基于Pro/E振動(dòng)式油茶果采摘機的運動(dòng)仿真及分析

　　介紹了油茶果采摘機的現狀，以及對一種振動(dòng)式油茶果采摘機的執行機構進(jìn)行運動(dòng)仿真的整個(gè)過(guò)程。重點(diǎn)介紹了利用Pro/E 對各零部件的裝配連接及驅動(dòng)器的添加來(lái)構建機構運動(dòng)學(xué)仿真模型，創(chuàng )建并運行運動(dòng)分析，確定了執行機構運動(dòng)過(guò)程和工作范圍，得到了振動(dòng)采摘頭末端一點(diǎn)的運動(dòng)位置和速度的曲線(xiàn)圖，為后續振動(dòng)式采摘機改進(jìn)和完善的研制提供了理論依據。

　　油茶是植物油重要的優(yōu)質(zhì)原料，其收獲具有極強的季節性，長(cháng)期以來(lái)，各油茶種植地絕大部分依靠人工采摘油茶果，消耗的人力、時(shí)間比較大，采摘效率低，并且某些油茶難以采摘或采摘不到，對人體安全具有一定的威脅。在我國，油茶采摘機的研制剛剛起步，現有技術(shù)一直未能解決這個(gè)問(wèn)題，部分用于油茶的采摘機械在采摘過(guò)程中，采摘位置不能任意達到，往往會(huì )造成漏摘而同樣需要人工摘取，影響采摘效率。本振動(dòng)式油茶果采摘機突出采用多自由度臂架結構，控制振動(dòng)采摘頭夾緊樹(shù)干，振動(dòng)以致使成熟的果實(shí)脫落，可實(shí)現持續的、高效率的、安全的作業(yè)。

　　現今的油茶果種植基地為了適應機械化和自動(dòng)化管理的需要，果實(shí)的栽培已逐漸趨向規范化和標準化。本文取平地株行距3 m×3 m，冠幅直徑為3 m 的成熟油茶果樹(shù)作為研究對象，橫向和縱向兩棵樹(shù)之間容許設備通過(guò)的距離不超過(guò)1.5 m，這個(gè)距離過(guò)車(chē)剛剛好，如果在兩個(gè)樹(shù)之間停車(chē)采摘，則空間太小，采摘臂的轉動(dòng)必定會(huì )撞到油茶樹(shù)，對樹(shù)造成損傷。于是我們選擇將采摘機停在四棵樹(shù)之間的空間進(jìn)行采摘，采摘臂活動(dòng)空間足夠大，減少對樹(shù)的損傷。本文運用Pro/E 軟件對整機執行機構的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了運動(dòng)仿真與分析。采摘機預期要在四棵樹(shù)中間位置將振動(dòng)夾頭的位姿達到離采摘機2 100 mm 左右樹(shù)干的采摘距離，以及樹(shù)干離地500 mm 左右的高度完成振動(dòng)采摘。

1、實(shí)體建模

　　本文考慮到執行機構結構復雜的特點(diǎn)，采用自下而上的方法進(jìn)行裝配，即先將各部件單獨建模成零件再按照連接、約束關(guān)系和運動(dòng)形式進(jìn)行裝配。在制作模型時(shí)，零件之間的裝配關(guān)系必須正確，否則將不能產(chǎn)生相應的運動(dòng)，這是能否使用Pro/E 仿真的前提和關(guān)鍵。若裝配件之間沒(méi)有相對運動(dòng)，裝配時(shí)應該完全約束;不然，就應該根據裝配件之間的相對運動(dòng)，通過(guò)連接設定限制運動(dòng)自由度。在選取預定義的連接集之前，必須了解如何用約束和自由度來(lái)定義運動(dòng)，然后選取相應的連接使機構按照所需的運動(dòng)方式運動(dòng)。預定義連接集提供了“剛性”、“銷(xiāo)釘”、“滑動(dòng)桿”、“圓柱”、“平面”等多種連接方式。

　　旋轉支座與機架采用了“對齊”和“配對”約束類(lèi)型，旋轉臂與支座、主臂與旋轉臂、從動(dòng)滑塊與擺動(dòng)座、擺動(dòng)座與振動(dòng)滑座、振動(dòng)滑座與采摘頭則一律采用“圓柱”連接和“平面”連接，主臂滑座與從動(dòng)滑塊之間采用兩個(gè)“平面”連接，液壓油缸的活塞與缸之間用“圓柱”連接，約束類(lèi)型還包括“平移軸”定義活塞面與油缸底面的相對距離。一般情況下，采用的連接形式不同接下來(lái)所要定義的約束類(lèi)型也不同。

　　完成執行機構所有部件的裝配后, 進(jìn)行干涉檢查，確認無(wú)誤后，保存文件。完成裝配的執行機構的三維運動(dòng)學(xué)模型如圖1 所示。

1- 機架;2- 旋轉臂支座;3- 旋轉臂;4- 主臂滑座;5- 從動(dòng)滑塊;6- 水平擺動(dòng)座;7- 振動(dòng)滑座;8- 振動(dòng)馬達;9- 振動(dòng)采摘頭

圖1 采摘機執行機構

3、結 語(yǔ)

　　通過(guò)以上的采摘機執行機構運動(dòng)仿真實(shí)例，可以看出Pro/E 軟件不僅實(shí)現了采摘機執行機構的三維實(shí)體建模和組裝，而且提供了完善的運動(dòng)仿真和運動(dòng)分析功能，借助仿真結果對采摘臂運動(dòng)構件的運動(dòng)狀態(tài)、運動(dòng)規律和運動(dòng)軌跡等問(wèn)題進(jìn)行分析，確定了執行機構的運動(dòng)過(guò)程和工作范圍，為振動(dòng)式油茶果采摘機的進(jìn)一步研制提供了基礎。