基于Solidworks Motion的番茄收獲機測產(chǎn)裝置的運動學(xué)仿真分析

袁昌富 張宏文 馬萬里 王 磊 陳明昌（石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

番茄收獲機測產(chǎn)裝置，是和番茄收獲機相配套，進行番茄產(chǎn)量實時監(jiān)測并獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)的裝置，是實現(xiàn)番茄收獲實時測產(chǎn)的自動化、智能化和信息化的保證，也是精準農(nóng)業(yè)中實時獲取作物產(chǎn)量分布信息，并為處方農(nóng)作和科學(xué)管理提供重要參考的保障［1－4］。

稱量精度是測產(chǎn)裝置最重要的性能指標之一，在測產(chǎn)裝置動態(tài)稱重過程中，如果番茄在稱重皮帶有效稱重段發(fā)生滾動或者碰撞，會產(chǎn)生不必要的慣性力、摩擦力、彈力等重力以外的力，影響測產(chǎn)裝置的稱量精度。為此，在進入稱重皮帶有效稱重段前端設(shè)置緩沖區(qū)域，若番茄從色選皮帶拋下后，在緩沖區(qū)域內(nèi)與稱重皮帶不發(fā)生相對滾動，或者完成相對滾動后與稱重皮帶同速進入有效稱重段，此時對稱量精度影響較小；若番茄進入有效稱重段后繼續(xù)滾動，需及時調(diào)整色選皮帶的運行速度以降低番茄落入稱重皮帶的初始速度。

目前，中國番茄收獲的機械化程度雖然正在不斷普及和提高，但番茄收獲實時測產(chǎn)技術(shù)在中國的應(yīng)用研究尚屬空白。本試驗利用Solidworks Motion工具對番茄在稱重皮帶的運動進行模擬研究，通過調(diào)整色選皮帶運動速度以盡量減少番茄運動對稱量精度的影響，對于提高番茄收獲實時測產(chǎn)裝置的稱量精度意義重大。

1 運動學(xué)理論分析

（1）當(dāng)相對速度Δv＝v0－v＞0時，番茄在稱重皮帶上的受力分析如圖2所示，則有以下幾種情況：

若f＞Ff，番茄在稱重皮帶上不發(fā)生相對滾動，即番茄被拋送到稱重皮帶上時就隨稱重皮帶穩(wěn)定前行，速度為v，那么v0應(yīng)滿足：

若f＜Ff，番茄在稱重皮帶上相對稱重皮帶會向前滾動一段距離，在摩擦力作用下直到番茄速度減小為v時，番茄才隨稱重皮帶穩(wěn)定前行。在此過程中有：

式中：

a1——番茄在滾動過程中發(fā)生減速時的加速度，m/s2；

t1——番茄發(fā)生減速過程的時間，s；

S1——番茄在稱重皮帶上相對滾動的距離，m；

S2——番茄在發(fā)生減速過程中稱重皮帶前行的距離，m。

圖1 番茄運動過程簡圖Figure 1 The movement of the tomato

圖2 番茄受力分析圖Figure 2 The force analysis of the tomato

綜合分析，色選皮帶運行速度v0必須滿足：

即

解得

（2）當(dāng)相對速度Δv＝v0－v＜0時，番茄在稱重皮帶上的受力分析如圖3所示，則有以下幾種情況：

若f＜Ff，番茄在稱重皮帶上相對稱重皮帶會向后滾動一段距離，在摩擦力作用下直到番茄速度增大為v時，番茄才隨稱重皮帶穩(wěn)定前行。在此過程中有：

式中：

a2——番茄在滾動過程中發(fā)生加速時的加速度，m/s2；

t2——番茄發(fā)生加速過程的時間，s；

S3——番茄在稱重皮帶上相對滾動的距離，m；

S4——番茄在發(fā)生加速過程中稱重皮帶前行的距離，m。

圖3 番茄受力分析圖Figure 3 The force analysis of the tomato

綜合分析，色選皮帶運行速度v0必須滿足：

若f＞Ff，番茄在稱重皮帶上不發(fā)生相對滾動，即番茄被拋送到稱重皮帶上時就隨稱重皮帶穩(wěn)定前行，速度為v，那么v0應(yīng)滿足：

（3）當(dāng)相對速度Δv＝v0－v＝0時，番茄在稱重皮帶上的受力分析如圖4所示，此時f＝Ff＝0，所以番茄在稱重皮帶上不發(fā)生相對滾動，那么v0應(yīng)滿足：

