基于ＡＤＡＭＳ的棉花钵苗移栽机构优化设计
郭仓库
(河南工业职业技术学院ꎬ河南南阳㊀４７３０００)
摘㊀要：为了提高棉花钵苗移栽机构的数字化设计效率和设计精度ꎬ将ＡＤＭＡＳ软件和离散元技术引入到了机构的设计和仿真运动上ꎬ利用ＣＡＤ软件对所设计的棉花钵苗移栽机构进行了三维实体建模ꎻ然后ꎬ通过ＣＡＤ和ＡＤＡＭＳ良好的数据接口将模型数据直接导入ＡＤＡＭＳꎬ根据实际设计要求添加相关约束ꎻ在此基础上ꎬ进行了运动仿真ꎬ研究了钵苗移栽机构的运动情况ꎮ通过仿真运动得了钵苗移栽机械的位移随时间变化结果ꎬ并绘制了可视化曲线ꎮ由曲线结果可以看出位移拐点及最大位移等信息ꎬ为机构的优化及强度校核等提供了数据参考ꎮ关键词：棉花钵苗ꎻ移栽机构ꎻ优化设计ꎻＡＤＡＭＳ软件ꎻ运动仿真
中图分类号:Ｓ２２３.９ꎻＴＰ３９１.９㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００３－１８８Ｘ(２０２１)０４－０１１７－０４
０㊀引言
苗钵育苗的出苗率较高ꎬ出苗的整齐度较好ꎬ钵苗移栽后生长较快ꎬ病虫害也较少ꎬ还可以进行工厂化生
产ꎬ省时省力ꎬ是育苗技术未来的发展方向ꎮ目前ꎬ钵苗的移栽主要靠手工来完成ꎬ劳动强度大ꎬ作业效率低ꎮ为了提高移栽的作业效率ꎬ可以引入全自动移栽机器人ꎮ移栽机器人的机构设计非常重要ꎬ因为在不同作业时刻其产生的作业强度有所不同ꎬ在移栽机构的设计时需要考虑满足最大载荷时的强度ꎮ为了实现移栽机构的优化设计ꎬ将ＡＤＡＭＳ软件和离散元技术引入到了机构的动态仿真设计上ꎬ对于提高移栽机构的设计效率和水平具有重要的意义ꎮ
１㊀棉花钵苗移栽机工作原理
穴盘主要用于蔬菜等作物的育苗工作ꎮ工厂化育苗技术由于具有诸多的优势ꎬ得到了广泛的应用ꎬ并从蔬菜育苗推广到各种作物的育苗上ꎮ育苗完成后ꎬ需要将钵苗进行移栽ꎬ棉花钵苗移栽机是棉花穴盘钵苗播种的最常用的机械ꎮ为了提高其设计水平ꎬ首先要研究钵苗移栽机械的工作过程ꎮ钵苗移栽机械１个动作的流程如图１所示ꎮ
棉花钵苗的移栽过程是一个重复性的过程ꎮ首先通过旋转气缸将机构左旋转ꎬ然后升降气缸将机构
收稿日期:２０１９－０７－０９
基金项目：河南省科技厅科技攻关计划项目(１７２１０２３１０７６１)ꎻ河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目(２０１６ＧＧＪＳ－２３８)
作者简介：郭仓库(１９８５－)ꎬ男ꎬ河南商丘人ꎬ讲师ꎬ硕士ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)ｇｃｋ０３７７ｗａｒｅｈｏｕｓｅ＠１６３.ｃｏｍꎮ下行ꎮ取苗过程主要是通过伸缩气缸来完成的ꎬ伸长取苗针取苗后将机构缩回原位置ꎬ最后升降气缸使机构上行ꎬ旋转气缸ꎬ使机构右旋转ꎬ回到原始的位置ꎮ钵苗放置完成后ꎬ再重复上所述动作ꎬ直到完成所有的穴盘取苗工作
ꎮ
图１㊀棉花钵苗移栽１个动作流程
Ｆｉｇ.１㊀Ｔｈｅａｃｔｉｏｎｆｌｏｗｏｆｃｏｔｔｏｎｂｏｗｌｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ
２㊀基于ＣＡＤ建模和离散元的仿真技术
为了使棉花钵苗移植的动态仿真更加逼真ꎬ在进行移栽机机构仿真时需考虑钵苗和土壤的动力学特性ꎬ并采用离散元技术对土壤进行建模ꎬ建立刚性和柔性相结合更加贴近现实的三维模型ꎮ采用刚柔耦合的三维模型后ꎬ模型的动力学仿真输出特性和现实情况更加吻合ꎮ棉花钵苗㊁土壤和移植机械的建模和仿真过程如图２所示ꎮ
在进行移栽机构动态仿真时ꎬ首先采用ＣＡＤ建模ꎬ包括刚性模型和柔性模型的建模ꎬ得到刚性和柔性的耦合模型ꎻ然后ꎬ对模型设置合适的边界条件ꎬ输
入参数后进行运动学仿真ꎻ仿真计算完成后ꎬ输出力学分析文件ꎬ对运动仿真过程进行分析ꎬ对于位移或者力的结果可以采用ｌｏｄ文件输出ꎬ并利用软件绘制曲线可视化结果ꎮ
进行ＣＡＤ建模时ꎬ大部分模型的建立较为简单ꎬ但土壤模型的建立较为麻烦ꎬ需要考虑土壤的力学模型ꎬ因此采用离散单元法ꎮ其中ꎬ常用的线性粘弹性模型分为法向接触力和切向接触力模型ꎮ法向模型表达式为
Ｆｎ＝ｋｎδｎ＋ｃｎｖｎ(１)其中ꎬＦｎ为法向作用力ꎬｋｎ为法向刚度系数ꎬδｎ为法向叠合量ꎬｃｎ为法向粘性阻尼系数ꎬｖｎ为法向斥力ꎮ对于切向接触力ꎬ其主要加载时间有关ꎬ可以表示为
Ｆｓ(ｔ)＝Ｆｓ(ｔ－Δｔ)－ｋｓｖｓΔｔ－ｃｓｖｓ(２)其中ꎬＦｓ为ｔ时刻的切向力ꎬΔｔ为加载１次力的作用时间ꎬｋｓ为切向刚度系数ꎬｃｓ为切向粘性阻尼系数ꎬｖｓ为切向斥力ꎮ为了使仿真模拟更加贴合实际ꎬ在建模时还需要引入非线性粘弹性模型ꎬ即
