（机械设计及理论专业论文）高密度压捆机动力行为的研究及其仿真.pdf

摘要 为进一步研究高密度压捆的压缩过程，在9 k g 一3 5 0 型液压式高密度压捆机上对 含水率约7 0 的新鲜曹蓿进行压缩试验，结合虚拟样机技术对苜蓿压缩动力行为及 运行方式进行了计算分析与动态仿真。通过对压缩力、压缩苜蓿草片位移及厚度等 试验数据的分析处理，将苜蓿压缩分为压缩、流变、反弹三个阶段，得出各个阶段 压缩力与草片变形量的关系，找出各阶段的仿真模型参数。利用虚拟样机技术构建 压掴机的p r o e 三维数字模型，借用p a r a s o l i d 格式，将压捆机的c a d 三维数字 模型导入a d a m s 。在a d a m s 环境下对插草机构和压缩过程的三阶段分别进行动 力行为仿真试验，得出了插草机构各杆件的最优化尺寸，并验证了压缩系统模型的 正确性。利用a d a m s c o n t r o l s & m a t l a b t s i m u l i n k 联合仿真技术，对压缩过程各 阶段苜蓿的刚度系数进行参数控制，实现了苜蓿压缩过程的动力行为仿真，得出了 压缩苜蓿功率消耗与压缩密度、刚度系数与压缩密度的关系。并对曹蓿的可压缩性 进行仿真试验，得出苜蓿压缩存在临界密度的结论，在临界密度前后，压缩苜蓿所 消耗的动力存在明显差异。 关键词：压捆机；苜蓿；压缩：动力行为；仿真 t h e s t u d y a n ds i m u l a t i o no fd y n a m i cb e h a v i o r o uh i g hd e n s i t yb a l e r a b s t r a c t f o ra d v a n c e ds t u d yo nt h eh i g hd e n s i t yc o m p r e s s i o n , f l e s ha l f a l f aw i t h7 0 m o i s t u r ei s c o m p r e s s e do nt h em o d e l9 k g - 3 5 0h i g hd e n s i t yh y d r a u l i cb a l e r t l 璩 d y n a m i cb e h a v i o ro fa l f a l f ad u r i n gc o m p r e s s i o np r o c e s si sa n a l y z e da n ds i m u l a t e dw i t h v i r t u a lp r o t o t y p i n g t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa b o u ts t r e s s ，d i s p l a c e m e n t a n dt h i c k n e s so f g r a s sp i e c e ，t h ec o m p r e s s i o np r o c e s si sd i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s d i r e c t c o m p r e s s i o n ，t h e o l o g ya n dr e b o u n d t h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e s sa n dd i s t o r t i o no fg r a s s p i e c ei sg a i n e d ，a n dt h es i m u l a t i o np a r a m e t e r so ft h et h r e ep h a s e sa r ef o u n d t h ed i g i t a l m o d e lo fh i g hd e n s i t yb a l ei sc o n s t r u c t e dw i t hp r o e ，w h i c hi si m p o r t e di n t oa d a m s b y p a r a s o l i d f o r m a tt h r o u g ha n a l y z i n ga n ds i m u l a t i n gt h ed y n a m i cb e h a v i o ro ff e e d i n g m e c h a n i s ma n dg r a s sp i e c ed u r i n gt h et h r e ep h a s e sw i t ha d a m s ，t h eo p t i m u ms i z e so f c o m p o n e n t si nf e e d i n gm e c h a n i s m a r eo b t a i n e da n dt h em o d e lf o rc o m p r e s s i o ni s c o n f i r m e d b yc o n t r o l l i n gt h e g i f f n e s sc o e f f i c i e n to ff l f