（机械设计及理论专业论文）株间机械除草装置设计仿真及基于labview控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前国内利用化学方法除草比较广泛，化学除草虽可控制草害，但是会引发 诸如生物灭绝、杂草群落变迁、杂草抗药性增强、环境污染及药剂残留等问题。 目前非化学除草主要以机械除草为主，机械除草作为保护性耕作的关键技术越来 越重要。 机械除草分为行间除草和株间除草，本文以实现利用机械装置除去株问杂草 为目的，设计了一种八爪式机械株间除草装置，并利用p r o e 和a d a m s 对除草装 置进行了虚拟样机设计和运动学仿真，得出在不同速比下的除草铲齿运动轨迹， 通过计算得到工作部件除草铲齿与土壤接触部分的面积，并对每个铲齿的覆盖区 域以及相邻铲齿覆盖的重合区域进行分析，确定了合理的速比入= o 7 5 4 ，优化 了装置的结构和运动参数。证明八爪株间除草装置可以满足株间距在1 3 0 m m 以 上，行间距在2 6 0 m m 以上的作物的株间除草的要求。 本文针对八爪株间除草装置和s 型株间除草装置的除草方式的不同，分析了 八爪机械除草装置和s 型除草装置的控制策略和路径规划问题，并基于l a b v i e w 软件完成了两种株间除草装置的控制程序的编写。 通过两种不同的实验方案验证两种不同的株间除草装置的控制系统。检验控 制策略和路径规划的合理性。对两种株间除草装置的实验结果提出了不同评价指 标。通过对八爪除草装置实验数据的分析，得到八爪机械除草装置在控制系统的 作用下能够基本满足除草和绕苗的要求，使平均株距在0 3 m 以上的作物的伤苗率 控制在1 0 以内，株间问隙覆盖率达到5 0 以上。影响除草装置除草效果的因素 有界面显示的位移与实际l j 进位移存在误差；电磁吸合装置的吸合时间的滞后 性，存在一定的响应延迟；在重复实验中八爪开始旋转时的各个铲齿的初始位置 有差异。 通过对s 型除草装置的实验分析，证明其控制系统能够完全除去以作物为中 心边长为l o o n 的正方形面积以外的杂草，且使其伤苗率控制在5 以内。其除草 效率与作物密度和杂草密度有关，随着杂草密度和作物密度的增加效率会降低。 关键词：杂草，除草装置，虚拟设计，仿真，l a b v i e w ，控制系统 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n tc h e m i c a lw e e d i n gi sw i d e l yu s e di nd o m e s t i c a l t h o u g hc h e m i c a l w e e d i n gc 柚c o n t r o lt h ew e e d s ，a tt h es a m et i m ei tw i l lc a u s es o m ep r o b l e m ss u c ha s b i o l o g ye x t i n c t i o n ，w e e dc o m m u n i t yc h a n g e s ，i n c r e a s e d w e e d r e s i s t a n c e ， e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，d r u gr e s i d u e s t h en o n - c h e m i c a lw e e dc o n t r o lm a i n l yb y m e c h a n i c a lw e e d i n ga t p r e s e n t ，m e c h a n i c a lw e e d i n gb e c a m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n ta sak e yt e c h n o l o g y o fc o n s e r v a t i o nt i l l a g e m e c h a n i c a lw e e d i n gi sd i v i d e di n t oi n t e r - r o ww e e d i n ga n di n t r a - r o ww e e d i n g t h i sp a p e rs t u d yt h ed e s i g na n dc o n t r o ls y s t e mo fm e c h a n i c a li n t r a - r o ww e e d i n g d e v i c eb a s e do nm u l t i f u n c t i o nw e e d i n gt e s tb e n c h ak i n do fi n t r a - r o wm a c h i n e w e e d i n gd e v i c ew a sd e s i g n e d t h ed e v i c ew a so n ep a r to fi n t e l l i g e n tw e e d i n g m a c h i n e i th a se i g h th o e sa n de a c ho ft h e mc o u l dt u r ni no rt u mo u to fi