劉 芳

（菏澤學(xué)院機(jī)電工程系，山東 菏澤 274000）

虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在建立第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真分析并從圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工作條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。在設(shè)計(jì)工作初期，充分利用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，能夠極大地提高對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可能存在問題的預(yù)見性，從而使設(shè)計(jì)工作更科學(xué)、合理。虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸受到重視，尤其在農(nóng)業(yè)工程方面，已被當(dāng)作工程設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的必要手段[1-2]。穴播器是農(nóng)業(yè)機(jī)械中精度要求很高、作用機(jī)理非常復(fù)雜的機(jī)械之一。利用計(jì)算機(jī)建立穴播器的虛擬樣機(jī)，并對(duì)其工作過程進(jìn)行仿真可以節(jié)省人力物力，有助于理論研究。本文即利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)定動(dòng)瓣成穴器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)，以在試驗(yàn)樣機(jī)制作之前對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)現(xiàn)行進(jìn)行優(yōu)化。

1 虛擬樣機(jī)仿真軟件及仿真步驟

UG (Unigraphics)是集CAD/CAM/CAE于一體的大型軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其主要功能模塊有：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD模塊，包括實(shí)體建模、特征建模、自由形狀建模、工程制圖、裝配建模、高級(jí)裝配；計(jì)算機(jī)輔助分析 CAE模塊，包括有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、注塑模分析；計(jì)算機(jī)輔助制造模塊，包括 CAM 基礎(chǔ)、后處理、車加工[3-4]。本文中所有三維實(shí)體模型的建立和裝配均是在UG計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊中完成的。

ADAMS軟件具有強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)求解器，但其實(shí)體建模功能相對(duì)比較薄弱。所以本文先使用UG軟件對(duì)穴播器進(jìn)行整機(jī)實(shí)體建模，成功將其變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)字樣機(jī)，再將其轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中使用。轉(zhuǎn)換方法是先將UG的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成雙方都可以識(shí)別的中性文件格式，然后將中性數(shù)據(jù)通過幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成ADAMS數(shù)據(jù)格式。

本文對(duì)舵輪式穴播器進(jìn)行仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程如圖1所示。

圖1 虛擬樣機(jī)優(yōu)化分析設(shè)計(jì)步驟

2 虛擬樣機(jī)建立

穴播器三維模型的各個(gè)零件均在UG建模模塊中完成，然后在UG裝配模塊中裝配成整機(jī)，整機(jī)三維實(shí)體模型如圖2所示，穴播種器是由輪軸、動(dòng)盤、定盤、兩瓣式入土成穴器及其開閉系統(tǒng)等組成，其外形似舵輪狀，各入土成穴器均布于舵輪周邊、似舵柄。兩瓣式入土成穴器及其開閉系統(tǒng)主要包括固定在動(dòng)盤上的定瓣、動(dòng)瓣，固定安裝在定盤上的開啟部件凸輪、復(fù)位部件彈簧、固定部件鉸接螺柱、螺栓等。其結(jié)構(gòu)主要有兩個(gè)特點(diǎn)：一是入土成穴器由定瓣和動(dòng)瓣兩部分組成，故稱其為定動(dòng)瓣成穴，二是入土成穴器開閉系統(tǒng)采用擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪結(jié)構(gòu)。

圖2 穴播器三維模型

建立穴播器的三維實(shí)體模型是對(duì)穴播器進(jìn)行虛擬仿真的基礎(chǔ)，三維實(shí)體模型是二維設(shè)計(jì)的直觀再現(xiàn)，可以直接檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的外觀；裝配完成后可以檢查各部件之間的干涉情況，對(duì)干涉部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)消除干涉，并可通過UG的制圖模塊再次輸出二維圖紙。以實(shí)體模型為基礎(chǔ)對(duì)穴播器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，能夠直觀的觀察穴播器各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性、合理性，檢查穴播器工作過程是否能達(dá)到預(yù)期的效果[7-8]。虛擬樣機(jī)仿真分析是在ADAMS軟件中完成的，UG中穴播器的三維裝配模型是通過兩種軟件共有的Parasolid格式文件導(dǎo)入ADAMS中的[9]。為觀察清楚，仿真時(shí)去掉了定盤，由于凸輪固定在定盤上，所以添加約束時(shí)把輸種管固定在了凸輪上。

