水稻精密播種機(jī)供種系統(tǒng)的仿真分析*

□ 劉永武□ 楊發(fā)展□ 李建東□ 王玉玲□ 姜芙林□ 魏海明□ 羅 佳

1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 山東青島 266520

2.中機(jī)美諾科技股份有限公司 北京 100083

1 研究背景

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)問題關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家富強(qiáng)，成為不可忽視的國(guó)家大事。在我國(guó)南方，糧食主要以水稻為主，因此提高水稻機(jī)械化栽種顯得尤其重要。目前，我國(guó)的水稻播種機(jī)械主要來(lái)自國(guó)外，國(guó)內(nèi)在水稻播種育種這一領(lǐng)域起步較晚，但有后來(lái)趕上的優(yōu)勢(shì)且前景良好。對(duì)水稻精密播種機(jī)進(jìn)行研制，能夠加快水稻精密播種，促進(jìn)增產(chǎn)增收。

筆者應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行實(shí)體模型創(chuàng)建，裝配精密播種機(jī)供種系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，并利用軟件中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模塊對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行干涉檢查，檢查樣機(jī)的裝配合理性，同時(shí)選取關(guān)鍵部件進(jìn)行位移和速度變化分析。

2 整機(jī)設(shè)計(jì)

整機(jī)動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，通過(guò)聯(lián)軸器將步進(jìn)電機(jī)與鏈輪軸連接，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)裝配在鏈條上的推塊運(yùn)動(dòng)，推塊推動(dòng)種盒向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將種盒內(nèi)的種子推到落種孔，由落種孔進(jìn)入落種管到達(dá)排種器，最后由排種器排出種子。每個(gè)種盒可以裝不同品種的水稻試驗(yàn)種子，從而實(shí)現(xiàn)種子的精密播種。筆者所設(shè)計(jì)的精密播種機(jī)主要由電機(jī)、機(jī)架、種盒導(dǎo)板、落種板、種盒、種盒蓋板、推塊、鏈條傳動(dòng)系統(tǒng)、撐桿及底座等組成。

基于Pro/E虛擬樣機(jī)制造技術(shù)，設(shè)計(jì)精密播種機(jī)零部件，并按裝配要求裝配，最后進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[1]，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

▲圖1 設(shè)計(jì)流程

3 三維建模

應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)水稻精密播種機(jī)供種系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，如圖2所示。供種系統(tǒng)一次可以放十個(gè)種盒，實(shí)現(xiàn)六行播種。種盒三維模型如圖3所示。

虛擬樣機(jī)技術(shù)融合了先進(jìn)的建模仿真技術(shù)、先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)等，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品的全生命周期和全系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能進(jìn)行綜合管理。與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)支持對(duì)產(chǎn)品的全方位測(cè)試、分析與評(píng)估，強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化協(xié)同設(shè)計(jì)[2]。

▲圖2 供種系統(tǒng)三維模型

▲圖3 種盒三維模型

筆者設(shè)計(jì)將種盒裝滿種子，倒扣在種盒蓋板上，放入指定位置。通過(guò)電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)鏈輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)推塊運(yùn)動(dòng)，推塊推動(dòng)種盒向前移動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)落種孔時(shí)，種盒內(nèi)的種子因重力下落，經(jīng)落種管到達(dá)排種器。一個(gè)種盒排空后，后續(xù)跟進(jìn)，直至種盒內(nèi)的種子都進(jìn)入排種器。虛擬樣機(jī)的機(jī)構(gòu)模型由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、推動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其中，推動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)供種精度起重要影響，因此重點(diǎn)分析這一機(jī)構(gòu)。推動(dòng)機(jī)構(gòu)由推塊裝配在鏈條上，通過(guò)鏈條的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)推塊在機(jī)架導(dǎo)軌上移動(dòng)，實(shí)際上相當(dāng)于滑塊導(dǎo)軌。推動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配如圖4所示。

▲圖4 推動(dòng)機(jī)構(gòu)裝配

4 運(yùn)動(dòng)仿真

4.1 添加步進(jìn)電機(jī)

由于筆者設(shè)計(jì)的供種系統(tǒng)與水稻精密播種機(jī)其它部件是獨(dú)立的，因此需要安裝獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移信號(hào)，其轉(zhuǎn)速與停止位置取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)量，而不受負(fù)載變化的影響[4-6]。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)沿設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度，由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位的目的。同時(shí)，也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制旋轉(zhuǎn)的速度和加速度，從而實(shí)現(xiàn)供種速度的調(diào)整。

由于主要模擬推塊運(yùn)動(dòng)，因此推塊和機(jī)架導(dǎo)軌的裝配關(guān)系要準(zhǔn)確，然后進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊，添加步進(jìn)電機(jī)，選擇運(yùn)動(dòng)方式為幾何運(yùn)動(dòng)，接著選擇運(yùn)動(dòng)零件，再選擇方向，最后選擇運(yùn)動(dòng)路徑為直線運(yùn)動(dòng)，并設(shè)定位置或速度[7]。完成機(jī)構(gòu)分析設(shè)置后，再設(shè)定運(yùn)動(dòng)時(shí)間，就可以模擬推塊運(yùn)動(dòng)。

4.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉檢查

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可確定一點(diǎn)的位移、速度及加速度變化范圍。整機(jī)虛擬樣機(jī)裝配完成后，由裝配環(huán)境轉(zhuǎn)換為機(jī)構(gòu)環(huán)境，添加和定義步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。選擇分析類型為運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，設(shè)定開始時(shí)間為0，結(jié)束時(shí)間為10 s，運(yùn)行并保存仿真圖表。點(diǎn)擊回放，在回放界面中將碰撞檢測(cè)類型設(shè)置為部分碰撞檢測(cè)，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉檢查[8-9]。

4.3 位移分析

裝配體完成運(yùn)動(dòng)干涉檢查后，將進(jìn)行位移變化的仿真分析。記錄運(yùn)動(dòng)位移隨時(shí)間變化曲線并輸出，有助于理解和分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)果，并可提供改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)的信息。

創(chuàng)建測(cè)量measure1，設(shè)定測(cè)量類型為位置，選取推塊末端為測(cè)量點(diǎn)，選取機(jī)架導(dǎo)軌上表面的裝配坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，測(cè)量位移。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

▲圖5 推塊水平位移變化曲線

由圖5可以看出，推塊為連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)種盒不斷供種，可以將所有種盒的種子都送到落種孔，保證種子的下落，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供種。

4.4 速度分析

推塊的速度對(duì)種子的下落有很大影響，若速度過(guò)快，種盒里的種子還沒有落下就被推走，若速度過(guò)慢，連續(xù)等待的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響播種進(jìn)程，所以選擇一個(gè)合適的速度非常重要。創(chuàng)建測(cè)量measure2，默認(rèn)測(cè)量類型為時(shí)間步長(zhǎng)[10]。測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，種盒始終以恒定的速度向前運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程沒有速度變化，不會(huì)造成沖擊振動(dòng)影響投種精度，滿足實(shí)際播種要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

虛擬樣機(jī)是非常有效的設(shè)計(jì)工具[11]，已成為設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的必備工具[12]。設(shè)計(jì)水稻精密播種機(jī)供種系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真，對(duì)關(guān)鍵部件的速度變化規(guī)律進(jìn)行分析，得到速度變化曲線。同時(shí)獲得播種過(guò)程中推塊位移變化曲線，為整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

▲圖6 推塊速度變化曲線