a l f am o d e ld u r i n gt h r e e c o m p r e s s i o np h a s e s w i t ht h ec o n - s i m u l a t i o n t e c h n i q u eo fa d a m s c o n t r o l s & m a t l a b s i m u l i n k , t h es i m u l a t i o no fd y n a m i cb e h a v i o ri sp e r f o r m e da n dt h er c l m i o n b e t w e e np o w e rc o n s u m i n ga n dd e n s i t y , s t i f f n e s sc o e f f i c i e n ta n dd e n s k ya r ef o u n d t h e c o n c l u s i o n , t h e r ei sac r i t i c a ld e n s i t yi nt h ep r o c e s so fc o m p r e s s i o n , i sd r a w nf r o mt h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta b o u tc o m p r e s s i b i l i t yo fa l f a l f a t h ep o w e rc o n s u m i n gi s o b v i o u s l yd i f f e r e n tb e f o r ea n da f t e rt h ec r i t i c a ld e n s i t y k e yw o r d s ：b a l e r ；a l y a l f a ，c o m p r e s s i o n tp m 口m i cb e h a v i o r ss i m u l a t i o n d ir e c t e db y ：p r o f d ud i a n m i n a p p iic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：s uc h e n g y u n ( m c c h a m c a ld e m g na n d 皿e o r y ) ( c o l l e g eo f m e c h a m c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，i n n e rm o n g o h a a g r i c u l t u r a lu m v e x s a y , h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢蚵 地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名： 5 7 0 m ) a 。、b 。、a 2 、b z 一均为回归系数 1 3 压捆机研究现状 1 3 1 国内的研究状况 目前，国内的饲草压捆机方面的研究报道不多，只有国内饲草压捆机的生产或 改进方面的报道。在2 0 世纪7 0 年代以前，我国一直采用散长草收获工艺，直到2 0 世纪7 0 年代末期，我国开始从美国、法国和当时的西德等国引进捡拾压捆机。在 牧草收获中采用捡拾压捆工艺，与此同时开始自行研制我们自己的捡拾压捆机。在 上世纪8 0 年代初研制成功并在吉林、江苏和内蒙古等地投入生产和使用。后来随 着农村和牧区承包责任制的开始，由于个人占有的草原面积较小，加之个人的经济 能力有限，捡拾压捆的收获工艺逐渐退出使用。近几年，随着市场对高密度草捆和 农作物秸秆捆的需要量的增加，国内的一些科研院所和高校开始研制高密度的牧草 和秸秆压捆机，主要有机械式和液压式，并且有一些厂家( 沈阳、上海等) 已经在 生产这类压捆机蚴。但由于国内生产的压捆机大多数是采用测绘或类比的方法设计 的，所以在配套动力的确定、主要工作部件的结构参数、压缩频率和喂入量等工作 参数的确定中很少有真正的理论依据，例如国外压捆机的配套动力在1 8 2 5 k w 时， 压缩频率可达到8 0 l l o 次m i n ，而国内压捆机同样的配套动力压缩频率小于6 q 次m i n m ”。 1 3 2 国外的研究状况 1 8 7 0 年美国人迪得里克( d e d e r i c ) 研制出了人类历史上第一台机械式固定牧草 压捆机，这种牧草压捆机被进一步改进完善后，在欧美一些国家得到了广泛的应用 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 嘶“。到上世纪3 0 4 0 年代，田间捡拾压捆机被研制成功，第二次世界大战期间， 田间捡拾压捆机得到了迅速发展，到上世纪5 0 6 0 年代，田间捡拾压捆机在欧美 一些国家的牧草收获中得到普及，当时美国拥有捡拾压捆机约7 0 万台，有9 0 以 上的牧草采用捡拾压捆工艺；法国当时拥有捡拾压捆机约4 2 万台左右“1 。 从近年来的文献和相关的资料报道看，欧美等发达国家的牧草压捆设备的生产 技术更成熟，结构参数更合理。