（森林工程专业论文）草方格铺设机器人剪切机构的设计研究.pdf

摘要 本文是基于“8 6 3 ”课题防风固沙草方格铺设机器人的研究的基础上完成的。 沙漠化已经成为威胁人类生存的重大问题，全世界都在解决防风固沙的问题。课题组经 过对国内外资料的查询和对防风固沙技术的对比分析，认为只有通过工程治沙和生物治 沙相结合的方法才能实现圃沙、退沙的目标。铺设草方格是一种十分有效的阻挡沙丘前 进的好方法，但由于目前一直采取人工插草，效率极低并花去大量的人力和财力，所以 研制出一种高度自动化的插草机构就显得十分必要。草方格铺设机器人就是在这种条件 下开始研制的。 草方格铺设机器人主要由动力部分、纵向插草机构、横向插草机构等机构组成，其 中横向部分是整个项目的难点，它由输草、换草、剪切、插草、自动起降等机构组成， 机构之间工作要求具有高度的一致性和协调性。 剪切机构是草方格铺设机器人横向铺设系统中一个重要的组成部分，它功能的实 现直接影响机器人的运行。本文就是针对草方格铺设机器人所要完成的任务，设计出一 套既适合工作环境，又能完成剪切任务的新型机构。在本论文中，主要应用了计算机仿 真技术，利用p r o e n e i n e e r 软件绘制出直观的三维立体模型，使我们对模型的结构有更 加直观的印象，并能观察出模型设计是否存在干涉等现象：另外本文又利用a d a m s 软 件对剪切机构进行了动力学仿真，通过仿真观察机构的运行，绘制出关键部位的速度、 位移等参数曲线，在理论上确保剪切机构动作方面的可行性、合理性；而且，本文又通 过p r o e n 譬i n e e r 与有限元分析软件a n s y s 的接口，将模型导入到a n s y s 中，对模型 进行有限元分析，对机构的强度、受力后的变形、等效应力等参数进行分析，对结构不 合理的地方进行优化设计，最后在实验中对剪切机构进行实验分析，分三个阶段分别对 剪切机构的运动效果、实用性、剪切率，和其他结构的协调同步性进行了分析，对仿真 分析的结果进行了验证，并找出实际中存在的不足，制定了相应的解决办法，确保机构 能顺利工作。 实验的最终结果也充分验证了仿真软件在机械设计中的重要作用，它可大大节省 设计的时间，保证设训的准确性和最优性，为在机械设计中广泛推广仿真软件提供了很 好的借鉴作用。 关键词防风固沙；革方格；剪切； p r 0 e n g i n e e r a d 舢“sa n s y s ： 仿真 摘要 本文是基于“8 6 3 ”课题防风固沙草方格铺设机器人的研究的基础上完成的。 沙漠化已经成为威胁人类生存的重大问题，全世界都在解决防风固沙的问题。课题组经 过对国内外资料的查询和对防风固沙技术的对比分析，认为只有通过工程治沙和生物治 沙相结合的方法才能实现圃沙、退沙的目标。铺设草方格是一种十分有效的阻挡沙丘前 进的好方法，但由于目前一直采取人工插草，效率极低并花去大量的人力和财力，所以 研制出一种高度自动化的插草机构就显得十分必要。草方格铺设机器人就是在这种条件 下开始研制的。 草方格铺设机器人主要由动力部分、纵向插草机构、横向插草机构等机构组成，其 中横向部分是整个项目的难点，它由输草、换草、剪切、插草、自动起降等机构组成， 机构之间工作要求具有高度的一致性和协调性。 剪切机构是草方格铺设机器人横向铺设系统中一个重要的组成部分，它功能的实 现直接影响机器人的运行。本文就是针对草方格铺设机器人所要完成的任务，设计出一 套既适合工作环境，又能完成剪切任务的新型机构。在本论文中，主要应用了计算机仿 真技术，利用p r o e n e i n e e r 软件绘制出直观的三维立体模型，使我们对模型的结构有更 加直观的印象，并能观察出模型设计是否存在干涉等现象：另外本文又利用a d a m s 软 件对剪切机构进行了动力学仿真，通过仿真观察机构的运行，绘制出关键部位的速度、 位移等参数曲线，在理论上确保剪切机构动作方面的可行性、合理性；而且，本文又通 过p r o e n 譬i n e e r 与有限元分析软件a n s y s 的接口，将模型导入到a n s y s 中，对模型 进行有限元分析，对机构的强度、受力后的变形、等效应力等参数进行分析，对结构不 合理的地方进行优化设计，最后在实验中对剪切机构进行实验分析，分三个阶段分别对 剪切机构的运动效果、实用性、剪切率，和其他结构的协调同步性进行了分析，对仿真 分析的结果进行了验证，并找出实际中存在的不足，制定了相应的解决办法，确保机构 能顺利工作。 实验的最终结果也充分验证了仿真软件在机械设计中的重要作用，它可大大节省 设计的时间，保证设训的准确性和最优性，为在机械设计中广泛推广仿真软件提供了很 好的借鉴作用。 关键词防风固沙；革方格；剪切； p r 0 e n g i n e e r a d 舢“sa n s y s ： 仿真 ：= ：= = ：童i ! 