王 濤 ，李紫燃 ，劉 瑞 ，舒 雷 ，林毓培

（1.云南省煙草公司曲靖市公司，云南 曲靖 655011；2.西南大學智能傳動和控制技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 400715）

0 引言

煙葉采摘機械在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展，并取得了顯著的進步[1]。隨著農(nóng)業(yè)機械自動化、智能化的發(fā)展，現(xiàn)代的煙葉采摘機械大多具備了自動化的定位、采摘和監(jiān)控等多項功能，大大提高了工作效率和質(zhì)量[2]。為了實現(xiàn)上述功能，煙葉采摘機械一方面廣泛應用了高精度的位置感知和導航技術(shù)[3-4]；另一方面，機器人學、圖像識別和人工智能等新興技術(shù)也逐漸融入煙葉采摘機械的設計中，使得采摘裝備能夠自主學習和適應復雜的環(huán)境和任務。為了確保煙葉采摘機械在定位和摘取過程中的精確性和穩(wěn)定性，需要整機結(jié)構(gòu)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)特性。因此，研究并設計具有高強度和高剛度的采摘機械結(jié)構(gòu)是必要的。

當前，已有部分學者在煙葉采摘機械領(lǐng)域進行了一系列研究，主要集中在傳統(tǒng)采摘機的結(jié)構(gòu)設計和試驗研究上[5-6]。然而，關(guān)于位置感知或機器視覺的新一代采摘機械的研究相對較少，采摘機械的結(jié)構(gòu)特性也需要更多關(guān)注。因此，本文旨在針對項目前期的煙葉采摘實施方案，設計開發(fā)一種基于機器視覺識別的智能煙葉采摘機械結(jié)構(gòu)，重點對機架結(jié)構(gòu)進行靜力學分析和模態(tài)分析，并應用CAE 技術(shù)對機架的結(jié)構(gòu)特性進行探究和優(yōu)化，以獲得具有良好靜態(tài)和動態(tài)特性的智能煙葉采摘機機架結(jié)構(gòu)。該研究結(jié)果將有助于保障自動化、智能化控制的煙葉采摘機械的實施效果，并為煙草種植業(yè)帶來更好的效益和發(fā)展。

1 結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)項目的煙葉采摘實施方案，本文設計開發(fā)了一種基于機器視覺識別的智能煙葉采摘機，其主要由控制柜、機架、電機減速裝置、履帶模組安裝板、動力電池以及機械臂安裝板等組成。其中，履帶模組安裝板內(nèi)部加裝成熟履帶模組結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)采摘機的行駛，其上方搭載整機機架；機架一側(cè)焊接一安裝板，用于安裝采摘機械臂，機架上方放置一控制柜，其余一些細小結(jié)構(gòu)分布在機架各處；電機減速裝置和動力電池放置在履帶模組安裝板上，采用鉛酸電池組為行駛機構(gòu)和采摘機構(gòu)提供動力。采摘機結(jié)構(gòu)布置方案如圖1所示。

圖1 智能煙葉采摘機結(jié)構(gòu)布置方案圖

2 有限元分析

2.1 理論方程

利用有限元法將連續(xù)體分解成若干小單元，通過節(jié)點將各單元連接，并形成一個整體。為了建立整個結(jié)構(gòu)的方程組，需要為每個小單元建立方程，并結(jié)合載荷和邊界條件進行計算。實施步驟主要有模型離散化、單元分析、整體分析和數(shù)值求解。

對于機架結(jié)構(gòu)，通過有限元法離散化處理后，動力學微分方程如下[7]：

式中，[M]、[C]和[K]分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；x? 、x˙和x分別為節(jié)點加速度、速度和位移向量；F(t)為載荷向量。

對于靜力學分析，其載荷為不隨時間變化的常量，因而式（1）可簡化為：

對于模態(tài)分析，其模態(tài)性質(zhì)是結(jié)構(gòu)固有屬性，與外部激勵無關(guān)，且阻尼對固有頻率影響很小，故動力學方程可簡化為：

