崔龍飛, 薛新宇, 丁素明, 樂飛翔, 顧 偉

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所, 江蘇 南京 210014)

噴桿噴霧機(jī)廣泛用于噴灑化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行作物保護(hù),近年來隨著世界人口的增加,對(duì)糧食產(chǎn)量的需求越來越大,為了提高作業(yè)效率,噴桿的噴幅從最初的12 m增加到了50 m以上,大部分自走式噴霧機(jī)作業(yè)速度提高到了4 m·s-1以上,藥箱容量也增大到5 000 L以上,噴桿田間作業(yè)時(shí)要求每畝地以指定的劑量均勻噴灑,噴霧機(jī)行駛過程中,源自土壤路面不平整導(dǎo)致噴桿產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)、橫擺、俯仰及往復(fù)振蕩等有害運(yùn)動(dòng).大量的研究[1-6]指出噴桿有害運(yùn)動(dòng)直接導(dǎo)致霧滴的沉積分布不均勻,致使“重噴”和“漏噴”現(xiàn)象發(fā)生,使得沉積分布變異系數(shù)在0～800%變化(理想的分布為100%),同時(shí)縮短了機(jī)具壽命,降低駕駛員的舒適性.對(duì)噴霧分布均勻性影響較大的主要是噴桿豎直面內(nèi)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),如圖1所示.

圖1 噴桿運(yùn)動(dòng)對(duì)霧滴分布的影響

隨著噴桿振動(dòng)問題的日益突出,噴桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步從靜態(tài)向動(dòng)態(tài)發(fā)展,許多噴桿上都配備了減振懸架系統(tǒng),起初噴桿及其懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性大都使用數(shù)學(xué)建模的方法來描述[7-8],然而復(fù)雜的模型難以直接求解和應(yīng)用,必須先進(jìn)行驗(yàn)證或者標(biāo)定;文獻(xiàn)[9]在田間對(duì)27 m的自走式噴霧機(jī)進(jìn)行了噴桿運(yùn)動(dòng)和末梢加速度的測量,但是受到外界條件的制約,試驗(yàn)可重復(fù)性差;文獻(xiàn)[10]使用了混合建模的方法進(jìn)行噴桿懸架的建模和自平衡控制器設(shè)計(jì),綜合了六自由度運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)掃頻測試和數(shù)學(xué)模型優(yōu)勢(shì),是一種研究現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)較為適當(dāng)?shù)姆椒?

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的室內(nèi)模擬可以使所有試驗(yàn)按照統(tǒng)一條件進(jìn)行重復(fù)與對(duì)比,不受天氣條件的影響,大大縮短了研發(fā)周期.文獻(xiàn)[11]研制了首個(gè)用于農(nóng)機(jī)振動(dòng)研究的六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái),負(fù)載質(zhì)量500 kg,可以實(shí)現(xiàn)頻率1.0 Hz(幅值100 mm)到頻率10.0 Hz(幅值1 mm)的運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn);此外,文獻(xiàn)[12]還設(shè)計(jì)了重載農(nóng)用車輛低功率激振試驗(yàn)臺(tái),用于研究輪胎路面的耦合動(dòng)力學(xué),提高駕駛舒適性和機(jī)具的性能[12].德國聯(lián)邦農(nóng)業(yè)和林業(yè)生物研究中心(BBA)建立了六自由度的液壓伺服振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái),用于研究田間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下噴桿的噴霧分布均勻性[13].利用運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)進(jìn)行噴霧機(jī)田間工況復(fù)現(xiàn),還可以準(zhǔn)確測量系統(tǒng)的噴桿動(dòng)力學(xué)特性,無論對(duì)噴桿運(yùn)動(dòng)被動(dòng)控制、主動(dòng)控制研究,還是對(duì)噴臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化都具有重要意義.

文中根據(jù)前期開展的農(nóng)田激勵(lì)譜測試和噴霧機(jī)工作狀態(tài)下噴桿振動(dòng)研究[14-17],對(duì)大型噴桿適用的運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),首先確定試驗(yàn)臺(tái)的性能指標(biāo)(最大負(fù)載、幅值、頻率),通過MATLAB和ADAMS建模與仿真,分析Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,校驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性.為了測試動(dòng)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的跟蹤精度,文中選用正弦信號(hào)、正弦掃頻信號(hào)、田間實(shí)測信號(hào)3種信號(hào)進(jìn)行復(fù)現(xiàn),驗(yàn)證復(fù)現(xiàn)精度.