n t r a - r o wa r e a b y t h e i n t e l l i g e n t c o n t r o l s y s t e m t oe l i m i n a t e t h ei n t r a - r o ww e e d s a t h r e e - - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cm o d e lo fi n t r a - r o ww e e d i n gd e v i c ew a sb u i l tu pb y p r o e ，a n di tw a si n p u tt oa d a m s t h et r a c ko fe a c hh o ew a sr e c e i v e db yk i n e m a t i c s s i m u l a t i o no ft h ed e v i c eb a s e do na d a m s b y a n a l y z i n go f t h et r a c k s ，t h ea r e aw h i c h w a sc o v e r e db ye a c hh o ea n dt h es u p e r p o s i t i o no fa d j a c e n th o ew e r ef i g u r eo u t b a s e d o na n a l y s i sr e s u l t s ，t h eb e t t e rs p e e dr a t i oo fr o t a t i o na n df o r w a r dw a so b t a i n e d ( 姑0 7 5 4 ) s i m u l a t i o np r o v e d t h a tt h ed e v i c ec a ns a t i s f yt h en e e do fi n t r a - r o w w e e d i n gw h i l em i n i m u mp l a n ts p a c i n go fi n t r a - r o wa n di n t e r - r o wr e s p e c t i v e l yw e r e 1 3 0 m ma n d2 6 0 r a m d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g ya n dp a t hp l a n n i n gw e r ec o n f i r m e db ya n a l y z i n go ft h e d i f f e r e n tw a yo fw e e d i n go ft w ow e e d i n gd e v i c e s t h ec o n t r o ls y s t e mo ft w od e v i c e s w a sa c h i e v e db a s e do nh b v ws o f t w a r e i no r d e rt ot e s to ft h ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n dp a t hp l a n n i n go ft w ow e e d i n g d e v i c e sc o n t r o lp r o g r a m t w od i f f e r e n te x p e r i m e n t a ld e s i g no p t i o n sa n dd i f f e r e n t e v a l u a t i o nw e r er a i s e d b ya n a l y z i n go ft h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fe i g h t h o ew e e d i n g d e v i c ep r o v et h a ti tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fw e e d i n ga n da v o i d i n gt oi n j u r e 江苏大学硕士学位论文 c r o p s t h em e c h a n i c a lw e e d i n gd e v i c ec o n t r o l l e db yt h ec o n t r o ls y s t e mc a na c h i e v e t h ei n j u r yr a t eo fc r o p sw i t h i n1 0 a n dt h ec o v e r a g er a t eo fp l a n ts p a c i n gm o r et h a n 5 0 w h i l et h ep l a n ts p a c i n gm o r et h a n0 3 m t h ef a c t o r sa f f e c tt h er e s u l to fw e e d i n g i n c l u d et h ee r r o rb e t w e