竺些奎耋塑圭兰堡鎏兰：= = a b s t r a c t t h r e a t e n i n gh u m a n b e i n g ss u r v i v a lb yd e s e r th a sb c e nt h em o s ts e r i o u sp r o b l e ma n da l l t h ec o u n t r i e sa r es e e k i n gm e t h o d st os o l v ew i n d b r e a ka n ds a n df i x a t i o np r o b l e m t h i st h e s i s a r ef i n i s h e do nt h eb a s i so f “8 6 3 ”t a s kn a m e da s t h r o u 曲t h ei n l e m a t j o n a la n dn a l i o n a l i n f o m l a l j o n ，a l s ot h ec o m p a r j s o na n d a n a l y s j so fw i n d b r e a ka n ds a n df i x a t i o n ，i ti sc o n c l u d e dt h a ts a n df i x a i i o na n df a l l i n gb a c kc a n o n l yb es o l v e db yc o m b i n a t i o no fs a n dh a r n e s si ne n g i n e e r i n ga n ds a n dc o n n d lw n hb j o l o g i c a i m e a s u r e s t h o u 曲s t r a wc h e c k e r b o a r di s a ne f f e c t i v em e t h o dt os t o ps a n dd u n e ，i th a sl o w e f f i c i e n c ya n dc o s t sm o r em a n p o w e ra n dr e s o u r c eb ym a n - m a d es t r a wi n f i x i n g i ti st h u s n e c e s s a r yt od e v e l o pah j 曲一a u t o 珊a t i cs t r a wj n n x j n gs y s t e m s i r a wc h e c k e r b o a r dr o b o t a p p e a r sl ob es t u d i e du n d e rt h i sc o n d i t i o n s t r a wc h e c k e r b o a r dc o m p r j s eo fp o w e rs y s i e m ，p o r t f a i ts t f a wj n f j x j n g s y s t e ma n d l a n d s c a p eo “e n t a l e ds t r a wi n f j x i n gs y s t e m a m o n gt h e m ，l a i i d s c a p eo r j e n t a t e ds t r a wi n f i x i n g s y s l e mi st h em o s td j 自j c u l tp a r ti n t h j sp r o j e c t ，w h i c hc o n i a i n ss l r a wl r a n s p o r t i n 卧s t r a w e x c b a n g i n g 、 c u t t i n g 、 s t r a wi n f i x i n g 、a u t o m a t i cl i f ta n dn e e d sh i g hc o n s i s i e n c ya n db a l a n c e a m o n gt h e s es y s t e m s c h t t i n gs y s t e mi sr e g a r d e d a st h em o s ij m p o r t a n tp a r tj n l a n d s c a p eo r j e n t a t e dp a v e m e n t s y s t e mo fc h e c k e i b o a r db a r r i e i sp a v i n gr o b o t sc u t t i n gs e i u pa n dj tw i l ld i r e c t l ye f f 色c t st h e r o b o t sm n n i n g t h i st h e s j sa i m sa td e s i g n i n gan e w s y s t e mw h i c hi sa p p r o p r i a t ef o rw o r k j n g e n v i r o n m e n ta n dc a nt a k et h ec u t t i n gr e s p o n s i b j l j t yf o rt h et a s ka n df u n c t j o no fc h e c k e r b o a r d b a r r j e r sp a v i n gr o b o t sc u t t i gs e t u p i nt h i st h e