木薯塊根收獲機機電液聯(lián)合仿真模型

楊　望 ,鄭　賢 ,陳科余 ,楊　堅 , 王　晗 , 李冠男 , 肖夢琪

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧　530004;2 廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室， 南寧　530004)

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木薯塊根收獲機機電液聯(lián)合仿真模型

楊望1，2,鄭賢1,陳科余1,楊堅1, 王晗1, 李冠男1, 肖夢琪1

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧530004;2 廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室， 南寧530004)

摘要：以一種新型的挖拔式木薯收獲機為對象，采用SolidWorks、ADAMS、AMESim和MatLab/Simulink軟件分別建立木薯收獲機的機械系統(tǒng)、液壓電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模型，并在MatLab/Simulink平臺下通過接口文件將機械系統(tǒng)、液壓電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模型進行連接，構(gòu)建聯(lián)合仿真模型，且進行了物理試驗驗證。結(jié)果表明：建立的木薯塊根收獲機機電液一體化聯(lián)合仿真模型精度較高，可用于木薯收獲機控制系統(tǒng)的優(yōu)化研究。

關(guān)鍵詞：木薯收獲機；機電液聯(lián)合仿真；建模方法

0引言

控制系統(tǒng)的研究通常是利用數(shù)學軟件建立控制系統(tǒng)和控制對象的數(shù)學模型，進行仿真分析研究；而這種方法要進行繁瑣的數(shù)學建模[1-2]，同時對于涉及機、電、液多學科領(lǐng)域的復雜系統(tǒng)，采用常規(guī)的數(shù)學建模方法進行仿真研究，存在建模困難、精度受限等問題。近年來，隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，使復雜系統(tǒng)建模變簡單、高效成為可能[3-4]。本文以一種新型的挖拔式木薯塊根收獲機為對象，利用SolidWorks、ADAMS、AMESim和Matlab/Simulink軟件，研究基于物理模型圖形化的木薯收獲機機電液一體化聯(lián)合仿真模型的建模方法，為后續(xù)木薯收獲機的控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究提供一個技術(shù)平臺，且可為其他農(nóng)業(yè)機械機電液聯(lián)合仿真建模提供參考。

1木薯收獲機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

木薯收獲機硬件系統(tǒng)主要由機械系統(tǒng)、液壓電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3大部分組成。其中，機械系統(tǒng)為功能執(zhí)行裝置，液壓電氣系統(tǒng)為動力裝置，控制系統(tǒng)為控制裝置，且采用模糊控制方法進行控制。

機械系統(tǒng)主要由松土鏟、機架、莖稈夾持裝置、凸輪抖動機構(gòu)、平行四桿拔起機構(gòu)等6部分組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.松土鏟　2.機架　3.抖動機構(gòu)　4.平行四桿拔起機構(gòu)

其中，莖稈夾持裝置由莖稈導向裝置、夾子、油缸、拉桿和抖動桿等組成，用于夾持木薯莖稈；凸輪抖動機構(gòu)主要由凸輪、凸輪軸和直流電機等組成，通過和抖動桿連接實現(xiàn)莖稈夾持裝置上下抖動；平行四桿拔起機構(gòu)主要由前搖桿、平臺、后搖桿、錐齒輪傳動系及擺動液壓缸組成，實現(xiàn)莖稈夾持裝置升降運動；凸輪抖動機構(gòu)和平行四桿拔起機構(gòu)組成木薯收獲機的塊根拔起機構(gòu)，通過控制兩機構(gòu)的運行速度實現(xiàn)木薯收獲機按一定速度規(guī)律將木薯塊根拔起。