国际著名的农机生产商象美国的约翰迪尔 ( j o h n d e e r e ) 、意大利的纽荷兰( n e w h o l l a n d ) 公司、日本的久保田等公司的压捆 机都己成系列生产，这些设备无论在机械结构、动力配套、液压系统还是控制系统 的设计等方面都处理的很成功，一些新的设计理念、最新的科研成果的应用在这些 机械上都有体现。“1 。 特别在控制系统方面，单片机、可编程控制器( p l c ) 等自动控制手段都得到 了应用咖，使得大部分的国外压捆机的人机对话界面很友好，工作起来安全可靠， 这是我们在仿制进口机器常忽略的部分，也正是影响我国压捆机进步的主要因素。 1 4 主要研究任务 我国饲草压捆机起步较晚，与国外的先进水平相比还有相当大的差距。由于目 前大多数压捆机是采用测绘或类比的方法设计的，所以在配套动力的确定、主要工 作部件的结构参数、压缩频率和喂入量等工作参数的确定中很少有真正的理论依 据，因而不可避免的会造成配套动力不合理、压缩设备功率消耗大、生产能力低等 问题。本课题利用9 k g - 3 5 0 型液压式高密度压捆机为试验装置，以新鲜苜蓿为压缩 物料，针对压捆机的动力行为，对实际压捆过程中的压缩力、草片的厚度变化量等 数据进行采集，通过对数据的分析处理，从以下方面进行研究： 1 ) 通过直接压缩过程试验，获得新鲜苜蓿压缩力与压缩变形的数学模型，并 探索其仿真参数。 2 ) 基于a d a m s 软件，对压捆机插草机构进行参数化建模，并进行动态仿真。 3 ) 基于p r o e 建立压捆机的三维数字模型，完成压捆机数字模型向a d a m s 的转 化，并进行苜蓿压缩过程各阶段的动态仿真。 4 ) 利用a d a m s & s i m u l i n k 联合仿真技术对苜蓿压缩过程的动力行为进行参 数化控制仿真。 1 5 研究方法与技术路线 1 5 1 研究方法 在草物料压缩过程中动力学及流变学规律共存，使得无论压捆机的动力学研究 还是结构优化设计都较一般的机械复杂。单纯用试验的方法对其进行全面试验研究 6 高密度压捆机动力行为的研究及其仿真 劳动强度大、工作环境差、时间周期长、成本高，而且一些规律很难用试验揭示出 来。随着计算机技术的发展，仿真技术在现代设计领域得到了广泛的应用，它可以 弥补单纯试验研究的不足，进而更有效的探索问题的规律，所以本研究在试验研究 的基础上，通过对试验数据处理，得出苜蓿草片的特征参数，应用仿真技术，完成 压捆机的动力行为仿真及优化。 1 5 2 技术路线 1 ) 试验研究的准备 根据研究目的结合压缩工程的系统要求和草物料的流变特性进行试验设计。根 据所确定的试验研究方案，选择测试系统和相应的仪器设备，设计符合要求的传感 装置，对测试系统进行安装调试。 2 ) 数据采集 基于美国n i 公司图形化编程软件l a b v i e w7 1 平台进行程序设计，采用美国 n i 公司生产的基于p c i 总线的e 系列高性能多功能数据采集卡d a q c a r d a i - 1 6 e - 4 进行各信道数据同步适时采集。 3 ) 数据处理 利用m a t l a b 软件强大的数学处理功能对试验数据进行处理，分析压缩过程中 压捆机的有效动力变化规律以及动力对压缩系统的作用效果，得到仿真优化所需的 特征参数和初始条件。 4 ) 仿真优化 将在p r o e 三维实体建模软件中建立的压捆机虚拟模型和由m a t l a b 数据处理得 到的特征参数、初始条件转入a d a m s 动力仿真软件，利用a d a m s 动力仿真的优 势和s i m u l i n k 的控制功能对高密度压捆机的动力行为进行仿真，完成本课题拟定任 务，为压捆机的实际优化设计提供有效参数，技术路线框图l 所示。 图1高密度压捆机动力行为研究的技术路线框图 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 2 高密度压捆机动力行为试验及虚拟样机的实现 压捆机压缩苜蓿的动力行为是在压缩力的作用下，使松散草物料体积减小、密 度增加的成型过程，它直接与草物料的变形、草捆的密度、生产率、压捆机的动力 匹配等有直接的影响，因此苜蓿在压缩过程的动力行为试验应是动力行为仿真及压 捆机优化设计的基本依据。在本试验中主要对活塞压缩力( 草片的受力) ，草片的 变形，草片的位移直接进行数据测试，分析苜蓿压缩的动力行为规律，并为动力行 为仿真提供基础数据。 2 1 试验方案 2 1 1 试验设备 本试验以9 k g - 3 5 0 型液压高密度压捆机为试验设备。压捆机的主要参数功率： 2 2 k w ，压缩行程：6 0 0 m m ，压缩室截面积：3 8 0 m m x 4 6 0 m m 。为适应试验的要求， 对其进行适当地改造，保证能安全、稳定地固定住传感器。结构示意图如图2 所示。 1 电控柜2 液压系统3 ，插草机构4 捆草室5 车轮8 活塞7 调节平衡座 围2 高密度压捆机结构示意图 2 1 2 试验物料 本试验选择有代表性的新鲜苜蓿( 含水率约7 0 ) 作为试验物料。苜蓿( a l f a l f a ) 堪称牧草之王，属多年生宿根草本，一年可以收获两至三茬，是目前草地牧草改良 的主要品种，我国目前苜蓿的种植面积约1 3 3 万h m 2 啪1 。