s i s ，c o m p u t e re m u l a t i n gt e c h n o l o g yi sm a i n l y a p p j i e d b yt h ed i f e c ft h r c e - d i m e n s j o n a lm o d e lb yp i d e n g j n e e rs o f l w a r e ，w ec a ng e tm o r e d i r e c ti m p r e s s i o na n do b s e r v eo u tw h e t h e ri n t e r f e r e n c ee x i s i so rn o t b e s i d e s ，t h i st h e s i s p r o c e s s e st h ed y n a m i c se m u l a t i o no fc u t t i n gs y s t e mb ya d a m s b yt h er u n n i n go fe m u l a t j o n o b s e r v i n gs y s t e m ，i td r a w ss p e e da n dd i s p l a c e m e n tp a r a m e t e ro nm a j np a r t ，s oi tt h e o r e t i c a l l y a s s u r e st h ef e a s i b i l i t ya n da p p r o p r i a t e n e s so fc u t t i n gs y s t e m l a s i ，t h r o u g ht h ea c c e s so f p f o 压n g j n e e ra n df i n j t ee l e m e n ta n a l y z j n gs y s t e m ，i tg i v e sam o d e la n a l y s j sb ya n s y sf o r f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，p a r a m e t e ra n a l y s j so fs y s t e mi n t e n s i ty ，d i s t o r t i o na f t e rf o r c ea n de q u a l s t r e s s t h u si tp r e s e n t sy o ut h eo p t i m i z i n gd e s i g nf o ru n a p p r o p r i a t es y s t e ma n dm a k e st h e1 a b a n a l y s i so nc u t t i n gs y s t e m nt a k e st h i e es t e p st oa n a l y z et h er u n n i n ge f f e c t s ，p r a c t i c a b i l i ty ，r a t e o fc u t t i n ga n da l s ot h eo t h e rs t n 】c t u r e t 1 l er e s u l tf r o me m u l a t i n ga n a l y s i sa r ea l s ov a l i d a t e d a n dj tp o i n i so u tt h ed e “c j e n c ya n de s t a b l i s hc o r t e s p q n d i n gm e t h o df b ra s s u r i n gs y s t e mg o i n g s m o o i h l y t h en n a ir e s u l i sa r ea i s of u l l yv a i i d a t e dt h ej m p o n a n c ef u n c t i o no fe m u l a t i n gs o f l w a r ej n e n g i n ed e s i g n i tc 柚d r 锄a t i c a l l ys a v e d e s i g n t i m ca n da s s u r e sd e s i g i lc o r r e c i n e s sa n d o p t i m i z a t i o na n dc a np r o v i d es o m ev a l u a b l es u g g e s t j o nf o rt h ep o p u l a f j z i n go fe m u l a t i n g s o f t w a r ei ne n g i n ed e s i g nf i e l d s k e y w o r d s ： w i n d b r e a ka n ds a n df j xa l i o n ；s t r a wc h e c k e r b o a r d ；c u t t i n g ；p r o e n g i n c e r a d a m s a n s y s ：e m u i a t e i i i 1 1 题目的来源与意义 1 绪论 荒漠化己经成为人类十大生态问题之首，世界上荒漠化或正在经历荒漠化过程的地 区遍及6 大洲的1 1 0 多个国家。