水稻精密播種機供種系統的仿真分析*

□ 劉永武□ 楊發展□ 李建東□ 王玉玲□ 姜芙林□ 魏海明□ 羅 佳

1.青島理工大學機械與汽車工程學院 山東青島 266520

2.中機美諾科技股份有限公司 北京 100083

1 研究背景

我國是一個農業大國，農業問題關系到國民經濟發展、社會穩定和國家富強，成為不可忽視的國家大事。在我國南方，糧食主要以水稻為主，因此提高水稻機械化栽種顯得尤其重要。目前，我國的水稻播種機械主要來自國外，國內在水稻播種育種這一領域起步較晚，但有后來趕上的優勢且前景良好。對水稻精密播種機進行研制，能夠加快水稻精密播種，促進增產增收。

筆者應用Pro/E軟件進行實體模型創建，裝配精密播種機供種系統的虛擬樣機，并利用軟件中的運動機構仿真模塊對關鍵部件進行干涉檢查，檢查樣機的裝配合理性，同時選取關鍵部件進行位移和速度變化分析。

2 整機設計

整機動力由步進電機提供，通過聯軸器將步進電機與鏈輪軸連接，步進電機的旋轉帶動鏈輪轉動，主動輪旋轉帶動鏈條運動，隨之帶動裝配在鏈條上的推塊運動，推塊推動種盒向前運動，進而將種盒內的種子推到落種孔，由落種孔進入落種管到達排種器，最后由排種器排出種子。每個種盒可以裝不同品種的水稻試驗種子，從而實現種子的精密播種。筆者所設計的精密播種機主要由電機、機架、種盒導板、落種板、種盒、種盒蓋板、推塊、鏈條傳動系統、撐桿及底座等組成。

基于Pro/E虛擬樣機制造技術，設計精密播種機零部件，并按裝配要求裝配，最后進行動態分析[1]，設計流程如圖1所示。

▲圖1 設計流程

3 三維建模

應用Pro/E軟件對水稻精密播種機供種系統進行三維建模，如圖2所示。供種系統一次可以放十個種盒，實現六行播種。種盒三維模型如圖3所示。

虛擬樣機技術融合了先進的建模仿真技術、先進設計技術等，將這些技術應用于復雜產品的全生命周期和全系統設計，能進行綜合管理。與傳統產品設計相比，虛擬樣機技術支持對產品的全方位測試、分析與評估，強調不同領域的虛擬化協同設計[2]。

▲圖2 供種系統三維模型

▲圖3 種盒三維模型

筆者設計將種盒裝滿種子，倒扣在種盒蓋板上，放入指定位置。通過電機提供動力，電機經聯軸器帶動鏈輪軸轉動，通過鏈條傳動帶動推塊運動，推塊推動種盒向前移動。當到達落種孔時，種盒內的種子因重力下落，經落種管到達排種器。一個種盒排空后，后續跟進，直至種盒內的種子都進入排種器。虛擬樣機的機構模型由驅動裝置、傳動裝置、推動機構組成。其中，推動機構對供種精度起重要影響，因此重點分析這一機構。推動機構由推塊裝配在鏈條上，通過鏈條的運動帶動推塊在機架導軌上移動，實際上相當于滑塊導軌。推動機構裝配如圖4所示。

▲圖4 推動機構裝配

4 運動仿真

4.1 添加步進電機

由于筆者設計的供種系統與水稻精密播種機其它部件是獨立的，因此需要安裝獨立的步進電機。步進電機將電信號轉換為角位移信號，其轉速與停止位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數量，而不受負載變化的影響[4-6]。當步進電機的驅動器接收到脈沖信號時，驅動器就驅動步進電機沿設定的方向轉動固定的角度，由電機的旋轉帶動鏈條運動。通過控制脈沖數量來控制角位移量，從而實現準確定位的目的。同時，也可以通過控制脈沖頻率來控制旋轉的速度和加速度，從而實現供種速度的調整。

由于主要模擬推塊運動，因此推塊和機架導軌的裝配關系要準確，然后進入機構模塊，添加步進電機，選擇運動方式為幾何運動，接著選擇運動零件，再選擇方向，最后選擇運動路徑為直線運動，并設定位置或速度[7]。完成機構分析設置后，再設定運動時間，就可以模擬推塊運動。

4.2 機構運動干涉檢查

運動學仿真可確定一點的位移、速度及加速度變化范圍。整機虛擬樣機裝配完成后，由裝配環境轉換為機構環境，添加和定義步進電動機。選擇分析類型為運動學分析，設定開始時間為0，結束時間為10 s，運行并保存仿真圖表。點擊回放，在回放界面中將碰撞檢測類型設置為部分碰撞檢測，進行機構的干涉檢查[8-9]。

4.3 位移分析

裝配體完成運動干涉檢查后，將進行位移變化的仿真分析。記錄運動位移隨時間變化曲線并輸出，有助于理解和分析機構運動結果，并可提供改進機械設計的信息。

創建測量measure1，設定測量類型為位置，選取推塊末端為測量點，選取機架導軌上表面的裝配坐標系為參考坐標系，測量位移。測量結果如圖5所示。

▲圖5 推塊水平位移變化曲線

由圖5可以看出，推塊為連續直線運動，推動種盒不斷供種，可以將所有種盒的種子都送到落種孔，保證種子的下落，實現連續供種。

4.4 速度分析

推塊的速度對種子的下落有很大影響，若速度過快，種盒里的種子還沒有落下就被推走，若速度過慢，連續等待的時間過長，影響播種進程，所以選擇一個合適的速度非常重要。創建測量measure2，默認測量類型為時間步長[10]。測量結果如圖6所示。

由圖6可以看出，種盒始終以恒定的速度向前運動，運動過程沒有速度變化，不會造成沖擊振動影響投種精度，滿足實際播種要求。

5 結束語

虛擬樣機是非常有效的設計工具[11]，已成為設計新產品的必備工具[12]。設計水稻精密播種機供種系統的虛擬樣機，對虛擬樣機進行仿真，對關鍵部件的速度變化規律進行分析，得到速度變化曲線。同時獲得播種過程中推塊位移變化曲線，為整機的優化設計提供了理論依據。

▲圖6 推塊速度變化曲線