移栽機取苗機構(gòu)三維仿真

趙春龍　楊傳華　韓　濤　魏天路　周海波,2　依紅杰　叢　軍

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移栽機取苗機構(gòu)三維仿真

趙春龍1楊傳華1韓濤1魏天路1周海波1,2依紅杰1叢軍3

1.佳木斯大學機械工程學院；2.天津理工大學；3.齊齊哈爾和平集團有限責任公司

趙春龍（1983-）男，在讀碩士研究生 研究方向：移栽關(guān)鍵技術(shù)研究；通訊作者：楊傳華（1970-）男，博士，教授，主要從事移栽關(guān)鍵技術(shù)研究工作。

項目名稱及編號：國家自然科學基金 E050601；黑龍江省科學基金 E2015042；研究生科技創(chuàng)新LZZ2015_003；佳木斯大學重點項目 LZ2013-015

行業(yè)曲線

介紹Pro/E在移栽機設計方面的應用，首先闡述在三維建模上的應用，其次說明在運動仿真上的應用，最后介紹Pro/E、Adams與PFC3D的耦合聯(lián)合仿真。從而闡明Pro/E在農(nóng)業(yè)機械設計中不可或缺的地位，以及與其他軟件聯(lián)合仿真的強大功能。

蔬菜生產(chǎn)在我國的經(jīng)濟發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，伴隨著菜籃子工程的日益完善，我國的移栽產(chǎn)業(yè)正朝著多元化全自動化方向發(fā)展。按照栽植器的類型可以大致分為鉗夾式、吊籃式、導苗管式和撓性圓盤式幾類。鉗夾式是由仿形機構(gòu)控鉗夾、鏈夾開合，但栽植速度比較慢，調(diào)整株距較為困難；導苗管式是由凸輪實現(xiàn)間歇動作，缽苗在導苗管中靠自身的重力沿導苗管滑落，但影響該移栽機栽植效果；撓性圓盤式由開盤輪、開盤叉來控制撓圓盤的開合，但栽植深度不穩(wěn)定，且由于圓盤采用橡膠材料，壽命較短。目前，采用比較多的是吊籃式移栽機；但是由于吊籃式移栽機工作時靠凸輪和彈簧共同作用控制吊籃在回轉(zhuǎn)過程中的開合，因此機構(gòu)較復雜，喂苗速度不能過高，株距調(diào)整不便。針對這些復雜的機構(gòu)就需要一個很強大的三維設計軟件，筆者認為Pro/E應是首選，其優(yōu)勢：1. Pro/E具有廣大的學者以及加工商在使用，即通用性好。2. Pro/E開發(fā)環(huán)境與仿真環(huán)境越來越接近實際需要，可以真實反應機械各種性能參數(shù)。3. Pro/E的兼容性很好，高壓無功自動補償?shù)脑O計與應用它可以與Adams、PFC3D以及很多軟件進行聯(lián)合仿真。

三維建模

建模設計思路

本文思路是將一部分回轉(zhuǎn)式移栽機構(gòu)與線性移栽機構(gòu)綜合使用，研究其移栽效率等指標，回轉(zhuǎn)式移栽機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低效率高，能適應惡劣的作業(yè)環(huán)境，并保持很高的可靠性，但其軌跡規(guī)劃是一個極其復雜的過程，使研發(fā)周期變長。線性取苗機構(gòu)慣性力大，取苗率低。但是將二者組合起來取長補短，會達到一個理想效果。回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)削弱了慣性力帶來的影響，線性機構(gòu)簡化了設計的復雜性。從而縮短了設計周期。具體說明見圖1機構(gòu)分析對比圖。

綜上所述，本文就是將滑道機構(gòu)、桿機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)有機的結(jié)合，使設計難度降低的同時保證栽植效率。

Pro/E三維建模

首先進入Pro/E三維建模環(huán)境選擇標準模型環(huán)境，開始各個部件的建模，根據(jù)設計需要建立所需各個零部件，達到移栽機的栽植參數(shù)。其次進入裝配環(huán)境，按照各個零部件的機械連接方式為其添加相應的約束，達到仿真環(huán)境所需。最后將創(chuàng)建好的裝配圖保存，移栽機三維模型如圖2所示。