1 基于Stewart機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

通過對(duì)國內(nèi)外大型噴桿噴霧機(jī)哈迪(Hardi Commander系列與Alpha系列)、阿瑪松(AMAZONE, Pantera系列)、約翰迪爾(John deer4630等)、馬佐蒂(MazzottiMAF5240等)、中農(nóng)豐茂植保機(jī)械等公司的主流噴桿噴霧機(jī)開展調(diào)研和測試[14-17],噴桿都采用了輕量化設(shè)計(jì)，質(zhì)量通常小于1 500 kg,臂展長度多數(shù)在18～36 m,在田間作業(yè)過程中噴霧機(jī)車架的振幅在±0.3 m以內(nèi),噴霧機(jī)底盤的側(cè)傾角、俯仰角、偏航角在±5°以內(nèi).根據(jù)前期開展的農(nóng)田地面不平度測量與分析[16],地面?zhèn)鬟f來的激勵(lì)經(jīng)過輪胎、底盤減振器的衰減,實(shí)際到車體的有效激勵(lì)在10.0 Hz以內(nèi)[18-20].駕駛員處于坐姿時(shí)的自身固有頻率約為5.0 Hz,歐盟及國際上已經(jīng)建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)農(nóng)機(jī)具的振動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)[21].綜上所述,初步確定六自由度平臺(tái)的主要技術(shù)指標(biāo):試件的最大質(zhì)量2 000 kg,長度30 m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量4.5×105kg·m2,工作頻寬0.01～35.00 Hz,縱向、側(cè)向、垂向3個(gè)方向平動(dòng)范圍±0.30 m,平動(dòng)加速度范圍±9.8 m·s-2,滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍±10°,角加速度范圍±180(°)·s-2.為了方便測試時(shí)噴桿的安裝,避免噴臂觸碰地面,上平臺(tái)的安裝平面半徑大于2 m,平臺(tái)的中位高度大于2.65 m.

1.2 運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)描述

為了滿足自由度多、負(fù)載大的使用需要,模擬平臺(tái)使用Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)[22],并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要是得到各支鏈運(yùn)動(dòng)輸入與動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)輸出之間的映射關(guān)系,首先在并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的基平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)上分別建立坐標(biāo)系O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2，如圖2所示,基坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)O1位于下鉸點(diǎn)外接圓圓心,Z1軸垂直底面向下,X1軸位于底面,垂直下鉸點(diǎn)B1和B2的連線,Y1軸方向可由右手法則確定.建立在動(dòng)平臺(tái)上的動(dòng)坐標(biāo)系O2X2Y2Z2，其坐標(biāo)原點(diǎn)位于上鉸點(diǎn)外接圓圓心O2,Z2軸垂直于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)向下,X2軸垂直于上鉸點(diǎn)P1和P2的連線,同理X2軸方向可由右手法則確定.

圖2 六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)及坐標(biāo)系

動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O2在基坐標(biāo)系中的位置矢量表示為P=[xyz]T,動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)的3個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)角滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、橫擺角分別表示為ψx,ψy,ψz,則固聯(lián)在動(dòng)平臺(tái)上的動(dòng)坐標(biāo)系O2X2Y2Z2在基坐標(biāo)系O1X1Y1Z1中的廣義位姿可表示為

Xp=[xyzψxψyψz],

(1)

Xp即并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)末端在工作空間的表示.

(2)

式中:T為動(dòng)坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣,可表示為[24]

(3)

式中:sψ,cψ分別表示sinψ與cosψ.

因此驅(qū)動(dòng)桿的方向矢量可表示為

qi=pi-bi.

(4)

六自由度機(jī)構(gòu)在關(guān)節(jié)空間的矢量q即可表示為

(5)

利用上式得到其在關(guān)節(jié)空間的表示,這就是并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,反之己知6個(gè)支腿長度如何求解平臺(tái)位姿即六自由度平臺(tái)的位姿正解,并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的難度較大,通過Newton-Raphson數(shù)值法獲得并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解.記并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解運(yùn)算為[24]

q=IK(Xp),

(6)

相應(yīng)地,記并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解為

Xp=FX(q).