Ｆｎ＝ｋｎδ３/２＋ｃｎｖｎ(３)
Ｆｎ＝４３Ｅ∗Ｒ∗
１Ｒ＝１Ｒ
１＋１Ｒ
２
１Ｅ∗＝(
１－ｖ２１
Ｅ１
＋
１－ｖ２２
Ｅ２
)(４)
其中ꎬＲ１㊁Ｒ２分别为接触时其位置的曲率半径ꎬＥ１㊁Ｅ２为弹性模量ꎬｖ１㊁ｖ２为表示泊松比ꎮ法想作用力和切向作用力是不平衡的ꎬ在法向作用力大于切向作用力时ꎬ还需要引入塑性模型ꎮ采用Ｗａｌｔｏｎ提出的双线性模型ꎬ即
Ｆｎ＝
ｋ１δ㊀㊀加载
ｋ２(δ－δ０)㊀卸载{(５)
其中ꎬｋ１㊁ｋ２分别为加载和卸载时的法向刚度系数ꎬδ㊁δ０分别为法向叠合量和残余法向叠合量ꎮ当触单元的距离ＤɤＲ１＋Ｒ２时ꎬ法向接触力模型为
Ｆｎ＝ｋｎδｎ＋ｃｎｖｎ(６)
当两接触单元的距离Ｒ１＋Ｒ２ɤＤɤ(１＋Ｃａｄ)Ｒ１＋Ｒ２时ꎬ法向接触力为
Ｆｎ＝ｋａｄ[(１＋Ｃａｄ)(Ｒ１＋Ｒ２)－Ｄ](７)其中ꎬＣａｄ表示接触力为拉力时的临界接触距离ꎬｋａｄ表示接触力为拉力时的临界刚度系数ꎮ
根据离散元算法公式和原理ꎬ基于ＡＤＭＡＳ和离散元的运动仿真过程主要分为６个步骤ꎬ如图３所示ꎮ
图２㊀ＡＤＭＡＳ建模和仿真流程
Ｆｉｇ.２㊀ＡＤＭＡＳｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ
图３㊀基于ＡＤＭＡＳ和离散元的运动仿真
Ｆｉｇ.３㊀ＴｈｅｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＡＤＭＳａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔ１)建立仿真模拟边界条件ꎮ在建模前ꎬ首先要对边界条件进行分析ꎬ确定仿真模拟的材料参数㊁力学参数及约束等边界条件ꎮ在模拟之前ꎬ形成完备的参数数据库ꎬ在进行仿真模拟计算时可以直接调用ꎮ２)建立钵苗和移植机构模型ꎮ在建模时ꎬ移植机构选用刚性模型ꎬ钵苗选择柔性模型ꎮ最好建立刚性和柔性的耦合模型ꎬ使移植机械的运动仿真和实际情况更加符合ꎮ
３)建立土壤接触力学模型ꎮ土壤模型的建立需要考虑干土和湿土两种模型ꎬ干土可以采用线性粘弹性模型ꎬ湿土选用土壤湿颗粒模型ꎮ
４)建立土壤颗粒模型ꎮ采用离散单元法建立土壤的颗粒模型ꎬ并根据实验所得参数对土壤的颗粒进行物理性质和化学性质等一些参数的设置ꎮ
５)输入仿真参数ꎮ仿真参数的输入主要包括一些动力和接触载荷等ꎬ输入之后便可以进行仿真计算ꎮ６)仿真分析ꎮ仿真计算完成后ꎬ输出位移和力等一些结果ꎬ并以文件的形式进行保存ꎮ文件中的数据还可以利用绘图软件ꎬ将数据以可视化的形式展示出
来ꎬ使仿真结果更加直观形象ꎮ
３㊀基于ＡＤＭＡＳ的棉花钵苗移栽机运动仿真为了实现棉花钵苗移栽机的运动仿真ꎬ选用了ＡＤＭ
ＡＳ软件ꎬ结合离散元技术ꎬ通过移栽机械的仿真离散元分析得到仿真数据ꎬ对于结构的优化设计具有重要的意义ꎮ
本次建立的移栽机模型和钵苗与土壤模型如图４所示ꎮ其中ꎬ钵苗和移栽机分别采用了柔性模型和刚性模型ꎬ并通过刚柔耦合设置使仿真和实际作业情况逼近ꎮ对于土壤的建模采用了离散元模型ꎬ在取苗过程中钵苗和土壤会对移栽机产生反作用力ꎬ使用刚柔耦合和离散元模型将会使仿真结果更加准确ꎮ在仿真之前ꎬ还要完成一些参数的设置ꎮ以关节处运动速度的设定为例ꎬ其设置参数界面如图５所示ꎮ
图４㊀移栽机建模和动作仿真
Ｆｉｇ.４㊀Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒ
图５关节处运动角速度设定
Ｆｉｇ.５㊀Ａｎｇｕｌａｒｖｅｌｏｃｉｔｙｓｅｔｔｉｎｇｏｆｊｏｉｎｔｍｏｔｉｏｎ
图５表示移栽机关节处的角速度设置ꎬ还有很多参数需要设置ꎬ如外部载荷和各种约束等ꎮ通过仿真计算ꎬ得到了移栽机构末端位移随时间变化曲线ꎬ如图６所示ꎮ
图６移栽机构末端位移随时间变化曲线
Ｆｉｇ.６㊀Ｔｈｅｔｉｍｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆｅｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆ
㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ
由图６可以看出ꎬ移栽机构末端位移具有较大的拐点ꎮ这是因为在取苗时会产生较大的反作用力ꎬ从而对机构产生较大的冲击ꎮ因此ꎬ在设计时需要以此处产生的最大应力应变为依据对机构进行校核ꎬ使机构的设计可以满足作业需求ꎬ避免作业过程中由于机械强度不够发生故障或造成疲劳破坏ꎬ保证作业的安全性ꎮ
４㊀结论
