自適應(yīng)橡膠樹干外形抱緊裝置模型構(gòu)建與拓撲優(yōu)化

肖蘇偉 曹建華 陳娃容 賈倩 吳思浩 鄧祥豐

摘要：針對天然橡膠全自動采膠裝備的運動作業(yè)形式，設(shè)計一種可實現(xiàn)橡膠樹干自適應(yīng)包絡(luò)夾持的抱緊裝置，對該裝置的工作原理、組成結(jié)構(gòu)、抓取模式和自適應(yīng)包絡(luò)抓取特性等方面進行闡述與分析，為優(yōu)化抱緊裝置的設(shè)計提供依據(jù)。采用ANSYS workbench軟件進行有限元分析，結(jié)果顯示：實際工況下抱緊裝置的最大總形變量為0.01 m，其發(fā)生在柔性導(dǎo)軌前端，各形變量均較小且與抱緊裝置實際受力情況相符；所受最大應(yīng)力為0.45 MPa，應(yīng)力集中在柔性導(dǎo)軌與支撐板連接處。但其存在較大的材料冗余，對抱緊裝置進行拓撲優(yōu)化，按照30%、40%、50%、70%的材料去除率分別計算，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的質(zhì)量由0.53 kg降至0.39 kg，結(jié)果表明，在保障強度與剛度的要求下，降低抱緊裝置材料冗余量，可滿足作業(yè)需求。并對抱緊裝置的樣機開展定性和定量測試試驗，通過反饋數(shù)據(jù)進行分析，得出抓取模式的受力情況，夾持效果較好。

關(guān)鍵詞：橡膠樹干；包絡(luò)夾持；抱緊裝置；拓撲優(yōu)化

中圖分類號：S794.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0029-07

收稿日期：2022年7月4日? 修回日期：2022年9月16日*基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2020YFD1000600）；海南省科技項目（ZDYF2021GXJS009）；海南省自然科學(xué)基金項目（521QN0937，323MS074）

第一作者：肖蘇偉，男，1987年生，南京人，碩士，工程師；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化工程。E-mail： 80096501@qq.com

通訊作者：鄧祥豐，男，1995年生，?？谌耍T士，研究實習(xí)員；研究方向為農(nóng)業(yè)機械化工程。E-mail： 928010405@qq.com

Model construction and topology optimization of adaptive rubber trunk contour holding device

Xiao Suwei1， 2， Cao Jianhua1， 2， Chen Warong1， 2， Jia Qian1， 2， Wu Sihao1， 2， Deng Xiangfeng1， 2

（1. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， 571101， China；

2. Mechanical Sub-center of National Important Tropical Crops Engineering Technology Research Center，

Haikou， 571101， China）

Abstract：

Aiming at the moving operation form of automatic rubber extraction equipment of natural rubber， a kind of holding device which can realize the adaptive envelope holding of rubber trunk was designed. The working principle， composition structure， grasping mode and adaptive envelope grabbing characteristics of the device were described and analyzed， providing basis for optimizing the design of holding device. ANSYS Workbench software was used for finite element analysis， and the results showed that the maximum total shape variable of the holding device was 0.01 m in the actual working condition， which occurred at the front end of the flexible guide rail， and all the shape variables were small and consistent with the actual force of the holding device. The maximum stress was 0.45 MPa， and the stress was concentrated at the connection between the flexible guide rail and the support plate. However， it had a large material redundancy. The topological optimization of the holding device was carried out， and the mass of the optimized structure was reduced from 0.53 kg to 0.39 kg according to the material removal rates of 30%， 40%， 50% and 70%， respectively. The results showed that the reduction of material redundancy of the holding device could meet the operation requirements under the requirements of ensuring the strength and stiffness. Qualitative and quantitative tests were carried out on the prototype of the holding device， and through the analysis of feedback data， the force situation of the grasping mode was obtained， and the clamping effect was good.