全球有1 0 亿之众受到荒漠化的直接威胁，其中有1 3 5 亿人在短期内有失去土地的危险。1 3 的陆地经历着沙尘暴掠、田毁人亡的苦难，其中 非洲高居榜首，最大的沙漠一撒哈拉沙漠的流沙每年向南扩展近1 5 0 万平方公里，向北 吞没1 0 万平方公里。曾一度免疫“地球溃疡”的欧洲目前也已严重感染，其6 6 的早 地不同程度的受到荒漠化的危害，相当于俄罗斯、加拿大、中国、美国国土面积的总 和，且每年仍以5 7 万平方公里的速度扩展。由此造成的直接经济损失每年约4 3 0 亿 美元。亚洲的荒漠化程度也十分惊人，荒漠化土地已占总面积的3 4 。中亚地区由于前 苏联时期的过渡开发生态恶化已影响到4 0 0 万平方公里的广大地区。北美洲4 亿多平方 荒漠化土地日益加剧，南美洲荒漠化已影响到2 9 亿平方公里的土地。随着荒漠化的加 速蔓延，人类可耕种的土地日益减少，严重地动摇了世界的粮食安全，也是近年来世界 饥民由4 6 亿增至5 5 亿的主要原因之一，联合国环境规划署发出警告：“照此下去，地 球将被卷入一场浩劫性的社会和经济灾难之中”。【l j 图1 1 沙尘暴天气、地貌 我国是世界上沙漠及沙漠化面积较大的国家之一，也是沙漠化灾害严重的国家之 一。沙漠化的推进和沙漠化土地的扩大，给我国不少地区的工农业生产和人民生活带来 东北林业大学颂上学位论文 了严重影响。流沙对农田、牧场、城镇、村庄、交通线路、水利殴施等造成了严重威 胁，沙区的生态系统十分脆弱，有些风沙危害严重的地区出现了沙进人退、人民背井离 乡的状况【2 1 。所以防风固沙已经成为摆在人们面前的首要任务，草方格铺设机器人的设 计就是针对防风固沙提出的。 1 - 1 1国内外治沙技术现状 通过对沙漠化发生、发展规律的研究，结合各国、各地区不同的实际情况，世界各 国都研制了大量的防沙、治沙技术。目前被广泛采用的防治沙漠化技术主要有： 生物治沙技术：又称植物治沙，是通过封育、营造植物等手段，大致防治沙漠稳定 绿洲，提高沙区环境质量和生产潜力的一种技术措施。采用生物治沙技术，利用植物固 沙不仅起到防沙治沙的妙用，而且在改善生态环境，提高资源产出效益上有很大的功 效。 生物治沙技术见效周期长、投资大，且对于年平均风速大、频率较高的流动沙地、 沙丘地区很难采用生物技术。即使是在年降雨量较大，生态自我恢复能力较强的地区， 由于流动沙地、沙丘的风沙对动植被幼苗伤害极大，因此在生物治沙时，也必须与其它 治沙技术结合使用才能有好的效果。 工程治沙技术：是指采用各种工作手段，防治风沙危害的技术体系。由于流沙运动 及危害主要是由于风力作用所致，其形成、发展与风力的大小、方向有直接关系。因 此，工程治沙所采取的途径是对风沙的阻、输、导、圃，从而达到减轻风沙作用，防止 风沙危害的作用。 工程治沙技术方法有： ( 1 ) 设草方格，建立立体栅栏，设置各种材料的网膜固沙技术。 ( 2 ) 水拉沙，治沙造田技术。 该技术利用河流、湖泊、水库的水源自流引水或机械抽水，以水力冲拉沙丘，既消 除沙害，又扩大了耕地面积。其前提是沙区附近有足够的水源。 化学治沙技术：是指在风沙环境下，利用化学材料与工艺，对易于发生沙害的沙丘 或沙质地表建造一层既能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的沙固层，以 达到控制和改善沙害环境，提高沙丘地生产力的技术措施。 化学治沙技术包括： ( 1 ) 铺设高分子化学捌料、石油沥青制品治沙吲沙技术。 ( 2 ) 用化学制品增肥保水造林技术。 化学治沙技术在中东地区应用较多。但其缺点是成本高，原料缺乏，且其中的高分子化 学成分不宜降解。 1 - 1 2 治理沙漠化技术发展趋势 通过对治沙技术的研究，我们发现只有将生物治沙与工程治沙相结合，才能高效彻 底的治理沙漠。而对于生态条件极脆弱的地区应采用二l ：程治沙技术。该方法使用的材料 取利广泛，效果显著，成本低廉，副作用小，且当沙障腐烂后会增加土壤有机质含量， 因此不仅适于大范围推广，而且有利于与植物治沙技术相结合使用。 因此，开展铺设草沙障机械装备的研究是当务之急。使用草沙障机械装备对流动沙 丘的快速治理、改善、修复人类的生存环境有着现实的意义。 智能型的高效多功能铺设沙障机械装备所带来的生态效益是显而易见的，只有使用 现代机械铺设方式取代人工铺设方式，方能达到固沙速度大于沙进速度，这样才能在人 沙的较量中占得主动，快速有效的减缓沙漠化的进程。从而实现了人进沙退，“再造一 片秀美河山”的愿望。 我国目前草方格沙障铺设均采用人工铺设，由于工作地点偏远，环境恶劣，每人每 天平均最多可铺设2 0 0 平方米左右( 以铺设1 m 1 m 半隐蔽式沙障为例) ，且受天气条 件限制严重，所以铺设效率很低。因此只有使用现代机械铺设方式取代人工铺设方式， 大力发展沙漠治理机械化，才能使我国的治沙经验得到大面积的应用，加速沙漠逆转， 彻底根除沙漠对人类的危害。因此我们课题组研制出一种智能型的高效多功能铺设沙障 机械设备草方格铺设机器人。 