即

圖4 番茄受力分析圖Figure 4 The force analysis of the tomato

綜上所述，v0的取值范圍應(yīng)該為：

2 運動仿真

2.1 仿真插件Motion介紹

Motion是Solidworks中功能較為強大的運動仿真分析模塊，Motion插件無縫集成了裝配運動仿真、干涉檢查等實用功能，通過Motion運動仿真分析，可以有效降低產(chǎn)品的制造成本及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設(shè)計分析者可快速地了解產(chǎn)品的可行性［7］。

在Motion的運動仿真界面中，只需簡單的操作，便可完成對裝配體的運動仿真與分析。在裝配好的整機上，利用Motion對裝配體添加相應(yīng)的驅(qū)動、約束、力、彈簧、阻尼、接觸與碰撞等，并設(shè)定好運動初始條件和具體參數(shù)，即可實現(xiàn)對該裝配體的運動仿真分析，最后的仿真結(jié)果（如零部件運動軌跡、位移、速度、加速度、作用力、反作用力等）以動畫、圖形、數(shù)據(jù)等多種形式輸出［7－9］。

2.2 基于Motion的運動仿真

圖5為番茄收獲機測產(chǎn)裝置番茄運動仿真所建立的仿真模型。

圖5 運動仿真模型Figure 5 The simulation model of motion

（1）在仿真模型中，給番茄添加Y方向的引力，讓其離開色選皮帶后能夠做平拋運動掉落到測產(chǎn)裝置的稱重皮帶上，符合試驗中的實際情況，見圖6。

（2）給測產(chǎn)裝置稱重皮帶添加線性馬達（圖7），并設(shè)置好添加馬達的位置、方向、相對此項而移動的零部件、運動函數(shù)和速度大小（經(jīng)分析，當(dāng)測產(chǎn)裝置稱重皮帶的速度越小時，其稱量精度越高，因此設(shè)置其運轉(zhuǎn)速度為最小值1m/s），點擊計算運動算例后稱重皮帶能夠順利的運轉(zhuǎn)起來。

圖6 添加引力Figure 6 The adjunction of gravity

圖7 添加馬達Figure 7 The adjunction of motor

當(dāng)番茄從色選皮帶上拋落到測產(chǎn)裝置稱重皮帶上時，為防止運動過程中零部件之間的彼此穿刺和彼此嵌入，因此需在番茄與稱重皮帶之間添加實體接觸（圖8），并設(shè)置好接觸參數(shù)（材料、動摩擦速度、動摩擦系數(shù)、靜摩擦速度、靜摩擦系數(shù)、彈性恢復(fù)系數(shù)等）。

圖8 添加接觸Figure 8 The adjunction of touching

（3）給番茄設(shè)置初始速度v0＝0，1 000，1 350m/s（圖9），觀察其掉落在稱重皮帶上以后的滾動運行情況，并通過運動分析找出番茄未進入稱重皮帶有效稱重段時，向后發(fā)生相對滾動但不脫離稱重皮帶和番茄進入稱重皮帶有效稱重段內(nèi)不發(fā)生相對滾動的初始速度的臨界條件。

圖9 初始速度的設(shè)定（v0＝0m/s）Figure 9 The setting of initial speed

3 仿真結(jié)果分析

運動仿真分析完成后，在“圖解和結(jié)果”中選取“線性速度”和“線性位移”，點擊“生成新圖解”，確認后可以計算仿真分析結(jié)果，并且可生成番茄整個運動過程線X方向上線性速度和線性位移相對于時間的數(shù)據(jù)圖表，見圖10。當(dāng)番茄的初始速度為1 350mm/s時，其X方向上線性速度和線性位移相對于時間的數(shù)據(jù)圖像見圖11。

圖10 運動分析結(jié)果選取（線性速度v相對于時間t）Figure 10 The selection of motion analysis results（v—t）

圖11 番茄初始速度為1 350mm/s時的X方向上線性速度與位移Figure 11 The linear velocity and displacement on direction Xwith tomato initial velocity of 1 350mm/s

