基于ＡＤＡＭＳ的棉花缽苗移栽機構優化設計
郭倉庫
(河南工業職業技術學院?河南南陽一４７３０００)
摘一要：為了提高棉花缽苗移栽機構的數字化設計效率和設計精度?將ＡＤＭＡＳ軟件和離散元技術引入到了機構的設計和仿真運動上?利用ＣＡＤ軟件對所設計的棉花缽苗移栽機構進行了三維實體建模?然后?通過ＣＡＤ和ＡＤＡＭＳ良好的數據接口將模型數據直接導入ＡＤＡＭＳ?根據實際設計要求添加相關約束?在此基礎上?進行了運動仿真?研究了缽苗移栽機構的運動情況?通過仿真運動得了缽苗移栽機械的位移隨時間變化結果?并繪制了可視化曲線?由曲線結果可以看出位移拐點及最大位移等信息?為機構的優化及強度校核等提供了數據參考?關鍵詞：棉花缽苗?移栽機構?優化設計?ＡＤＡＭＳ軟件?運動仿真
中圖分類號:Ｓ２２３.９?ＴＰ３９１.９一一一一一一一文獻標識碼:Ａ文章編號:１００３－１８８Ｘ(２０２１)０４－０１１７－０４
０一引言
苗缽育苗的出苗率較高?出苗的整齊度較好?缽苗移栽后生長較快?病蟲害也較少?還可以進行工廠化生
產?省時省力?是育苗技術未來的發展方向?目前?缽苗的移栽主要靠手工來完成?勞動強度大?作業效率低?為了提高移栽的作業效率?可以引入全自動移栽機器人?移栽機器人的機構設計非常重要?因為在不同作業時刻其產生的作業強度有所不同?在移栽機構的設計時需要考慮滿足最大載荷時的強度?為了實現移栽機構的優化設計?將ＡＤＡＭＳ軟件和離散元技術引入到了機構的動態仿真設計上?對于提高移栽機構的設計效率和水平具有重要的意義?
１一棉花缽苗移栽機工作原理
穴盤主要用于蔬菜等作物的育苗工作?工廠化育苗技術由于具有諸多的優勢?得到了廣泛的應用?并從蔬菜育苗推廣到各種作物的育苗上?育苗完成后?需要將缽苗進行移栽?棉花缽苗移栽機是棉花穴盤缽苗播種的最常用的機械?為了提高其設計水平?首先要研究缽苗移栽機械的工作過程?缽苗移栽機械１個動作的流程如圖１所示?
棉花缽苗的移栽過程是一個重復性的過程?首先通過旋轉氣缸將機構左旋轉?然后升降氣缸將機構
收稿日期:２０１９－０７－０９
基金項目：河南省科技廳科技攻關計劃項目(１７２１０２３１０７６１)?河南省高等學校青年骨干教師培養計劃項目(２０１６ＧＧＪＳ－２３８)
作者簡介：郭倉庫(１９８５－)?男?河南商丘人?講師?碩士?(Ｅ－ｍａｉｌ)ｇｃｋ０３７７ｗａｒｅｈｏｕｓｅ＠１６３.ｃｏｍ?下行?取苗過程主要是通過伸縮氣缸來完成的?伸長取苗針取苗后將機構縮回原位置?最后升降氣缸使機構上行?旋轉氣缸?使機構右旋轉?回到原始的位置?缽苗放置完成后?再重復上所述動作?直到完成所有的穴盤取苗工作
?
圖１一棉花缽苗移栽１個動作流程
Ｆｉｇ.１一Ｔｈｅａｃｔｉｏｎｆｌｏｗｏｆｃｏｔｔｏｎｂｏｗｌｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ
２一基于ＣＡＤ建模和離散元的仿真技術
為了使棉花缽苗移植的動態仿真更加逼真?在進行移栽機機構仿真時需考慮缽苗和土壤的動力學特性?并采用離散元技術對土壤進行建模?建立剛性和柔性相結合更加貼近現實的三維模型?采用剛柔耦合的三維模型后?模型的動力學仿真輸出特性和現實情況更加吻合?棉花缽苗二土壤和移植機械的建模和仿真過程如圖２所示?
