多自由度空間擺動(dòng)式自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈林鵬，涂福泉，李 根，李 恒，劉謀澤，劉浩杰

(武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430081)

0 引言

在完成對(duì)農(nóng)作物及樹木花草的噴灑作業(yè)的過程中，往往伴隨著作業(yè)環(huán)境惡劣、噴灑高度不夠及噴灑效率低等諸多原因的限制。往復(fù)式自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)噴灑，而噴灑的均勻性成為研究的核心?？紤]到噴灑機(jī)構(gòu)在工作過程中，存在擺動(dòng)導(dǎo)桿與滑動(dòng)套管之間的摩擦力會(huì)造成噴灑機(jī)構(gòu)的壽命降低，兩者的相互摩擦力也成為研究核心。針對(duì)于噴頭噴灑性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。陳超等[1]研究了異形噴嘴對(duì)變量噴頭水量分布的影響，星形噴嘴變量噴頭的水量分布均勻度好于圓形噴嘴變量噴頭,方形噴灑域的均勻度好于三角形噴灑域。張慧春等[2]利用開路式風(fēng)洞系統(tǒng)和Sympatec激光粒度儀測(cè)試了參考噴頭的霧譜尺寸，對(duì)扇形霧噴頭在不同壓力、風(fēng)速、噴頭與激光粒度儀距離情況下的霧滴粒徑、數(shù)量和范圍進(jìn)行了試驗(yàn)，得出了壓力、風(fēng)速、噴頭與激光粒度儀之間距離的增大，對(duì)噴頭的噴灑性能都存在影響。Hislop E C[3]等研究了噴頭的安裝高度、角度及風(fēng)向與風(fēng)量的大小對(duì)噴灑效果及均勻性的影響。張波等[4]針對(duì)目前運(yùn)煤列車防凍液噴灑裝置不能升降且在停止噴灑時(shí)噴頭中殘液滴漏等問題，設(shè)計(jì)了一種多功能式防凍液噴灑裝置。顧文杰[5]等設(shè)計(jì)了適合中小田塊的六旋翼農(nóng)藥噴灑無人機(jī)。以上對(duì)影響噴頭噴灑性能的因素進(jìn)行的研究及設(shè)計(jì)的噴灑裝置均存在使用條件的限制，并未涉及對(duì)果樹、農(nóng)作物與城市街道綠化的樹木花草自動(dòng)噴灑裝置的設(shè)計(jì)與研究。

本文針對(duì)于農(nóng)作物與樹木花草進(jìn)行噴灑藥物時(shí)的農(nóng)藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用噴灑車多自由度空間擺動(dòng)式自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)，并根據(jù)初始設(shè)計(jì)參數(shù)，通過對(duì)噴灑機(jī)構(gòu)建立ADAMS虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。以影響噴灑均勻性、穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以擺動(dòng)導(dǎo)桿與套筒之間相互作用力為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，建立Adams虛擬樣機(jī)優(yōu)化模型，經(jīng)過迭代求解，最終求得最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以期達(dá)到能夠理想地完成自動(dòng)噴灑作業(yè)。

1 多自由度空間擺動(dòng)式自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 工作原理

往復(fù)擺動(dòng)式自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)主要由電機(jī)、曲柄、擺桿噴頭、滑塊、可調(diào)支架及底座組成，如圖1所示。

其機(jī)構(gòu)原理圖如圖2所示。由圖2可以看出：對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)而言，LAE與LDE為整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)固有的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須要合理的選取LAE與LDE的尺寸參數(shù)。除此之外，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性存在關(guān)鍵影響的是電動(dòng)推桿BC與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。然而，對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，機(jī)構(gòu)固有尺寸參數(shù)的最優(yōu)化確定是整個(gè)系統(tǒng)確定的首要關(guān)鍵問題，對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，因?yàn)槿嵝远容^強(qiáng)，可以在完成整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)之后采用調(diào)試的方式對(duì)于驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行選取。

1.高壓噴頭 2.噴桿 3.噴桿支架 4.圓形轉(zhuǎn)盤 5.電機(jī) 6.底座 7.電動(dòng)撐桿圖1 往復(fù)擺動(dòng)式自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)

圖2 噴灑機(jī)構(gòu)原理圖

1.2 初始參數(shù)的確定

選取電動(dòng)撐桿最大有效行程為300mm，即200mm≤LAD≤500mm，取LAD=400mm；LAE=300mm；LED=500mm。其結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖3所示。

圖3 初始結(jié)構(gòu)尺寸圖

1.2.1 建立機(jī)構(gòu)仿真模型

根據(jù)往復(fù)擺桿式噴灑機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理與機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求設(shè)定了各機(jī)構(gòu)參數(shù)，從而確定其關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)，如表1所示。根據(jù)創(chuàng)建的關(guān)鍵點(diǎn)，建立機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型如圖4所示；按照機(jī)構(gòu)實(shí)際連接約束，對(duì)各實(shí)體link施加 revolution約束如表2所示。