e ns y s t e mf e e d b a c kd i s p l a c e m e n ta n da c t u a ld i s p l a c e m e n t ，t h e r e s p o n s ed e l a yo fe l e c t r o - m a g n e ta n dt h ed i f f e r e n c ei n i t i a lp o s i t i o no fe a c hh o ew h i l e r e p e a t i n gt h ee x p e r i m e n t b ya n a l y z i n go ft h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fs - w e e d i n gd e v i c ep r o v et h a ti tc a n r e m o v et h ew e e d sc o m p l e t e l ye x c e p tt h ew e e d si nt h es q u a r ea r e aw h i c ht h ec e n t e ri s c r o p sa n dl e n g t ho fs q u a r ei s1 0 c m i tc a nk e 印t h ei n j u r yr a t eo fc r o p sw i t h i n5 t h e w e e d i n ge f f i c i e n c yi sr e l a t e dt oc r o pd e n s i t ya n dw e e dd e n s i t y , i tw i l lb er e d u c e d w h i l et h ew e e dd e n s i t ya n dc r o pd e n s i t yi n c r e a s i n g k e yw o r d s ： w e e d ，w e e d i n gd e v i c e ，v i r t u a ld e s i g n ，s i m u l a t i o n ，l a b v i e w c o n t r o ls y s t e m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：歹灸酮彳 p t 黟年毛舄1 7 日 指导教师签名： 降张么二一 刀口年月易日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：从聊彳 日期：夕p 产年石月77 日 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 我国是一个农业大国，根据2 0 0 6 年底公布的信息，我国耕地面积1 2 5 亿公 顷，世界排名第4 ，仅次于美国、俄罗斯和印度，但是人均耕地面积为o 1 公顷， 是世界水平的4 0 ，因此如何利用有限的耕地来满足占世界五分之一的人口，方 法只有提高土地单位面积的粮食产量。杂草和病虫害是阻碍提高粮食产量和质量 的两个重要因素【1 1 。 农田杂草是农业生态系统中的一个组成部分，它直接或间接影响着农业生 产。农田杂草与作物间进行着剧烈的竞争，例如争光、养分和水分。特别是旱区 杂草根部深扎土中，对水分的吸收常大于作物。农田杂草丛生会导致作物产量和 品质下降，据联合国粮农组织( f a o ) 报导，世界粮食作物遭受病、虫、草等危 害，收获前产量平均损失3 0 - 3 5 。其中，因杂草损失1 0 左右，损失粮食2 9 亿吨。我国因杂草每年损失粮食就有上百亿公斤【2 】。 传统的杂草控制方法就是靠人工除草或者采用化学药剂来灭草。这些方法的 缺点如下【3 】： 1 劳动强度大、耗时费力、作业效率低，把劳动者束缚在土地上，使他们从 事其它生产活动的时间大大减少。 2 化学药剂往往因为土壤旱、涝或作业后下雨而达不到预期的防治效果，从 而造成经济上的损失。 3 化学除草剂的残留毒性给作物和土壤造成一定的化学污染、环境污染，影 响农业可持续性发展。 近年来，大量施用化肥与农药导致生态环境的恶性连锁反应，各种灾害频发， 因此利用化学的方法来控制杂草是一种不可持续的耕作方式。随着田间化学除草 剂的广泛应用，杂草的抗药性增强，加之少耕、免耕等保护性耕作方式的应用， 草相也发生了变化，因此需要配合机械除草，来达到最佳的除草效果，同时把对 环境的污染降到最低的程度。另一方面随着人们环保意识的增强和对绿色食品概 念的认识，化学除草对环境和人体的危害越来越不被人们接受。因此为降低杂草 江苏大学硕士学位论文 危害，减轻环境污染，解放农业劳动力，实现杂草控制的机械化、自动化与智能 化已成为一个很迫切的课题【4 1 。 1 2 国内外研究现状 目前国外除草技术主要分为化学除草和非化学除草。化学除草虽可控制草 害，但是会引发诸如生物灭绝、杂草群落变迁、杂草抗药性增强且抗药谱扩大、 环境污染及药剂残留等问题。 作为保护性耕作的关键技术，国外从2 0 世纪5 0 年代就开始了对机械除草技 术的研究。经过多年的研究改进，目前已经形成了一整套成熟的保护性耕作农机 具。这些机具经过多年的生产运用，能较好地满足作业要求【5 叫。 美国伊利诺依大学农业与生物工程系研究了应用机器视觉系统采集和计算 杂草分布特性，进行施用量决策并控制喷头工作的智能喷雾机。