基于UG的車載式施藥機械聯軸器的仿真動畫設計

丁 剛

(濟源職業技術學院 機電工程系,河南 濟源 459000)

0 引言

我國是一個農業大國,耕地面積廣闊,農作物種類繁多,但所有的農作物在生產過程中都會遭受病蟲害的威脅。因此,病蟲害防治是我國農業發展中的重要工作之一。據統計,我國大部分地方的病蟲害防治措施依然是人工噴灑農藥,工作效率極低、施藥不均勻,容易造成農業化學污染。隨著農業機械化的不斷發展,在一些有經濟能力的地區開始使用車載式施藥機,大大提高了工作效率。在進行一些高大農作物的施藥作業時,由于農作物的尺寸較大,所以需要使用桁架結構,以提高農藥的噴灑高度和噴灑面積。為了提高施藥機的設計效率,實現設計過程的三維仿真模擬,采用UG軟件對施藥機的機械零部件進行了動畫設計和運動分析,對于復雜桁架結構的運動分析具有重要的作用。

1 車載式施藥機及其設計概述

車載施藥機是近年來我國逐漸采用的一種施藥機械,在很多地區,由于農田的地形復雜,地勢起伏變化較大,在施藥機的工作過程中,需要對施藥機進行速度調節。在工作過程中,為了保證施藥量的均勻,還需要將一些控制參數進行實時反饋,這就需要一套數據采集系統,通過數據的反饋,來實現自動化控制。其控制流程如圖1所示。

圖1 車載施藥機控制流程圖Fig.1 The control flow of a vehicle carrying machine

在實際作業過程中,可以根據車載施藥機噴頭的噴出藥量反饋信息,對輸入量進行調節,在一些農作物尺寸較大的作業環境中,還需充分考慮施藥機桁架結構的運動,才能保證施藥的質量。

為了保證車載施藥機桁架結構達到最優,除了根據農作物的尺寸信息,還可以根據噴藥采集信息反饋,對桁架結構進行優化設計,以使噴藥質量達到最優,優化流程如圖2所示。

2 基于UG的機械結構運動仿真和分析

機械結構的運動仿真和分析是UG軟件非常重要的模塊,可以建立機械裝置的運動模型,進而分析機械結構的運動規律。本次以車載式施藥機的聯軸器裝置為例,采用UG/Modeling模塊創建三維模型,利用UG/Motion模塊賦予各零部件運動特性后,便可以仿真結構的運動規律。利用UG/Motion模塊除了可以進行運動分析之外,還可以跟蹤施藥零部件的運動軌跡,進而生成仿真運動的動畫。在進行運動創建時,可以定義運動副、運動函數和驅動力等,但首先需要創建運動構建的質量屬性。利用質量屬性進行力學分析時,可以求解運動力和結構的靜力,對于一般材料而言,直接選擇默認的質量屬性即可,但對于特殊的材料需要人工輸入一些質量參數。

圖2 車載施藥機桁架結構優化流程

如圖3所示,在進行人工輸入質量屬性參數時,必須輸入的參數項目包括質量、慣性矩、初始運動與轉動速度等,還需要將質心選擇好。

圖3 質量屬性參數輸入Fig.3 The parameter input of quality attribute

質量屬性創建完成后便可以進行運動副的創建,運動副將機械結構連在一起,如果不創建運動副,機械結構會沒有任何約束,具有6個自由度。創建運動副后,可以約束1個或多個自由度,運動副的定義如圖4所示。

圖4 運動副定義Fig.4 The definition of motion pair

在創建運動副時,首先需要確定運動副的原點和方向：當選中的是圓弧或者圓時,運動副的原點會設在圓心上;如果是直線,會設置在距離直線最近的控制點上;如果不能確定原點,需要手動輸入。運動副使用最多的有3種,包括旋轉副、滑動副和柱面副。旋轉副的結構形式如圖5所示。

