏枝條階段
(e) 向后推送枝條階段圖2 彈齒轉(zhuǎn)動各階段運動軌跡Fig. 2 Spring-finger subsection running state
彈齒尖端運動軌跡、彈齒空間運動姿態(tài)和滑道曲線運動軌跡與枝條撿拾效果密切相關(guān)。本文提出一種基于計算機人機對話的方法[16]檢驗并優(yōu)化彈齒滾筒式枝條撿拾器的主要參數(shù)。通過虛擬仿真運動軌跡,優(yōu)化并檢驗是否能夠滿足撿拾枝條并向后輸送的動作要求[17-18]。
人機交互軟件是通過計算機編程,提取機構(gòu)中的主要參數(shù)實行變量控制,充分發(fā)揮人的判斷、經(jīng)驗等優(yōu)勢,結(jié)合計算機的強大計算能力,實現(xiàn)機械機構(gòu)的虛擬仿真,并對主要參數(shù)進行檢驗和優(yōu)化的方法。
軟件界面的右側(cè)上方是輸入?yún)?shù)進行優(yōu)化變量的區(qū)域,下方是輸出圖形和數(shù)據(jù)進行分析、判斷的控制區(qū)域,軟件界面的左側(cè)是圖形顯示區(qū)域。軟件中輸入?yún)?shù)包括彈齒滾筒式撿拾器的變量參數(shù)L1、L2、α、β、θ、r、ω、t。其中,α、β分別可以根據(jù)撿拾枝條分解的動作要求對其進行分段設(shè)置,編制的程序最多可以分解成5段,分段時需要保證α、β周期循環(huán)且具有連續(xù)性。輸出參數(shù)包括彈齒尖端運動軌跡、彈齒空間運動姿態(tài)、曲柄空間運動姿態(tài)、滑道曲線運行軌跡,軟件左側(cè)的圖形顯示窗口可以虛擬仿真撿拾動作,并采集所需要的具體數(shù)據(jù)。
如圖3所示:軟件程序編制了彈齒滾筒式枝條撿拾器運行1周,可以最多分解成5段的功能,也可以分解成更少的動作,但要保證α、β數(shù)值連續(xù),不能產(chǎn)生脫離實際的跳躍值。
由圖4所示的彈齒運行軌跡可以看出:曲柄端點任意1個A點,都對應2個B點,即存在2個屬于滑道曲線的函數(shù)值,這是因為ΔABC滿足約束條件存在兩種情況,分別是以AC為軸,鏡像兩側(cè)存在兩個滑道約束位置,也正符合上述數(shù)學模型中存在兩個解的情況。
彈齒滾筒式撿拾器虛擬仿真精度取決于數(shù)據(jù)節(jié)點的數(shù)量,同樣的區(qū)間獲取的數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)量越多,精度越高。如圖5(a)所示,最初仿真得到的滑道數(shù)據(jù)是曲線2上的數(shù)據(jù)圓點,運用插值法對圓點進行函數(shù)運算,然后對這些數(shù)據(jù)點進行曲線擬合并進行平滑處理[20],得到曲線2的函數(shù)曲線,即滑道曲線函數(shù),如圖6所示。
圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow diagram of software design
圖4 曲柄運行軌跡與呈現(xiàn)狀態(tài)Fig. 4 Result of optimization
(a) 處理前
(b) 處理后圖5 數(shù)據(jù)處理Fig.5 Date post-processing
圖6 多段曲線擬合Fig.6 Subsection curve fitting
曲線2的Fourier函數(shù)表達式為
f(x)=a0+a1cos(x·w)+b1sin(x·w)+a2cos(2x·w)+b2sin(2x·w)+a3cos(3x·w)+b3sin(3x·w)
其中,a0=38.69,a1=46.5,b1=76.06,a2=-33.46,b2=-33.33,a3=-10.13,b3=22.04,w=0.453。
當撿拾器正常運行時,曲柄軸承在滑道內(nèi)快速滑動。當運行到圖5(a)中圓圈內(nèi)的突出點時,不能平滑地過渡,同時產(chǎn)生很大的沖擊,影響滑道和曲柄的使用壽命。因此,需要對圓圈內(nèi)突出的部分進行平滑處理。結(jié)合圖3可以看到:當曲柄軸承運行到滑道的突出部分時,彈齒都處在護板以內(nèi)的位置;當彈齒全部在護板內(nèi)時,不會影響撿拾效果,只需要將尖突部分刪掉。根據(jù)顯示窗口中彈齒與護板的相對位置,可以判斷出點1和點2的具體位置,然后由直線連接兩點。如圖5(b)所示:滑道曲線是由一段曲線和一條線段組成的,曲線與線段連接處平滑過渡,即滿足撿拾動作要求,又縮短了滑道的孤長,增加了零件使用壽命。
1)通過分析彈齒滾筒式撿拾器結(jié)構(gòu),建立了數(shù)學模型。經(jīng)過分段設(shè)置彈齒空間運行姿態(tài)來滿足撿拾動作的要求,利用反求法對滑道中心函數(shù)曲線進行求解,再經(jīng)過數(shù)據(jù)的后處理,滿足了枝條撿拾器設(shè)計目標的要求。
2)使用人機交互軟件的方式,對彈齒滾筒式枝條撿拾器進行模擬,優(yōu)化相關(guān)參數(shù),人與計算機互相配合,能夠?qū)崿F(xiàn)基于類比設(shè)計方法的彈齒滾筒式撿拾器參數(shù)求解、動態(tài)仿真、數(shù)據(jù)采集與后處理的數(shù)字化設(shè)計過程。