一種自動采摘結構模型有限元研究

劉 燦

(浙江工業職業技術學院,浙江 紹興 312000)

0 引言

近年來,隨著計算機技術不斷向農機化設備延伸,我國的自動采摘水平得到了較大的提升。為加快智能采摘設備的性能發展與研究創新,智能識別、準確化控制領域均取得較為顯著的成效,且CAD/CAE技術亦被相繼引入。有限元作為其重要的分支,主要特征體現在可以通過參數條件設置獲取設備各組件的工況狀態及應力分布等。為此,擬在借鑒相關專業文獻的基礎上,以整體優化自動采摘機的結構為目標,針對自動采摘機的核心結構模型展開研究。

1 自動采摘組成及原理

農業果蔬采摘機器作為替代人工采摘的工具,其采摘工作原理為:對采摘目標進行圖像識別與信息數據轉換,傳至采摘控制系統;控制指令在后臺預先依照采摘規劃路線輸入,并對接收到的采摘圖像編譯后通過采摘機器的執行機構開始采摘作業。因采摘需要轉動和擺動的單一或多個組合實現,故電機作為驅動裝置尤為重要。應用較為廣泛的自動采摘機器工作流程(見圖1)可簡要描述為:首先進行程序初始化,在不斷靠近采摘目標的過程中,機械伸縮機構動作,傳感器進行采摘信息的接收與判定,通過采摘機器夾持裝置張開、定位、閉合、返回順序實現采摘。

2 有限元分析

2.1 數學模型建立

針對線性化的結構采摘系統,建立其頻率與模態振型數學模型為

(1)

式中M—采摘結構的振動系統質量;

C—采摘結構的振動系統阻尼;

K—采摘結構的振動系統剛度矩陣;

f(t) —采摘結構所受的激勵矩陣;

ω—采摘結構的簡諧的圓頻率;

{x}—采摘結構的系統節點位移振幅列向量。

由式(1)進一步推導出采摘結構模型的特征方程,即

[K]-ω2[M]=0

(2)

以避免采摘機的各核心部件作業過程中共振現象為有限元研究目標,利用專業處理軟件對采摘部件的集成與耦合進行算法實現,將結構模型離散化處理,得出

(3)

式中Kij—采摘結構的單元剛度矩陣;

Bij—采摘結構的單元應力、應變關系矩陣;

D—采摘結構的彈性矩陣;

v—采摘結構的運動速度。

2.2 采摘關鍵結構建模

以自動采摘機器的采摘臂為例,給出如圖2所示的建立三維物理模型主要步驟,完成協調性強的整體結構建模。

圖2 自動采摘機械臂的三維物理建模主要步驟

該建模原則在于將采摘機械臂進行功能性部件劃分,在旋轉桿件、主執行臂、連接頭及副采摘臂等多個部件的協調組合下精確裝配,首先利用UG繪圖功能完成各部件的單獨結構設計,之后進入裝配模擬環境達到三維物理成型。

進行采摘結構模型的有限元分析,執行控制算法是實現三維結構與有限元研究的關鍵橋梁,如圖3所示。優化控制算法對最優解進行判定,符合條件按照計算精度要求輸出進入有限元分析模塊,不符合最優解則需對參數模型進行修改、相應關聯的模型文件與約束條件進行優化,重新確定目標函數再次求最優解。

確定了有限元控制分析算法之后,針對采摘作業特性及采摘機器的結構組成,給出如圖4所示的結構模型分析流程。從前處理、核心有限元計算分析和后置處理3大模塊分別進行設置,確保分析流程的各環節互相作用,得出符合實際的有限元計算結果,進而指導采摘機器結構的布局與優化。

3 有限元試驗

3.1 條件設置

進行有限元試驗,首先通過文件格式的匹配與轉換,將建立好的自動采摘三維結構模型導入ANSYS軟件,并設置試驗條件如下:①保證結構建模精度的前提下,對模型進行處理,如孔類、倒角等的合并、簡化等;②對一些非承載的部件位置進行忽略;③分部件裝配連接處考慮功能性材料特性計算。

以自動采摘機器的結構密度分布均勻性為假設,選取采摘支撐臂和采摘機器的驅動電機機座為分析對象,形成對其核心部件的材料性能參數選取表(見表1),涉及有限元模型分析的主要參數包括彈性模量、泊松比及屈服強度等。

圖4 自動采摘結構進行有限元分析流程圖

表1 自動采摘機的核心部件材料性能參數選取表

網格劃分的處理與網格質量是決定該采摘機器核心部件實現有限元分析精確度的前置條件,根據標準化的有限元模型網格劃分流程(見圖5),在如圖6所示的Mesh Tool界面進行網格劃分的逐步設置。

圖5 有限元模型網格劃分流程簡圖

圖6 自動采摘結構模型有限元分析中的網格劃分設置

在形狀不規則、變形復雜未知的位置選用高階單元進行網格劃分,同時保證網格數量適宜。在保證計算精度的條件下,兼顧迭代時間和分析效率,同時注意處理過渡單元的約束與高低階單元轉換,最終劃分驅動電機的機座模型為201 389個節點和120 387個單元,采摘機械臂的網格數為132 109個節點和93 762個單元。

網格劃分之后,進行邊界條件設置和施加載荷,主要載荷名稱及施加位置如表2所示。施加載荷位置根據實際采摘機器的運動特點而定,采取固定約束、旋轉約束及執行驅動等多個方式,以符合實際的結構模型承載力為出發點進行條件設置。

3.2 過程分析

經有限元多次反復計算與成功迭代,分別得到自動采摘機主要支撐臂的前4階模態振型云圖(見圖7)和驅動電機的前4階模態振型云圖(見圖8),由圖7可知:采摘支撐臂的動態特性在低階模態時表現較為明顯,呈現出的振型特征為彎曲和扭轉。

表2 自動采摘機械臂的有限元模型主要載荷施加設置

圖7 自動采摘機主要支撐臂的前4階模態振型

圖8 自動采摘機驅動電機的前4階模態振型

由圖8可知:該驅動電機的機座在低階模態中主要表現為筒體前端面的彎曲和扭轉,在3階、4階模態中受到的影響較為劇烈。

進一步對試驗數據進行統計計算,得到如表3所示的采摘電機結構模型有限元分析中的固有頻率對比值。由表3可知:利用有限元法求解得到的結果與理論計算法一致性較高,平均誤差控制在4.015%左右,最大誤差不超過6.5%,說明有限元試驗分析可行且數據可靠。

表3 自動采摘電機結構模型有限元分析固有頻率對比

4 結論

1)通過深入理解自動采摘的工作原理及各部件的結構組成和實現功能要求,在有限元控制計算的機理下,利用UG軟件建立該自動采摘機器的核心部件三維結構物理模型。

2) 以ANSYS分析軟件為平臺,通過網格劃分、材料屬性設置及邊界和載荷控制約束,進行采摘結構的有限元分析,得到可視化的采摘作業過程中核心部件的固有頻率范圍與應力狀態分布情況,為準確了解結構的構成與受力、進一步優化改進提供了參考依據。

3) 有限元分析結果與理論計算的誤差控制在6.5%以上,滿足設計要求,驗證了將有限元應用于自動采摘結構模型的可行性,對其他類似農機設計優化有一定的指導意義。