该系统能在3 7 米到0 4 3 米范围内分辨出作物、杂草和土壤，并在0 2 4 秒内做出喷雾决策。这 样喷雾机能以1 4 千米小时的速度行进，目标分辨准确率为9 1 f 埘。 澳大利亚科研人员研发出一种智能化农田施药机械，它在田间移动时，能借 助专门的电子传感器来区分庄稼和杂草，一旦发现杂草便喷洒除草剂。这种只针 对杂草的喷洒方式使除草剂的花费只有常规喷洒的1 1 0 ，甚至更低，不仅节约 了生产成本，还减少了对环境的污染。 丹麦科学家研制出一种可用于农田除草的机器人【1 1 】。这种机器人有4 只轮 子，由电池驱动，使用一台照相机来完成地面扫描。利用携带着的识别软件，使 用1 5 种不同的参数，来描述杂草的大小和对称性等外部特征，最终通过g p s ( 全 球定位系统) 来给杂草定位。在甜菜田里进行的试验结果表明，机器人能发现并 有选择地消除杂草，可使除草剂用量减少7 0 。这种机器人仅利用几滴除草剂可 “杀死 有害植物。 1 9 9 8 年瑞典农业科学大学f f o g e l b e r g 等设计了一种通过利用旋转的毛刷 除去株间杂草的装置f 1 2 1 。毛刷是连接到旋转的轴上，通过毛刷的旋转来除去杂 草，由于毛刷是尼龙做的，因此这种装置的除草效果很大程度上受限于土壤的类 型。 2 0 0 6 年英国的格连菲尔德大学( c r a n f i e l du n i v e r s i t y ) r j g o d w i n 等设 2 江苏大学硕士学位论文 计了一种扇形的株间除草机械，动力通过旋转轴连接到平行于地面的扇形结构的 中心，使扇形铲齿旋转，当遇到作物时扇形的缺口部分对准作物，达到让开作物 的目的【1 如1 4 1 。 2 0 0 6 年丹麦哥本哈根大学h w g r ie p e n t r o g 利用g p s 导航车辆挂接除草 机械除去株间杂草，车辆速度是0 2 m s 、平均株距为0 2 m 的时候，铲齿对株间 覆盖面积是株间面积的4 1 ，速度增大到0 4 m s 铲齿对株间区域的覆盖面积降 为3 3 左右【1 5 】。 2 0 0 7 年德国波恩大学z g o b o r 等设计了一种株间除草机械的模型，这种机 械通过把旋转锄连接到电机上，通过判断锄与作物的位置，来控制电机旋转的角 度和速度，从而避开作物【垌。 我国自2 0 世纪6 0 年代开始研究行间除草机械【1 7 1 9 1 ，7 0 年代机械行间除草 获得很大程度的发展。其工作部件有旋转锄式、弹齿式、垂直圆盘式、水平圆盘 式、锥形圆盘式、链齿式、轻耙式等多种形式。其中，垂直双圆盘除草部件因具 有结构合理和除草效果好等优点，应用较广。如s h m 型垂直双圆盘行间除草机， 可安装于龙江1 号播种中耕机和联合播种机等机架上进行中耕除草等作业。 黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的3 z s 一2 型中耕除草机是以g t x 一2 ( 3 ) 型小型通用耕作机机架为主框架1 2 0 1 。为了提高机具的除草率，行间除草采用垂 直双圆盘除草部件，垄帮和垄沟分别选用单翼铲和双翼铲除草部件，从而保证了 全面除草和松土。 东北农业大学工程学院研制的x q 一7 型驱动式中耕除草复式作业机，设置了 3 种工作部件，即除草轮、旋耕部件和喷药装置，通过配置除草轮来完成除草作 业【2 1 1 。 目前，国内的除草机大都为中耕除草机，工作部件多为单翼铲或者双翼铲， 也有圆盘式的除草机。但是现有机械都是针对行间杂草设计的，对于株间杂草还 是停留在人工作业或者喷施除草剂的阶段。但是人工作业和化学作业存在人力浪 费和作物药物残留的弊端，所以这两种除草方式越来越不被接受。因此设计一种 株间除草机械具有现实意义【么剀。 3 江苏大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 目前国内外在除草方面比较成熟的机械主要是针对行间杂草，针对株间杂草 的消除，还缺乏研究。本文以多功能除草实验台和l a b v i e w 为控制程序，主要研 究株间除草装置的设计和控制。 主要研究内容： ( 1 ) 八爪式株间除草装置设计，利用p r o e 软件设计八爪式株间机械除草 装置三维模型，建立了虚拟装置模型。 ( 2 ) 基于a d a m s 软件对八爪除草装置的虚拟模型进行运动学仿真研究，验 证的八爪株间除草装置的可行性。并对除草装置的运动参数进行分析，为八爪除 草装置的控制提供依据。 ( 3 ) 基于l a b v i e w 建立八爪株间除草装置和s 型除草装置运动控制系统， 确定两种除草装置的控制策略和路径规划。基于l a b v i e w 软件完成对两种除草装 置的控制程序的编写，实现铲齿运动自动控制。 ( 4 ) 株间机械除草装置的实验研究，通过实验验证两种除草装置的控制程 序的正确性与合理性，并对其除草效果进行评价。依据实验结果分析控制程序存 在的问题，对株间除草装置的自动控制系统和八爪除草装置的结构提供改进的建 议。 1 4 本章小结 介绍了目前我国田问杂草的状况和除草方式，说明了机械除草的优点。通过 对国内外除草机械的分析，得出目前国内外在机械除草方面的差距，特别是在株 间除草机械方面我国目前没有成熟的株间除草机械，提出了本文的主要研究内 容。