苜蓿根系强大，茎直立或匍 匐，光滑，多分枝，复叶，具三小叶，小叶倒卵状长圆形，叶腋生总状花序，花紫 色。苜蓿富含蛋白质、多种维生素和矿物质，是多种家畜喜食的优质蛋白质饲料嘶1 。 2 1 3 传感器及其安装 1 ) 传感器的选择 根据试验目的要求，本试验选择压力传感器和位移传感器进行信号测试。 8 高密度压捆机动力行为的研究及其仿真 压力传感器：c l h g m - 1 型高精度应变式传感器( 福建莆田光学机电总厂传感 器厂生产) 。该传感器采用密封型轮辐式结构，具有抗侧向力强、精度高、长期稳 定性好、结构坚固、安装方便等特点，其性能特点与本试验要求较高的稳定性相符 合，传感器的厚度与在本试验过程中一次压缩形成的一个草片的厚度相当，且量程 在本试验测试最大压缩力范围之内，适用于本试验的力学测试系统。传感器的技术 指标为： 型号：观h g m 1 额定载荷：5 0 0 0 n 1 0 0 0 0 0 n 额定输出： 2 o m v v 零点输出：0 0 5 非线性，滞后，重复性：o 0 3 温度补尝： 一1 0 。ct o + 7 0 0 c 输出温度影响：o 0 0 5 零点温度影响：00 0 3 允许过负荷：l5 倍额定载荷 激励电压：1 0 v 位移传感器：n s w y 0 3 9 0 0 l 型位移传感器( 上海天沐自动化仪表有限公司生 产) ，该传感器外观为方形，本身带有固定垫片，安装方便，易于固定，抗外界干 扰性较好。传感器的技术指标为“”： 型号：n s w y 0 3 9 0 0 l 量程：9 0 0 m m 非线性误差：0 5 输出电压为：o 5 v 传感器在试验前均经过了有关部门的 标定。 2 ) 压力传感装置 按照捆草室截面尺寸设计专用的压力 传感装置，其厚度与喂入一次物料压缩形 成的草片厚度相当，结构如图3 所示。每 一套力传感装置由底板l 、上传力板2 、压 力传感器6 、下传力板4 、导向柱3 、防缠 滚轮5 、螺钉7 等组成。2 个压力传感器通 过内螺纹与心轴8 连接，2 块传力板分别与 压力传感器承力面靠紧，通过4 根导向柱 导向，通过螺钉与心轴连接最后装配在一 1 底板2 上传力板3 导柱4 下传力板 5 防缠滚轮6 传盛器7 螺钉8 心轴 围3 压力传露装置结构简图 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 起。为了减少摩擦阻力在压缩装置底部装有4 个滚轮，在滚轮上设有防缠罩防止草 物料堵塞和缠绕。 3 ) 传感器的安装 在压缩过程中需要直接测量作用在新喂入一份苜蓿上的应力和苜蓿的变形量。 对于应力的测量选择一套力传感装置，安置在活塞压缩板的前端，压缩时由活塞推 动压力传感装置压缩草物料，直至行程终点。到达行程终点后活塞自行返回，力传 感装置与苜蓿在一起，测草片的变形恢复力。苜蓿的变形量由2 支大位移传感器测 量，均安装在位移传感器安装板的滑道上。 支- n s w y 0 3 9 0 0 l 型位移传感器通过连 接杆与压力传感装置连接，随压缩装置的移动而伸缩，用于测量松散草物料的始端 位置，同时为草物料测试系统提供触发信号。另1 支n s w y 0 3 9 0 0 l 型位移传感器通 过连接杆与已成型的草连接，用于测量前一片草片的移动量，两者之差减去压力传 感装置的宽度为草片的厚度，安装位置如图4 所示。 1 插草机构2 活塞3 力传感装置4 苜蓿5 连接杆e 位移传簸器( 小) 7 位移传感器( 大) b 安装板 图4 苜蓿压缩过程传摩器及传感装置安装示意图 2 1 4 测试系统 压捆机的参数优化、结构改进、性能提高依赖于先进的测试手段和精确的测试 精度，根据影响压捆机性能的主要参数，设计了满足试验要求的测试系统，系统结 构框图如图5 所示。根据草物料压缩测试要求布置力传感器和位移传感器，压缩时 由传感器接收信号，信号经滤波、放大后通过数据接口、数据传送总线由数据采集 卡传送给p c 机，保存后转入姒t l a b 进行分析处理。 测试系统由硬件和软件组成。硬件主要由传感器、数据采集接口、数据采集卡、 计算机、打印机及各种连线等组成。其中数据采集卡采用美国n i 公司生产的基于p c i 总线e 系列高性能多功能的d a q c a r d a i 1 6 e 4 ，1 6 路单端接地的模拟输入通道、8 1 0 高密度压捆机动力行为的研究及其仿真 3 3 传懋襞置 一显示 数 l a b v i e ，7 1 被 一荷重传感器卜一 据 数 测采八 据 八 m e a s u r e m e n t 参 一位移传感器卜_ - 集 - 采 a u t o m a t l o n 一打印 量 接 集 - a w i n d o s 操作系统 口 卡 一保存 一触发用位移传感器卜一 计算机 图5 曹蓿压缩过程测试系统框图 对差分输入模拟量通道，及2 路2 4 位定时器与计数器为一体。支持d m a 方式和双缓冲 区模式，保证了实时信号不问断采集和存储。量程为+ i o v 和l i o v 两种，通道分 辨率为1 2 位，采样速度可达5 0 0 k s s ，相对精度为士o 5 l s b “”，是虚拟仪器主要硬件之 一，由它完成压力、位移信号的采集和测量。