(7)

1.3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)型參數(shù)確定

根據(jù)上述動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,在MATLAB軟件中建立Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)參數(shù)化仿真模型,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)解算,根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)中動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍,經(jīng)過反復(fù)迭代計(jì)算,檢驗(yàn)是否存在干涉、奇異性等問題,并結(jié)合以往六自由度平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式[24],對(duì)構(gòu)型參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整,確定6UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型參數(shù):上鉸圓直徑,3.80 m;下鉸圓直徑,5.50 m;中位高度,2.80 m;上平臺(tái)鉸鏈偏置角,6.20°;下平臺(tái)鉸鏈偏置角,4.35°,偏置角表示該鉸鏈偏離120°等分線的角度,取絕對(duì)值.

六自由度試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)平臺(tái)可達(dá)空間是試驗(yàn)室廠房布置和設(shè)備安裝的重要依據(jù),Stewart平臺(tái)的可達(dá)空間是6個(gè)驅(qū)動(dòng)桿所能達(dá)到的工作子空間的交集,受到驅(qū)動(dòng)桿長度和驅(qū)動(dòng)桿間干涉的制約.文中采用邊界數(shù)值搜索法來求解本平臺(tái)工作空間,將平臺(tái)工作空間看成是由無數(shù)個(gè)離散的點(diǎn)所組成,每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)位姿,對(duì)于每個(gè)特定的動(dòng)平臺(tái)位姿,通過運(yùn)動(dòng)學(xué)反解均可計(jì)算出6根驅(qū)動(dòng)桿的向量形式,判斷是否滿足約束條件,只要不滿足其中一個(gè)條件,這個(gè)點(diǎn)就不存在,反之,這個(gè)點(diǎn)就處于工作空間.在MATLAB中編程計(jì)算工作空間，如圖3所示.

圖3 動(dòng)平臺(tái)可達(dá)空間

為了驗(yàn)證數(shù)值搜索法的準(zhǔn)確性,在多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中建立六自由度平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型如圖4所示,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析,計(jì)算出平臺(tái)的最大位移和最大角位移如表1所示,可知鉸鏈座的空間位置和驅(qū)動(dòng)腿長度均滿足動(dòng)平臺(tái)線位移和角位移的要求.

圖4 虛擬樣機(jī)模型

表1 動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間

運(yùn)動(dòng)方向區(qū)間下限區(qū)間上限縱向X/m-0.5160.516橫向Y/m-0.4480.448垂向Z/m-0.3580.348俯仰角/(°)-10.4010.40側(cè)傾角/(°)-11.2511.25偏航角/(°)-12.7512.75

1.4 動(dòng)力元件選型

根據(jù)動(dòng)平臺(tái)和試驗(yàn)對(duì)象的總質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及動(dòng)平臺(tái)的最大線速度、最大線加速度、最大角速度、最大角加速度等設(shè)計(jì)指標(biāo),按照正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí),計(jì)算對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)幅值和頻率,如表2所示,4種工況在ADAMS中進(jìn)行全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)逆解,得到電動(dòng)缸最大推力和最大缸速,作為交流伺服電機(jī)和絲杠的選型依據(jù).通過4種極限工況仿真得到電動(dòng)缸峰值速度為0.39 m·s-1;峰值推力為41 436 N.

表2 4種極限測試工況

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的執(zhí)行器由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、電動(dòng)缸組成,交流伺服電動(dòng)機(jī)選用意大利PHASE公司U310F型永磁同步無刷伺服電動(dòng)機(jī),額定轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1,額定功率27 kW,轉(zhuǎn)矩86 N·m,伺服電動(dòng)機(jī)上安裝了永磁制動(dòng)器,具有失去剎車保護(hù)功能;伺服驅(qū)動(dòng)器選用PHASEAXMⅡ35型;位置傳感器選用海德漢ECN413型絕對(duì)值編碼器,精度為1 024線·轉(zhuǎn)-1;電動(dòng)缸選用THK公司HBN型的滾珠絲杠,絲杠直徑40 mm,缸筒外徑150 mm,缸內(nèi)桿直徑80 mm,絲杠導(dǎo)程10 mm,有效行程550 mm,傳動(dòng)效率90%.由電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和導(dǎo)程可計(jì)算出電動(dòng)缸額度速度0.5 m·s-1,額定推力43.74 kN,峰值推力56.86 kN(按照電動(dòng)機(jī)額定扭矩的1.3倍計(jì)算).

