葉 霜，李立君，高自成

( 中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

基于Pro/E振動式油茶果采摘機(jī)的運(yùn)動仿真及分析

葉 霜，李立君，高自成

( 中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004)

介紹了油茶果采摘機(jī)的現(xiàn)狀，以及對一種振動式油茶果采摘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真的整個過程。重點(diǎn)介紹了利用Pro/E對各零部件的裝配連接及驅(qū)動器的添加來構(gòu)建機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真模型，創(chuàng)建并運(yùn)行運(yùn)動分析，確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程和工作范圍，得到了振動采摘頭末端一點(diǎn)的運(yùn)動位置和速度的曲線圖，為后續(xù)振動式采摘機(jī)改進(jìn)和完善的研制提供了理論依據(jù)。

振動式油茶果采摘機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；實(shí)體建模；運(yùn)動仿真；Pro/E

油茶是植物油重要的優(yōu)質(zhì)原料，其收獲具有極強(qiáng)的季節(jié)性，長期以來，各油茶種植地絕大部分依靠人工采摘油茶果，消耗的人力、時間比較大，采摘效率低，并且某些油茶難以采摘或采摘不到，對人體安全具有一定的威脅。在我國，油茶采摘機(jī)的研制剛剛起步，現(xiàn)有技術(shù)一直未能解決這個問題，部分用于油茶的采摘機(jī)械在采摘過程中，采摘位置不能任意達(dá)到，往往會造成漏摘而同樣需要人工摘取，影響采摘效率。本振動式油茶果采摘機(jī)突出采用多自由度臂架結(jié)構(gòu)，控制振動采摘頭夾緊樹干，振動以致使成熟的果實(shí)脫落，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)的、高效率的、安全的作業(yè)。

現(xiàn)今的油茶果種植基地為了適應(yīng)機(jī)械化和自動化管理的需要，果實(shí)的栽培已逐漸趨向規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。本文取平地株行距3 m×3 m，冠幅直徑為3 m的成熟油茶果樹作為研究對象，橫向和縱向兩棵樹之間容許設(shè)備通過的距離不超過1.5 m，這個距離過車剛剛好，如果在兩個樹之間停車采摘，則空間太小，采摘臂的轉(zhuǎn)動必定會撞到油茶樹，對樹造成損傷。于是我們選擇將采摘機(jī)停在四棵樹之間的空間進(jìn)行采摘，采摘臂活動空間足夠大，減少對樹的損傷。本文運(yùn)用Pro/E軟件對整機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)過程進(jìn)行了運(yùn)動仿真與分析。采摘機(jī)預(yù)期要在四棵樹中間位置將振動夾頭的位姿達(dá)到離采摘機(jī)2 100 mm左右樹干的采摘距離，以及樹干離地500 mm左右的高度完成振動采摘。

1 實(shí)體建模

本文考慮到執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，采用自下而上的方法進(jìn)行裝配[1]，即先將各部件單獨(dú)建模成零件再按照連接、約束關(guān)系和運(yùn)動形式進(jìn)行裝配。在制作模型時，零件之間的裝配關(guān)系必須正確，否則將不能產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動，這是能否使用Pro/E仿真的前提和關(guān)鍵。若裝配件之間沒有相對運(yùn)動，裝配時應(yīng)該完全約束；不然，就應(yīng)該根據(jù)裝配件之間的相對運(yùn)動，通過連接設(shè)定限制運(yùn)動自由度。在選取預(yù)定義的連接集之前，必須了解如何用約束和自由度來定義運(yùn)動，然后選取相應(yīng)的連接使機(jī)構(gòu)按照所需的運(yùn)動方式運(yùn)動。預(yù)定義連接集提供了“剛性”、“銷釘”、“滑動桿”、“圓柱”、“平面”等多種連接方式[2]。