草方格铺设机器人主要分为以下几个部分：草方格纵向铺设系统、草方格横向铺设 系统、控制系统、液压系统、牵引动力系统、气动系统和其它系统组成。 牵引动力系统2 控制系统、液压系统、气动系统3 纵向铺设系统4 横向铺设系统 图1 1 草方格铺设机器人组成图 草方格横向铺设系统顾名思义它主要用于实现横向镝草任务，它通过控制系统控制 供草机构输草，经导草机构将草运送到传送带，然后插草机构和剪切机构同时工作完成 插草和剪草的任务。本论文所进行的研究是针对草方格横向铺设系统中的剪切机构。 剪切机构所要完成的任务是在o 2 秒内将草帘绳割断，并回到初始位置，间隔1 8 秒后继续执行重复操作。由于本机器人应用的特殊性，现在尚无在此种条件下的剪切机 构，本论文主要是设汁出一种新型的剪切机构使其达到预期的要求。通过应用仿真软件 对此剪切机构对剪切机构进行仿真设计，最终设计出合理可行的剪切机构，并应用于草 方格铺l 殳机器人，这也正是本题的立题目的。 1 1 3 国内外剪切机构的发展状况 剪切机构作为机械加工系统中不可缺少的组成不分，国内外都有很大的发展，当前 剪切机构中各种技术的应用层出不穷，下面简单介绍以下几种剪切技术。 东北林业大学硕_ | 。学位论文 ( 1 ) 热切割切割技术。热切割技术发展也很快，切割方法也由单一的氧火焰切 割逐步改用等离子弧切割。近年来，高精度的激光切割法更加受到注目。激光切割技术 由于具有切缝窄、切割速度快、热影响区小、捌料变形小和可切割各种复杂形状的部件 等优点，引起了人们的广泛兴趣。激光切割时，为了提高切割质量，必须根据不同的被 切割材料，选择不同的辅助气体、激光工艺参数p j 。但是由于本课题所以切割的材料是 干草帘，所以热切割行不通。 ( 2 ) 机械切割技术。当前实现机械切割的技术也很多，由锯条切割，发展到机床 切割和高压水切割，后来出现了电解切割、数控线切割加工，高速走丝电火花线切割技 术。高新技术的出现促进了加工工艺的和加工精度的提高，但是，这些技术都各有各的 不同用途，和适用情况。例如高压水切割技术首先由苏联发现，后由美国麦克卡特尼公 司第一个取得了专利权，这种技术有很多优点，如它切割下来的碎屑与水一同流走，可 改善工作环境，另外，它的工艺行也比较好，它的切缝狭窄，只有o 1 一o 8 m m ，原材 料损耗率低，切口整齐，光滑，无毛刺，板材两面的切缝宽度基本相同，不产生分层和 变形问题，加工后，无需对工件加以修边。另外，高压水切割是冷加工，加工部件不产 生热变形、热应力，强度也不发生变化【4j 。高速走丝电火花线切割加工由于其独特的加 工方法和较高的性价比得到了迅速发展，并在许多机械生产领域发挥了重要的作用，它 的特点是切口较小，精度较高。但由于本课题的环境是在沙漠中，切割的材料为草帘， 所以这些方法并不适用。 1 2 本论文的主要工作 本论文主要研究内容 ( 1 ) 本文在研究了草方格铺设机器人的工作原理的基础上，确定剪切机构的基本 机理，需要完成的功能，设计出基本结构。 ( 2 ) 用p r o e n g i n e e r 软件建模。 ( 3 ) 分析计算剪切机构的受力情况，通过实验确定草帘绳的剪断力。 ( 4 ) 通过p r o e 与a d a m s 的接口，将模型引入a d a m s 中对模型进行动力学仿真。 ( 5 ) 将剪切机构模型引入到a n s y s 中，对构件进行有限元分析计算，对剪切机构 的强度进行分析，并改进模型。 ( 6 ) 实验阶段，测出剪切机构运动的合理性，可行性和与输草机构，插草机构的 协调一致性，从而找出设计中存在的问题并加以改进。 ( 7 ) 结论阶段将研究模拟条件和实验条件结果的差距，最终得出剪切机构的最终 结构。 1 3 本章小结 针对我国当前沙漠化严重，情况恶劣的情况，课题组提出了以机械化铺设草方格的 工程治沙技术，该课题的研制成功将大大推动治沙工程的发展，但由于在该领域还没有 类似的殴备，所以对于课题组来说，每个机构功能的实现都要通过大量的实验和调试， 1 绪论 剪切机构就是在这样的环境下设计出来的，所以在实验和调试的过程中，我们要通过工 程软件对机构进行仿真分析，以缩短实验的时问。 东北林业人学坝_ 一学位论文 2 剪切机构的设计与模型建立 2 1 大型建模软件p r o e n g i n e e r 介绍 p r o e 软件简介 p r o 肥ng i n e e r 系统主要功能如下： ( n 真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。 f 2 ) 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。 f 3 ) 具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。 ( 4 ) 容易使用，可以极大地提高设计效率。p r o e n 百n e c r 系统用户界面简洁，概念清 晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统 一的模型。p r o e n e j n e e r 建立在工作站上，系统独立于硬件，便于移植。