2 運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)控制系統(tǒng)

平臺(tái)控制采用分布式控制方式,控制系統(tǒng)主要硬件由主控計(jì)算機(jī)、測試計(jì)算機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、數(shù)據(jù)輸入/輸出板卡等組成.測試計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等,主控計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)指令下達(dá)、運(yùn)動(dòng)解算、實(shí)時(shí)控制等功能.當(dāng)用戶輸入給定位姿指令時(shí),控制電動(dòng)缸進(jìn)行規(guī)律性的伸縮運(yùn)動(dòng).

2.1 控制策略

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用基于鉸接空間的控制策略,假設(shè)6個(gè)支腿間相互獨(dú)立、不存在耦合,依靠6-UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,將平臺(tái)期望位姿經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解后,求得6個(gè)驅(qū)動(dòng)腿目標(biāo)位置,對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)腿進(jìn)行獨(dú)立的控制器設(shè)計(jì).控制器采用増益控制型模糊PID算法[25],電動(dòng)缸的PMSM伺服系統(tǒng)采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三閉環(huán)控制,系統(tǒng)對(duì)電流環(huán)的控制要求是定、轉(zhuǎn)子電流能夠快速、準(zhǔn)確跟蹤矢量控制指令,以便能夠使用慣性環(huán)節(jié)替代定轉(zhuǎn)子電壓方程,從而實(shí)現(xiàn)矢量控制;系統(tǒng)速度環(huán)控制要求速度脈動(dòng)率小、頻率響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬,電流環(huán)、速度環(huán)均采用比例控制.

2.2 控制系統(tǒng)軟硬件

六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)伺服控制原理如圖5所示,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心,選用德國西門子公司的SIMATIC847工控機(jī)作為主控計(jì)算機(jī),與模擬量輸出卡(研華PCI-1723)、開關(guān)量輸入/輸出(研華PCI-1750)、脈沖計(jì)數(shù)器(研華PCI-1780U)等工控板卡構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng).主控計(jì)算機(jī)通過模擬量輸出卡向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出電壓指令,伺服電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn),并帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),滾珠絲杠與滾珠螺母配合,將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為缸筒的直線運(yùn)動(dòng),6個(gè)絲杠按控制器設(shè)定的方式運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制.同時(shí),伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)信息通過絕對(duì)值編碼器及脈沖計(jì)數(shù)器反饋至主控計(jì)算機(jī)和測試計(jì)算機(jī),主控計(jì)算機(jī)將脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為缸筒的位移量,形成閉環(huán)控制,測試計(jì)算機(jī)則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解實(shí)時(shí)顯示和輸出動(dòng)平臺(tái)的位姿.

圖5 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)伺服控制原理圖

3 試驗(yàn)測試

3.1 六自由度平臺(tái)與測試裝置

Stewart六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如圖6a所示.

圖6 大型噴桿運(yùn)動(dòng)模擬分析平臺(tái)

本次測試對(duì)象為圖6a中的28 m桁架式噴桿及其擺式懸架[25-26],帶有彈簧、阻尼的擺式被動(dòng)懸架,噴臂采用四面體桁架結(jié)構(gòu),噴桿質(zhì)量926 kg,繞擺動(dòng)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量32 700 kg·m2.通過安裝夾具將懸架支座固定于Stewart六自由度運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)上,以動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模擬噴霧機(jī)底盤的晃動(dòng).噴桿動(dòng)態(tài)模擬分析軟件用戶界面如圖6b所示,測試計(jì)算機(jī)上顯示并記錄動(dòng)平臺(tái)的位姿信號(hào).

3.2 系統(tǒng)控制性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

軌跡跟蹤性能是并聯(lián)六自由度機(jī)構(gòu)的重要性能指標(biāo),為盡可能準(zhǔn)確地反映六自由度平臺(tái)伺服系統(tǒng)在各種運(yùn)行條件下對(duì)目標(biāo)的跟蹤性能,試驗(yàn)過程中選用了3種參考信號(hào)進(jìn)行測試,分別是正弦信號(hào)、正弦掃頻信號(hào)、田間實(shí)測信號(hào).

3.3.1正弦運(yùn)動(dòng)模擬

對(duì)噴霧分布均勻性影響最大的是噴桿豎直面內(nèi)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),擺式懸架的設(shè)計(jì)主要是抑制噴桿滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),對(duì)噴臂疲勞壽命影響最大的是豎直方向的振動(dòng).由于噴桿被動(dòng)懸架具有對(duì)于輸入激勵(lì)起到低通濾波器的作用[30],試驗(yàn)時(shí)主要考察低頻激勵(lì)對(duì)懸架性能的影響.

