王永振，樊桂菊，姜紅花，張曉輝

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018)

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基于虛擬樣機(jī)的果園升降平臺(tái)仿真分析

王永振，樊桂菊，姜紅花，張曉輝

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018)

果園升降平臺(tái)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，自動(dòng)化程度日漸提高，但在坡地作業(yè)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)平依舊是一大難題。為提高平臺(tái)作業(yè)性能，在Pro/E中建立了果園升降平臺(tái)三維模型，并導(dǎo)入ADAMS中，通過添加約束和驅(qū)動(dòng)，利用虛擬樣機(jī)模型測試升降油缸的受力并優(yōu)化升降油缸的安裝位置，分析了作業(yè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程偏移角的變化。同時(shí)，利用AMESim對升降平臺(tái)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的可行性，為果園升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了理論支持。

果園；升降平臺(tái)；虛擬樣機(jī)；動(dòng)力學(xué)仿真；ADAMS；AMESim

0 引言

我國地域遼闊，果樹種植面積較大。果園地勢呈多樣性，丘陵山區(qū)是果園種植的主要地區(qū)，地塊起伏較大，以至于果園機(jī)械化程度一直處于落后狀態(tài)，現(xiàn)有的果園機(jī)械設(shè)備很難滿足作業(yè)要求[1-2]。目前，果園作業(yè)仍然是依靠廉價(jià)的勞動(dòng)力，隨著種植規(guī)模的增加和水果季節(jié)性的增強(qiáng)，傳統(tǒng)的作業(yè)方式很難滿足現(xiàn)代的生產(chǎn)需求[3-5]。因此，研制一種能夠適應(yīng)丘陵山地的作業(yè)平臺(tái)對果園作業(yè)意義重大。

本文以丘陵山區(qū)的果園種植特點(diǎn)和現(xiàn)階段農(nóng)戶自有的拖拉機(jī)為基礎(chǔ)[6]，利用Pro/E建立能自動(dòng)調(diào)平的適合丘陵山地的果園作業(yè)升降平臺(tái)的三維模型，運(yùn)用ADAMS建立虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行整機(jī)的仿真分析，以期為果園作業(yè)機(jī)械研究提供設(shè)計(jì)參考。同時(shí)，運(yùn)用AMESim進(jìn)行整機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證整機(jī)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為后期動(dòng)力分配提供參考。

1 果園升降平臺(tái)虛擬樣機(jī)模型

1.1 建立三維模型

本課題設(shè)計(jì)一種載人工作平臺(tái)，由動(dòng)力裝置、升降機(jī)構(gòu)、調(diào)平機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)等組成,如圖1所示。整機(jī)實(shí)測參數(shù)如表1所示。

1.拖拉機(jī) 2.豎梁 3.橫梁 4.工作臺(tái) 5.調(diào)平油缸 6.升降油缸 7.隨動(dòng)油缸

項(xiàng)目單位技術(shù)參數(shù)配套動(dòng)力：SF180kW13．2外形尺寸mm2400×740×2100工作臺(tái)尺寸mm640×740×1060結(jié)構(gòu)質(zhì)量kg360起升高度m1．5最大舉升質(zhì)量kg150擺動(dòng)角度(°)±45最大爬坡角(°)20

1.2 三維模型的導(dǎo)入

ADAMS/view可以提供多種格式的模型數(shù)據(jù)交換接口，如Parasolid、STEP、IGES、SAT、DXF和DWG等格式。由于Parasolid格式文件導(dǎo)入到ADAMS的信息丟失少、保真度高，因此將Pro/E中建立的模型保存為Parasolid的中間格式(其擴(kuò)展名為.X_T)[7-8]；導(dǎo)入ADAMS的幾何模型，經(jīng)添加約束和驅(qū)動(dòng)，驗(yàn)證所建模型的正確性。