其中在国内， 以a u t o c a d ，u n i g r a p h i c s ，p r o 甩n g i n e e r 应用最为广泛，而在三维效果方面，无 疑以p r o e 应用得最为普遍，p r o 但把所有的功能模块建立在统一的数据结构上，提供 了所有： 程项目之问的全关联，真正实现了c a d c a e c a m 的有机集成。用户可以同 时对同一产品进行并行的没计工作，从而可以提高设计质量，缩短开发周期。 p r 0 e n g l n e e r 仅生成实体模型米描述工程师所设计的产品模型，不再应用线框 和表面模型转换成实体模型的手段，思路清晰。由于它有完整而统一的模型，在整个设 计的相关环节上反映出来。 p r o e n g 州e e r 采用基于参数化，特征设计的三维实体造型系统，这样便于在新 产品的开发中实现概念设计，也可方便的依照工业标准的零件族概念建库。 p t c 公司的j 系列建立在新一代实体c a d c a e c a m 解决方案之上，它是那些把 产品设计信息的价值延伸到桌面用，二及整个企业的应用程序的后续产品，它能让用户访 问到产品开发生命周期中每个阶段的产品信息。i 系列提供了一些集成工具使开发流程 自动化，并能管理设计更改。它具有以下特点：创新( i n h o v a t i v e ) 、互操能力 ( i n t e r o p e r a b l e ) 、以为中心( i n i e r n e t c e n t r i c ) 、直观( j n t u i t i v e ) 以及个性化( i n d i v i d u a l i z e d ) 。 p r 啦n g i n e e r 软件开发环境在支持并行工程方面是独一无二的。通过一系列完全相关 的模块一它们能够表达产品的外形、装配及其功能t r o e n g i n e e r 能够把多个部门同 时致力于同一产品模型中。这包括在工业设计和机械设计方面的多项功能，包括对大型 装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。p r o ，e n g i n e e r 还提供了目前所 能达到的最全丽、集成最紧密的产品开发环境。 p r o e n g i n e e r 可以在所有主要的u n i x ，w i n d o w sn t 以及w i n d o w s 9 5 平台上运 行，并且在每一个平台l 保持同样的外观，使用起来的感觉也一样；用户根据需要选择 最经济的硬件配置，也可以选择异型结构的多品种平台。由于p r o e n g i n e e r 独特的数 据结构模式，产品信息可以毫无困难的在不同平台删流动。p r o e n g i n e e r 用户界面 简洁，概念清晰，符合工程技术人员的设计思想与习惯。 在国内的一些公司和企业中，p m e 作为一种软件1 具，主要还是集中在辅助设计 2 归训机构的设计与模型建立 之上，虽然有些企业已经用于辅助制造和模拟上，但毕竟用的比较少，而p r o e 作为一 种强大的三维软件，其辅助设计功能的确很强大。 2 2 剪切机构的设计 草方格铺设机器人主要分为以下几个部分：草方格纵向铺设系统、草方格横向铺设 系统、控制系统、液压系统、动力系统、探测排障系统、气动系统和其它系统组成。本 论文所研制的剪切机构是为完成横向铺设系统中的剪切任务而设计的。 本没计存在的难点： ( 1 ) 本机构工作环境十分恶劣，要求机构的设计能克服环境的影响。由于草方格 铺设系统是在沙漠中铺设，沙漠中存在着缺水，缺电，自然条件恶劣等不利条件，所以 传统的热切割技术，机械切割技术都不适合在此恶劣的条件下工作。 ( 2 ) 本机构有很高的技术要求。它所切割的材料是草帘子，且草帘子的运动是间 歇瞬时停歇运动，这就要求剪切机构的运动也是间歇瞬时停歇运动，本机构要求在0 2 秒内完成剪切和复位运动，1 _ 8 秒后继续重复此过程，这就要求机构具有迅速性和准时 性的特点。 ( 3 ) 要求剪切机构具有独特的结构。传统的切割和剪切设备，如包装机械的剪切 和乳品包装的剪切，布匹纸张的剪切，钢板的切割设备等等都各自存在着局限性，有的 是工作条件不能达到要求，有的是时间上无法满足要求的，有的是机构设计过于复杂， 所以都不适合在此条件下工作。本剪切机构不同与传统的剪切装置在于：第一，传统的 剪切机构动力采用的是齿轮传动和曲柄连杆机构，本机构拟采用气缸做动力，首先它可 以保证速度，其次它可以使结构简单。第二，传统的剪切机构剪切动作一般为自上而下 进行切压，或者从两边进行切割，但由于草帘要在传送带上传动，并在传送带上进行切 割，因此这两种方法都无法应用在此结构中，所以我们拟设计出一种从中问向两边剪切 的机构，这样就可以实现剪断草帘绳的目的。 剪切机构的剪切动作主要由气缸带动左右两个刀臂向两边运动来完成。气缸由四 个螺栓与机架固定，气缸推杆通过上下运动推动左右两个刀臂沿着固定的滑道向两边运 动，以实现使两边的草帘绳剪断的目的。( 见图2 1 ) 东北林业大学硕= i ：学位论文 i 暑 乇 。 i 三丑 、i 目 一， 1j )l 、7 1 左滑道2 左刀臂3 气缸4 右刀臂5 右滑道 图2 1 剪切机构设计图 ( 1 ) 剪刀运行的轨迹方程： x = 三2c o s ( a 一卢) 一工1c o s 卢 y = 一三2s i n ( a 一卢) 式中：l 一为上刀臂的长度； 三，一为下刀臂的长度； a 一上刀臂下刀臂的夹角。