設(shè)置Stewart運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)按正弦信號(hào)輸出滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、垂向運(yùn)動(dòng),模擬路面不平引起的噴霧機(jī)底盤低頻擾動(dòng),測試結(jié)果如圖7a和圖8a所示,滾轉(zhuǎn)方向輸入頻率為0.1 Hz,幅值5°的正弦信號(hào)時(shí),系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后,動(dòng)平臺(tái)的均方根誤差0.127 3°,最大誤差0.191 3°;當(dāng)輸入頻率為10.0 Hz,幅值為0.045°的正弦信號(hào)時(shí),動(dòng)平臺(tái)的均方根誤差為0.003 3°,最大誤差0.009 2°.

垂直方向正弦信號(hào)跟蹤結(jié)果如圖7b和圖8b所示,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后,0.1 Hz幅值200 mm正弦信號(hào)輸入時(shí),動(dòng)平臺(tái)的均方根誤差5.22 mm,最大誤差7.34 mm;當(dāng)輸入頻率10.0 Hz,幅值2.5 mm的正弦信號(hào)時(shí),動(dòng)平臺(tái)的均方根誤差0.21 mm,最大誤差0.19 mm.

圖7 0.1 Hz正弦信號(hào)跟蹤試驗(yàn)

圖8 10.0 Hz正弦信號(hào)跟蹤試驗(yàn)

3.3.2正弦掃頻運(yùn)動(dòng)測試

通過正弦掃頻試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確地辨識(shí)噴桿懸架系統(tǒng)的頻響函數(shù),確定共振頻率,以做耐振處理.對(duì)于半主動(dòng)噴桿懸架系統(tǒng),通過掃頻測試可以清晰地判別在哪個(gè)頻率范圍懸架系統(tǒng)是主動(dòng)的,在哪個(gè)頻率范圍主動(dòng)懸架逐漸被被動(dòng)懸架代替.用正弦掃頻信號(hào)作為系統(tǒng)擾動(dòng)信號(hào)輸入,通過Stewart六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輸出頻率0.05～0.70 Hz、幅值1°的正弦線性等形掃頻信號(hào),該掃頻激勵(lì)范圍包含了市場上擺式噴桿懸架的共振頻率.

掃頻測試的目標(biāo)信號(hào)、動(dòng)平臺(tái)實(shí)際角位置及跟蹤誤差如圖9所示,均方根誤差0.020 0°,最大誤差0.098 0°,隨著頻率增大,跟蹤誤差逐漸增大.被測28 m噴桿懸架的頻響特性如圖10所示.

圖9 正弦掃頻試驗(yàn)

圖10 被動(dòng)懸架頻響特性

當(dāng)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的頻率在0.02 Hz到被動(dòng)懸架的共振頻率0.24 Hz之間,被動(dòng)懸架幾乎不起減振作用,在共振頻率0.24 Hz處,被動(dòng)懸架在共振頻率附近將激勵(lì)放大,激勵(lì)頻率高于共振頻率時(shí),被動(dòng)懸架開始發(fā)揮衰減振動(dòng)作用,隨著擾動(dòng)頻率增加,噴桿角度穩(wěn)定在-0.27°～0.28°.

3.3.3田間實(shí)測運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)

隨著噴桿式噴霧機(jī)不斷大型化,作業(yè)速度也不斷增加,噴桿的設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)靜態(tài)分析設(shè)計(jì)到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變,利用六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行各種田間工況模擬和多次重復(fù)試驗(yàn),用于研究噴桿懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、噴臂結(jié)構(gòu)的可靠性等.