液壓電氣系統(tǒng)主要由液壓泵、溢流閥、比例方向閥、擺動液壓缸、減壓閥、電磁換向閥、壓力繼電器、液壓鎖、夾持液壓缸及直流電機等元件組成，其原理如圖2所示。其中，液壓泵由拖拉機動力輸出軸帶動工作；擺動液壓缸的擺動方向和擺動轉(zhuǎn)速由比例方向閥控制；電磁換向閥控制夾持液壓缸壓力油的流向，使夾持液壓缸執(zhí)行伸縮動作；液壓鎖實現(xiàn)夾持液壓缸的伸縮運動，執(zhí)行夾持和張開動作，確保系統(tǒng)油壓波動時能有效夾持木薯莖稈；壓力繼電器在夾持液壓缸無桿腔壓力達到一定值時向單片機控制系統(tǒng)發(fā)出信號，使單片機控制系統(tǒng)執(zhí)行相應的控制。直流電機以拖拉機車載電池為動力源，由固態(tài)繼電器控制，帶動凸輪抖動機構(gòu)運轉(zhuǎn)。

1.拖拉機發(fā)動機　2.液壓泵　3.溢流閥　4.單向閥　5.壓力表

單片機控制系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、傳感器及輸入輸出轉(zhuǎn)換模塊等部分組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。測力傳感器由貼在莖稈夾持裝置抖動桿上的電阻應變片組成，其橋路接法為全橋接法，用于測量木薯塊根的拔起力；擺動液壓缸轉(zhuǎn)速編碼器安裝在擺動液壓缸輸出軸的尾部，用于測定擺動液壓缸的擺動轉(zhuǎn)速；入夾傳感器行程開關(guān)安裝在莖稈夾持裝置導向部件的兩個開口上，用于檢測是否有木薯莖稈進入莖稈夾持裝置； 上、 下限位傳感器為非接觸式開關(guān)傳感器，分別安裝在后搖桿的上極限位置和下極限位置，用于檢測平行四桿拔起機構(gòu)是否處于上、下極限位置；壓力繼電器安裝在夾持液壓缸無桿腔的入口管道上，用于檢測夾持液壓缸無桿腔的壓力，確定木薯莖稈是否被夾持?。?路輸出分別用于控制液壓電氣系統(tǒng)的比例方向閥、電磁換向閥和直流電機。

1.2整機工作原理

木薯收獲機為單行木薯塊根收獲機，其松土鏟可根據(jù)木薯種植地土壤的軟硬程度選擇是否安裝，本文不考慮松土鏟的作業(yè)。木薯收獲作業(yè)前，將木薯莖稈砍斷，留下30cm左右高的木薯莖稈。作業(yè)時，木薯收獲機由拖拉機牽引前進，當入夾傳感器受到木薯莖稈擠壓時產(chǎn)生開關(guān)信號，傳送給單片機控制系統(tǒng)，控制夾持液壓缸電磁換向閥，使夾持液壓缸活塞桿快速伸出，帶動左、右夾持部件執(zhí)行夾持動作將木薯莖稈夾持??；且隨著夾緊力的增大，油壓上升，壓力繼電器產(chǎn)生動作信號，將信號傳給單片機控制系統(tǒng)，對直流電機和比例方向閥的輸入電流進行控制，使直流電機和擺動液壓缸按一定的規(guī)律同時運轉(zhuǎn)，拔起機構(gòu)的平行四桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動，夾持部件提升，同時抖動，完成木薯塊根拔起和土薯分離作業(yè)。木薯莖稈被夾持后提升30cm時，上限位傳感器產(chǎn)生信號傳給單片機控制系統(tǒng)，控制電磁換向閥和直流電機的電壓，使電磁換向閥換位，夾持液壓缸活塞桿縮回，帶動左、右夾持部件執(zhí)行張開動作，將木薯塊根放下，凸輪抖動機構(gòu)停止運轉(zhuǎn)。同時，單片機控制系統(tǒng)控制比例方向閥的輸入電流使擺動液壓缸反向擺動，拔起機構(gòu)的平行四桿機構(gòu)反向轉(zhuǎn)動，夾持部件向下運動。當夾持部件回到初始位置時，下限位傳感器產(chǎn)生信號傳給單片機控制系統(tǒng)，控制比例方向閥的電壓，使比例方向閥回到中位，平行四桿拔起機構(gòu)在重力作用下回位到最低點位置。