软件采用美国n i 公司图形化编程软件 l a b v i e w 7 1 进行程序设计，首先在m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o n 系统中设置数据采集 通道，并对各个通道的连接方式、量程范围及信号特性等参数进行相应设置，然后 设置数据测试系统前面板及测试程序，构成一个虚拟仪器采集系统。其前面板如图 6 所示。 图8 草物料直接压缩过程参数采集前面板 通过测试系统前面板可以方便的对数据通道、采样频率及数据保存路径等控制 参数进行设置，同时能够对测试数据进行实时显示及监控。将测试的数据用e x c e l 表格形式保存下来，为数据的后续处理做准备。通过对苜蓿压缩动力行为数据测试 并和用传统方法所得数据进行对比，验证了虚拟测试系统是可行的。 采用虚拟仪器的方法效率高，功能强大，使用方便，测试可实时显示各参量的 时域信号并可稳定的记录相关数据，实现快速、准确测试草物料的压缩参数的目的。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 2 2 压捆机虚拟样机实体建模 2 2 1 虚拟样机技术 “虚拟样机”一词来自“v i r t u a lp r o t o l y p i n g ”，也称“虚拟原型”或“虚拟模型”， 严格地说是“虚拟成样”，即用现代计算机仿真技术( 特别是可视化计算机技术) 生 成“虚拟样机”，说它是“虚拟”的，是因为这个“样机”并不是物理实体，又说 它是“样机”，是因为它具有一切样机实体的外观显现、操作界面，以及完备的样 机功能过程”。 虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模 型的数字化设计方法。在物理样机生产出来之前，它利用虚拟样机代替物理样机对 产品进行刨新设计、测试和评估。虚拟样机技术是基于先进的建模技术、多领域的 仿真技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术涮。 机械系统虚拟样机( m e c h a n i c a ls y s t e mv i r t u a lp r o t o t y p i n g ，m s v p ) 技术，是基 于虚拟样机的机械系统仿真技术，其核心是多体系统运动学和动力学建模理论及其 技术实现。它是指在机械系统设计开发过程中，首先利用计算机技术建立该机械系 统( 产品) 的三维数字化模型( 即虚拟样机) ；对其进行静力学、运动学和动力学 分析，较好地仿真该机械系统的运动过程，以预测机械系统的整体性能；以迅速地 分析、比较并改进系统的设计方案，提高产品的性能，最大限度地减少对物理样机 的试验次数w 。 虚拟样机开发过程在某种程度上来说，被认为是一种基于模型的不断提炼与完 善的过程。利用虚拟模型，人们可以在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、 装配和测试操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改。可以将已开发的产品( 部 件) 存放在计算机里不但大大节省仓储费用，更能根据用户需求或市场变化快速改 变设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新产品的开发时间，提高质量、降 低成本。 2 2 2 压捆机虚拟样机建模一般过程 p r o e 是美国p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 参数技术公司) 开发的一 款功能强大的基于特征的三维造型软件。它以单一数据、参数化、基于特征、全相 关性以及工程数据再利用等改变了传统机械设计的观念，成为当今机械c a d 的新标 准，在全球拥有广大的用户，深受业界人士的拥护。p r o e n g i n e e r 的突出特性是 基础的工作方式和通用的模型联合性，下面以p r o e n g i n e e r 软件为建模工具，介绍 压捆机虚拟样机模型建造一般过程。图7 展示了利用三维造型软件建模的一般流程， 首先根据总体规划了解设计目的，然后建立零件模型，再根据需要组装成部件，最 后将各零部件组装成样机模型。 1 2 高密度压捆机动力行为的研究及其仿真 圈7 压捆机虚拟样机建模流程围 2 2 3 规划设计 设计模型之前，首先需要明确压捆机设计意图。设计意图是根据产品规范或需 求来定义成品的用途和功能。作为规划设计，用户需要对模型有宏观的基本了解。 换言之，了解压捆机的整体功能、形式和适合的搭配。这种了解包括以下方面： 1 ) 总尺寸； 2 ) 基本模型特点； 3 ) 用于装配模型的方法； 4 ) 组件所包含元件的大概数量； 5 ) 用于制造模型的方法。 2 2 4 零件建模 在三维建模环境p r o e 中以实体形式设计压捆机零件模型，根据特征建模的思 想，一个三维实体模型就是由数量众多的特征以“搭积木”的方式组织起来的，因 此，特征是模型结构和操作的基本单位，模型创建过程也就是按照一定顺序依次向 模型中添加各类特征的过程洲。为了管理这些特征，系统设置了特征管理者特 征树，如图8 所示，左边为压捆机的一个典型零件插草板的特征树，右边为其 特征。 在特征树中按照特征创建的先后顺序列出组成模型特征的详细列表，并为每一 个特征分配一个标识。