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章八爪式株间除草装置的设计 基于p r o e 技术设计了一种八爪式机械株间除草装置，并建立除草装置的虚 拟模型。 2 1 基于p r o e 的三维参数化建模 2 1 1 特征建模的基本思想 特征技术是机械设计与制造技术向现代化和集成化过程中发展起来的一项 关键技术，是现代设计方法的主要研究方向。特征技术的主要研究内容是特征定 义与分类、特征识别、特征建模、特征表达、特征验证、特征映射和特征数据库 模型等【2 5 瑚。在这里，特征的概念是广义的，它不仅指面向零件的几何形状及 相关的形状特征，还指面向精度、材料性质、工程分析要求等非几何属性的其他 特征。通过查阅大量的文献，认为特征可以分为以下七大类【2 7 例： 1 标准特征，即在三维模型中已经定义好的基础特征，如孔、杆件、壳、 槽、加强筋等； 2 生成特征，即三维模型中的拉伸、旋转、扫描、拼合等功能将一个截面 沿特定轨迹线扫描或过渡后形成的各种复杂的特征； 3 编辑特征，即指圆倒角或者直倒角之类的辅助特征； 4 基准特征，即指辅助其他特征生成的基准点、线、面、坐标系统等特征； 5 材料特征，即指材料的类型、密度、强度等特征； 6 装配特征，即装配体中的各个零件的相互位置关系； 7 工程分析特征，即有关工程分析方面的特征，如质量和重心位置计算、 有限元分析中的梁单元和壳单元的特征。 特征识别是指从产品的设计样图所含的大量信息中分离出特征信息i 刈，并 将它们分为以上几类特征类别，同时分离出特征之间的相互关系；特征建模是指 运用一定的规则将不同类别的特征进行特征操作和特征运算，生成易于理解的实 体模型：特征表达是指在零件中如何将各种几何特征信息、非几何特征信息以及 它们间的相互关系在实体模型的数据库模型或结构树中体现出来；特征验证指检 5 江苏大学硕士学位论文 验特征建模和特征表达的有效性、正确性；特征映射指特征的表达空间向另一空 间的转换，如从产品的设计特征表达空间向其他应用系统( 如有限元分析、装配 规划、动力学分析等) 的特定特征空间的转换，即特征表达的外部延伸；特征数 据库模型指以一定的关系模式对各种特征进行合理地规划和整理，形成类数据库 的关系结构。 因此，特征技术的基本思想就是对产品模型所包含的特征信息进行归纳综 合，运用特征技术自身支持的特征操作、特征运算生成能够表达必要的几何特征 要素、非几何特征要素的实体模型以及与实体模型相对应的特征数据库模型，实 体模型还支持与其他特征表达空间的信息转换。 基于特征的建模技术是建模技术发展的新方向，它集成特征识别、特征建模、 特征表达、特征映射、特征数据库模型的基本思想。这种建模技术灵活运用特征 模式完整地表达零件和产品中的各重要信息，使得零件和产品成为各重要信息的 载体，实现了与外部模型进行信息和数据交换的可能性。 2 1 2 基于特征的三维参数化建模技术 基于特征的三维参数化建模是一种新型、快速的建模方法。顾名思义，这项 建模技术是在特征技术的理论基础上发展起来的特征参数化的建模方法【3 1 1 。这 里的特征不是指所有的特征，而是零件模型的几何约束关系，可由一系列参数化 的数值表示。通过参数化的几何约束关系影响模型的形状特征，从而设计出一套 形状和功能相似的设计方案，这种参数化建模的基本思想被p r o e 软件充分吸收 和消化，促进了参数化设计技术的迅猛发展。 参数化建模的出发点是，通过说明零件的几何组成要素之间的几何特征及其 相互位置关系，定义一类形状和结构相似的几何实体，该类实体模型由一组特定 的几何约束关系确定。因此，参数化实体模型是包含几何约束关系的几何模型有 机组成。几何约束关系通过尺寸对几何模型中与几何形状相关的控制要素加以约 束，构成对几何形状唯一、完整的表示。在修改和重建几何形状时，可通过几何 约束建立尺寸与几何定义变量之间的约束方程组，求解约束方程组以实现尺寸变 化到几何模型改变的数据传递。 三维参数化建模过程是： 6 江苏大学硕士学位论文 1 二维形状到三维特征体素，即先画出二维草图，然后定义尺寸几何约束 关系，通过扫描、拉伸、拼合等方式形成参数化的三维特征体素。 2 三维特征体素在一定的尺寸和连接关系下进行布尔运算，形成单一的三 维形状特征即零件模型。 3 单一的三维形状特征依据装配特征组合形成复杂的三维形状特征群，即 装配体模型。 三维形状特征之间的约束关系分为定位约束和定形约束两大类。其中，定位 约束通过定位尺寸定义三维特征体素和三维形状特征之间的结构关系；定形约束 通过定形尺寸直接作用在二维草图和三维特征体素上，决定三维几何形状特征。 常见的定形约束和定位约束如表2 1 所示。在p r o e 软件中，对每一种约束都有 非常方便的操作界面，用户只需输入必要的参数和选项就可以建立几何约束模型 1 3 2 1 。 表2 1 约束种类 2 2 八爪式株间除草装置的结构设计 2 2 1八爪除草装置的设计原理 八爪除草装置属于株间除草装置的一种，此装置主要包括外壳、除草铲齿、 主轴转盘、以及用于控制除草铲齿转入和转出的传动机构。外壳固定于台车上， 电机带动主轴转盘转动。其设计原理是台车在带动除草装置前进的同时，八个除 7 江苏大学硕士学位论文 草铲齿在转盘的带动下围绕动力输入轴旋转，并且每个铲齿都能够以铲齿转轴为 中心自转。设计一种机构使铲齿与作物符合一定关系时能够控制铲齿转入株间进 行除草，当不符合一定关系时铲齿不转入株间达到避让作物的目的。八爪株间除 草装置的工作原理如图2 1 所示。 