旋轉(zhuǎn)支座與機(jī)架采用了“對齊”和“配對”約束類型，旋轉(zhuǎn)臂與支座、主臂與旋轉(zhuǎn)臂、從動滑塊與擺動座、擺動座與振動滑座、振動滑座與采摘頭則一律采用“圓柱”連接和“平面”連接，主臂滑座與從動滑塊之間采用兩個“平面”連接，液壓油缸的活塞與缸之間用“圓柱”連接，約束類型還包括“平移軸”定義活塞面與油缸底面的相對距離。一般情況下，采用的連接形式不同接下來所要定義的約束類型也不同。

完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)所有部件的裝配后,進(jìn)行干涉檢查，確認(rèn)無誤后，保存文件。完成裝配的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動學(xué)模型如圖1所示。

圖1 采摘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)Fig.1 Executive mechanism of fruit-picking machine

2 運(yùn)動仿真與分析

2.1 運(yùn)動軸設(shè)置

運(yùn)動軸的設(shè)置需要定義運(yùn)動軸的零點(diǎn)、運(yùn)動軸限制等，運(yùn)動軸零點(diǎn)即運(yùn)動軸運(yùn)動的起點(diǎn)；運(yùn)動軸限制用來限定運(yùn)動軸的運(yùn)動范圍[3]。

2.1.1 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動軸設(shè)置

本采摘機(jī)構(gòu)有兩個旋轉(zhuǎn)軸：根據(jù)實(shí)際需求，我們將旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)定在180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，定義旋轉(zhuǎn)支承裝配面與總裝配面FRONT面平行時為零點(diǎn)，將旋轉(zhuǎn)角度限定在-90°～90°之間，即采摘臂可以左右偏轉(zhuǎn)90°；振動運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)軸為360°回轉(zhuǎn)，不需要設(shè)置。

2.1.2 平移運(yùn)動軸設(shè)置

主臂轉(zhuǎn)動、從動滑塊平移、擺動座鉛垂平面內(nèi)轉(zhuǎn)動、振動滑座水平轉(zhuǎn)動和振動采摘頭轉(zhuǎn)動均是由液壓缸驅(qū)動，在這里定義活塞桿底與油缸內(nèi)孔底平面重合時為零點(diǎn)。這里我們將液壓缸的行程依次列成如下表1。

表1 液壓油缸行程Table 1 Travel routes of hydraulic oil cylinders

2.2 添加驅(qū)動電機(jī)

伺服電機(jī)用來給機(jī)構(gòu)施加力或力矩，為機(jī)構(gòu)提供指定的運(yùn)動。本文的振動式采摘臂有兩個驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)，一個設(shè)在旋轉(zhuǎn)臂上，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動，另一個設(shè)在振動馬達(dá)上，驅(qū)動夾頭振動。其他運(yùn)動均是由液壓缸驅(qū)動，六個伺服電機(jī)分別設(shè)置在主臂驅(qū)動油缸，從動滑塊驅(qū)動油缸，水平擺動座驅(qū)動油缸，振動滑座驅(qū)動油缸，振動頭回轉(zhuǎn)驅(qū)動油缸和夾頭松緊驅(qū)動油缸上，均為移動。由于運(yùn)動具有往復(fù)性，所以在每個運(yùn)動軸上要定義兩個方向相反的伺服電機(jī)，本采摘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一共需要設(shè)置十五個伺服電機(jī)。選擇活塞桿軸線作為運(yùn)動軸，然后根據(jù)活塞桿的行程和運(yùn)動時間，在“輪廓”面板的“規(guī)范”欄選擇“速度”，“模”一欄選擇“常數(shù)”，輸入速度值，表2所示為所設(shè)各伺服電機(jī)的速度和走完單程所需時間。

表2 伺服電動機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of servo motors

2.3 拖動和創(chuàng)建快照

在運(yùn)動分析之前，單擊“拖動”按鈕拖動機(jī)構(gòu)，并觀察執(zhí)行機(jī)構(gòu)如何移動，注意連接限制是如何限制拖動運(yùn)動的。拖動機(jī)構(gòu)至合適的位置，單擊鼠標(biāo)右鍵接受該位置，創(chuàng)建快照Snapshot1。在之后的運(yùn)動分析中，可以將此位置定義為機(jī)構(gòu)運(yùn)動的初始位置。