將該方程轉(zhuǎn)化為特征值方程：

式中，ω為圓頻率，即特征值，單位為rad/s；φ為模態(tài)振型，即特征向量，模態(tài)分析實質(zhì)上為特征值分析。

2.2 模型處理與邊界條件

機架結(jié)構(gòu)為眾多薄壁管件和薄板的組合，因而在幾何處理軟件中對其進行抽取中面處理，部件與部件之間進行共享拓撲處理，為后續(xù)高效高質(zhì)量的仿真分析做準備。根據(jù)實際情況對機架零部件進行Q235 材質(zhì)屬性設置和賦予，密度為7 800 kg/m3，楊氏模量為2e11Pa，泊松比為0.3[8]。對除機架外的其他部件結(jié)構(gòu)進行了簡化處理，將控制器、電機減速裝置以及動力電池去除，改為在各自質(zhì)心位置施加等效于自身重量的遠程力。同樣地，選擇安裝板極限位置孔，在機械臂質(zhì)心位置施加等效于自身重量的遠程力（考慮運動慣性力及線束質(zhì)量）。最后，為整個分析系統(tǒng)添加重力影響效果。處理后的模型和邊界條件具體施加情況如圖2所示。

圖2 模型簡化及邊界條件具體施加情況

2.3 網(wǎng)格劃分

考慮到仿真計算的高效性和結(jié)果的準確性，采用二階四邊形網(wǎng)格對其進行劃分，經(jīng)過網(wǎng)格獨立性測試，最終選擇6 mm 的網(wǎng)格平均尺寸進行設置（后續(xù)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)網(wǎng)格保持相同的設置策略）。最終生成了高質(zhì)量的機架結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中，網(wǎng)格單元數(shù)為91 583，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為276 560。

2.4 工況約束與分析設置

由于煙葉采摘機在煙區(qū)工作過程中運動速度均勻且較低，受到路面不平帶來的瞬時慣性力的影響較小，本文主要考慮機架在采摘機自身負載影響下的靜態(tài)受力情況以及受到路面環(huán)境低能量振動帶來的動態(tài)共振影響，因此在靜力學分析中對左右兩個履帶模組安裝板的邊緣處施加固定約束，以模擬采摘機結(jié)構(gòu)的真實約束情況。結(jié)合靜力學結(jié)果，采用預應力模態(tài)方法，并選擇Lanczos 迭代方法對機架模態(tài)特征值進行求解和分析。在靜力學分析中主要考慮機械臂附近的變形情況，在模態(tài)分析中主要關(guān)注機架低階模態(tài)是否超過作業(yè)環(huán)境施加的低階頻率。

2.5 靜力學分析

機架結(jié)構(gòu)的等效應力和總變形情況分別如圖3、圖4 所示。由圖3 可知，整個機架的最大應力為100.43 MPa，存在于機械臂安裝板中部，就結(jié)果數(shù)值來看，遠小于Q235 材質(zhì)的屈服強度，其余各部分的應力也都很小。因此，初始設計的機架在強度方面完全滿足要求。由圖4 可知，整個機架的最大變形量為0.30 mm，出現(xiàn)在機械臂安裝板的左下方，主要是由于該區(qū)域在初始設計中并未加裝方管固定；變形云圖右上方方管和矩形管的變形量在0.25 mm 左右，可能是由于受到機械臂的重量帶來的變形影響；其他位置的變形量則相對較小?？傮w上，機架的應力值均較小，變形量不高，對機架局部尤其是安裝板左下方結(jié)構(gòu)剛度可進行略微加強。

圖3 機架等效應力云圖

圖4 機架變形云圖

2.6 模態(tài)分析

2.6.1 模態(tài)頻率和振型結(jié)果

模態(tài)分析結(jié)果如圖5和表1 所示。由圖表可知，前6 階模態(tài)振型主要來自于機架整體的模態(tài)特征，局部振型來自于未加強固定的安裝板處。從整個機架結(jié)構(gòu)來看，為了確保機械臂具有較大的工作空間，機架四周豎直的立柱方管設計較長，導致由履帶安裝板向立柱方管的振動傳遞，進而產(chǎn)生由立柱方管主導的一階彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)，因此從云圖上看振型合理。由表1 可知，前兩階模態(tài)頻率較低，分別為15.55 Hz 和26.05 Hz，而農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境路面激勵頻率范圍為0.5 Hz~30 Hz[9-10]，這可能導致機架結(jié)構(gòu)共振，因此需要進一步分析低階模態(tài)結(jié)果來對機架進行加固設計。