= 1 0 0 。； 卢一上刀臂与滑道的夹角初始角卢。= 5 0 。 气缸选用型号s c 4 0 1 0 0 一l b 型，气缸的推力： 、 f = 寻d 2 p 卢( ) 式中：峭缸内径( 活塞直径) ； 户一气源压力 卢一负载率( 慢速时卢= 6 5 左右快速时卢= 3 0 ) 气缸要求在o 2 秒内完成一个行程。 ( 2 ) 切刀的线速度与角速度： 角速度： w = ( 卢l 一卢：) f 式中：卜转过崩一卢。角是所用时间 线速度： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) = = = ：。：兰塞窒! ! 丝竺：竺茎皇丝型些兰 v = 2 = ( 层一织) 2 r( 2 4 ) 切刀在终点时的线速度： v 。= 卢。一a r c s j n ( 三：s j n 风一s ) 上2 x ：r 。 ( 2 5 ) 式中：s 一气缸行程 f 。一切刀从开始位置到终止位置所经过的时间，一般取f 。为o 1 秒。 2 3 p r o e 模型建立 ( 1 ) 打，：| 二p r o e 软件，点击新建按钮，选择零件选项，选择单位为m m k s 。 ( 2 ) 通过拉伸、剪切、旋转命令依次建立剪切机构的各组零件。 ( 3 ) 局部装配。将机构分成气缸、左刀臂，右刀臂、左右滑道几部分，依次进行 装配。 ? 机构组装。将各局部组装件通过销轴组装起来，对组件进行着色，以便观 察。组装图见下图所示。 图2 2 剪切机构模型 型坐垄墼坠鲨兰 1 框架结构2 上音| j 输草机构3 中间输草机构 4 _ 上部换草系统 5 横向插草机构 6 剪切机构7 压紧机构8 下部输草机构b9 下部输草机构c 1 0 下部输草机构自 2 4 机构受力分析 图2 3 剪切机构在横向插草机构中的位置 f 台，一 0 7 f 6 图2 _ 4 剪切机构受力图 ( 1 ) 机构 ：作压强：p = 0 8 m p a ： ( 2 ) 工作压力：f = ，水2 p 口= 口o 0 2 2 0 8 1 0 6 3 0 = o 3 0 1 5 9 1 0 3 ( 3 ) 分配到左右两个刀臂的力：e = 三f s i n 5 0 。= o 1 9 6 7 6 1 1 0 3 ； 1 0 ! 竺型! ! 塑塑篓兰兰堡竺些耋； ( 4 ) 轴承在轨道内滑动产生的阻力 式中：女，一轴承与滑道之间的摩擦系数。 e = 扣f = 言o 慨呦s 。圳3 “s ( 5 轴承自身转动产。生的阻力；寻i ：，；x o 0 0 2 o 3 0 1 5 9x 】o ，：o 3 式中 ：一轴承自身转动产生的摩擦系数。 ( 6 ) 刀臂与轴之间产生的磨擦阻力= 吾，f = 吾o 0 5 o 3 0 1 5 9 1 0 3 ：7 5 ( 7 ) 摩擦阻力之和略= ，2 + e + ，4 。1 5 3 ( 8 ) 剪刀切断草帘绳所需要的力只= 2 0 5 0 剪切机构切草力的实验数据如表2 1 表2 1 剪刀对不同草帘绳在不同速度下的剪切力 2 s 本章小结 根据剪切机构所要实现的功能，考虑到其运动对整个机构的影响，我们初步设计了 一套方案，并为其配备了动力源，并从理论上计算了机构的受力情况，大小、各个方向 的阻力，并通过实验测量了刀在不同速度下对草帘绳的剪切力的大小，并用 p r o 但n 百n e e r 三维建模软件对机构进行建模，在计算机中再现模型的实体，为后面的动 力学和有限元仿真打下基础。 东北林业大学坝l 学位论文 3 剪切机构的机构动力学分析 a d a m s 软件是种虚拟样机仿真软件。虚拟样机技术是指在产品设计开发过程 中，将分散的零部什没汁利分析技术( 指在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种：l ： 况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的种新技 术。 a d a m s 是世界上应用最广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件。工 程师、设计人员利用a d a m s 软件能够建立和测试虚拟样机，实现在训+ 算机上仿真分析 复杂机械系统的运动学和动力学性能。 利用a d a m s 软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模 型。该模型既可以是在a d a m s 软件中直接建造的集合模型，也可以是从其他c a d 软 件中传过来的造型逼真的集合模型。然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激励。最 后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过 程的实际运动情况。过去需要数星期、数月才请完成的建造和测试物理样机的工作，现 在利用a d a m s 软件仅需几个小时就可以完成，并能远在物理样机建造前，就可以知道 殴计方案的样机是如伺工作的 a d a m s 软件的特点： a d a m s 软件能够帮助工程师更好的理解系统的运动、解释其子系统或整个系统及 产品的设计特性，比较多个设计方案之间的工作性能、预测精确的载荷变化过程，计算 其运动路径，以及速度和加速度分布图等。