特征树记录下模型的创建轨迹，方便设计者进一步修改设计 意图。对于建立零件模型来说，特征树反映了零件的特征、约束以及造型的顺序。 规划特征树的过程实质是零件的分解过程，不同的分解方案可得到不同结构的特征 树。根据零件的功能和加工工艺，选择最优的特征树表达零件。约束分为几何约束 和尺寸约束两种。几何约束是用来定义特征内部各图素之问的拓扑关系以及特征之 间的拓扑关系如：平行、垂直、等长、相切、对称等。尺寸约束用来定义特征内部 内蒙古农业大学硕士学位论文 义特征内部的定形几何参数 或特征之间的定位几何参 数。依照参数化设计的原则， 选择部分尺寸作为特征参 数，其余尺寸以关系式的方 式建立与特征参数之间的约 束。基于特征的零件建模过 程实际是按照所规划的特征 树不断生成特征的过程。其 基本步骤是依次建立基特 征、主特征、子特征和辅特 征，直到完成整个特征树的 圆c x a c a o b 埘p r t j 口h g 盯 ot 0 7 日f r o n t * p 盯郧! s e f + p ? r o t r s l o n “3 9 i p r o t r u s 2 o n l d9 0 毒矛p r o t r u d l o n l d l 5 2 8i j t l l l 驴p r o t r u s i o nl a2 1 6 矛p r o t r n z l o nl d2 5 1 土孑? r o t r l o nl d2 9 0 窜矿p r o t r n h o n1 d3 4 6 i m q r th “e 圈8 插草板的特征及其特征树 建造。图9 、图l o 为压捆机的几个典型零件数字模型。 轮胎 活塞 油管 圈9 压捆机典型零件数宇模型组1 圈1 0 压捆机典型零件数字模型组2 1 4 高密度压捆机动力行为的研究及其仿真 2 2 5 装配建模 装配设计是利用p r o ，e 的a s s e m b l y 模组把p a r t 模块所建构的零件组装起来的动 作。p r o e 装配的元件称为组件( c o m p o n e n t ) ，可以是p a r t 的零件，也可以是以装 配形式出现的次装配( s u b a s s e m b l y ) 。在a s s e m b l y 模组中，可以建立新的零件，或 是对已装配的零件做设计上的变更，也可按照实际生产流程，变更零组件之间的装 配方式，重新定义次组件等。p r o e 应不同性质的研发单位所采用的设计流程有所 差异有3 种不同的装配设计观念： ( 1 ) 由下而上( c o n c e p to f b o r t o mu pd e s i g n ) 产品所有的零件先在p a r t 模块建构完成后，在a s s e m b l y 中装配成所要的产品 模型。一般使用此种设计方式的情形多为产品已研发完成，但其设计图面使用p r o e 以外的软件( 如a u t o c a d 的2 d 图) 绘制，为了把这些图以p r o e 建档，先以p a r t 模 块建构所有零件，再以b o t t o mu p 方式把它们装配起来。 ( 2 ) 变更设计( c o n c e p to f m i d d i eo u td e s i g n ) 其主要特点为以现有的产品为架构，局部增加或删减产品的功能，成为新的产 品。一般以此方式进行设计时，会因产品功能的改变而增加、删减，或对已存在的 零件作特征上的修改，如产品机型的改良设计，因此称为m i d d l eo u td e s i g n 。 ( 3 ) 从上而下( c o n c e p to f t o pd o w nd e s i g n ) 新产品的开发流程，多在a s s e m b l y 中进行设计，而建构零件细节特征时，可 以直接在p a r t 模组下操作，特征建构完毕后再回到a s s e m b l y 模式，浏览干涉及 配合等问题，若有需要，可在装配模式下做设计变更。 在实现压捆机整机装配时根据实际情况采用从下向上的方式进行装配。装配体 模型最基本的组成单元是零件，然后是子装配体，最终是成品装配体。首先将压捆 机按其结构功能分成不同的部件，分别对其组装，如图1 l 所示，为压缩主体部件 的组装示意图。 图11 压缩主体部件组装数字模型 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 5 在完成各部件的组装以后，根据各部件的装配关系，用连接零件把各部件装配 在一起完成整机的装配，如有需要再为装配图添加一些辅助零件，形成一个完整的 装配图，如图1 2 所示，说明了压捆机的装配过程。 圈1 2 压捆机的虚拟样机的整机装配 3 基于a d a m s 压捆机插草机构的运动学分析与仿真 在对高密度压捆机进行设计时，必须对其压缩机构的运动和受力进行分析和计 算，而插草机构是其重要组成部分。插草器的主要功能是将放入喂入室的松散草物 料适当地压缩，使其完全置于喂入室中，它的下插深度决定了草物料被预压缩的程 度，影响了草物料的初始状态，并关系到压捆机的压缩性能，因此，对插草器的各 构件进行优化设计将为整机的优化设计提供原始数据。 插草器的优化就是在满足插草位置要求的条件下，得出各构件的最佳尺寸，以 及根据活塞的运动规律，求出机构中其他构件的运动，进而进行结构分析。