基于UG的精密播种机单体虚拟制造设计

黑龙江八一农垦大学本科毕业设计摘要针对长期以来精密播种机的研制存在生产周期长、成本高，而且当产品制出后，经常会 出现部件、零部件之间相互干涉而无法装配等缺点，介绍了应用UG软件进行精密播种机单 体虚拟制造和运动仿真的过程。 首先对建立的精密播种机单体零件三维模型进行约束和连接 装配，形成精密播种机单体整机装配，然后进行运动仿真，展示在虚拟环境下的运动特性。 最 后对仿真结果进行处理，测试精密播种机单体的运动性能和检测干涉情况，从而对错误进行修 改。 结果表明：该方法提高了精密播种机设计的准确性和效率，代替了物理样机的制造和试 验，大大降低了成本。关键词：农业工程； 精密播种机单体； 虚拟制造； 运动仿真AbstractFacing the 1ong-standing prob1ems existing in the deve1opment of the precision p1anter such as the pro1onged production period, the high production cost and the dificu1ty in the fina1 asemb1y because of the interference betwen the interacted parts, a proces of the virtua1 manufacturing and motion simu1ation of the precision p1anter unit was introduced app1ying the ProIEngineer software.The fina1 asemb1y of the p1anter unit was formed by restricting and connecting its parts 3-D mode1s. Its motion simu1ation was performed to demonstrate the movement characteristics in the virtua1environment.The simu1ation resu1ts were procesed to check the movement characteristics of the p1anter and to corect the posib1e interferences.The resu1ts showed that the proposed proces improves the acuracy and eficiency of the precision p1anter design and deduces the deve1opment cost by using the virtua1 space instead of the physica1 space.Keywords: Agricu1tura1engineering; Precision p1anterunit; Virtua1manufacturing; Motion simu1ation;目录摘要IAbstractII目录III前言V1我国精密播种机发展现状11.1精密播种机的发展前景11.2新技术的应用不断普及32运动仿真过程43装配连接64 运动仿真预设置84.1新建运动仿真方案84.2 参数设置84.3 创建连杆84.4 创建运动副85多功能播种机总体设计95.1精播机系统方案设计确定95.2农业机械的一般设计要求105.3总体参数10 6机架设计14 6.1机架设计计算的准则146.2机架设计的一般要求146.3精播机机架结构设计方案157播种系统设计167.1排种器的选型及其材料的确定167.2结构设计178开沟器248.1开沟器248.2开沟器比较分析及本机开沟器设计249覆土、镇压装置269.1覆土器269.2镇压轮269.3轴承校核2710 常见故障与排除28结论29参考文献30致谢31附录32前言精密播种机这类机械产品的设计通常采用二 维几何绘图,产品制造出来后经常会出现一些设 计失误,如零部件无法安装以及运行时发生干涉 等。 