Keywords：

rubber trunk; envelope clamping; holding device; topology optimization

0 引言

天然橡膠是我國重要戰(zhàn)略物資，國內(nèi)種植面積超1 133.33 khm2。由于近年價格低迷，導(dǎo)致膠工外流、膠樹棄割、膠園棄管等現(xiàn)象日益嚴(yán)重，對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成沖擊與制約［1］，造成產(chǎn)業(yè)每年損失達數(shù)十億元，同時，割膠作業(yè)投入的勞動力成本占整個生產(chǎn)作業(yè)70%以上［2， 3］。采膠裝備在進行作業(yè)時，由于橡膠園的生長環(huán)境較為復(fù)雜，且會受到采膠裝備移動速度、樹干外廓徑圍不規(guī)整、樹型生長傾斜性等因素影響，造成作業(yè)過程中采膠裝備的定位精度會受到干擾，影響裝備對樹體的位置進行判斷。因此，需要由特定的機構(gòu)與橡膠樹樹體實現(xiàn)固定，以此為據(jù)點完成樹皮的切割作業(yè)。

橡膠樹干抱緊裝置類似于機械手，在夾持樹干過程中需要一定的抓持剛度和穩(wěn)定性，目前國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進行了相關(guān)研究：姚雙吉等［4］對欠驅(qū)動機械手夾持剛度、阻尼與夾持幾何位形的關(guān)系進行研究，并分析其自適應(yīng)性對夾持穩(wěn)定性的影響。Odhner等［5］開發(fā)了具有結(jié)構(gòu)簡單、適度靈巧性的低成本欠驅(qū)動機械夾持手，建立夾持機構(gòu)與物體之間的無摩擦、有摩擦、彈性接觸等模型，并分析該類模型的剛度矩陣能夠適應(yīng)復(fù)雜的抓取對象。Kragten等［6］以靜態(tài)抓取平衡為穩(wěn)定性準(zhǔn)則，分析平面夾持的穩(wěn)定性和夾持剛度，設(shè)計一種欠驅(qū)動夾持機構(gòu)，并對尺寸參數(shù)優(yōu)化。

本文設(shè)計一種可實現(xiàn)橡膠樹干自適應(yīng)包絡(luò)夾持的抱緊裝置，開展結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)分析，對夾持樹干過程進行理論分析與試驗。基于ANSYS Workbench軟件，采用變密度法對抱緊裝置的柔性導(dǎo)軌進行拓撲優(yōu)化，根據(jù)邊界條件的設(shè)定與約束，達到結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化的目的，并對質(zhì)量、應(yīng)力、形變量等方面進行比較，從而實現(xiàn)柔性導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過開展定量和定性試驗，驗證設(shè)計和分析結(jié)構(gòu)的合理性，以便后期應(yīng)用在全自動割膠裝備上。

1 樹干抱緊裝置模型構(gòu)建與工作原理

1.1 模型構(gòu)建與工作原理

抱緊裝置為移動式全自動采膠機的關(guān)鍵部件，其主要組成部分包括：鎖緊螺桿、柔性導(dǎo)軌支架臂、驅(qū)動電機A、驅(qū)動電機B、連接板、連接短管、連接長管、柔性導(dǎo)軌、抱緊齒輪座以及其他緊固零陪件組成，如圖1所示。該樹干抱緊裝置可裝載于天然橡膠采膠機械裝備上，實現(xiàn)應(yīng)用對象在橡膠園內(nèi)的移動采膠式作業(yè)模式，起到固定采膠作業(yè)點位、保障刀具對樹皮的準(zhǔn)確切割等作用效果。

由柔性導(dǎo)軌支架臂、連接長管構(gòu)成了抱緊裝置的主體支架，在驅(qū)動電機A和驅(qū)動電機B共同驅(qū)使下，作用力施加在連接短管、抱緊齒輪座上，讓柔性導(dǎo)軌分別做徑向運動與圓周運動，最終實現(xiàn)了抱緊裝置對橡膠樹干的設(shè)計功能要求。主要作業(yè)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