a d a m s 将强大的分析求解功能与使用方便 的用户t 界面相结合，使该软件使用起未既直观又方便，还，u 用户专门化。 a d a m s 软件的特点如下： - 利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。 - 分析类型包括运动学、静力学、和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分 析，包含刚体和柔性体分析。 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提 供多种“虚拟样机”方案。 具有一。个强大的函数库供用户自定义和运动发生器。 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形。 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限元的输入 载荷。 支持同大多数c a d 、f e a 和控制设计软件包之问的双向通讯。 a d a m s 软件在动力学仿真中应用前景广阔，汽车、航空、航天、机械设计等各行 业都大有用武之地，是现代化公司保持其自身竞争力的一个有力工具。同时对于大学课 程中理论力学，机械动力学等的教学，岜有促进作用。 3 剪切机构的机构动力学分析 3 1 运动学原理 3 1 1 动力学方程的建立 a d a m s 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程 暑一+ ? 。7 舢。7 舢一。 妒k ，fj = o ( 3 1 ) 口( 可，牙，f ) = o 其中妒( q ，f ) = o 为完整约束方程口( g ，4 ，f ) ；o 非完整约束方程 式中：7 1 系统动能； g 系统广义坐标列阵； q 广义力列阵； p 对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 芦对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 把( 3 1 ) 式写成更般的形式： f f ( q ，“，驴， ，f ) = o g ( v ，日) = v 一口= o ( 3 2 ) i中( q ，f ) = o 式中：q 广义坐标列阵； 4 ，v 广义速度列阵； 入约束反力及作用力列阵； ，系统动力学微分方程及用户定义的微分方程 币描述完整约束的代数方程列阵： g 描述非完整约束的方程列阵。 3 1 2 运动学分析 运动学分析研究零自由度系统位置、速度、加速度和约束反力，因此只需求解系统 约束方程： 中( q ，f ) = o ( 3 3 ) 用吉尔( g e a r ) 预估一校f 算法可以有效地求解上式。根据当前时刻的系统状态矢 东北林业大学硕士学位论文 量值，用t a y l o r 级数预估下一个时刻系统的状态矢量值： y 。喘+ 等 + 击誓n 式中：时间步长 = f 。 ( 3 4 ) 这科- 预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，公式( 3 2 ) 右边项不 等于零，可由吉尔“1 阶积分求解程序( 或其它向后差分积分程序) 来校正。 女 y 一= 一 卢。儿+ n 批+ - ( 3 5 ) 式中：y 。y 0 ) 在f 。时的近似值； 风，a 。g e a r 积分程序的系数值。 整理公式( 3 5 ) 得： 虬2 斟一+ 泓+ 1 s ， n “2 面p + 刍q “1 j 曲 将公式( 3 - 1 ) 在f = f 时刻展开，得： 中0 。，f 。) = o ( 3 7 ) 任一时刻f 。位置的确定，可由约束方程的牛顿一拉夫森( n e w t o n 一一r a p h s o n ) 迭代方法求 得： 甜旷帆) 式中： 幻，= q 一目，表示第，次迭代 f 。时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到 a 中a 中 i q 一了 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 等。5 一 字+ 砉砉害嘶，+ 詈( 等户啬( 等h c s _ 1 0 ) f 。时刻约束反力的确定，可由带乘子拉格朗日方程得到 东北林业人学坝：l 学位论文 分析环境内称刚性体或刚体为对象( o b j e c t ) 下面即把剪切机构的各个部件定义为刚 体。 单。使 以为刚 单击m r c h p r 。 s e tu pm e c h a 州s m r 1 9 1 db o d i e r c r e a t e ，弹出r bc r e a t i o n 菜 用b ys e l e c t i 。1 1 将各零组件气缸、活塞、左刀臂、右刀臂、轴承、滑道分别定 体。 察看定义刚体结果，确定刚体定义的正确性。 表3 一l 定义刚体 ( 5 ) 定义连接约束条件。 点击s e tu pm e c h a n is l n c o n s t r a i n t s j o i n t c r e l t e l e v 0 1 u t e ，弹出d e f