采用三维 CAD设计产品,不是一个单纯绘图 的过程,而是一个虚拟制造的过程。 设计出来的 产品是与实物完全相同的数字产品,零部件之间 的间隙和干涉一目了然,可以把错误消灭在设计 阶段。 对于运动机构的设计,无论是于工绘图设 计还是二维 CAD的计算机辅助设计,都没有办法 处理,简单的机构还可以模拟,稍微复杂一点的运 动机构就束于无策了。 应用三维设计软件来处理 机构的运动,可以使立体的数字产品在计算机中 运动,模拟真实机械的理论运动过程。 不但能测 试机构是否能运动,还可以检查机构运动时是否 会产生干涉,计算出机构上某个点的运动轨迹,将 机构运动记录下来,产生动态的图片,从而实现机 械产品的虚拟制造和运动仿真。 在国外,虚拟 样机技术已在工业产品的研制上得到应用,取得 了显著的效果。 目前国内将三维 CAD技术 应用在播种机械方面的研究大多是对零部件 和某一机构进行的三维参数化设计和运动仿真, 而对于精密播种机单体整机进行虚拟制造和运动 仿真方面还未见报道。- 45 -1我国精密播种机发展现状我国从80年代末便开始研制精密播种机械。由于种子质量、整地条件、机械制造水平及机器价格等因素制约，我国80年代主要是推广半精量播种。为适应农村生产责任制的要求，大量推广了小型单体播种机。90年代以来，我国逐步推广精密播种机，有10多个企业生产了20多种型号的精密播种机。精密播种机以作物种类分为玉米及大豆精密播种机、谷物（小麦）精密播种机、甜菜精密播种机；以配套动力分为小型（5.813.2kw）、中型（16.236.8kw）和大型播种机（40.4kw以上）精密播种机；以排种器形式分为机械式和气力式两大类精密播种机；机械式中又可分为垂直圆盘式、垂直窝眼式、锥盘式、纹盘式、水平圆盘式、带夹式等形式精密播种机。1.1精密播种机的发展前景1.1.1单粒精密播种机迅速发展在国外，中耕作物如甜菜、玉米、棉花和某些蔬菜、豆类的播种都已大量采用精密播种，主要采用机械式和气力式两种精密播种机。由于气力式播种机对种子尺寸要求不严，不需精选分级，容易达到单粒精播，而且通用性较好，又能适合较高速播种，因此使用气力式播种机越来越多。 为了达到单粒精播，提高株距均匀性，大多采用可精调的刮种器，将多余的种子清除掉；为了降低投种高度，减小种子下抛速度与前进速度之间的相对速差，而设置导种轮或导种管。但是，精密播种受高速作业的影响很大。现有的精密播种机试验结果表明，一般作业速度在48 kmh时，其株距合格率达80以上；而作业速度提高到1112 kmh时，株距合格率下降到60以下。可见高速精密播种机还有待进一步发展、完善。1.1.2 播种机的通用性和适应性不断提高 大多数精密播种机都可以播多种作物，通过更换不同孔径的排种盘(轮)或排种滚筒，使排种器能适应多种作物种子的播种要求。改变型孔大小或增加成穴机构，使之能达到穴播的要求；改变排种器工作转速以达到不同株距的要求。所有这些均提高了播种机的通用性。为了适应不同地区、不同土壤、不同整地条件的要求，大多数播种机上配有多种类型的开沟器(双圆盘式、滑刀式等)和镇压轮(橡胶轮、钢板冲压轮、铸铁轮、宽轮、窄轮等)，供选用。同一型号的精密播种机又成系列，有多种行距和行数的变型。如美国CYCLO气压式播种机有牵引式和悬挂式，有4、6、8、12、16行等共16种机型，可为多种功率的拖拉机配套。1.1.3 精密播种机向高速宽幅发展 为了在最适宦的农业技术条件下、用最短的时间做到适时播种，以及随着拖拉机功率不断增大，为了充分利用其功率，因此要求提高播种机作业的生产率。 影响提高播种机组生产率的因素很多。除了提高机组的工作可靠性、减少故障、简化操作以减少辅助作业时间、提高纯工作时间的利用率外，提高生产率的最主要途径是增大播种机的工作幅宽和提高作业速度。增大播种机工作幅宽虽能直接有效地提高生产率，但加大工作幅宽使机体庞大，消耗金属多，成本高。同时，庞大的机体将受到田块大小、地头转弯以及道路运输的限制，使用不方便。因此，国外很重视提高作业速度的研究。 