表1 各關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 多自由度空間擺動(dòng)式自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型表2 多自由度空間擺動(dòng)式自動(dòng)噴灑裝置機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型約束表

約束副相關(guān)構(gòu)件固定副基座轉(zhuǎn)動(dòng)副1轉(zhuǎn)盤、基座轉(zhuǎn)動(dòng)副2電動(dòng)撐桿、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)副3電動(dòng)撐桿、噴桿支架移動(dòng)副1電動(dòng)撐桿套、電動(dòng)撐桿芯移動(dòng)副2噴桿支架、轉(zhuǎn)盤

對(duì)空間噴灑裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，用連桿來代替裝置各部件，使得仿真圖的各桿的質(zhì)心、慣性矩等參數(shù)就會(huì)與實(shí)際的不符，最終得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析也與實(shí)際的不同。因此，仿真圖形在形狀上簡(jiǎn)化為好，而各參量必須與實(shí)際相符。這樣在仿真造型之前，需要計(jì)算各桿件的質(zhì)量、質(zhì)心位置和慣性矩、慣性積[6]。

各桿件的質(zhì)量公式為

m=ρ·V

各桿件的質(zhì)心公式為

各桿件的慣性矩和慣性積的公式為

Jxx=∑mi·(yic2+zic2)Jxy=∑mi·xic·yic

式中xc、yc、zc—桿件的質(zhì)心坐標(biāo)；

mi—桿件中的第i個(gè)零件的質(zhì)量；

xic、yic、zic—第i個(gè)零件的重心坐標(biāo)。

根據(jù)以上公式計(jì)算出各桿件具體的質(zhì)量、質(zhì)心和慣性矩、慣性積的值。

根據(jù)傅里葉變換得，任何函數(shù)都可以經(jīng)過傅里葉變換轉(zhuǎn)換為正弦或余弦函數(shù)?？紤]到噴灑工藝特點(diǎn)，初步設(shè)定轉(zhuǎn)盤主軸的角位移為1.5·cos(0.1·time)，電動(dòng)推桿的直線運(yùn)動(dòng)位移函數(shù)為35·cos(0.1·time)。

1.2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

以擺桿為研究對(duì)象，通過對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，得出擺桿的位移、速度和加速度曲線如圖5所示。

圖5 噴灑機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿質(zhì)心運(yùn)動(dòng)曲線

由圖5可知：曲柄在轉(zhuǎn)動(dòng)1周的過程中，該機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了1個(gè)周期，噴桿的速度經(jīng)歷了兩次波峰和一次波谷，分別代表擺動(dòng)導(dǎo)桿經(jīng)歷了加速-減速-加速的過程。當(dāng)t=11.5 s與t=10.5 s時(shí)速度達(dá)到最大，v=12mm/s，說明此時(shí)噴桿速度達(dá)到最快；當(dāng)t=31.5 s時(shí)減速至最小，v=0，說明此時(shí)噴桿運(yùn)動(dòng)至極限位置，桿機(jī)構(gòu)出現(xiàn)急回特性，擺動(dòng)導(dǎo)桿出現(xiàn)抖動(dòng)，這對(duì)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)性有較大的影響。

從加速度曲線變化上來看：在噴桿運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期的過程中，加速度經(jīng)歷了兩次波峰與一次波谷，當(dāng)t=31.5s時(shí)減速至最小，v=0，此時(shí)對(duì)應(yīng)加速度最小，其分別對(duì)應(yīng)擺動(dòng)導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)至極限位置。加速度由最大變化至最小，再變化至最大，這兩個(gè)過程中加速度表現(xiàn)出劇烈變化，擺動(dòng)導(dǎo)桿發(fā)生抖動(dòng)。

2 參數(shù)優(yōu)化分析

2.1 建立參數(shù)化模型

當(dāng)噴灑機(jī)構(gòu)在運(yùn)行的過程中，為了使噴灑更加均勻，要求導(dǎo)桿在擺動(dòng)時(shí)，應(yīng)盡可能保持勻速。將ADAMS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法用于優(yōu)化擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的速度穩(wěn)定性，將運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，并對(duì)坐標(biāo)值進(jìn)行參數(shù)化，建立擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，進(jìn)而對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)變量的靈敏度分析計(jì)算，從而找出關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量，并在優(yōu)化計(jì)算中確定每個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)參數(shù)，最終得出速度平穩(wěn)性最優(yōu)的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)[6-10]。擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 噴灑機(jī)構(gòu)優(yōu)化仿真模型

在往復(fù)擺動(dòng)噴灑裝置噴灑運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中，模型元素主要是幾何點(diǎn)，用點(diǎn)的坐標(biāo)變化表示桿長(zhǎng)變化，因此需要完成點(diǎn)位置的參數(shù)化。改變各個(gè)參數(shù)點(diǎn)的位置是通過改變坐標(biāo)值的方式來完成，達(dá)到改變桿長(zhǎng)條件[11]，得到參數(shù)化后的結(jié)果如表3所示。