在進行移栽機構動態仿真時?首先采用ＣＡＤ建模?包括剛性模型和柔性模型的建模?得到剛性和柔性的耦合模型?然后?對模型設置合適的邊界條件?輸
入參數后進行運動學仿真?仿真計算完成后?輸出力學分析文件?對運動仿真過程進行分析?對于位移或者力的結果可以采用ｌｏｄ文件輸出?并利用軟件繪制曲線可視化結果?
進行ＣＡＤ建模時?大部分模型的建立較為簡單?但土壤模型的建立較為麻煩?需要考慮土壤的力學模型?因此采用離散單元法?其中?常用的線性粘彈性模型分為法向接觸力和切向接觸力模型?法向模型表達式為
Ｆｎ＝ｋｎδｎ＋ｃｎｖｎ(１)其中?Ｆｎ為法向作用力?ｋｎ為法向剛度系數?δｎ為法向疊合量?ｃｎ為法向粘性阻尼系數?ｖｎ為法向斥力?對于切向接觸力?其主要加載時間有關?可以表示為
Ｆｓ(ｔ)＝Ｆｓ(ｔ－Δｔ)－ｋｓｖｓΔｔ－ｃｓｖｓ(２)其中?Ｆｓ為ｔ時刻的切向力?Δｔ為加載１次力的作用時間?ｋｓ為切向剛度系數?ｃｓ為切向粘性阻尼系數?ｖｓ為切向斥力?為了使仿真模擬更加貼合實際?在建模時還需要引入非線性粘彈性模型?即
Ｆｎ＝ｋｎδ３/２＋ｃｎｖｎ(３)
Ｆｎ＝４３Ｅ?Ｒ?
１Ｒ＝１Ｒ
１＋１Ｒ
２
１Ｅ?＝(
１－ｖ２１
Ｅ１
＋
１－ｖ２２
Ｅ２
)(４)
其中?Ｒ１二Ｒ２分別為接觸時其位置的曲率半徑?Ｅ１二Ｅ２為彈性模量?ｖ１二ｖ２為表示泊松比?法想作用力和切向作用力是不平衡的?在法向作用力大于切向作用力時?還需要引入塑性模型?采用Ｗａｌｔｏｎ提出的雙線性模型?即
Ｆｎ＝
ｋ１δ一一加載
ｋ２(δ－δ０)一卸載{(５)
其中?ｋ１二ｋ２分別為加載和卸載時的法向剛度系數?δ二δ０分別為法向疊合量和殘余法向疊合量?當觸單元的距離Ｄ?Ｒ１＋Ｒ２時?法向接觸力模型為
Ｆｎ＝ｋｎδｎ＋ｃｎｖｎ(６)
當兩接觸單元的距離Ｒ１＋Ｒ２?Ｄ?(１＋Ｃａｄ)Ｒ１＋Ｒ２時?法向接觸力為
Ｆｎ＝ｋａｄ[(１＋Ｃａｄ)(Ｒ１＋Ｒ２)－Ｄ](７)其中?Ｃａｄ表示接觸力為拉力時的臨界接觸距離?ｋａｄ表示接觸力為拉力時的臨界剛度系數?
根據離散元算法公式和原理?基于ＡＤＭＡＳ和離散元的運動仿真過程主要分為６個步驟?如圖３所示?
圖２一ＡＤＭＡＳ建模和仿真流程
Ｆｉｇ.２一ＡＤＭＡＳｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ
圖３一基于ＡＤＭＡＳ和離散元的運動仿真
Ｆｉｇ.３一ＴｈｅｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＡＤＭＳａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔ１)建立仿真模擬邊界條件?在建模前?首先要對邊界條件進行分析?確定仿真模擬的材料參數二力學參數及約束等邊界條件?在模擬之前?形成完備的參數數據庫?在進行仿真模擬計算時可以直接調用?２)建立缽苗和移植機構模型?在建模時?移植機構選用剛性模型?缽苗選擇柔性模型?最好建立剛性和柔性的耦合模型?使移植機械的運動仿真和實際情況更加符合?
３)建立土壤接觸力學模型?土壤模型的建立需要考慮干土和濕土兩種模型?干土可以采用線性粘彈性模型?濕土選用土壤濕顆粒模型?
４)建立土壤顆粒模型?采用離散單元法建立土壤的顆粒模型?并根據實驗所得參數對土壤的顆粒進行物理性質和化學性質等一些參數的設置?