70年代，中耕作物播种机作业速度一般从46kmh提高到810kmh。如西德Aermoat型气力式播种机、法国Pneumasem气吸式播种机和美国7000型指夹式播种机的作业速度为810 kmh，作业质量仍能符合要求。但是，播种机高速作业带来一些问题，如排种性能下降，开沟深度变浅，种子在沟里弹跳、滚动加剧，以及驾驶条件恶化等等。因此，目前作业速度不能太高。中耕作物播种机的工作幅宽，一般单机都由34 m增大到56 m有的工作幅宽更大，如美国CYCLO气压式播种机系列中的16行播种机，其幅宽达11.68 m。加大幅宽使播种机结构庞大笨重，使悬挂式播种机组纵向稳定性变坏，还受到地块大小、道路运输的限制。1.1.4 广泛采用联合作业 播种同时进行联合作业的方式发展很快，形式也比较多，主要有两种：一是在大多数中耕作物精密播种机上都配置排肥器、施肥开沟器以及施撒农药和除莠剂的装置。如西德、法国和美国的几种精密播种机都可以在播种同时施化肥、撒农药和除莠剂。二是播前整地和播种联合作业，如旋耕播种机、犁播机以及有的在开沟器前方加波形圆盘或锄铲进行灭茬播种或少耕法播种，以减少耕作次数，提高生产率，降低作业成本，还可以减少土壤风蚀和起到保墒的作用。1.2新技术的应用不断普及 为了提高播种机作业性能和工作可靠性，简化操作、减轻劳动强度、减少辅助作业时间、提高生产率，播种机上越来越多地采用新技术。如用液压油缸来升降和调节开沟器、划行器、折叠机架；采用液压马达驱动风机或装肥搅龙；采用信号装置、电子监视装置或监控装置来及时报警故障的发生，显示播量或自控凋节排种量大小；开沟器装备一次润滑的滚动轴承；行走轮采用无内胎充气轮；快速挂接装置；宽幅播种机加装横向运输轮等。 在工艺材料方面，播种机上采用塑料或尼龙的零件更多了，如排种盘、排肥盘、轴套、输种管等；采用铝金压铸排种轮、排种器体壳，提高了零件精度，减轻了重量；播种机机架和各种杆件采用薄钢板冷压成异形断面以代替扁钢、角钢和槽钢，增加了刚度和强度，又减轻了重量。2运动仿真过程精密播种机单体由仿形机构、机架、开沟器、 排种器、地轮及传动系统、覆土机构组成。 其工作过程是地轮转动, 带动排种盘排 种,同时,开沟器在仿形机构控制下在田间地表开 出播种所需的深沟,种子落入沟内,由覆土机构完 成覆土。 可以看出,精密播种机的工作是由仿形、 开沟、施肥、播种、覆土、镇压等多种工作部件完成 的复杂动态过程,其田间作业指标要求高,设计难 度大,试制及试验的费用相当昂贵。对精密播种机单体进行虚拟制造和运动仿真 的步骤包括零件三维设计、机构装配连接、运动仿 真、运动结果处理和分析等,其工作流程见图 图 2-1播种机单体简单结构图图 2-2工作流程图零件设计是三维设计的基础,用软件 的建 立零件 既快 捷又准 确, 通过 拉伸 （ Extrude)、 旋 转 （ Revo1ve)、 扫掠 （ Swep)、 混 成（ B1end) 、抽壳（ She1) 等方法可生成零件实体,并 建立合适的约束条件和特征间父子关系,在设计 过程中可从不同角度观察零件,以便对错误进行 修改。 如排种盘的三维设计过程为：旋转生成基本实体拉伸切除形成中心轴孔建立孔特征数组复制孔特征,完成设计。根据精密播种机单体零件的不同结构特点, 采用不同的设计方法依次对所有零件进行设计, 并建立精密播种机零件库。 可通过模型树（ Mode1Tre) 了解 零件的设计过程, 灵活 地对 其 进 行 修 改。图为精密播种机单体部分零件的三维图图 2-3部分零件三维图3装配连接零件设计完成后,就可以利用UG软件的模块进行装配连接,UG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（ Mate)、对齐（ A1ign) 、插入（ Insert)、坐 标系（ Cord Sys)、相切（ Tangent)、线上的点（ Pnt on Line)、 曲面上的点 （ Pnton Srf)、 曲面边（EdgeonSrf)以及自动（Automatic)等约束类型。连接类 型 包 括固定 （ Rigid) 、 销钉 （ Pin) 、 滑块 （S1ide)、圆柱 （ Cy1inder)、 平面 （ P1anar) 等方 式。