表1 前6 階模態(tài)頻率與振型

圖5 前6階機架模態(tài)振型云圖

2.6.2 應變能密度結(jié)果

為了探究對應機架前兩階模態(tài)振型的薄弱結(jié)構(gòu)，生成了前兩階模態(tài)對應的應變能密度結(jié)果，如圖6 所示。由圖6可知，第一階模態(tài)應變能密度較高區(qū)域主要集中在豎直的立柱方管四個角區(qū)域以及其上方與頂部矩形方管的連接區(qū)域；第二階模態(tài)應變能密度較高區(qū)域主要集中在豎直的立柱方管四個角區(qū)域、兩側(cè)矩形方管的連接區(qū)域、加強筋與方管的連接區(qū)域以及安裝板固定方管的連接區(qū)域，所有應變能密度高的區(qū)域和模態(tài)振型運動方向?qū)＿M一步分析，上述區(qū)域均為結(jié)合部區(qū)域，說明對低階模態(tài)影響較大的能量主要存在于結(jié)合部處，需要重點針對結(jié)合部位置進行加固設計。

圖6 機架前兩階模態(tài)應變能密度云圖

3 優(yōu)化設計與結(jié)果

3.1 優(yōu)化設計方案

根據(jù)上述結(jié)果，對機架進行了優(yōu)化設計，主要包括以下幾個方面：

1）對履帶安裝板的上板和對應安裝的立柱方管安裝面進行了加厚處理，由4 mm 改為6 mm，以提高該區(qū)域抗彎曲能力；

2）在立柱方管下方增加了若干個三角筋，以提高整個立柱架在X方向，尤其在Z方向的抗彎能力；

3）對機架現(xiàn)有的方管加強筋的尺寸進行了加大，增大20 mm，以提高各方管之間在X方向和Z方向的抗彎能力；

4）對立柱方管進行了加厚，厚度由2 mm改為2.5 mm，以提高立柱自身抗彎能力；

5）在機械臂安裝板下方增加橫向的固定方管，以降低該區(qū)域的變形量。

最終優(yōu)化設計后的機架結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 優(yōu)化設計后的機架結(jié)構(gòu)

3.2 優(yōu)化前后結(jié)果對比

采用相同的方法及條件對優(yōu)化后的機架結(jié)構(gòu)進行CAE 分析，得到了其最大變形量以及前6 階模態(tài)頻率數(shù)據(jù)，優(yōu)化前后機架靜動態(tài)特性數(shù)據(jù)對比如表2所示。由表2 可知，優(yōu)化后的機架相比優(yōu)化前的機架在靜態(tài)和動態(tài)性能上均有很大提升，其中，存在于安裝板左下方的最大變形量由0.30 mm 降低到0.13 mm，優(yōu)化百分比達到了56.7%；一階模態(tài)頻率從15.55 Hz 提高到了33.47 Hz，優(yōu)化百分比為115.2%，二階模態(tài)頻率也有較大提升，從26.05 Hz 提高到39.22 Hz，優(yōu)化百分比為50.6%，其余低階模態(tài)也均有不同程度的提升。綜上，優(yōu)化后的機架結(jié)構(gòu)具有更好的靜動態(tài)剛度。

表2 優(yōu)化前后機架靜動態(tài)特性數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

本文設計開發(fā)了一種基于機器視覺識別的智能煙葉采摘機械結(jié)構(gòu)，應用CAE 技術(shù)對采摘機機架結(jié)構(gòu)進行了靜動態(tài)特性分析及優(yōu)化，得到了如下結(jié)論：

1）基于機器視覺的煙葉采摘功能需求，進行了采摘機機械結(jié)構(gòu)的設計和開發(fā)，通過CAE 技術(shù)對機架進行了靜力學分析和模態(tài)分析，探尋到了機架結(jié)構(gòu)的各個薄弱環(huán)節(jié)。

2）基于靜力學分析和模態(tài)分析結(jié)果，對機架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后的機架相比優(yōu)化前的機架最大變形量由0.30 mm 降低到0.13 mm，優(yōu)化百分比達到了56.7%；一階模態(tài)頻率從15.55 Hz 提高到了33.47 Hz，優(yōu)化百分比為115.2%；二階模態(tài)頻率也有較大提升，從26.05 Hz 提高到39.22 Hz，優(yōu)化百分比為50.6%，其余低階模態(tài)也均有不同程度的提升。

3）研究結(jié)果將有助于保障自動化、智能化控制的煙葉采摘機械的實施效果，并為煙草種植業(yè)帶來更好的效益和發(fā)展。