八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真

２０１０年４月农业机械学报第４１卷第４期ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１０．０４．０１２八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真张朋举１　张　纹２　陈树人１　尹建军１　李　双１　周恩权１（１．江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，镇江２１２０１３；２．镇江高等职业技术学校，镇江２１２００３）　　【摘要】　设计了一种适合作物株间作业的八爪式机械除草装置，采用Ｐｒｏ／Ｅ进行了虚拟样机设计，建立了除草装置的装配模型，利用ＡＤＡＭＳ软件对该装置进行运动学仿真，得出在不同速比下的除草铲齿运动轨迹，通过计算得到除草铲齿与土壤接触部分的面积，并对每个铲齿的覆盖区域以及相邻铲齿覆盖的重合区域进行分析，确定的合理速比为λ＝０７５４，优化了装置的结构和运动参数。关键词：杂草　除草装置　虚拟设计　仿真中图分类号：Ｓ２２４１文献标识码：Ａ文章编号：１０００１２９８（２０１０）０４００５６０４ＶｉｒｔｕａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＫｉｎｅｔｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＥｉｇｈｔＣｌａｗＩｎｔｒａｒｏｗＭｅｃｈａｎｉｃａｌＷｅｅｄｉｎｇＤｅｖｉｃｅＺｈａｎｇＰｅｎｇｊｕ１　ＺｈａｎｇＷｅｎ２　ＣｈｅｎＳｈｕｒｅｎ１　ＹｉｎＪｉａｎｊｕｎ１　ＬｉＳｈｕａｎｇ１　ＺｈｏｕＥｎｑｕａｎ１（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｏｄｅｒｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ＆ＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ　２．ＺｈｅｎｊｉａｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２００３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｎｉｎｔｒａｒｏｗｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｓｏｎｅｐａｒｔｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｉｔｈａｓｅｉｇｈｔｈｏｅｓｔｈａｔｃｏｕｌｄｔｕｒｎｉｎｏｒｔｕｒｎｏｕｔｏｆｉｎｔｒａｒｏｗａｒｅａｉｎｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｉｎｔｒａｒｏｗｗｅｅｄｓ．Ａ３ＤｐａｒａｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌｏｆｉｎｔｒａｒｏｗｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗａｓｂｕｉｌｔｕｐｗｉｔｈＰｒｏ／Ｅ，ａｎｄｗａｓｉｎｐｕｔＡＤＡＭＳ．ＴｈｅｄｅｖｉｃｅｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｏｎｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｂｙＡＤＡＭＳｔｏｇｅｔｔｈｅｔｒａｃｋｏｆｅａｃｈｈｏｅ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｔｒａｃｋｓ，ｔｈｅａｒｅａｆｏｒｅａｃｈｈｏｅｗｉｔｈｔｈｅｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆａｄｊａｃｅｎｔｈｏｅｗｅｒｅｆｉｇｕｒｅｏｕｔ．Ｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｏｆｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄａｎｄｆｏｒｗａｒｄｓｐｅｅｄｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ（λ＝０７５４）．