2.4 創(chuàng)建并運(yùn)行運(yùn)動分析

完成伺服電機(jī)的設(shè)置后，定義機(jī)構(gòu)分析，在“類型”選項(xiàng)卡中選擇“運(yùn)動學(xué)”，設(shè)置運(yùn)動時間為“34.5”，幀頻設(shè)為“20”。然后在點(diǎn)擊“電動機(jī)”選項(xiàng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動都是以旋轉(zhuǎn)或者油缸為驅(qū)動件，活塞桿在油缸中作往復(fù)直線運(yùn)動，根據(jù)各油缸的伸長量來設(shè)定各伺服電機(jī)的運(yùn)行時間。本次復(fù)合動作仿真，首先是將液壓缸拖到最小伸長量為運(yùn)動分析的初始位置，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臂與車身呈45°，再是主臂上升至與水平面成45°，同時從動滑塊伸出，水平擺動座下降，然后是微調(diào)整振動采摘頭至合適位置，最后則是松開夾頭，對目標(biāo)樹干進(jìn)行夾持，依靠振動采摘頭上的振動馬達(dá)對樹干進(jìn)行適合頻率和振幅的振動，以使成熟的油茶果實(shí)脫落。完成單程動作后，收回執(zhí)行機(jī)構(gòu)至原來的位置。設(shè)好各個伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時間與順序之后，點(diǎn)擊“運(yùn)行”，即可查看機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況，以便把分析結(jié)果存入結(jié)果集中[4]，如圖2所示。

圖2 定義機(jī)構(gòu)分析Fig. 2 Definition of mechanism analysis

2.5 查看運(yùn)動結(jié)果分析

在完成運(yùn)動仿真后，利用保存的運(yùn)動分析結(jié)果集可觀察執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，對運(yùn)動機(jī)構(gòu)作碰撞干涉設(shè)置，證實(shí)各零部件之間沒有干涉，并測量主體位置、速度的改變，用圖形表示這些測量[5]。

圖3 采摘頭末端點(diǎn)X，Y，Z軸上位置分量曲線Fig.3 Position component curves of end points on clamp in X, Y, Z axes

從圖3中可以看出，0～1 s伸展采摘臂以達(dá)到指定的空間位姿；在10～17 s時間內(nèi)測量點(diǎn)位置很平穩(wěn)，振動采摘頭到達(dá)指定樹干位置，此時對采摘夾頭進(jìn)行微調(diào)整并夾緊樹干；17～25 s內(nèi)采摘臂進(jìn)行振動采摘；最后則是將執(zhí)行機(jī)構(gòu)收回至初始位置，操作者可以根據(jù)需要，通過改變液壓缸的速度和復(fù)合動作來改變整個過程時間的長短。圖中的曲線圖均是以旋轉(zhuǎn)臂底端作為坐標(biāo)系，離地高度為300 mm，測量點(diǎn)的位置與整個車身呈45度， X，Z方向上的分量分別是1 500 mm，即在XZ平面（水平面）上，車架上的旋轉(zhuǎn)臂座至測量點(diǎn)的距離為2 120 mm，這即是當(dāng)前姿態(tài)下采摘臂所能到達(dá)的采摘距離，而Y方向上離地面距離為500 mm，即振動采摘頭夾持樹干的位置距離地面的高度。這個工位符合實(shí)際的采摘距離和采摘頭夾持樹干的高度。