圖3　單片機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2聯(lián)合仿真模型的建立

2.1機械系統(tǒng)仿真模型

本文先采用SolidWorks軟件建立木薯收獲機的三維模型，后導入ADAMS中，最后定義零部件的材料屬性并添加相應的約束、驅(qū)動、力及力矩的方法建立木薯收獲機機械系統(tǒng)模型。同時，在地面上建立2棵木薯模型(株距為80cm)，建立的木薯收獲機機械系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4　機械系統(tǒng)仿真模型

2.2液壓電氣系統(tǒng)仿真模型

本文采用AMESim軟件，根據(jù)木薯收獲機的液壓電氣系統(tǒng)原理圖，建立其仿真模型如圖5所示, 液壓電氣系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)如表1所示。

圖5　液壓電氣系統(tǒng)仿真模型

元件名稱仿真參數(shù)系統(tǒng)油源油壓力16MPa,流量15L/min電磁換向閥最高壓力35MPa,額定電流24mA比例方向閥最高壓力35MPa,額定電流10mA擺動液壓缸額定壓力16MPa,缸徑32mm,齒輪模數(shù)3.5,齒輪齒數(shù)20,擺動角度180°夾持液壓缸額定壓力16MPa,缸徑32mm,行程63mm直流電機額定電壓24V,額定功率200W,額定轉(zhuǎn)速3600r/min,減速比為10∶1

2.3控制系統(tǒng)仿真模型

本文先根據(jù)擺動液壓缸擺動轉(zhuǎn)速模糊控制器的結(jié)構(gòu)原理，在Simulink建立擺動液壓缸擺動轉(zhuǎn)速模糊控制器模型；再根據(jù)塊根拔起收獲作業(yè)過程的初始、夾持、拔起和回位4種工作狀態(tài)及與傳感器的信號傳輸關(guān)系，建立木薯收獲機的工作過程控制模塊，最后將擺動液壓缸擺動轉(zhuǎn)速模糊控制器模型和木薯收獲機工作過程控制模塊進行連接組合，并加入木薯塊根拔起阻力設(shè)定模塊、拔起力測量處理模塊、濾波模塊、木薯塊根約束控制模塊和比例方向閥控制模塊等，構(gòu)建木薯收獲機控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。

2.4機電液一體化聯(lián)合仿真模型

木薯收獲機機電液一體化聯(lián)合仿真模型的建立在MatLab/Simulink平臺下進行[5-6]。其建立的方法是先將機械系統(tǒng)仿真模型、液壓電氣系統(tǒng)仿真模型和控制系統(tǒng)仿真模型進行連接，后加入木薯收獲機前進速度設(shè)定模塊和7個Memory模塊進行組合。進行聯(lián)合仿真時，通過接口模塊將夾持液壓缸的推力、擺動液壓缸轉(zhuǎn)軸的扭矩、電機的扭矩從AMESim傳給Adams，夾持液壓缸的位移與速度、擺動液壓缸的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速、電機的轉(zhuǎn)速從Adams傳給AEMSim，夾持液壓缸無桿腔油壓力從AMESim傳給Simulink，電磁換向閥、比例方向閥和電機開關(guān)的控制信號從Simulink傳給AMESim，擺動液壓缸轉(zhuǎn)速、拔起高度、測量拔起力和入夾傳感器信號從Adams傳給Simulink，拔起阻力設(shè)定力從Simulink傳給Adams，實現(xiàn)3個軟件之間的數(shù)據(jù)交換，形成閉環(huán)回路。建立的木薯收獲機機電液一體化仿真模型如圖7所示。其中，Memory模塊的作用是消除模型連接組合形成的代數(shù)環(huán)，避免仿真出錯。