本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要用途之一是大型噴桿田間工況模擬,因此需要采集噴桿安裝位置附近的噴霧機(jī)車架運(yùn)動(dòng)信號(hào),在不同地域(黑龍江、江蘇、新疆建設(shè)兵團(tuán)等)采集了多種機(jī)型作業(yè)時(shí)的典型運(yùn)動(dòng)譜數(shù)據(jù),經(jīng)過信號(hào)處理,編入數(shù)據(jù)庫中.如圖11所示,噴桿式噴霧機(jī)(Mazzotti MAF5240)在田間行駛過程中,使用雙GPS輔助的姿態(tài)測量系統(tǒng)(SBG Ellipse-D-G4A2B1,SBGSystem)進(jìn)行噴霧機(jī)車身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信號(hào)采集,該測量系統(tǒng)內(nèi)置加速度計(jì)測量范圍±8g,陀螺儀角速度測量范圍±450 (°)·s-1,零偏穩(wěn)定性±0.2(°)·s-1,姿態(tài)最大測量誤差(艾倫方差)滾轉(zhuǎn)0.1°、俯仰0.1°、偏航角0.2°,采樣頻率200.0 Hz.姿態(tài)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過基于ZigBee協(xié)議的DTK 2617C無線模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程接收模塊,可以實(shí)現(xiàn)1.5 km范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸.

圖11 噴霧機(jī)田間運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集

通常直接采集到的噴霧機(jī)運(yùn)動(dòng)信號(hào)往往疊加有噪聲信號(hào),使得振動(dòng)曲線呈現(xiàn)許多毛刺,為了削弱噪聲信號(hào)的影響,首先對(duì)實(shí)測運(yùn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行平滑處理,采用五點(diǎn)三次平滑法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑[31],然后使用有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器進(jìn)行低通濾波處理,截止頻率10.0 Hz,最后將處理后的數(shù)據(jù)輸入實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī),控制動(dòng)平臺(tái)實(shí)時(shí)跟蹤該目標(biāo)信號(hào),其中滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、垂向運(yùn)動(dòng)軌跡及跟蹤誤差如圖12和圖13所示.在有負(fù)載的情況下,動(dòng)平臺(tái)滾轉(zhuǎn)角均方根誤差為0.297 0°,最大誤差為0.779 0°;垂向位移均方根誤差為15.7 mm,最大誤差為61.3 mm.從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,動(dòng)平臺(tái)在10.0 Hz以內(nèi)低頻波形復(fù)現(xiàn)精度較高,可以用于噴桿自平衡懸架的動(dòng)態(tài)模擬.

圖12 動(dòng)平臺(tái)滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

圖13 動(dòng)平臺(tái)垂向往復(fù)運(yùn)動(dòng)

4 結(jié) 論

隨著噴桿逐漸大型化,振動(dòng)問題的日益突出,依據(jù)前期國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械振動(dòng)測試、室內(nèi)運(yùn)動(dòng)模擬研究現(xiàn)狀,對(duì)大型噴桿適用的運(yùn)動(dòng)六自由度模擬平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì),首先確定了試驗(yàn)臺(tái)的性能指標(biāo)(負(fù)載質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)幅值、頻率),通過MATLAB和ADAMS建模與仿真,分析了Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,計(jì)算出了動(dòng)平臺(tái)的可達(dá)空間,以及極限工況下驅(qū)動(dòng)腿的最大推力,進(jìn)行了伺服電動(dòng)機(jī)和滾轉(zhuǎn)絲杠的選型,校驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性,并設(shè)計(jì)了6個(gè)伺服電動(dòng)缸的分布式控制系統(tǒng)及上位機(jī)軟件,搭建了六自由度噴桿動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái).

為了測試控制器的復(fù)現(xiàn)精度,選用正弦信號(hào)、正弦掃頻信號(hào)、田間實(shí)測信號(hào)3種信號(hào)進(jìn)行了試驗(yàn).從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,動(dòng)平臺(tái)的10.0 Hz以內(nèi)低頻全波形復(fù)現(xiàn)精度較高,可以用于噴桿自平衡懸架的頻響特性測試.同時(shí),采用了基于雙GPS輔助慣性姿態(tài)測量系統(tǒng),采集噴霧機(jī)在農(nóng)田作業(yè)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù),通過平滑預(yù)處理和低通濾波,在六自由度運(yùn)動(dòng)模擬器上進(jìn)行了10.0 Hz以下田間運(yùn)動(dòng)時(shí)域全波形復(fù)現(xiàn),動(dòng)平臺(tái)滾轉(zhuǎn)角均方根誤差為0.297 0°,最大誤差0.779 0°;垂向位移均方根誤差15.7 mm,最大誤差61.3 m.未來還將繼續(xù)深化平臺(tái)功率譜控制策略的研究,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)10.0 Hz以上振動(dòng)功率譜的復(fù)現(xiàn),用于噴桿噴霧機(jī)關(guān)鍵部件疲勞耐久性試驗(yàn).