將種肥穴播器各零部件導(dǎo)入ADAMS后，雖然看上去像一臺(tái)穴播機(jī)械，其實(shí)各構(gòu)件之間沒有任何約束。ADAMS中有許多種類型的約束可以使用：旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副、圓柱副、球副、平面副、萬向節(jié)、固定鉸、齒輪、凸輪副、連軸器等。這些約束副都可以從主工具箱中選取添加約束時(shí)應(yīng)注意選擇約束的類型、作用點(diǎn)和方向。添加約束的過程中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生冗余約束，即過多的限制機(jī)構(gòu)的自由度，這經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致仿真的中斷，這種現(xiàn)象可以通過仿真控制面板的模型驗(yàn)證來檢查，然后減少限制構(gòu)件同一自由度的相應(yīng)鉸的個(gè)數(shù)來解決。ADAMS軟件中對(duì)定動(dòng)瓣穴播器虛擬仿真時(shí)約束及運(yùn)動(dòng)副的添加如表1所示，載荷添加表如表2所示。通過模型的建立以及約束和載荷的添加，穴播器的虛擬樣機(jī)建立完成。

表1 穴播器虛擬仿真約束及運(yùn)動(dòng)副添加表

表2 穴播器虛擬仿真載荷添加表

3 基于虛擬樣機(jī)的仿真分析

3.1 整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

在 Adams中對(duì)穴播器虛擬樣機(jī)整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，導(dǎo)出其仿真運(yùn)動(dòng)效果圖如圖3所示，由仿真效果可以看到定動(dòng)瓣穴播器的入土成穴器在入土最深時(shí)開始打開，種子能順利的投入種床；動(dòng)瓣在出土后關(guān)閉，說明擺動(dòng)凸輪－定動(dòng)瓣機(jī)構(gòu)開啟可靠，作物種子能夠順利排出，仿真結(jié)果與預(yù)期運(yùn)動(dòng)效果非常相近，這就證明了此種結(jié)構(gòu)的穴播器在理論上是可行的。

圖3 穴播器工作過程仿真效果及軌跡

3.2 穴孔形狀模擬

在整機(jī)的虛擬仿真過程中，可以對(duì)各元素的位移、角度、速度、加速度進(jìn)行測(cè)量、輸出曲線等操作?？上葘?duì)穴孔形狀進(jìn)行理論分析，然后通過仿真驗(yàn)證對(duì)穴孔形狀理論分析的正確性。在穴播器虛擬樣機(jī)仿真過程中，對(duì)定瓣和動(dòng)瓣的尖點(diǎn)各建立一個(gè)marker點(diǎn)，利用ADAMS中的Create Trace Spline（創(chuàng)建軌跡曲線）功能，模擬出其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖4所示。為了更清楚地觀察成穴器入土成穴過程，在穴播器虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)定動(dòng)瓣成穴過程進(jìn)行仿真掃描(Superimpose)，動(dòng)、定瓣尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線是通過在定動(dòng)瓣尖點(diǎn)上建立Marker點(diǎn)，然后在后處理(Postprocessor)中用跟蹤(Trace)定、動(dòng)瓣尖點(diǎn)的Marker點(diǎn)繪制出來的。圖4給出了輪盤半徑R=200mm、成穴器入土深度h=60mm、動(dòng)瓣尖點(diǎn)半徑Rh=280mm、入土成穴器傾斜角度β=35°、滑移率δ分別為0、8%、16%時(shí)穴播器定動(dòng)瓣成穴運(yùn)動(dòng)過程的仿真模擬。

道家關(guān)于口語傳播的見解主要記錄在《老子》《莊子》兩部書中，是圍繞宇宙本體論、人生智慧和策略方面來闡明的。

圖4 δ=0%、δ=8%、δ=16%時(shí)的定、動(dòng)瓣尖點(diǎn)軌跡（即穴孔形狀）

3.3 穴孔大小影響因素仿真試驗(yàn)分析

影響穴孔大小的因素主要有：輪盤的半徑、入土成穴器傾角、入土成穴器直徑、入土成穴器開度、入土深度、滑移率。在各結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)確定的情況下只要分析入土成穴器入土深度和滑移率對(duì)穴孔大小的影響即可。