状态1 状态2 动力输入轴 t 图2 1 八爪株间除草装置工作工作原理示意图 2 2 2 八爪除草装置设计 转盘 外壳 八爪除草装置的设计原理是利用八个除草铲齿的特殊运动轨迹，实现株间除 草的目的。八爪除草装置的结构决定了八个除草铲齿的运动规律。因此如何实现 八个除草铲齿的合理的运动轨迹，取决于除草装置内部结构设计的合理性。 本文针对八爪除草装置的工作原理对内部结构进行了研究。提出利用轨道变 换来改变除草铲齿的状态，其结构示意图如图2 2 。示意图中只画出了一个除草 铲齿。此结构主要由外壳、轨道变换滑块系、主轴转盘系、八套除草铲齿轴系组 成。除草装置主要利用轨道变换滑块来实现除草铲齿转轴的上下移动，在除草铲 齿转轴上下移动的同时，利用带有螺旋轨道的套筒来实现除草铲齿转轴的转动， 从而最终决定铲齿在作物株间间隙内的转入或转出，从而实现株间除草和避让农 作物的目的。轨道变换滑块的上下运动通过固定在外壳上的电磁吸合装置控制。 8 江苏大学硕士学位论文 蠲 5 n = 一 幽2 2 株问除草装置的结构示意图 1 主轴2 t 型套筒3 除草铲齿转轴4 螺旋套管5 铲齿6 主轴转盘 7 轨道8 下侧轨道9 上侧轨道1 n 轨道变换滑块1 1 外壳1 2 电磁铁 株问除草装置的外壳固定在除草机械的台车上，轨道固定在外壳上，只有轨 道变化滑块可以上下移动来改变上下轨道是否连接。通过主轴输入转矩带动转盘 转动，螺旋套管固定于转盘上从而使套管内的除草铲齿转轴在套管的作用下绕主 轴轴心转动。t 型套管的一端在除草铲齿转轴与挡块的作用下在轨道内滑动。利 用电磁铁来控制轨道变换滑块的上下移动，从而控制上下轨道是否连通，确定t 型套管的转动轨道。 如果滑块连通上下轨道，t 型套管的一端进入下侧轨道转动，除草铲齿转轴 向下移动同时在螺旋套管的作用下产生白转，使铲齿转出，进入株问除草。转盘 转过一定角度后t 型套管的一端自动回到上侧轨道。除草铲齿转轴上移同时产生 自转，转入内侧结束株间除草。 装置在工作过程中铲齿分为两个状态状态1 和状态2 如图2 1 所示。铲齿 转出时为状态1 ，铲齿转入时为状态2 。如果控制系统检测到转出( 状态1 ) 的 铲齿会伤到农作物，轨道变换滑块会保持上侧轨道的连通，使铲齿始终保持转入 ( 状态2 ) 的位置，达到避让作物的目的。 通过分析此机构解决了前两种设计方案中所出现的卡死以及加工精度过高 的问题，降低了制造的经济性，增加了耐用性。 江苏大学硕士学位论文 23 八爪除草装置的建模与装配 p r o e 软件从参数化建模的目的出发成功地应用特征技术。在该软件中，特 征是一定尺寸和相对位置关系，一定形状和位置精度的几何元素的功能性组合。 利用p r o e 建立八爪株问除草装置的三维模型，就是通过浚建模软件的各种操作 命令将这些特征集中到三维实体中去，同时还可以通过改变表达形状特征和位置 关系特征的参数得到相似的零件模型。 八爪除草装置的关键部件主要包括除草铲齿轴系、主轴转盘系、轨道变换滑 块系，运用p r o e 软件的三维建模功能，对t 要部件进行二维建模。除草铲齿轴 系包括除草铲黹t 型套管、带螺旋轨道的套管、带定位销的转轴，定位销可以在 螺旋轨道内运动，此模型所设计的螺旋轨道的转角为1 0 0 。除草铲齿系如图23 所示。 幽2 3 除草铲黹系 l 萱f24 主轴转盘 主轴转盘系是除草装置的转矩输入部分，转矩通过动力输入轴带动转盘转 动，转盘上的t 型套管挡块固定在转盘上以保证t 型套管的一端始终在轨道内 带螺旋轨道的套管固定十转盘上。主轴转盘系如图24 所示 t 型套管的运行轨道包括两部分，一部分是固定于外壳上的轨道，另一部分 是可以上下滑动的轨道变换滑块。轨道变换滑块可以通过上下运动来改变轨道的 连接方式，t 型套管的一端可以在轨道变换滑块的作用下确定在上侧轨道运行或 者在下侧轨道运行。t 型套管的一端在轨道变换滑块的作用下进入下侧轨道运行 一段圆弧后。通过上侧轨道与下侧轨道的连接轨道回到卜侧轨道。因此t 型套管 在运行到轨道变换滑块时总是处在上侧轨道。轨道变换滑块如图25 所示，t 型 一瓣廿取琶一 誊一一 藤订u思 爨f适 攀叫心 螗 一 篇# 江苏大学硕士学位论文 套管运行轨道上下轨道连通部分如图26 所示 孛篓 上侧轨道 与下侧轨 道的链接 轨遒 图 t 型套管运行轨道变换槽块图z 6t 型套管运行轨道上f 连通部分 零件建模完成后，利用p r o e 软件的装配模块进行装配。p r o e 软件提供的 零件装配方式有放置和连接两种类型，放置类型包括匹配、对齐、插入、坐标系、 相切、线上的点、曲面上的点、曲面上的边以及自动等约束类型；连接类型包括 固定、销钉、滑块、圆柱、平面等方式。可根据除草装置的各个部件的实际装配 关系选择合适的放置位置，其装配图如图2 7 。 24 本章小结 图2 7 八爪除草装置虚拟模型示意图 本章首先介绍t ) k 爪株问除草装置的设计原理，根据设计原理提出t j k 爪株 间除草装置的设计方案，并且从理论上分析了该方案的可行性。利用p r o e 软件 对八爪式株间除草装置进行了虚拟建模，完成了其虚拟模型。 江苏大学硕士学位论文 第三章八爪式株间除草装置运动学仿真 3 1虚拟样机技术理论基础 3 1 1 虚拟样机定义及特点 随着世界经济和科学技术的飞速发展，世界市场的产品竞争变得同益激烈。 企业为了提高竞争力，必须缩短新产品研制和开发的周期，提高产品的设计质量， 降低产品的研发成本，这样才能满足市场不断变化的需求p 3 j 。