为了提高棉花钵苗移栽机构的设计效率ꎬ优化装置的机构ꎬ将ＡＤＭＡＳ软件和离散元技术引入到了机构的设计过程中ꎬ通过对机构的运动仿真和分析ꎬ为移栽机的结构优化提供重要的数据参考ꎮ采用ＣＡＤ软件建立了移栽机和钵苗的简易模型ꎬ并利用离散元技术建立了土壤的模型ꎬ最后将模型导入到ＡＤＭＡＳ软件中实现了运动仿真ꎮ根据运动仿真可以得到位移的数据ꎬ根据位移拐点等可以确定最大的冲击载荷等数据ꎬ对于机构的优化设计具有重要的意义ꎮ
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(１６):８－１６.
ＯｐｔｉｍｕｍＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｔｔｏｎＰｏｔＳｅｅｄｌｉｎｇＴｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇ
ＭｅｃｈａｎｉｓｍＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ
ＧｕｏＣａｎｇｋｕ
(ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＮａｎｙａｎｇ４７３０００ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｃｏｔｔｏｎｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａ￣ｎｉｓｍꎬＡＤＭＡＳｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ.Ｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｔｔｏｎｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｓｂｕｉｌｔｂｙｕｓｉｎｇＣＡＤｓｏｆｔｗａｒｅꎬａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｄａｔａｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎＣＡＤａｎｄＡＤＡＭＳｉｓｕｓｅｄｔｏｍａｋｅｔｈｅｍｏｄｅｌ.ＴｈｅｍｏｄｅｌｄａｔａａｒｅｄｉｒｅｃｔｌｙｉｍｐｏｒｔｅｄｉｎｔｏＡＤＡＭＳꎬａｎｄｔｈｅｒｅｌｅｖａｎｔｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｒｅａｄｄｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ.Ａｂｏｖｅｉｔꎬｔｈｅｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ.Ｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｐｏｔ￣ｔｅｄｓｅｅｄｌｉｎｇｔｒａｎｓｐｌａｎｔ
ｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｃｈａｎｇｅｓｗｉｔｈｔｉｍｅｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｖｅｍｅｎｔꎬａｎｄｔｈｅｖｉｓｕａｌｃｕｒｖｅｉｓｄｒａｗｎ.Ｆｒｏｍｔｈｅｃｕｒｖｅｒｅｓｕｌｔｓꎬｔｈｅｉｎｆｌｅｃｔｉｏｎｐｏｉｎｔｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｄａｔａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｃｈｅｃｋｉｎｇ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｔｔｏｎｐｏｔｓｅｅｄｌｉｎｇꎻｔｒａｎｓｐｌａｎｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍꎻｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎꎻＡＤＡＭＳｓｏｆｔｗａｒｅꎻｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ２０２１年４月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４期