三維軟件中所建模型在ADAMS中不能進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算及修改構(gòu)件的幾何尺寸，要修改幾何尺寸還必須返回到三維軟件中，在三維軟件中修改后再轉(zhuǎn)換到ADAMS中。因此，常用的方法是將專業(yè)的CAD建模軟件與ADAMS聯(lián)合。在模型導(dǎo)入前先進(jìn)行簡化，將沒有相互運(yùn)動(dòng)的零件組成一個(gè)裝配體，以方便剛體的定義；然后，在ADAMS中進(jìn)行作業(yè)平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，升降平臺(tái)簡化模型需在ADAMS中完成，通過先構(gòu)建參數(shù)點(diǎn)，再通過toolbox中的連桿命令將各個(gè)點(diǎn)連接起來；最后，建立升降機(jī)構(gòu)的方式完成整個(gè)虛擬樣機(jī)的建模和關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真，其基本步驟如圖2所示。

圖2 升降平臺(tái)仿真步驟

1.3 在ADAMS中定義約束、驅(qū)動(dòng)

1)定義升降平臺(tái)的豎臂與大地之間采用旋轉(zhuǎn)副，并在旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)90d*sin(time),實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)的左右擺動(dòng)。

2)定義升降油缸、隨動(dòng)油缸和調(diào)平油缸的缸筒和缸桿為滑移副，在升降油缸的滑移副上添加驅(qū)動(dòng)，IF(time:0,0,STEP5(time,0,0.0,2,100.0)+STEP5(time,2.0,0.0,6.0, -180.0)+STEP5(time, 6.0, 0.0,8.0, 80.0))，實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)。

3)為了實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)能夠自動(dòng)調(diào)平，在隨動(dòng)油缸的缸筒和缸桿的質(zhì)心處添加兩個(gè)marker點(diǎn)，分別為marker_1和marker_2，此處添加測量兩點(diǎn)距離函數(shù)FUNCTION_JULI=DM(marker_1,marker_2)，調(diào)平油缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為MOTION=- (0.1771-FUNCTION_JULI)，使調(diào)平油缸的伸長量與隨動(dòng)油缸的縮短量相同，利用三角形相似原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平。

4)其他零部件間的約束以旋轉(zhuǎn)副和固定副為主。建立完整的虛擬樣機(jī)如圖3所示。

圖3 升降平臺(tái)虛擬樣機(jī)

2 虛擬樣機(jī)優(yōu)化分析

2.1 創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量

建立坐標(biāo)系以豎臂的低端作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以豎直向上的方向作為y軸的正方向，與豎臂垂直向右的方向作為x軸正方向。設(shè)升降油缸在豎臂上的安裝點(diǎn)為POINT_1，在橫臂上的安裝點(diǎn)為POINT_2，隨動(dòng)油缸在豎臂上的安裝點(diǎn)為POINT_47，在橫臂上的安裝點(diǎn)為POINT_47_2，調(diào)平油缸在橫臂上的安裝點(diǎn)為POINT_49，在作業(yè)平臺(tái)的支柱上的安裝點(diǎn)為POINT_49_2。參數(shù)化后各點(diǎn)的坐標(biāo)值如圖4所示。

圖4 參數(shù)化后各點(diǎn)的坐標(biāo)值

2.2 升降油缸安裝點(diǎn)參數(shù)的優(yōu)化

對升降油缸的兩個(gè)安裝點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化，以便尋找最佳安裝點(diǎn)，使升降油缸受力最小，對升降油缸安裝驅(qū)動(dòng)以便實(shí)現(xiàn)升降作業(yè)。在驅(qū)動(dòng)上添加測量力的函數(shù)F=MOTION(MOTION_1，0，1，0)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以升降油缸的安裝點(diǎn)C、D作為約束條件。定義的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

對x、y的變量取值范圍設(shè)置4個(gè)默認(rèn)水平得到4個(gè)分段點(diǎn)，然后進(jìn)行16次DOE試驗(yàn)優(yōu)化分析，最終得到力隨試驗(yàn)次數(shù)的變化曲線如圖5所示，分段點(diǎn)的取值如表2所示。由圖5找出最佳安裝位置為(0.54,1.3)，在此位置安裝后測得力與時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

表2 分段點(diǎn)的取值

圖5 受力與試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系

圖6中，實(shí)線為優(yōu)化前受力曲線，虛線為優(yōu)化后的受力曲線。優(yōu)化前最大受力為10 556N，優(yōu)化后最大受力為7 932N，大大減小了升降油缸的承載能力，為進(jìn)一步篩選油缸提供了理論支撐。

