王 鵬，萬(wàn)志遠(yuǎn)，李 鋒

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷進(jìn)步，人工林種植與市政綠化程度越來(lái)越高，人們對(duì)于修剪的平整度、造型及修剪效率等要求也不斷提高。傳統(tǒng)的樹(shù)木修剪方式安全隱患大、重復(fù)性高。隨著視覺(jué)、傳感、機(jī)電一體化、人工智能與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，智能樹(shù)木修剪機(jī)不僅在很大程度上提高了修剪樹(shù)木的勞動(dòng)效率，而且修剪質(zhì)量大大提高[1]。

1 智能樹(shù)木修剪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能樹(shù)木修剪機(jī)是一種可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換液壓剪和電鋸的智能修剪裝置，通過(guò)人工遙控修剪樹(shù)木枝干，具有低風(fēng)險(xiǎn)、高效率、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 智能樹(shù)木修剪機(jī)簡(jiǎn)介

智能樹(shù)木修剪機(jī)從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要分為汽車(chē)底盤(pán)、搭載設(shè)備和多自由度機(jī)械臂幾個(gè)部分，如圖1所示：

圖1 智能樹(shù)木修剪機(jī)總體結(jié)構(gòu)

智能樹(shù)木修剪機(jī)可以分為：動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，智能樹(shù)木修剪機(jī)在修剪作業(yè)時(shí)的性能與其機(jī)構(gòu)的優(yōu)良關(guān)系很大，在作業(yè)時(shí)智能修剪機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)是作為一個(gè)整體來(lái)完成修剪任務(wù)的。

智能樹(shù)木修剪機(jī)是依靠動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)向機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力的，它對(duì)修剪作業(yè)的效率起著關(guān)鍵性的作用，智能樹(shù)木修剪機(jī)的工作環(huán)境比較復(fù)雜，機(jī)械臂作業(yè)頻率高，載荷也經(jīng)常發(fā)生變化，因此動(dòng)力系統(tǒng)地設(shè)計(jì)尤為重要。智能樹(shù)木修剪機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括了汽車(chē)底盤(pán)和機(jī)械臂等，智能樹(shù)木修剪機(jī)的修剪作業(yè)完成主要依靠機(jī)械系統(tǒng)完成?？刂葡到y(tǒng)主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、攝像頭、機(jī)械臂等進(jìn)行控制的系統(tǒng)。

1.2 智能樹(shù)木修剪機(jī)建模

多自由度多功能機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)是比較復(fù)雜的，在建立三維模型時(shí)，必須進(jìn)行簡(jiǎn)化，多自由度機(jī)械臂是一個(gè)十分復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，為了提高建模效率與模型的裝配精度，根據(jù)每個(gè)零件的特點(diǎn)分類(lèi)進(jìn)行建模。機(jī)械臂的建模如圖2所示：

圖2 多自由度機(jī)械臂模型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在Solidworks中采取基本建模方法形成基本的特征實(shí)體，在建模過(guò)程中使用了有底向上的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于每一個(gè)零件都能夠清晰掌控，還可以隨時(shí)對(duì)裝配體中的零件進(jìn)行修改。智能樹(shù)木修剪機(jī)車(chē)身的建模如圖3所示，是車(chē)身的裝配模型，建模過(guò)程不做詳述。

圖3 智能樹(shù)木修剪機(jī)車(chē)身模型

2 智能樹(shù)木修剪機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

虛擬樣機(jī)的建立采用Solidworks軟件與ADAMS仿真軟件相結(jié)合的方法，使用Solidworks軟件建模，然后再導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行適當(dāng)?shù)匦薷腫2]。

在Solidworks中繪制完成之后，保存為Parasolid格式，然后導(dǎo)入到ADAMS中；使用 Parasolid 格式進(jìn)行Solidworks和 ADAMS 文件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以較好的避免數(shù)據(jù)在 STEP和 IGES等文件轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。同時(shí)使用Parasolid中間數(shù)據(jù)格式能夠最大程度保留原模型的幾何要素和零部件的信息，甚至可以在Solidworks里先添加一些簡(jiǎn)單的約束，再通過(guò)專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)模塊接口導(dǎo)入ADAMS中，這樣就可以有效地將建模和分析鏈接在一起，最大程度的避免在ADAMS中復(fù)雜的建模過(guò)程，盡可能使得數(shù)學(xué)模型與物理樣機(jī)水平相接近，提高分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。在ADAMS中對(duì)各個(gè)構(gòu)件添加約束，即定義運(yùn)動(dòng)副、添加驅(qū)動(dòng)、施加載荷，得出仿真模型[3]，為后面的計(jì)算求解和結(jié)果后處理中做好準(zhǔn)備。

設(shè)置ADAMS工作環(huán)境：

（1）設(shè)置坐標(biāo)系，選擇笛卡爾坐標(biāo)系。

（2）設(shè)置單位，選擇MMKS即毫米（mm）、千克（㎏）、秒（s）、牛頓（N）、度（deg）單位制。

（3）添加重力和方向，設(shè)置g為9 806.65 mm/s2，方向?yàn)椋?Z）。

根據(jù)實(shí)際情況，在不影響仿真分析效果的情況下對(duì)機(jī)械臂[4]模型進(jìn)行簡(jiǎn)化使建模簡(jiǎn)單方便，建模完成后，利用Solid-works軟件[5]的裝配功能，完成機(jī)構(gòu)的裝配，然后將該模型導(dǎo)出為Parasolid文件，導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中，并根據(jù)智能樹(shù)木修剪機(jī)的實(shí)際約束情況，添加約束、驅(qū)動(dòng)和載荷，在底座與大地之間采用固定副連接，并且每添加一個(gè)約束都要進(jìn)行仿真，觀察是否與理論模擬相符合，這樣出現(xiàn)問(wèn)題就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，以保證最后仿真模型的準(zhǔn)確度，提高效率。

在處理過(guò)程完成后，建立的模型就可以進(jìn)行仿真操作，最后建立的虛擬樣機(jī)如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂虛擬樣機(jī)模型

在仿真過(guò)程中，獲得智能樹(shù)木修剪機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，不斷進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，縱觀整個(gè)仿真過(guò)程，運(yùn)動(dòng)過(guò)程平滑順暢，各個(gè)構(gòu)件沒(méi)有發(fā)生死點(diǎn)和干涉現(xiàn)象。具體作業(yè)仿真模擬過(guò)程如圖5所示：

圖5 具體作業(yè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程

3 結(jié)論

本文完成了智能樹(shù)木修剪機(jī)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與仿真研究，本智能樹(shù)木修剪機(jī)采用Solidworks建成模型，并將其導(dǎo)入仿真軟件ADAMS中，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)智能樹(shù)木修剪機(jī)進(jìn)行仿真模擬分析，驗(yàn)證該裝置沒(méi)有干涉和死點(diǎn)位置，并能夠完成預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，具體仿真過(guò)程均符合預(yù)期要求，該智能樹(shù)木修剪機(jī)滿(mǎn)足作業(yè)要求。