圖6　控制系統(tǒng)仿真模型

圖7　機電液一體化聯(lián)合仿真模型

3模型的驗證

本文采用測定物理驗證樣機的擺動液壓缸擺動轉(zhuǎn)速及提升機構(gòu)與抖動機構(gòu)同時運動時的夾持裝置夾頭加速度與仿真模型的試驗結(jié)果進行對比，驗證模型的精度。

試驗設(shè)備: 木薯收獲機物理驗證樣機1臺，如圖8所示；擺動液壓缸轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)1套(包括光電編碼器、IPAM-7404計數(shù)模塊、USB/RS-485轉(zhuǎn)換器及筆記本電腦)；加速度測試系統(tǒng)1套(包括DH5938多通道并行數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、DH131壓電式加速度傳感器及筆記本電腦)。試驗條件：樣機底部固定。仿真模型驗證原理圖如圖9所示。

圖10是擺動液壓缸的擺動轉(zhuǎn)速變化曲線圖。其中，實線為實測的擺動液壓缸的擺動轉(zhuǎn)速變化曲線，虛線是仿真的擺動液壓缸的擺動轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖10可知：仿真的擺動液壓缸的擺動轉(zhuǎn)速變化曲線與實測的一致。

圖8　木薯收獲機物理驗證樣機

圖9　仿真模型驗證原理圖

圖10　擺動液壓缸擺動轉(zhuǎn)速對比圖

圖11是提升機構(gòu)與抖動機構(gòu)同時運動時的夾持裝置夾頭的加速度圖。其中，實線是實測加速度曲線，虛線是仿真加速度曲線。由圖11可知：提升機構(gòu)與抖動機構(gòu)同時運動時，物理驗證樣機加速度曲線變化趨勢與仿真模型的較一致。

圖11　夾持裝置夾頭加速度對比圖

綜上所述，聯(lián)合仿真模型與物理驗證樣機的試驗結(jié)果較一致，表明利用SolidWorks、ADAMS、AMESim和MatLab/Simulink軟件，構(gòu)建的木薯收獲機機電液一體化聯(lián)合仿真模型精度高，可用于木薯收獲機的聯(lián)合仿真分析與優(yōu)化。

4結(jié)論

采用SolidWorks、ADAMS、AMESim和MatLab/Simulink軟件先分別建立木薯收獲機的機械系統(tǒng)、液壓電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模型，再在MatLab/Simulink平臺下通過接口文件將機械系統(tǒng)、液壓電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的模型進行連接，構(gòu)建木薯收獲機機電液一體化仿真模型方法可行，精度較高。同時，模型可在Matlab/Simulink平臺下進行聯(lián)合仿真，使各軟件能分別使用各自的求解器對各自的模型進行計算，充分發(fā)揮了各仿真軟件的優(yōu)勢，實現(xiàn)功能互補，仿真效率高。

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Hydromechatronics Co-simulation Model of Cassava Harvester

Yang Wang1,2， Zheng Xian1， Chen Keyu1， Yang Jian1， Wang Han1， Li Guannan1， Xiao Mengqi1

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System & Advanced Manufacturing Technology, College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：A new “dig-pull” cassava harvester was designed. Using SolidWorks, ADAMS,AMESim and Matlab/Simulink software,mechanical system model,hydraulic electric system model and control system model of the harvester were established,respectively.These simulation models were connected by interface files in Matlab/Simulink platform.And co-simulation model was built to carry out the simulation analysis and verified by physical experiment.The results show that the co-simulation model has high accuracy,which can be used on the optimization of the harvester’s control system.

Key words：cassava harvester; hydromechatronics co-simulation; modeling method

文章編號：1003-188X(2016)07-0100-06

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

通訊作者：楊堅(1957-)，男，廣西合浦人，教授。

作者簡介：楊望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，博士，碩士生導師，(E-mail)yanghope@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365005)；國家自然科學基金項目(51065003)；廣西制造系統(tǒng)與制造技術(shù)重點實驗室課題(13-051-09S01)；廣西大學大學生實驗技能和科技創(chuàng)新能力訓練基金項目(SYJN20130102)

收稿日期：2015-05-18