圖1　機構(gòu)分析對比圖

仿真分析

模擬參數(shù)設置

打開移栽機裝配環(huán)境，在其中選擇應用程序按鈕，選擇應程序下的機構(gòu)按鈕進入機構(gòu)環(huán)境，在機構(gòu)環(huán)境下為其添加電機，即為裝置添加動力來源。我們選擇兩個電機，第一個電機我們安裝在機架上，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，第二個電機作為齒輪的動力來源。下一步為電機設置參數(shù)，具體如下：

圖2　移栽機三維模型

圖3　取苗抓運動軌跡

第一個電機設置為常值速度類型：

第二個電機設置為位置函數(shù)類型：

期中變量分別是：V 電機轉(zhuǎn)速、Y為齒輪旋轉(zhuǎn)位置函數(shù)、t代表機械運轉(zhuǎn)時間（與第一個電機時間同步）。

實驗模擬軌跡線

在模擬環(huán)境下，在取苗抓頂端設置一個跟蹤點，從而記錄下取苗抓運動軌跡如圖3所示。對軌跡進行分析得到如下結(jié)論。首先當電機一轉(zhuǎn)動一周即為一次取投苗行程，時間為6s，一分鐘內(nèi)投苗十次，共計栽植120株秧苗，即為高速移栽。此曲線最大的特點就是在秧盤斜向下運動與取苗手的前后直線以及旋轉(zhuǎn)運動的合成，這樣可以避免取苗手與秧盤的碰撞，并且在秧盤間歇性運動的時間間隔內(nèi)便可以將秧苗從缽盤中取出。此曲線大大減小取苗手的上下震動，直線運動與旋轉(zhuǎn)運動都到達投苗點時速度均為零，取苗手打開是在停止后的瞬間，這樣秧苗下落時是垂直于接苗器，這樣可以保證秧苗豎直進入導苗管，從而減少對圖缽苗的破壞，加強對根系的保護，確保有效栽植。

Pro/E與其他三維軟件聯(lián)合仿真

Pro/E與Adams聯(lián)合仿真

Adams中建立非常復雜的模型比較困難，因為Adams一般進行的仿真都是簡化的結(jié)構(gòu)，只考慮輸入輸出形式而中間細節(jié)過程簡化，用較為簡單的結(jié)構(gòu)代替復雜的結(jié)構(gòu)，這樣許多學者均發(fā)現(xiàn)如此仿真的結(jié)果與實際有一定的差距。因此有了一些軟件的數(shù)據(jù)接口可以與其聯(lián)合仿真。這樣使他們的兼容性增大，在仿真上達到互補的效果。Pro/E有這樣的數(shù)據(jù)接口，當我們建立完成三維設計之后將其保存副本為.x_ t格式的文件后，Adams既可以實現(xiàn)他們的數(shù)據(jù)交互。這樣降低了三維設計的難度，增強了仿真的可靠性。聯(lián)合仿真彌補了Pro/E的柔體仿真的缺陷，提高了Adams的仿真效率。

Pro/E與PFC3D聯(lián)合仿真

在PFC3D中進行仿真時，無論是墻還是球都需要計算大量的坐標或者復雜的程序來完成，但如果我們在仿真之前在Pro/E中將三維模型創(chuàng)建完，然后在PFC3D直接導入后為其書寫地址分配函數(shù)即可，這樣求墻都具有獨立的地址或者地址段，從而可以直接為其編寫仿真函數(shù)，使仿真過程按預先指定的過程進行。模擬真實環(huán)境下的運動形式，進而得到我想要獲得測量值以及仿真過程。這樣聯(lián)合仿真減少了程序設計量的編寫以及大量的空間點坐標的計算，還有降低了對計算機計算速度的要求。

結(jié)語

Pro/E強大的三維設計功能受到廣大科研工作者的青睞，為機械結(jié)構(gòu)設計帶來了很大的方便，也為機械加工方面做出了卓越的貢獻，其不可想象的兼容性為聯(lián)合仿真創(chuàng)造了更為優(yōu)越的條件。希望以后Pro/E可以開發(fā)出更多的功能，比如開發(fā)出與Design-Expert 兼容的數(shù)據(jù)接口，將仿真試驗數(shù)據(jù)直接進行正交試驗等，從而使機械設計虛擬實驗與優(yōu)化設計更為方便。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.021