3.3.1 仿真試驗(yàn)安排

由于在穴播器的工作過程仿真模擬中利用ADAMS中的Create Trace Spline功能模擬出了穴孔形狀，所以可以測(cè)量一定的入土深度下穴孔的尺寸，以便分析入土成穴器入土深度和滑移率對(duì)穴孔大小的影響。分析進(jìn)行的另一個(gè)條件是要得到不同滑移狀態(tài)下的穴播器運(yùn)動(dòng)。經(jīng)推導(dǎo)輪盤線速度v、輪盤轉(zhuǎn)速ω和滑移率δ的關(guān)系為

式中 Rs為輪盤的實(shí)際滾動(dòng)半徑。試驗(yàn)時(shí)首先選定穴播器前進(jìn)速度v，根據(jù)式（1）計(jì)算出不同滑移率和入土深度對(duì)應(yīng)的輪盤轉(zhuǎn)速值，即可得到某一滑移率和入土深度下穴播器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。假設(shè)以 12馬力拖拉機(jī)作動(dòng)力，選定機(jī)組速度v=1 .0m/s ，則可計(jì)算穴播器轉(zhuǎn)速ω值。

在整機(jī)的仿真試驗(yàn)中，根據(jù)穴播器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)輪盤的運(yùn)動(dòng)定義了兩種類型的運(yùn)動(dòng)，一是沿機(jī)速方向上的直線運(yùn)動(dòng)motion_1，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)速度為機(jī)速v，二是繞輪盤主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)motion_2，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)速度為穴播器的轉(zhuǎn)速ω，這兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)即為穴播器的滾動(dòng)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。仿真時(shí)，通過定義兩種運(yùn)動(dòng)速度v和ω的不同值，使穴播器具有不同的滑移率，從而得到不同滑移率下穴播器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在ADAMS中進(jìn)行穴播器仿真的過程中，利用ADAMS的后處理模塊對(duì)穴播器的成穴器的成穴過程進(jìn)行跟蹤掃描，從入土成穴器的不同高度值處測(cè)量相應(yīng)的穴孔長(zhǎng)度，就得到不同滑移率和不同入土深度下的穴孔長(zhǎng)度。

3.3.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

仿真試驗(yàn)穴孔長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果如表3所示，對(duì)得到的穴孔長(zhǎng)度值進(jìn)行二元方差分析得出兩個(gè)因素對(duì)穴孔大小的影響情況。

本試驗(yàn)中的兩個(gè)試驗(yàn)因素是A：入土成穴器入土深度；B：穴播器滑移率。因素水平：A1＝70mm、A2＝65mm、A3＝60mm、A4＝55mm；B1＝0、B2＝5%、B3＝10%，B4＝15%，對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二元方差分析，結(jié)果如表4所示。

表3 穴孔長(zhǎng)度測(cè)量值(mm)

表4 穴孔大小影響因素方差分析

給定顯著性水平α =5%，查表得F0.05(3, 9)=3.86，比較知FA=1 0.99 ＞ 3 .86，F(xiàn)B=1 4.01＞ 3 .86，所以入土成穴器入土深度與滑移率對(duì)穴孔大小均有顯著性影響。從試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可得如下結(jié)論： 當(dāng)穴播器滑移率一定的情況下，穴孔的大小隨入土成穴器入土深度的增大而增大，且滑移率越小入土深度的變化對(duì)穴孔大小的影響越大；當(dāng)入土成穴器入土深度一定的情況下，穴孔的大小隨滑移率的增加先逐漸減小再逐漸增大，其原因是由于動(dòng)瓣出土?xí)r的運(yùn)動(dòng)軌跡隨滑移率的增加逐漸包絡(luò)在入土成穴器入土?xí)r的軌跡內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)分析可知，應(yīng)在滿足播深的條件下選擇相對(duì)較小的成穴器入土深度，并盡量調(diào)整機(jī)速以減小滑移率。

4 穴播器可靠轉(zhuǎn)速分析

在穴播器的結(jié)構(gòu)及各參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，影響穴播器穴播性能的因素主要有穴播器轉(zhuǎn)速ω、落種角1θ、輸種管高度H、輸種管傾角以及輸種管與輪盤蓋夾角Bβ，而且穴播器的轉(zhuǎn)速ω不能過快，否則將破壞穴播性能，造成空穴及穴孔塌陷等。本文對(duì)種子在從輸種管到落入土壤的過程進(jìn)行仿真，考察參數(shù)1θ、H、α、Bβ與穴播器最大可靠轉(zhuǎn)速的影響，并采用正交試驗(yàn)處理仿真結(jié)果，尋求各參數(shù)的最優(yōu)組合。