如圖2所示，通過電機帶動驅(qū)動齒輪，使上下齒輪與柔性導(dǎo)軌上的齒型發(fā)生嚙合，并使連接板在柔性導(dǎo)軌支架臂的凹槽內(nèi)滑動以及連接短管的往復(fù)運動，由于連接板與柔性導(dǎo)軌支桿相連，最終實現(xiàn)柔性導(dǎo)軌的自由伸展與收縮功能。通過電機的帶動柔性導(dǎo)軌會徑向收縮，鑒于樹干表層生長的不規(guī)則性，設(shè)計在環(huán)型面上的仿形齒會貼合于樹干表面，由于柔性導(dǎo)軌本身的柔韌性可配合仿形齒，較好地適應(yīng)不同徑圍大小的橡膠樹干，以此來實現(xiàn)樹干抱緊的作業(yè)功能。

1.2 夾持過程分析

根據(jù)抱緊裝置結(jié)合實際工況中遇到的問題綜合分析與設(shè)計抱緊裝置的，在夾持樹干時可能受到徑圍大小、移動位置等因素影響，造成抱緊裝置與樹干相對位置出現(xiàn)空間偏差。因此，將夾持動作簡約化并建立受力點，從幾何關(guān)系上對夾持偏差進行分析，討論夾持受力點與夾持力的關(guān)系，如圖3所示。

兩夾持接觸點B、B′的距離D受到樹干徑圍影響會發(fā)生變化，但橡膠樹干直徑大小有所差異，在柔性導(dǎo)軌兩側(cè)的夾持受力接觸點B、B′處分別與樹干質(zhì)點O進行連線，而BO、B′O線的偏轉(zhuǎn)夾角β需通過樹干徑圍條件來確定定位誤差，因此，在設(shè)計抱緊裝置時，需結(jié)合偏轉(zhuǎn)夾角β與夾持受力接觸點B、B′的距離D，來考慮柔性導(dǎo)軌的徑圍設(shè)計尺寸，最終能夠保障對樹干的包絡(luò)性夾持。從式（1）可確定橡膠樹樹干半徑與偏轉(zhuǎn)夾角β取值范圍之間的關(guān)系聯(lián)立。

2.3 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化分析

選取Shape Optimization模塊，構(gòu)建柔性導(dǎo)軌的拓撲優(yōu)化項目，依次進行模型導(dǎo)入、定義材料屬性、網(wǎng)格劃分以及邊界條件施加等選項［17］，按30％、40％、50％、70％的材料保留處理率完成設(shè)定，具體的求解計算結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)柔性導(dǎo)軌的拓撲優(yōu)化結(jié)果，針對性地對其結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。綜合考慮整體的強度、剛度及生產(chǎn)制造成本等因素，確定柔性導(dǎo)軌的材料保留率在30％～40％之間，經(jīng)后期的結(jié)構(gòu)重塑得到如圖7所示的優(yōu)化柔性導(dǎo)軌模型，優(yōu)化后的模型將導(dǎo)軌之間的材料去除。

基于變密度法的拓撲優(yōu)化設(shè)計理論，對柔性軟軌進行重新建模，如圖8和圖9所示，將拓撲優(yōu)化后的三維模型，再次導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進行有限元分析，模型的網(wǎng)格、約束、載荷等邊界條件設(shè)置與優(yōu)化前保持不變。拓撲優(yōu)化后的柔性導(dǎo)軌整體結(jié)構(gòu)，與初始的形態(tài)特征相比，最大應(yīng)力、最大變形量均有下降。

在不改變原有力學(xué)設(shè)計性能的條件下，優(yōu)化后的柔性導(dǎo)軌的整體結(jié)構(gòu)達到減少材料用量的要求。對比如圖10所示。

通過優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)對比參數(shù)可知：抱緊裝置主體質(zhì)量由0.53 kg減少到0.39 kg，相比原先減少26.4%；優(yōu)化后柔性導(dǎo)軌上下軌層之間的結(jié)構(gòu)空間增大；且優(yōu)化后部件所受應(yīng)力、形變量與優(yōu)化前大幅減少，最終達到結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能不變的情況下，實現(xiàn)柔性導(dǎo)軌的輕量化設(shè)計要求。