虚拟样机技术就 是在这种迫切需要的驱动下产生的。 传统的设计模式通常要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量 生产几个步骤。由于这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺陷( 成本高、周 期长) ，往往使物理样机反复性试验不够充分，加上设计人员通常不愿为修改局 部而给整机带来不可预知的结果，这就使机械产品造型、结构和功能严重老化， 从而在市场上缺乏竞争能力。而虚拟样机就是通过构造一个数字化的样机来完成 物理样机的功能。它能根据实际运动系统建造仿真虚拟样机，在物理样机建造之 前分析出系统的工作性能，并能方便地改进和优化设计，节约时间和费用，实现 高质量、快速、低成本的设计嗍。 虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学 和控制理论为核心加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术， 将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新的研发机械产品的设 计方法【3 5 1 。它通过设计中的反馈信息不断的指导修改设计，保证产品寻优过程 的顺利进行。 虚拟样机的设计方法具有以下特点【3 6 】： 1 新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方 法存在很多弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，基于并行 工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析。比 较多种设计方案，确定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测 产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 2 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设 江苏大学硕士学位论文 计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型 ( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验( 成本和时间条件 不允许) ，从而无须制造及试验物理样机就可以获得最优方案，因此不但减少了 物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 3 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内广泛接受了动态联盟 ( v i r t u a lc o m p a n y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资 源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t ( 或i n t r a n e t ) 临时缔结成的 一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，参加企业之间产品信息的敏捷交流尤其 显得重要，而虚拟样机是一种数字化模型，。通过网络输送产品信息，具有传递快 速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 3 1 2a d a m s 软件介绍 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件，是由 美国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的最优秀的机械系统动态仿 真软件，是世界上最具权威性的、使用范围最广的机械系统动力学分析软件。 用户使用a d a m s 软件，可以自动生成包括机电液一体化在内的任意复杂系 统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、 详细设计到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精 度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品 质量及竞争力的目的 3 7 3 8 。 a d a m s 软件包括3 个最基本的解题程序模块【3 1 】：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) 。在3 个基本解题程序 模块中，a d a m s v i e w 提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机 分析的i j 处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入 与编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种 数据的输入和输出、同其他应用程序的接口等。 