四自由度樹干噴涂機的三維建模與運動仿真*

劉 靜，詹琦平，曾令亮，曹盛利

(江西理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

1 引 言

每年11月左右，為了防止蟲害和凍傷，園林工人需為樹木刷上石灰藥液，俗稱“涂白”。目前刷樹工作沒有專用機器,只能采用手工涂刷的方法，工作效率低，完成這項工作需耗費大量的人力、物力和財力。為了提高“涂白”工作效率，減輕園林工人勞動強度，本項目研究一種四自由度樹干噴涂機，由機械手完成施藥動作，能夠?qū)π螤罡鳟惖臉涓蛇M(jìn)行藥液噴涂，操作簡單、噴涂均勻、靈活性強、效率高，可適用于城市、鄉(xiāng)村大部分的樹木。

2 四自由度樹干噴涂機的工作原理

四自由度樹干噴涂機是一種可以實現(xiàn)噴液和涂刷相結(jié)合的專用涂白機器。整機由底座、機械手、供液裝置和控制部分等組成。如圖1所示，機械手1模擬人的雙手將樹干環(huán)抱，水泵9抽取石灰藥液，從水箱10經(jīng)水管流入機械手，由均勻分布在機械手內(nèi)的小孔噴出。為適應(yīng)形狀各異的樹木，機械手設(shè)計有4個自由度，可上下移動、水平張合移動、前后擺動、左右擺動。由電機11通過卷筒和鋼絲繩帶動機械手1水平張合移動；電機3驅(qū)動鏈傳動2，帶動機械手上下移動；液壓缸5、活塞4、機械手支撐桿6、機架7構(gòu)成搖塊機構(gòu)，使機械手前后擺動；蝸桿傳動8帶動機械手左右擺動。

圖1 四自由度樹干噴涂機工作原理示意圖1.鏈條 2.鏈傳動 3.電機 4.活塞 5.液壓缸 6.支撐桿 7.機架 8. 蝸桿傳動 9.水泵 10.水箱 11.電機

3 四自由度樹干噴涂機主要零件三維建模

四自由度樹干噴涂機的三維建模主要包括車體、機械手、鏈傳動、蝸桿傳動的建模、各軸的建模和輔助零件的建模。其中鏈傳動、蝸桿傳動的建模是難點，下面主要以蝸桿傳動為例，在Pro/E軟件中進(jìn)行蝸輪的三維參數(shù)化建模[1]。其主要步驟如下。

(1) 蝸輪的畫法和直齒輪畫法類似:先進(jìn)入草繪模式繪制分度圓，完成后再在同一平面繪制漸開線，具體方法是“插入”-“模型基準(zhǔn)”-“曲線” > “從方程”，在彈出的rel.ptd記事本中輸入蝸輪的漸開線方程，繪制出該蝸輪的漸開線。

(2) 利用“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“剪切”、“陣列”等命令繪制蝸輪的齒形。

(3) 使用Pro/E強大的參數(shù)化建模功能，在“參數(shù)”下修改蝸輪的基本參數(shù)后(如模數(shù)、齒數(shù)等)，然后點擊“再生”就可以產(chǎn)生新的蝸輪模型。其結(jié)果如圖2所示。

4 四自由度樹干噴涂機虛擬裝配與運動仿真

Pro/E Wildfire的運動學(xué)分析模塊Mechanism可以進(jìn)行運動學(xué)分析和仿真,該模塊可實現(xiàn)對機構(gòu)的定義,使機構(gòu)中的零件移動以及對它的運動進(jìn)行分析研究。可建立零件之間的連接及裝配的自由度,對輸入軸添加相應(yīng)的電機驅(qū)動來產(chǎn)生設(shè)計要求的運動，在分析機構(gòu)運動時可以觀察和記錄分析過程的一些參數(shù),如位置、力、速度等[2]。

虛擬裝配與運動仿真主要要經(jīng)過以下幾個步驟：創(chuàng)建模型—檢測模型—添加驅(qū)動器—分析模型—獲得結(jié)果。

4.1 創(chuàng)建模型

虛擬裝配就是利用零部件的鏈接關(guān)系建立裝配。進(jìn)行零件裝配時最重要的步驟就是對零部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。在Pro/E中建立裝配關(guān)系是用貼合、平面和基準(zhǔn)面對齊、坐標(biāo)系各個軸相互對齊等約束命令將所有的零部件按要求裝配在一起[3]。