根据精密播种机单体各部件的实际装配关系和部 件的运动功能选择相应的放置类型和连接类型, 能够使装配件实现运动功能,如开沟器柄与仿形机构后支座之间、仿形机构后支座与机架之间、种 箱与机架之间、轴承座与机架之间、排种器壳与机 架之间采用匹配、对齐等约束类型进行放置装配,而仿形机构前后支座与连杆之间、轴与轴承之间、 覆土机构与机架之间等处采用连接装配,先用销钉连接,再用一个轴对齐和一个平面匹配来限制 连接元件沿轴线的平移,装配后连接元件可以绕着元件转动但不能相对于附着元件移动。图 3-1装配图运动仿真过程为了减少运动副数量，将各个部件之间的运动关系表示清楚，提高机构运动分析的效率。在对花生播种机进行运动仿真之前，首先要根据运动副对花生播种机结构进行简化，建立运动仿真模型。本文运动仿真的目的在于根据运动仿真的结果来研究开沟器的运动轨迹、分析仿形机构设计的合理性及影响仿形误差的因素，并以此为原则，去掉与运动仿真过程无关的部件，进行模型简化。将刚性连接在将悬挂装置简化为一个连杆，去掉起垄装置、排种装置、施肥装置、喷药装置和覆膜装置，简化后的运动仿真模型中只包含拖拉机模型、仿形机构、播种机机架、施肥铲、双圆盘开沟器和限深轮等部件。由于在运动仿真过程中不考虑土壤阻力及土壤的松软性，所以为了提高机构运动仿真分析的效率，在运动仿真模型中将仿形机构上的压力弹簧去掉。4 运动仿真预设置4.1新建运动仿真方案在 UG 的应用中，选择“开始运动仿真”命令，进入运动仿真分析模块。在运动仿真导航器中新建一个运动仿真模型，在环境对话框中接受默认的“动态”分析。4.2 参数设置选择“首选项运动”命令，弹出运动仿真预设置对话框，选择重力常数为默认值，证角度单位为度。4.3 创建连杆本模型创建了 11 个连杆，标号为 L001 L011。其中，L001 是驱动连杆;L002为拖拉机; L003 是悬挂架及仿形机构前拉杆; L004 是仿形机构上拉杆; L005是仿形机构下拉杆; L006 包括仿形机构后拉杆、播种机机架、限深轮、施肥铲和双圆盘开沟器; L007 L009为施肥铲位置上的辅助连杆; L010 和 L011 为双圆开沟器位置上的辅助连杆。4.4 创建运动副选择“解算方案”命令，设定解算方案类型为“常规驱动”，分析类型为“运动学/动力学”，时间为200s，步数为 300 步。在“解算方案”对话框中，单击“确定”按钮进行解算。解算完成后，“动画控制”对话框自动弹出，单击“动画控制”对话框中的“播放”按钮，通过运动仿真动画来表现花生播种机的运动过程，观察仿形机构和开沟器在上下坡过程中的运动状态，如图 5 所示。运动仿真的结果以图表和电子表格的形式绘出，选择“生成图表”命令，生成运动副 J015 J017 和J018 J020 的 Y 方向的位移曲线与位移曲线数据点电子表格5多功能播种机总体设计5.1精播机系统方案设计确定5.1.1 主要技术参数：1)配套动力：1220马力四轮拖拉机 2)机具质量：350kg（含水箱） 3)作业行数：两行 4)行距：450550mm （可调） 5)穴距：260-330mm（可调） 6)穴粒数：13粒 7)播深：4060mm 8)铺膜宽度：6001000（mm） 9)水箱容积：300升/只 10)施肥箱容积：16升/只 11)作业速度：23km/h 12)作业生产率：1.5-3亩/小时 13)播水量根据农艺要求自行控制5.1.2 机具构造该机构主要由机架,主轴总成,刮土板,施肥机构,水箱,植保机构,开沟器,穴灌水机构,镇压机构,铺膜机构及间隔填土压膜机构等组成，其结构图如下所示5.1.3主要经济指标1)种子破损率90% 3)漏播率95% 5)地膜漏覆土程度e,X=0.56,Y=1.73 （9-1）查表得：Pr=XFr+YFa=9052N轴承6203的Cr=9580N,故选取轴承合适。(2）校核轴承的额定静载荷Por=4250NCor=4780N （9-2）所以轴承6203满足要求。10 常见故障与排除1)播种不均匀 若因作业速度变化大，应使作业速度保持均匀；若因刮种舌严重磨损，应更换刮种舌；若困外槽轮卡箍松动，使工作长度变化，应调整外槽轮工作长度，固定好卡箍。