机构的 分析优化通常可使用图解法和解析法来进行，但因其作图、计算工作量大、精度差 等缺点，且他们主要用于静态设计和绘图，表现的是设计对象在某一静态位置时的 状况，难以反映机器在运动过程中各零件运动的合理性、系统的动态响应以及各零 件之间是否存在干涉等问题m 。通过机械系统动力仿真( m e c h a n i c a ls y s t e m s i m u l a t i o n ) 可以较好的解决这一问题，能够预先对动态系统进行仿真和分析，从而 在形成实际系统之前，能进行适时的修正，以减少系统反复修改的时间，实现高效 开发的目的m 。本章基于a d a m s 多体系统仿真分析软件对高密度压捆机插草机构 进行了运动学分析仿真。 1 6 高密度压捆机动力行为的研究及其仿真 3 1a d a m s 简介 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 f m e c h a n i c a s y g e m ) 全称是机械系统 自动动力学分析软件。是美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c1 公司( 现已经并入美国 m s c 公司) 开发的机械系统动力学仿真分析软件，它是目前世界范围内最广泛使用的 多体系统仿真分析软件。a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库， 用堆积木方式建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真分析和比 较来研究“模拟样机”可供选择的设计方案。a d a m s 仿真可用于估计机械系统性 能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。它提供了多种可 选模块，核心软件包包括交互式图形环境a d a m s v i e w 、a d a m s s o l v e r 、 a d a m s c a r 和a d a m s f e a 等模块。其中a d a m s v i e w 是a d a m s 的核心模块， 它是一个强大的建模和仿真环境，可以建模、仿真并优化机械系统模型。 a d a m s v i e w 可快速对多个设计变量进行分析直到获得最优化的设计。在 a d a m s v i e w 中创建模型的步骤与通常创建物理模型的步骤是相同的，尽管给出的 建模步骤是先创建整个模型，然后再对模型进行测试并优化，但建议在创建整个模 型之前先建立并测试模型的小的元件或子系统。本文主要是用a d a m s 软件来建立 插草机构的运动学和参数化模型并进行动态化仿真。 3 2 插草机构模型的建立 3 2 1 插草机构的工作原理 高密度压捆机及其插草机构的结构如图2 所示，其工作原理是用液压系统驱动 活塞机构，插草器由活塞带动。插草器的结构是二个四杆机构( 一个由l 、2 、3 和 4 组成，一个由l 、4 、5 和6 组成) 串联而成如图1 3 所示，其中第一个完成上述的 基本运动，第二个用来保证插草板始终位于竖直方向。在压捆机的一个压缩行程中， 初始时刻，插草器的连杆处于水平位置，活塞前端面位于喂入口的中部，插草板底 端离开喂入室的上端面9 0 r a m 。向喂入室中添加物料后活塞后退，带动插草器的驱动 杆，拉动连杆绕支撑架顺时针转动，插草板向下插入。压缩草物料进入喂入室，当 活塞移动到最后端时( 以活塞前进方向为前) ，插草板下插到最深位置( 2 3 0 r a m ) ， 完成插草功能。接着活塞压缩草物料向前运动，连杆在驱动杆的拉动下绕支撑架逆 时针转动，插草板向上提升，当活塞移动到最前端时，插草板上升到最高位置( 上 极端) 。当活塞返回时，插草板又在连杆的带动下向下运动，直到初始位置，进入 下一个行程。 3 2 2 优化设计的目标要求 插草器将放入喂入室的松散草物料适当地压缩，使其完全置于喂入室中，其结 构尺寸必须满足一定的要求。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 7 1 ) 在活塞行程定的条件下，插草板下端点下插的最终位置在j 方向应在喂入 口的中心附近，在，方向应在喂入室高度中心处( 喂入长草可在喂入口中心偏下一 点，喂入碎草可在中心偏上一点) ，所以应设计成可调结构。 2 ) 在工作时保证性能要求外，各构件间不能有干涉( 插草板与压缩室壁，插草 板与活塞) 。 3 ) 为使结构紧凑，提高机构的稳定性，在满足性能要求条件下。应使连杆3 与 y 轴的夹角曰在机构运动的极端位置不能太小( 2 0 。) ，如目过小机构在极限位置会 出现振动现象，当口为0 时，机构会出现死点现象，影响机构的动力行为。 3 2 3 动力学模型的建立 机械系统模型主要由部件、约束、力( 驱动) 、力元等要素组成。部件也称作构 件。部件分为刚性部件和柔性部件。刚性部件( 也称刚体) ，是几何形体在任何时候 都不会发生改变，有质量属性和惯性属性。刚体的一种特殊形式是点质量体，即仅 用质量，但没有惯性属性。柔性部件与刚性部件惟一不同的是其几何形体会发生改 变。约束( 驱动) 将不同的部件联接在起的模型元素。如铰、运动副等。驱动有位 移驱动和旋转驱动。力有单分量力和多分量力，还包括力偶。