由圖11可知，當(dāng)運行時間t＝0.19s時，番茄的平拋運動恰好結(jié)束并掉落到稱重皮帶的緩沖區(qū)域內(nèi)，同時勻減速運動開始，說明在此過程中番茄相對于稱重皮帶向前滾動；當(dāng)t＝0.42s時，番茄的勻減速運動結(jié)束，勻速運動開始，此時對應(yīng)的線性位移為500mm，與緩沖區(qū)域的長度恰好相等，說明番茄在進入稱重皮帶有效稱重段的瞬間由勻減速運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥Q重皮帶等速的勻速運動，此時的線性速度大小可作為番茄進入稱重皮帶有效稱重段內(nèi)不發(fā)生滾動的右端臨界條件。

當(dāng)番茄的初始速度為1 000mm/s時，其X方向上線性速度和線性位移相對于時間的數(shù)據(jù)圖像見圖12。

圖12 番茄初始速度為1 000mm/s時的X方向上線性速度與位移Figure 12 The linear velocity and displacement on direction Xwith tomato initial velocity of 1 000mm/s

由圖12可知，番茄平拋掉落到稱重皮帶上后做勻速運動，即在稱重皮帶上沒有發(fā)生相對滾動就直接進入了稱重皮帶有效稱重段。

當(dāng)番茄的初始速度為0mm/s時，其X方向上線性速度和線性位移相對于時間的數(shù)據(jù)圖像見圖13。

圖13 番茄初始速度為0mm/s時的X方向上線性速度與位移Figure 13 The linear velocity and displacement on direction Xwith tomato initial velocity of 0mm/s

由圖13可知，當(dāng)運行時間t＝0.19s時，番茄的平拋運動恰好結(jié)束并掉落到稱重皮帶的緩沖區(qū)域內(nèi)，同時勻加速運動開始，說明在此過程中番茄相對于稱重皮帶向后滾動；當(dāng)t＝1.00s時，番茄的勻加速運動結(jié)束，勻速運動開始，此時對應(yīng)的線性位移為420mm，小于緩沖區(qū)域的長度，說明番茄在進入稱重皮帶緩沖區(qū)域以前就由勻加速運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥Q重皮帶的勻速運動，此時的線性速度大小可作為番茄未進入稱重皮帶有效稱重段時向后發(fā)生相對滾動但不脫離稱重皮帶的左端臨界條件。

綜上所述，當(dāng)番茄的初始速度范圍在0mm/s≤v0≤1 350mm/s時，番茄在稱重皮帶有效稱重段不發(fā)生相對滾動，此時對測產(chǎn)裝置的稱量精度影響較小。

4 結(jié)論

（2）通過運動仿真分析，確定了番茄未進入稱重皮帶有效稱重段時向后發(fā)生相對滾動，但不脫離稱重皮帶；番茄進入稱重皮帶有效稱重段內(nèi)不發(fā)生相對滾動，這兩種情況下番茄的初始速度的臨界條件v0為0mm/s≤v0≤1 350mm/s。

（3）本研究并未考慮稱重皮帶表面形狀對番茄稱量精度的影響，測產(chǎn)裝置可選用表面形狀為大小均勻方格狀的稱重皮帶，對掉落到稱重皮帶上的番茄可以起到固定和緩沖的作用，可保證番茄在稱重皮帶上不發(fā)生相對滾動或者撞擊，從而進一步提高測產(chǎn)裝置的稱量精度。

1 張宏文，陳明昌，王磊，等.番茄收獲機測產(chǎn)裝置：中國，CN103759795A［P］.2014—04—30.

2 陳明昌，魏敏，劉巧，等.番茄收獲機測產(chǎn)裝置的設(shè)計［J］.食品與機械，2014，30（5）：151～153，157.

3 李光樂.FFS包裝機伺服電子定量秤研究［J］.食品與機械，2013，29（4）：118～121.

4 林鑫潔，馬蓉，安光輝，等.基于CAN總線的棉花在線測產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2013（4）：179～182.

5 董云峰，崔亞平.理論力學(xué)［M］.第2版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

6 胡文績.理論力學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

7 韓銳.基于SolidWorks的機構(gòu)運動仿真研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2004.

8 謝昱北，許曄.SolidWorks2007中文版機械設(shè)計與典型范例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

9 蔡文書，程志紅，沈春豐.基于SolidWorks的液壓支架三維建模和運動仿真［J］.煤礦機械，2008，29（11）：165～167.