2)排种器不排种 种子箱内种子不足时，应添加种子；传动机构不工作，应检修调整传动机构；驱动轮不转动，应排除驱动轮故障；排种轮卡箱、键销松脱时，应重新紧固排种轮；输种管或下种口堵塞，应及时排除堵塞物。，3)种子破碎率高 作业速度快，使传动速度过高，易使种子破碎率高，应降低作业速度，保持匀速前进；护种装置损坏，应更换护种装置；刮种舌离排种轮太近时，应调整刮种舌与排种轮的间距。4)播种深度不够 主要因开沟器拉杆变形，入土角度小，使开沟器弹簧压力不足所致。应矫直开沟器拉杆，增大入土角，并调紧弹簧，增加开沟器压力。5)开沟嚣堵塞 播种机落地过猛，开沟器堵土时，应停机清理开沟器的堵土；作业时禁止开沟器入土后倒车。6)覆土不严 覆土板角度不当，应调整覆土板角度；弹簧压力不足，应调紧弹簧。 结论本文利用 UG 软件的运动仿真模块，在对播种机结构进行简化的基础上，建立运动仿真模型，对播种机机构进行运动仿真分析，研究施肥铲和双圆盘开沟器的运动情况。通过播种机的运动仿真动画，可以直观、生动地观察花生播种机在上坡和下坡过程中的运动规律，得到施肥铲和双圆盘开沟器运动轨迹曲线、施肥和播种深度曲线。对运动仿真曲线的研究有利于更好地调整仿形机构设计参数，从而减小仿形误差，保证仿形机构在实际应用中达到最佳仿形效果。参考文献1 董刚等.机械设计M. 北京机械工业出版社，19982 龚桂义.机械设计课程设计指导书M. 高等教育出版社, 1990 3 孙桓,陈作模.机械原理M.高等教育出版社, 20004 赵明生.机械工程手册专用机械卷(一)M. 北京机械工业出版社,19955 沈鸿.机械工程手册机械产品(一)P. 北京机械工业出版社,19826 吴字泽.机械设计师手册(上、下册)J. 北京机械工业出版社社,20027 汤百智,崔振勇.机械制图M. 北京机械工业出版社,2000 8 龚桂义.机械设计课程设计图册M. 高等教育出版社, 1987 9 吴字泽.机械零件设计手册P. 北京机械工业出版社, 200410 成大先.机械设计手册(1-5卷)J. 北京机械工业出版社,200211 陆玉,何在册,佟延伟.机械设计课程设计M. 北京机械工业出版社,199812 陈隆德,赵福令.互换性与测量技术基础P. 大连理工大学出版社, 199713 王德奎.农业机械设计手册S. 中国工业出版社，197014 宋正德.农业机械P. 北京人民出版社，197815 何天华.农业机械构造P. 中国工业出版社，196116 吴正龙.农业机械基础S. 人民教育出版社，197817 李正.农业机械学P. 中国农业机械出版社，198018 余俊.机械设计R. 北京高等教育出版社， 198619 Rajput R K. Elements of Mechanical EngineeringJ. Katson Publ. House.1985 20 Orlov P.Fundamentals of Machine DesignR. Moscow: Mir Pub. 1987致谢本次设计的主要目的和主导思想是对播种机的结构进行仿真。在设计中进一步加深了对机械设计的实践能力，也对在大学四年里学到的其他相关课程进行了全面的复习和运用。尤其在综合分析和解决问题，独立工作能力方面得到了很大的锻炼。锻炼了我们的查阅资料的能力培养了我们的协同工作的能力，但也暴露了我们的不足比如基础不牢靠缺乏经济观念等。由于时间的关系和能力的限制，在设计中难免存在错误和不足。恳请老师的批评和指正。在本次的设计中，得到了机械系全体老师的大力帮助和指导让我受益匪浅。使我得以顺利的完成设计，再次表示衷心的感谢。附录Design of sawing anti-blocking mechanism forno-tillage planter and its cutting mechanismLiao Qingxi1,Gao Huanwen2,Shu Caixia1Abstract: Based on blocking issues of no-tillage planter for dr