圖6 升降油缸受力曲線

2.3 虛擬樣機(jī)的調(diào)平與優(yōu)化

調(diào)平關(guān)系到升降平臺(tái)的作業(yè)質(zhì)量，因此在ADAMS中不斷調(diào)整隨動(dòng)油缸和調(diào)平油缸的安裝位置，使得作業(yè)平臺(tái)盡量保持水平是實(shí)現(xiàn)工作穩(wěn)定的重要保證。設(shè)偏移角為作業(yè)平臺(tái)與x軸正方向的夾角，在作業(yè)平臺(tái)的水平面添加第3個(gè)marker點(diǎn)marker_3，添加測量偏移角函數(shù)YAW(marker_3)，以便檢測偏移角隨時(shí)間的偏移量。以隨動(dòng)油缸和調(diào)平油缸的安裝點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量，以偏移角函數(shù)YAW(marker_3)作為目標(biāo)函數(shù)，以橫臂為水平位置作為初始位置，在初始位置先調(diào)平作業(yè)平臺(tái)。對變量取值范圍設(shè)置3個(gè)默認(rèn)水平得到3個(gè)分段點(diǎn)，然后進(jìn)行9次DOE試驗(yàn)優(yōu)化分析，最終得到了偏移角隨試驗(yàn)次數(shù)的變化曲線，如圖7所示。

圖7 偏移角與試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)9次實(shí)驗(yàn)的最大值，得到測試函數(shù)YAW(marker_3)的最大值曲線如圖8所示。

圖8 測試函數(shù)YAW(marker_3)的最大值曲線

由圖8可得偏移角最小值為3.8°，偏移角偏大不符合丘陵果園作業(yè)安全要求?，F(xiàn)調(diào)整方案，以作業(yè)平臺(tái)運(yùn)行最低位置作為初始位置，在初始位置調(diào)平作業(yè)平臺(tái)，重新優(yōu)化，得到偏移角隨試驗(yàn)次數(shù)的變化曲線，如圖9所示。

統(tǒng)計(jì)9次實(shí)驗(yàn)的最大值，得到測試函數(shù)YAW(marker_3)的最大值曲線如圖10所示。由圖10可知：偏移角最小值為0.71°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3°，作業(yè)平臺(tái)運(yùn)行過程基本保持水平，符合安全要求。因此，通過此次優(yōu)化設(shè)計(jì)，整機(jī)調(diào)平能力可比原設(shè)計(jì)提高約18%。同時(shí)，根據(jù)此次優(yōu)化后的參數(shù)改進(jìn)作業(yè)平臺(tái)，果園試驗(yàn)表明其調(diào)平能力顯著提高，在實(shí)際上驗(yàn)證了理論的正確性。

圖9 偏移角與試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系

圖10 測試函數(shù)YAW(marker_3)的最大值曲線

3 AMESim建模仿真及結(jié)果分析

3.1 AMESim簡介

AMESim作為一種非常優(yōu)秀的仿真軟件，為流體、機(jī)械、控制及電磁等工程系統(tǒng)提供了一個(gè)較為完善的綜合仿真環(huán)境和解決方案。AMESim用于建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)建模，并依次進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，也可以在該平臺(tái)上研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能[9-11]。本文著重運(yùn)用AMESim對果園升降平臺(tái)的液壓驅(qū)動(dòng)進(jìn)行建模仿真與動(dòng)載分析。

3.2 在AMESim中建立液壓系統(tǒng)模型

丘陵山地果園升降平臺(tái)的液壓系統(tǒng)建模時(shí)忽略了部分元件的影響，對于其液壓原理圖及相應(yīng)的外部構(gòu)件，在草圖模式下應(yīng)用AMESim標(biāo)準(zhǔn)庫建立的模型如圖11所示。

使用首先子模型后，進(jìn)入?yún)?shù)模式按表3進(jìn)行主要元件的參數(shù)設(shè)置;最后進(jìn)入運(yùn)行模式，設(shè)置仿真時(shí)間2s，時(shí)間精度0.01s，得到物體初始仿真結(jié)果。