旋轉副包括兩種：一是多個連接桿件沿著一個固定軸做相關運動;二是一個連桿繞固定一根軸進行旋轉。旋轉運動副具有一個繞Z軸旋轉的自由度,一個旋轉副可以定義一個運動輸入,當定義一個旋轉副時,會相應的去掉5個自由度。另一種常用的運動副形式是滑動運動副,如圖6所示。

圖6 滑動運動副結構形式Fig.6 The structural form of sliding motion

滑動運動副可以實現其中一個部件相對于另一個部件做直線運動的功能。滑動運動副會連接兩個機械結構,這兩個機械結構之間不允許存在轉動,一個滑動運動副也將去掉5個自由度。

如圖7所示,柱面運動副結構形式可以實現其中一個柱面部件繞著另一個柱面部件做旋轉運動。一個柱面運動副相當于一個旋轉運動副和滑動運動副,本次對于施藥機聯軸器的運動仿真便是采用這種運動副形式。

圖7 柱面運動副結構形式Fig.7 The structural form of cylindrical motion pair

3 施藥機滑塊聯軸器動畫仿真

為了驗證UG軟件在車載式施藥機械動畫仿真中使用的可行性,以施藥機械上滑塊聯軸器為例,對其運動過程進行仿真,如圖8所示。滑塊聯軸器是一種補償性的移動式聯軸器,可以將中心線不重合的兩個軸進行連接,使用在施藥機桁架結構上,利用該裝置可以讓兩個中心線不在一起的構件具有相同的角速度和線速度。

圖8 施藥機及其桁架結構Fig.8 Spraying machine and its truss structure

采用UG軟件可以對施藥機桁架聯軸器部分進行建模和仿真,建模后需要添加碰撞和滑動運動副兩種形式。首先,建立聯軸器的一側,建立好的模型如圖9所示。

圖9 滑塊聯軸器一側示意圖Fig.9 The schematic diagram of one side of a slider coupling

滑塊聯軸器一側的模型可以采用自底向上的建模方式,首先根據設計尺寸建立滑塊聯軸器的草圖,然后根據實際模型尺寸進行拉伸和切除操作;相同的道理可以建立另一側結構模型。

如圖10所示,建立好聯軸器裝配體另一側模型后,便可以進行虛擬裝配和運動仿真。在仿真時,可以設定各種參數,以運動位移為例,可以設定運動的限定距離,如圖11所示。

設定好各種運動參數后,便可以進行三維碰撞接觸和動畫仿真,仿真過程可以輸出轉速曲線,還可以生成gif動畫,本次主要通過運動仿真驗證從動副經過滑塊聯軸器的速度傳遞可以得到與主動軸相同的角速度和方向。

圖10 滑塊聯軸器裝配體另一側模型Fig.10 The other side model of the slider coupling assembly body

圖11 運動參數設定Fig.11 The motion parameter setting

如表1所示,通過主動軸和從動軸的運動仿真結果可以看出：從動軸和主動軸方向一致,角速度一致性誤差也很小,從而驗證了滑塊聯軸器的作用,也驗證了UG動畫在施藥機部件運動仿真中使用的可行性。

表1 主動和從動軸運動仿真驗證Table 1 The simulation and verification of active and driven axis motion

為了進一步驗證方案的可行性,將仿真優化的桁架結構使用在車載施藥機上,并對施藥質量進行了分析,得到了如表2所示的結果。由表2所示結果可以看出,施藥機的施藥質量較高。

表2 施藥機噴藥質量驗證Table 2 The quality verification of spraying machine %

4 結論

為了提高車載施藥機的設計效率和噴藥質量,在施藥機設計過程中引入了UG建模和仿真軟件,并對桁架機構進行了優化設計。為了驗證方案的可行性,以滑動聯軸器的運動分析和動畫設計為例,建立了聯軸器的三維模型,并對其運動參數進行了分析。仿真分析結果表明：采用UG軟件可以成功實現車載施藥機部件的運動仿真。最后,對設計的車載施藥機的質量進行了測試,測試結果表明：其對靶準確率和控制相對誤差都較小,滿足了農作物噴藥需求。