在對噴涂機進(jìn)行虛擬裝配時,需對其裝配層次、約束關(guān)系等進(jìn)行分類和定義,按照零部件間的設(shè)計邏輯依附關(guān)系來確定模型的父子關(guān)系, 先將車體部分、機械手支架部分和機械手部分的各個零件裝配好，再進(jìn)行總裝?；具B接關(guān)系生成以后，根據(jù)實際需要，還要添加生成一些特殊連接，比如齒輪副連接等。例如蝸桿傳動中，除了定義銷釘連接外，還需添加齒輪副連接，齒輪副連接可約束兩個連接軸的速度，可以直接指定齒數(shù)比而不必創(chuàng)建新的齒輪。添加好約束的三維模型圖如圖3所示。

圖2 蝸輪的三維建模 圖3 添加好約束的三維模型圖

4.2 檢測模型

創(chuàng)建模型后,使用“機構(gòu)”(Mechanism)-“連接”(Connect) 命令可運行組件分析。以交互方式拖動主體，使用拖動方法研究機構(gòu)移動方式的一般特性以及主體可到達(dá)的位置范圍，可以檢驗之前定義的連接是否能產(chǎn)生預(yù)期的運動[4]。

4.3 添加驅(qū)動器

創(chuàng)建模型并確保其連接正確后，即可添加伺服電動機。伺服電動機可轉(zhuǎn)動模型，以便在不考慮所需力的情況下或在不考慮主體間干涉的情況下滿足指定的位置、速度或加速度要求。

4.4 分析模型

使用“分析定義”，可得出模型在伺服電動機作用下的運動。可選擇分析期間要使用的伺服電動機，并指定其在分析期間的開始和終止時間。如果僅對模型某部分的運動感興趣，可使用“分析定義”(Analysis Definition) 對話框內(nèi)“優(yōu)先選項”(Preferences) 選項卡中的主體鎖定或連接鎖定選項，以消除某些允許的自由度。使用運動分析可計算機構(gòu)中的點或連接軸的位置、速度和加速度。

4.5 獲取結(jié)果

保存結(jié)果并檢查干涉：如果要在其它進(jìn)程中運行分析結(jié)果，則必須將其保存為回放文件。使用“機構(gòu)”-“回放” 命令打開“回放”對話框。使用其中的選項保存、恢復(fù)、刪除及導(dǎo)出分析結(jié)果。也可通過“回放”對話框回放分析及檢查干涉情況[5]。蝸輪軸的位移曲線如圖4所示。蝸輪分度圓的加速度曲線如圖5所示。

圖4 蝸輪軸位移曲線 圖5 蝸輪分度圓加速度曲線

利用Pro/E的運動分析可以獲得以下信息:幾何圖元和連接的位置速度及加速度隨時間變化的情況，機構(gòu)的運動軌跡曲線，機構(gòu)運動的運動包絡(luò)軌跡。這里針對蝸桿傳動進(jìn)行運動分析,因為蝸桿需要正反轉(zhuǎn),而在Pro/E軟件中只有余弦電機才能正反轉(zhuǎn)動，所以在定義電機時,采用余弦電機近似表示，其中定義A=60，T=120，A代表電機的最高轉(zhuǎn)速，T代表一個完整的周期是120 s。上圖中表示蝸輪軸運行一個周期為120 s,蝸輪的直徑為160 mm，且圖形為正弦曲線，由于電機的速度為余弦曲線，因此說明該仿真

失真度不大。分析結(jié)果中沒有出現(xiàn)加速度突變,且最大加速度數(shù)值也不大,所以滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

在對四自由度樹干噴涂機的結(jié)構(gòu)和工作原理分析的基礎(chǔ)上，利用Pro/E強大的三維建模功能，實現(xiàn)了從建立模型、裝配到仿真分析的全過程，最終實現(xiàn)了虛擬樣機的設(shè)計，以此來檢驗各主要參數(shù)計算的正確性。借助三維CAD軟件和仿真技術(shù)，可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡仁喜.Pro/E Engineer Wildfire 3.0 中文版機械設(shè)計高級應(yīng)用實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[2] 林清安.Pro/E野火3.0中文版動態(tài)機構(gòu)設(shè)計與仿真. 北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[3] 牛軍龍，張 淳.基于Pro/E的三環(huán)減速器三維建模及運動仿真[J]. 煤礦機械,2012,33(5):247-248.

[4] 周爾民,肖 乾.基于Pro/E Wildfire實現(xiàn)變速器的虛擬裝配和運動仿真[J]. 煤礦機械,2007,28(2):78-80.

[5] 劉 靜.自動爬樓梯輪椅的虛擬設(shè)計與運動仿真[J]. 機械研究與應(yīng)用,2012(6):133-137.