表3 參數(shù)化結(jié)果

2.2 對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化

確定參數(shù)設(shè)計(jì)變量后，可優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量。使用Adams的參數(shù)優(yōu)化的一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是可以將被測(cè)量用作優(yōu)化度量的目標(biāo)函數(shù)。在往復(fù)擺動(dòng)噴灑裝置噴灑運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)模型中，為了獲得準(zhǔn)確的速度平穩(wěn)性，以垂直于導(dǎo)桿軸向的方向的加速度變化為測(cè)量指標(biāo)，將速度、加速度共同作為觀測(cè)依據(jù)，將垂直于導(dǎo)桿軸向的方向的速度、加速度的平均值作為優(yōu)化目標(biāo)，得到參數(shù)化優(yōu)化結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿速度迭代優(yōu)化曲線

圖8 噴灑機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿速度迭代優(yōu)化報(bào)告表

圖10 噴灑機(jī)構(gòu)導(dǎo)桿加速度迭代優(yōu)化報(bào)告表

由圖7與圖9中可以看出：經(jīng)過迭代優(yōu)化之后，往復(fù)擺動(dòng)噴灑裝置噴灑運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)在做往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，整個(gè)周期運(yùn)動(dòng)特性明顯呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)。從噴桿速度迭代優(yōu)化曲線可以看出：Trial 1模式下，噴桿的速度變化顯著變緩，有利于機(jī)構(gòu)噴灑的均勻性；但此模式下，在t=14～32s與t=32～50s期間，速度的變化表現(xiàn)出非線性變化顯著，說明其速度不穩(wěn)定。Trial 4模式下，噴桿速度的變化與Trial 1接近，在t=14～32s與t=32～50s期間，速度的變化表現(xiàn)出線性變化，說明其速度穩(wěn)定。因此，從速度穩(wěn)定性方面考慮，Trial 4模式要優(yōu)于Trial 1模式。從擺桿加速度迭代優(yōu)化曲線可以看出：Trial 4模式下，擺動(dòng)導(dǎo)桿的加速度變化顯著變緩，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的沖擊明顯變小，抖動(dòng)明顯變小。

綜上仿真分析可以得出：當(dāng)轉(zhuǎn)盤與噴桿連接點(diǎn)與轉(zhuǎn)盤中心的距離L1=300mm、電動(dòng)撐桿芯接頭與噴桿的連接點(diǎn)位于噴桿桿身與噴桿尾部之間的距離L2=468.6mm時(shí)，對(duì)于整個(gè)機(jī)構(gòu)而言，其噴灑均勻性最好，擺動(dòng)導(dǎo)桿抖動(dòng)最小。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)樣機(jī)的建立及試驗(yàn)條件

根據(jù)優(yōu)化求解得到的最優(yōu)尺寸參數(shù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)裝置加工制作，搭建裝配得到如圖11所示的試驗(yàn)樣機(jī)裝置。

1.電機(jī) 2.電機(jī)固定底座 3.移動(dòng)支架 4.固定支架 5.噴桿固定套管 6.水箱 7.軟管 8.電動(dòng)撐桿套 9.電動(dòng)撐桿芯 10.圓形轉(zhuǎn)盤圖11 樣機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

噴灑機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)主要是利用加速度傳感器測(cè)量，主要是測(cè)量噴桿的加速度特性。試驗(yàn)裝置輸出端添加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，測(cè)量擺桿的速度特性。圖12為加速度傳感器。加速度傳感器主要是靠粘接劑粘貼于噴桿端部，測(cè)量噴桿頭部的運(yùn)動(dòng)特性。

圖12 壓阻式加速度傳感器

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過試驗(yàn)得出噴桿的速度曲線與加速度曲線，如圖13和圖14所示。

由速度變化曲線可以看出，噴桿速度的變化明顯變緩，波峰最大值小，噴桿運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)變??；由加速度變化曲線可以看出，噴桿加速度的變化明顯變緩，波峰最大值小，噴桿運(yùn)動(dòng)沖擊變小，噴灑均勻，噴灑效果好。

圖13 試驗(yàn)測(cè)量噴桿速度曲線

圖14 試驗(yàn)測(cè)量噴桿加速度曲線

4 結(jié)論

1)利用Adams軟件對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)虛擬建模仿真試驗(yàn)，通過設(shè)置虛擬仿真參數(shù)，模擬噴灑機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，分析噴灑機(jī)構(gòu)在噴灑過程中的位移-速度-加速度情況，為設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2)對(duì)噴灑機(jī)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上尋求最優(yōu)化參數(shù)，經(jīng)過迭代優(yōu)化之后，求得的最優(yōu)化值，進(jìn)一步對(duì)該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

3)利用迭代優(yōu)化求得的機(jī)構(gòu)最優(yōu)化參數(shù)，建立往復(fù)擺動(dòng)導(dǎo)桿式自動(dòng)噴灑機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行噴灑試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足實(shí)際應(yīng)用要求。