4.1 仿真假設(shè)條件

仿真根據(jù)玉米種子物理特性對(duì)其物理參數(shù)做如下的假設(shè)代換，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.21，靜摩擦系數(shù)取0.36，玉米種子的長(zhǎng)、寬、千粒重分別為12mm、9mm、339.5g，仿真試驗(yàn)中用長(zhǎng)軸、短軸、質(zhì)量分別為 12mm、9mm、0.40g的橢球體代替，選取各影響因素及其參數(shù)的試驗(yàn)范圍如表5所示。

表5 影響穴播性能的因素水平表

4.2 仿真方法

以動(dòng)瓣運(yùn)動(dòng)到凸輪保持線部位時(shí)種子剛好落到入土成穴器最底端作為判斷穴播器最大可靠轉(zhuǎn)速的依據(jù)。仿真方法及步驟為：在ADAMS整機(jī)仿真中用接觸力 contact建立種子與穴播器的約束關(guān)系，模擬種子在輸種管、輪盤邊緣及入土成穴器內(nèi)投種腔中的運(yùn)動(dòng)；給種子賦予初速度，用measure建立種子在輸種管中的速度測(cè)量量；用measure建立角度α的測(cè)量和種子位移測(cè)量量；建立傳感器sensor對(duì)仿真進(jìn)行控制，傳感器的作用是使播種成穴器運(yùn)動(dòng)到凸輪最大升程時(shí)，停止仿真運(yùn)動(dòng)；對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行判斷，確定種子是否到達(dá)成穴器底部；修改落種角、輸種管參數(shù)重復(fù)上述過程，測(cè)得不同落種角和輸種管參數(shù)下的穴播器最大可靠轉(zhuǎn)速。

4.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果

采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)選用 L9(34)正交表，試驗(yàn)安排[10]及試驗(yàn)分析結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

由上表的分析可知，對(duì)穴播器可靠轉(zhuǎn)速影響最大的是落種角1θ，最小的是輸種管傾角α，各因素的最優(yōu)組合為A3B3C2D1，即落種角為90o，輸種管為500mm，傾角為55o，與輪盤蓋夾角為30o。

4.4 穴播器結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果

通過以上的仿真分析，可以得到穴播器的理論優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)。結(jié)構(gòu)方面，凸輪只有升線、遠(yuǎn)端保持線、降線部分起到對(duì)成穴器開啟、保持開度、關(guān)閉的作用，近端保持線部分不參與成穴工作，所以可以只保留凸輪有用部分，以節(jié)約材料、減輕整機(jī)重量，這時(shí)凸輪就變成了一個(gè)簡(jiǎn)單的擋塊，無法再安裝在主軸上，可以將其固定在定盤上，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖5所示；經(jīng)過仿真和方差、正交實(shí)驗(yàn)分析，得到影響穴播器可靠轉(zhuǎn)速的優(yōu)化參數(shù)，θ1=90o，H=500mm，α=55o，βB=30o，h=60mm。

圖5 改后穴播器的結(jié)構(gòu)模型

5 結(jié) 論

（1）在UG中建立了穴播器的三維實(shí)體模型，并在ADAMS中通過對(duì)其添加約束和運(yùn)動(dòng)副完成了穴播器虛擬樣機(jī)的建立。

（2）對(duì)穴播器整機(jī)工作過程進(jìn)行了虛擬仿真，初步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性；通過仿真得到入土成穴器定動(dòng)瓣成穴形狀曲線，找出了影響成穴性能的因素：在各機(jī)構(gòu)參數(shù)確定的情況下，成穴性能主要受成穴器入土深度和穴播器滑移率度的影響。

（3）通過對(duì)仿真數(shù)據(jù)的正交試驗(yàn)分析，得到了入土成穴器的參數(shù)優(yōu)化值，對(duì)成穴器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）穴播器虛擬樣機(jī)的研究分析為制作物理樣機(jī)提供了理論依據(jù)。

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