５)輸入仿真參數?仿真參數的輸入主要包括一些動力和接觸載荷等?輸入之后便可以進行仿真計算?６)仿真分析?仿真計算完成后?輸出位移和力等一些結果?并以文件的形式進行保存?文件中的數據還可以利用繪圖軟件?將數據以可視化的形式展示出
來?使仿真結果更加直觀形象?
３一基于ＡＤＭＡＳ的棉花缽苗移栽機運動仿真為了實現棉花缽苗移栽機的運動仿真?選用了ＡＤＭ
ＡＳ軟件?結合離散元技術?通過移栽機械的仿真離散元分析得到仿真數據?對于結構的優化設計具有重要的意義?
本次建立的移栽機模型和缽苗與土壤模型如圖４所示?其中?缽苗和移栽機分別采用了柔性模型和剛性模型?并通過剛柔耦合設置使仿真和實際作業情況逼近?對于土壤的建模采用了離散元模型?在取苗過程中缽苗和土壤會對移栽機產生反作用力?使用剛柔耦合和離散元模型將會使仿真結果更加準確?在仿真之前?還要完成一些參數的設置?以關節處運動速度的設定為例?其設置參數界面如圖５所示?
圖４一移栽機建模和動作仿真
Ｆｉｇ.４一Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒ
圖５關節處運動角速度設定
Ｆｉｇ.５一Ａｎｇｕｌａｒｖｅｌｏｃｉｔｙｓｅｔｔｉｎｇｏｆｊｏｉｎｔｍｏｔｉｏｎ
圖５表示移栽機關節處的角速度設置?還有很多參數需要設置?如外部載荷和各種約束等?通過仿真計算?得到了移栽機構末端位移隨時間變化曲線?如圖６所示?
圖６移栽機構末端位移隨時間變化曲線
Ｆｉｇ.６一Ｔｈｅｔｉｍｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆｅｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆ
一一一一一一一一一一一一一ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ
由圖６可以看出?移栽機構末端位移具有較大的拐點?這是因為在取苗時會產生較大的反作用力?從而對機構產生較大的沖擊?因此?在設計時需要以此處產生的最大應力應變為依據對機構進行校核?使機構的設計可以滿足作業需求?避免作業過程中由于機械強度不夠發生故障或造成疲勞破壞?保證作業的安全性?
４一結論
為了提高棉花缽苗移栽機構的設計效率?優化裝置的機構?將ＡＤＭＡＳ軟件和離散元技術引入到了機構的設計過程中?通過對機構的運動仿真和分析?為移栽機的結構優化提供重要的數據參考?采用ＣＡＤ軟件建立了移栽機和缽苗的簡易模型?并利用離散元技術建立了土壤的模型?最后將模型導入到ＡＤＭＡＳ軟件中實現了運動仿真?根據運動仿真可以得到位移的數據?根據位移拐點等可以確定最大的沖擊載荷等數據?對于機構的優化設計具有重要的意義?
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(１６):８－１６.
ＯｐｔｉｍｕｍＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｔｔｏｎＰｏｔＳｅｅｄｌｉｎｇＴｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ
ＭｅｃｈａｎｉｓｍＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ
ＧｕｏＣａｎｇｋｕ
(ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅ?Ｎａｎｙａｎｇ４７３０００?Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｔｔｏｎｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａ￣ｎｉｓｍ?ＡＤＭＡＳｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ.Ｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｔｔｏｎｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｂｕｉｌｔｂｙｕｓｉｎｇＣＡＤｓｏｆｔｗａｒｅ?ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｄａｔａｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎＣＡＤａｎｄＡＤＡＭＳｉｓｕｓｅｄｔｏｍａｋｅｔｈｅｍｏｄｅｌ.ＴｈｅｍｏｄｅｌｄａｔａａｒｅｄｉｒｅｃｔｌｙｉｍｐｏｒｔｅｄｉｎｔｏＡＤＡＭＳ?ａｎｄｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｒｅａｄｄｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ.Ａｂｏｖｅｉｔ?ｔｈｅｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ.Ｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｐｏｔ￣ｔｅｄｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｔｔｏｎｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇ?ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ?ＡＤＡＭＳｓｏｆｔｗａｒｅ?ｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２０２１年４月一一一一一一一一一一一一一農機化研究一一一一一一一一一一一一一一一一第４期