a d a m s s o l v e r 是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析的 准备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动地调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机 模型的静力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回 江苏大学硕士学位论文 a d a m s v i e w 操作界面【4 2 1 。因此，一般用户可以将a d a m s s o l v e r 的操作视为一个 “黑匣子，只需熟悉a d a m s v i e w 的操作，即可完成建模和整个分析过程。a d a m s 仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块a d a m s p o s t p r o c e s s o r 来完 成。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果， 也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结果曲线以外， a d a m s p o s t p r o c e s s o r 还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算；可以输 入实验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较；可以进行分析结果曲线图的 各种编辑。 3 2 八爪除草装置虚拟样机模型 虚拟样机的建模方法有很多，a d a m s 软件自身就可以进行三维实体模型的建 立，但由于a d a m s 建模技术尚不完善，在仿真过程中对于结构复杂的模型往往是 采用三维建模软件来完成建模的，本文利用p r o e 来建立八爪株间除草装置的三 维实体模型。 3 2 1 三维模型的转换 由于三维建模和运动副的添加是在不同的软件中进行的，所以首先完成 p r o e 与a d a m s 模型之间的转化，一般有两种方法来完成：第一种方法是将p r o e 中的三维模型另存为i g s 文件，然后在a d a m s 中调入i g s 文件完成模型的导入； 第二种方法是运用m e c h a n i s m p r o 接口模块来完成p r o e 与a d a m s 模型之间的转 化。本文选用动力学仿真软件a d a m s 和p r o e 的专用接口模块m e c h a n i s m p r o 来完成三维实体模型从p r o e 到a d a m s 的转换。m e c h a n is m p r o 是p r o e 与a d a m s 的一个无缝接口模块，它可以避免第一种方法在另存为i g s 文件时在模型转化过 程中出现的数据丢失问题【4 3 l 。 3 2 2 约束副的添加 首先用m e c h a n i s m p r o 接口模块对切削机构的三维实体模型进行刚体的生 成。对约束副的添加有两种方法：一是在m e c h a n i s m p r o 完成约束条件、驱动力、 工作载荷的添加；二是在m e c h a n i s m p r o 完成了切削机构的三维模型进行刚体的 1 4 江苏大学硕士学位论文 生成后，直接通过i n t e r f a c e 下的a d a m s v i e w 将八爪株间除草装置的三维模型 导入a d a m s 。 用a d a m s 完成约束、驱动力、工作载荷的添加。本文选用第二种方法来进行 约束副的添加，八爪株间除草装置虚拟样机的运动副及约束的添加如表3 1 所 示。 表3 1 八爪除草装置虚拟样机添加约束副 如图3 1 所示，在a d a m s 完成八爪除草装置运动副和约束副的添加。 江苏大学硕士学位论丈 创31 八m 株问除草装置虚拟样机约束副的添加 在a d a m s 中检验模型的正确性，如图3 2 所示a d a m s 的检验结果：模型中 包含3 2 个接触副，4 3 个移动体，3 个旋转副，1 6 圆柱副，2 5 个固定副，1 个旋 转驱动，1 个平移驱动；模型有3 2 个自由度；模型验证成功( m o d e lv e r i f i e d s u c c e s s f u l l y ) 。模型的检验结果与我们之前所加的信息是吻合的。模型验证的 成功为下面进一步对虚拟样机的运动学优化仿真提供了保证。 d fh i 3h ”自 i 1r i o 2 f h h h 0 图3 2 虚拟样机模型在a d a m s 中的检验结果 33 八爪株间除草装置的运动学仿真 验证八爪株间除草装置的设计是否合理主要取决于八爪除草装置铲齿运动 轨迹，因此运动学仿真主要针对的是八爪除草铲齿的轨迹的仿真，在虚拟样机中 添加一个转速输入量一个前进速度输入量得到八个除草铲齿的运动轨迹，进而 分析运动轨迹是否符合设汁要求。 江苏大学硕士学位论文 3 3 1 铲齿运动分析 利用模型特征参数建立铲齿质心的运动轨迹方程。由于八爪株间除草装置是 针对一行作物内株间的杂草消除设计的，因此并不需要分析八爪