力元包括弹簧、梁、 衬套、场力等。 创建部件有两种方式：种是通过在在a d a m s v i e w 中直接创建运动部件。 可以利用a d a m s v i e w 几何构造工具和固体模型创建刚体，也可以通过增加特性 和进行布尔运算合并物体来建构几何形状。默认情况下，a d a m s v i e w 使用刚体几 何信息定义其质量和转动惯量，也可以以数值方式输入质量和转动惯量。对于柔性 体可以使用a d a m s v i e w ，通过创建间断的柔性连接件和输出载荷，也可以使用 a d a m s f l e x 导入复杂的柔性体工具。另 一种是导入用三维c a d 软件建立的模型。 a d a m s e x c h a n g e 用来导入c a d 几何信息， 可导入标准格式如i g e s ，s t l 强，d x f 、 d w g m 、p a r a s o l i d 的c a d 软件中几何图 形。本章模型结构较简单采用第一种方式 进行建模。 根据插草器的工作原理，以支撑架为， 轴( 向上为正方向) ，压缩室的底板为j 轴 ( 以活塞前进方向为正) ，利用a d a m s 中 的r i g i db o d y 建模工具建立其动力学样机模 1 机架2 驱动杆3 活塞4 连杆5 拉杆 型，如图1 3 所示。在动力学模型中，初始 e 插草板7 草物料8 压缩室壁 位置的连杆4 拉杆5 水平善轴，插草板 图1 3 插草机构动力学样机横型 1 8 高密度压捆机动力行为的研究及其仿真 6 长度方向i i z 轴。构件2 与3 、2 与4 、4 与机架i 、5 与机架l 、4 与6 以及5 与6 问的连接点a 、b 、c 、d 、e 、f 用旋转副连接，在3 质心点处用移动副连接滑块与 机架，并在移动副上施加驱动约束。在模型中的各构件只有活塞的行程6 0 0 衄与喂 入室的长度5 0 0 岫( 活塞压入捆草室l o o m ) 不变，其余构件尺寸根据需要可以改 变，初始值与变化范围见表l 。 3 2 4 模型参数化 利用a d a m s v i e w 参数化建模和分析功能，将参数值设置为可以改变的变量。 在分析过程中，只需改变样机模型中有关参数值，程序就可以自动地更新整个样机 模型。更进一步，还可以由程序根据预先设置的可变参数，自动地进行一系列的仿 真分析，观察在不同参数下样机的变化。省去了用人工方式一次一次修改样机，大 大提高分析效率。为了对样机模型进行细化处理，需要对各构件参数化处理，进行 参数化设计分析，首先确定影响样机性能的关键值，然后对这些值进行参数化处理。 这里先在各构件上创建设计点( a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h ) ，然后再建立相应的 设计变量( d vl 、d v2 、d v3 、d v4 、d v5 、d v6 、d v7 ) ，并对设计变量 进行初始值及其交化范围进行设置，用设计变量代替样机模型中设计点的j 和，坐 标值，具体设置如表l 所示。 表1 设计变量及初始优化表 3 2 5 添加约束和驱动 约束用来定义零件连接方式以及零件之间的相对运动。a d a m s v i e w 提供了一 个约束库，其中有i d e a l i z e d j o i n t s ( 理想约束) 、j o i n tp r i m i t i v e s ( 基本约束) 、m o t i o n s g e n e r a t o r s ( 驱动) 等约束和驱动。在我们上面己建立的几何模型中，各杆件间用旋转 副( r e v o l a t e ；o i m ) 连接，活塞与机身间用移动副( t r a n s l a t o n a li o i n t ) 连接，并在移动 副上添加移动驱动( t r a n s l a t o n a li o i n tm o t i o n ) 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 9 3 2 6 定义输出结果 通过定义a d a m s 输出，可以得到想要了解的信息，如部件上某个点的位移、 速度、加速度、所受的力等。或者是施加在弹簧上的力或物体之间的距离或角度。 这些信息的获得是通过定义测量来得到的。当进行模型仿真的时候，a d a m s 自动 按加载在模型上的信息进行计算。计算的结果保存在测量中，用户可以实时观测到 测量结果。为了便于对插草机构运动学分析，通过b u i l d m e a s u r e 或快捷键定义活塞 速度、活塞前端x 方向位移，插草板下端x 和y 方向的位移及速度等输出变量。 3 3 运动仿真分析与模型优化 3 3 1 模型优化方法 a d a m s v i e w 提供了3 种类型的参数化设计过程“2 1 ： 1 ) 设计研究( d e s i g ns t u d y ) 研究某个设计变量发生变化，或取不同的值，样机的性能会发生怎样的变化。 通过设计分析，可获得以下的分析结果：样机的有关性能可能的变化范围；样机的 有关性能的变化对设计参数的敏感程度；在一定分析范围内，找出最佳的设计参数 值。 2 ) 试验设计( d e s i g no f e x p e r i m e n t s ) 试验设计可以考虑多个设计变量同时变化