3 拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化與樹干夾持試驗分析

3.1 柔性導(dǎo)軌優(yōu)化前后的性能對比分析

為探究優(yōu)化過后的柔性導(dǎo)軌強度與剛度是否滿足全自動采膠機的作業(yè)性能要求，現(xiàn)對優(yōu)化后的模型進行靜力學(xué)計算分析，并從最大形變、最大應(yīng)力、最大能量以及質(zhì)量四個方面將優(yōu)化前后的柔性導(dǎo)軌特性進行對比，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，優(yōu)化后柔性導(dǎo)軌的最大變形、最大應(yīng)力、最大能量以及整體質(zhì)量均有一定幅度降低，分別為75.3％、53.3％，并且滿足選用材料的最大承載范圍內(nèi)，同時，由于柔性導(dǎo)軌在作業(yè)時存在著一定程度上的疲勞彎曲，因此物理特性參數(shù)的整體下降，又能夠增加導(dǎo)軌的重復(fù)作業(yè)次數(shù)。綜上考慮，可認(rèn)為對柔性導(dǎo)軌所進行的拓撲優(yōu)化在保證其強度與剛度下，能夠滿足柔性導(dǎo)軌的輕量化設(shè)計要求，對模型的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果良好。

3.2 田間試驗

開展定性的樹干夾持特性試驗，驗證抱緊裝置的直線平夾精確捏持和自適應(yīng)包絡(luò)抓取有效性，如圖11所示。柔性導(dǎo)軌的包絡(luò)性自適應(yīng)抓取樹干過程，可以概括為六個步驟，分別是接近樹干、建立穩(wěn)定接觸、抱緊樹干、松開樹干、調(diào)整姿態(tài)以及離開樹干。通過裝載于移動式全自動采膠裝備上，以此為牽引進行對橡膠樹樹干的夾持性作業(yè)，由傳感器對夾持點位、夾持力的判斷，配合完成樹干抱緊的動作。

在橡膠園分別選取樹干徑圍約200 mm、240 mm、280 mm的橡膠樹進行夾持試驗，通過在不同徑粗樹干上的對比測試發(fā)現(xiàn)，在自適應(yīng)包絡(luò)夾持的模式下，抱緊裝置的仿形齒均能較好地貼合在樹干表面上，具有良好的夾持穩(wěn)定性，抱緊裝置對橡膠樹樹干的夾持效果較好，表明所設(shè)計的抱緊裝置在作業(yè)時具備較好的夾持穩(wěn)定性。定性抓取試驗結(jié)果表明，根據(jù)抱緊裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式進行作業(yè)，在一定程度上可實現(xiàn)對較為復(fù)雜的樹干外形采取自適應(yīng)包絡(luò)夾持。

4 結(jié)論

1）? 基于材料各向同性模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕量化方法（SIMP），對天然橡膠全自動采膠機的樹干抱緊裝置進行主體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計分析。

2）? 對優(yōu)化后的柔性導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進行模型重構(gòu)，再次導(dǎo)入ANSYS workbench中進行優(yōu)化前后模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比分析，在保存原本結(jié)構(gòu)性能的同時，對抱緊裝置主體結(jié)構(gòu)部分實現(xiàn)在不影響樹干夾持能力與結(jié)構(gòu)強度剛度的前提下達到整體輕量化目的。

3）? 通過對優(yōu)化后的柔性導(dǎo)軌進行有限元分析，結(jié)果表明，抱緊裝置主體質(zhì)量由0.53 kg減少到0.39 kg，相比原先減少26.4%；優(yōu)化后柔性導(dǎo)軌上下軌層之間的結(jié)構(gòu)空間增大；且優(yōu)化后部件所受應(yīng)力、形變量相比于優(yōu)化前分別降低53.3%、75.3%，最終實現(xiàn)在保證整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能基本不變的情況下，完成對柔性導(dǎo)軌輕量化的設(shè)計目的。優(yōu)化過后的模型在強度與剛度方面均滿足要求。整體結(jié)構(gòu)的材料冗余量大幅降低，優(yōu)化設(shè)計在理論上取得較好效果。

參 考 文 獻

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