圖11 AMESim仿真模型

名稱單位主要參數(shù)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r/min1500泵轉(zhuǎn)速r/min2000泵流量mL/r6．4升降油缸缸徑mm63升降油缸桿徑mm35升降油缸最大行程mm630調(diào)平油缸缸徑mm40調(diào)平油缸桿徑mm25調(diào)平油缸最大行程mm480

3.3 調(diào)平液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模與仿真

升降平臺(tái)調(diào)平機(jī)構(gòu)原理如圖12所示。其中，A、B點(diǎn)是隨動(dòng)油缸的連接點(diǎn)，A′、B′點(diǎn)是調(diào)平油缸的連接點(diǎn)，在△AOB和△A′O′B′中，OA、OB和O′A′、O′B′邊固定不變，并且在安裝過程中保持OA=O′A′，OB=O′B′，AB邊為隨動(dòng)油缸，A′B′邊為調(diào)平油缸。調(diào)平油缸的工作腔與隨動(dòng)油缸的工作腔相連，回油腔與回油腔相連，兩者組成一個(gè)封閉系統(tǒng)，保持油缸伸長量相同。根據(jù)液壓油體積不變的原理得

(1)

為使結(jié)構(gòu)簡單，取D1=D2，則

ΔS1+ΔS2=0

(2)

其中，D1為調(diào)平油缸缸徑(m)；D2為隨動(dòng)油缸缸徑(m)；△S1和△S2為油缸長度改變量(m)。所以，ΔS1=-ΔS2。由此可得，兩油缸運(yùn)動(dòng)保持同步，方向相反。

按照此原理設(shè)計(jì)液壓信號(hào)，結(jié)果如圖13所示。

圖12 調(diào)平機(jī)構(gòu)模型

圖13 油缸位移曲線圖

由圖13可知：隨動(dòng)油缸伸長量與調(diào)平油缸的伸長量基本一致，在調(diào)平過程中雖有偏差，但符合ADAMS中調(diào)平誤差在3°以內(nèi)的要求。由此證明了建立的自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)模型圖正確性及該系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)論

1)利用ADAMS軟件建立力丘陵山區(qū)果園作業(yè)升降平臺(tái)的參數(shù)化模型。

2)合理確定了設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件，在此基礎(chǔ)上利用ADAMS優(yōu)化工具對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，得到了最優(yōu)工作參數(shù)值組合。優(yōu)化后的升降油缸受力減小約24%，并通過實(shí)際驗(yàn)證。結(jié)果表明：作業(yè)平臺(tái)調(diào)平能力得到顯著提高，為進(jìn)一步改進(jìn)作業(yè)平臺(tái)提供了理論支持。

3)運(yùn)用AMESim軟件建立了果園升降平臺(tái)液壓系統(tǒng)，分析了調(diào)平系統(tǒng)的誤差所在，為進(jìn)一步研究果園升降平臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)提供了理論支持。

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Simulation Analysis of Lifting Platform for Orchards Based on Virtual Prototype

Wang Yongzhen , Fan Guiju , Jiang Honghua , Zhang Xiaohui

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai'an 271018, China)

After half a century of development, Orchard lifting platform has high level in automation. However, the platform leveling system is still a major problem in sloping fields. In order to improve operating performance , lifting platform model is established in the Pro/E. Then three-dimensional model is imported into ADAMS and added constraints and driving. The virtual prototype is used to test the force of the lift cylinder and optimizes the position of the lift cylinder, analyzes angle changes of platform movement. Hydraulic system is simulated by using the AMESim, analyzing the feasibility of automatic leveling system. The results provide theoretical support for orchards lifting platforms.

orchards; lifting platform；virtual prototype； dynamics simulation； ADAMS； AMESim

2016-01-18

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD20B10-2-4)；農(nóng)業(yè)發(fā)展研究院智能化農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)項(xiàng)目(24124)

王永振(1992-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，(E-mail)yongzhen560@163.com。

張曉輝(1961-)，男，山東東阿人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)Zhangxh@sdau.edu.cn。

S233.74

A

1003-188X(2017)02-0032-05