從圖4可以看出，在0～10 s的采摘臂定位階段，測量點(diǎn)的最大速度為573 mm/s，最小速度為164 mm/s。在0～4.5 s內(nèi)，速度為一恒定值，這是旋轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的切向速度；在4.5 s～10 s，起初是主臂伸長和擺動座下降兩者復(fù)合動作，速度為兩個動作的合成，然后是順序動作，速度逐漸減??；在10～17 s內(nèi)調(diào)整夾頭位置，夾緊樹干；在17～25 s對樹干進(jìn)行振動，以致成熟的果實(shí)脫落，這段過程速度變化復(fù)雜；在25～34.5 s，采摘臂收回至起始位置。在采摘臂伸出和縮回的時間段，速度大小變化比較頻繁，呈階躍變化，這是由于采摘臂伸縮、轉(zhuǎn)動等動作頻繁，動作復(fù)合之后比較復(fù)雜。本采摘機(jī)采用的是液壓馬達(dá)輸出軸與滑塊偏心連接，采摘頭作業(yè)時，可根據(jù)油茶樹剛性的不同，利用改變液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速和偏心距的方法達(dá)到調(diào)節(jié)振動頻率和振幅的目的。

圖4 采摘頭末端點(diǎn)的速度曲線Fig.4 Velocity and acceleration curves of clamp end point

綜合以上仿真的結(jié)果與分析可知，仿真結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計，對于復(fù)合動作的時間設(shè)置還能調(diào)整得更細(xì)致，使得圖中的速度曲線更加趨于平緩變化。這論證了本振動式油茶果采摘機(jī)的可行性，工作裝置之間相互沒有干涉，運(yùn)動軌跡達(dá)到預(yù)期要求，采摘范圍滿足實(shí)際需求，整機(jī)設(shè)計在理論上是合理的[6]。

3 結(jié) 語

通過以上的采摘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真實(shí)例，可以看出Pro/E軟件不僅實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體建模和組裝，而且提供了完善的運(yùn)動仿真和運(yùn)動分析功能[7-8]，借助仿真結(jié)果對采摘臂運(yùn)動構(gòu)件的運(yùn)動狀態(tài)、運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡等問題進(jìn)行分析，確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程和工作范圍，為振動式油茶果采摘機(jī)的進(jìn)一步研制提供了基礎(chǔ)。

[1] 葛正浩,楊芙蓮.Pro/E機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2] 雪茗齋電腦教育研究室.Pro/ENGINEER野火版3.0機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動實(shí)例精講[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3] 劉銀輝.油茶果采摘機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計及動力學(xué)分析[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2012.

[4] 蔡 頌,李立君,高自成.基于Pro/ENGINEER堅果采摘臂的建模及運(yùn)動仿真分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2010,(4):15-18.

[5] 施葉飛.基于Pro/E的機(jī)械運(yùn)動仿真設(shè)計[J].中小企業(yè)管理與科技，2010,(11):32-33.

[6] 高自成,李立君,劉銀輝.油茶果采摘機(jī)機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真[J].西北林學(xué)院學(xué)報，2012,27(2):266-268.

[7] 王 凱,曹西京.基于Pro/E的機(jī)械產(chǎn)品機(jī)構(gòu)運(yùn)動的仿真設(shè)計[J].輕工機(jī)械，2006,(1):12-15.

[8] 左二兵,李立君,高自成,等.油茶果采摘機(jī)工作空間的分析及優(yōu)化[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2012,32(5):190-194.

Movement simulation and analysis of vibratory camellia fruit-harvesting machine based on Pro/E

YE Shuang, LI Li-jun, GAO Zi-cheng
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ The recent studying situation of camellia fruit-harvesting machine and the whole simulation process of the executive mechanism of a vibratory camellia fruit-harvesting machine were introduced. The mechanism kinematics simulation model achieved by Pro/E was built through the assembly of parts and the addition of motors, the movement mechanism was created and operated, the movement process and working range of the executive mechanism were determined, the movement position and velocity curve of one point of the end clamp were obtained, all the works provided a theoretical base for the improvement and perfection of the subsequent design.

∶ vibration camellia fruit-picking machine; executive mechanism; solid modeling; movement simulation ; Pro/E

S794.4；S776.033

A

1673-923X(2013)11-0166-04

2013-08-16

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201104090）

葉 霜（1988-），女，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代林業(yè)機(jī)械化研究；E-mail：ys673686813@126.com

李立君（1964-），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研現(xiàn)代林業(yè)技術(shù)裝備的研究

[本文編校：吳 毅]