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｉｃｅｃｏｕｌｄｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｎｅｅｄｏｆｉｎｔｒａｒｏｗｗｅｅｄｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｗｅｅｄ，Ｗｅｅｄｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，Ｖｉｒｔｕａｌｄｅｓｉｇｎ，Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ收稿日期：２００９０６１７　修回日期：２００９０８１６江苏省博士后科研资助计划项目（０６０１０１４Ｂ）和镇江市农业科技计划资助项目（ＧＪ２００８００８）作者简介：张朋举，硕士生，主要从事智能除草机械研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]通讯作者：陈树人，教授，主要从事精确农业技术研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　引言机械除草分为行间、株间以及对植株根部周围的除草［１～２］。目前国内外对行间除草的研究已较成熟，很多行间除草机得到了广泛应用［３］。对于株间除草，国内还没有成熟机型，特别是智能化株间除草机研究还处于起步阶段［４～６］，株间除草仍靠人工作业。设计一种有效的株间除草机尤为迫切。国外在智能株间除草方面已有较多研究［７～９］。Ｇｒｉｅｐｅｎｔｒｏｇ等研制了一种八爪式株间除草机［１０］，其原理是以作物播种时的种子位置分布图为依据，利用ＧＰＳ导航系统控制除草机的行走路径并通过机器视觉伺服控制八爪铲齿的伸出和转入。除草装置的工作过程是靠机电、液压系统共同完成的。机构复杂，经济性差。本文主要针对具有一定株距的作物，设计一种八爪式株间机械除草装置，并利用Ｐｒｏ／Ｅ和ＡＤＡＭＳ软件进行三维建模和运动轨迹的仿真，为株间除草装置的研制提供合理的设计参数。１　八爪式机械除草装置设计１１　结构设计八爪执行机构包括外壳、轨道变换滑块系、主轴转盘系和八套除草铲齿轴系。除草装置主要利用轨道变换滑块来实现除草铲齿转轴的上、下移动，同时利用带有螺旋轨道的套管来实现除草铲齿转轴的转动，最终决定铲齿在作物株间间隙内的转入或伸出，从而实现株间除草和避让农作物的目的。株间除草装置结构如图１所示。图１　八爪式机械除草装置的结构示意图Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｉｎｔｒａｒｏｗｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ１．主轴　２．Ｔ型套筒　３．除草铲齿转轴　４．带螺旋轨道的套管５．铲齿　６．主轴转盘　７．轨道　８．下侧轨道　９．上侧轨道　１０．轨道变换滑块　１１．外壳　１２　动力传递和控制装置外壳固定在除草机的台车上，轨道固定在外壳上，轨道变化滑块可以在电磁吸合装置的作用下上、下移动，从而改变上、下轨道的连接。通过主轴输入转矩带动转盘转动，带螺旋轨道的套管固定于转盘上使套管内的除草铲齿转轴在套管的作用下绕主轴转动。Ｔ型套管的一端在除草铲齿转轴与挡块的作用下在轨道内滑动。利用轨道变换滑块的上、下移动改变上、下轨道的连通，从而确定Ｔ型套管的转动轨道。如果滑块连通上、下轨道，Ｔ型套管的一端进入下侧轨道转动，除草铲齿转轴向下移动，同时在带螺旋轨道的套管作用下产生自转，使铲齿伸出，进入株间除草。转盘转过一定角度后，Ｔ型套管的一端通过上、下轨道的链接部分回到上侧轨道。除草铲齿转轴上移，同时产生自转，转入内侧结束株间除草。装置在工作过程中，铲齿分为状态１和状态２。铲齿伸出时为状态１，铲齿转入时为状态２。如果控制系统检测到伸出（状态１）的铲齿会伤到作物，轨道变换滑块会保持上侧轨道的连通，使铲齿始终保持转入（状态２）的位置，达到避让作物的目的。八爪式机械除草装置工作示意图如图２所示。图２　八爪式株间除草装置工作示意图Ｆｉｇ．２　Ｗｏｒｋｉｎｇｓｋｅｔｃｈｏｆｉｎｔｒａｒｏｗｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ　２　除草装置虚拟样机设计零件的三维设计是装配和仿真的基础，利用Ｐｒｏ／Ｅ软件的零件设计模块准确快速地建立三维零件模型。２１　主要部件三维设计主轴转盘系是转矩的输入部分，主要包括主轴、转盘、８个带有螺旋导轨的套管；铲齿轴系包括铲齿、带有限位挡环的转轴、限位销、Ｔ形套筒等。２２　装配模型零件建模完成后，利用Ｐｒｏ／Ｅ软件的装配模块进行装配。Ｐｒｏ／Ｅ软件提供的零件装配方式有放置和连接两种类型，放置类型包括匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上的点、曲面上的点、曲面上的边以及自动约束等类型；连接类型包括固定、销钉、滑块、圆柱、平面等方式。可根据除草装置各个部件的实际装配关系选择合适的放置位置，装配的三维模型如图３所示。３　运动仿真和结果分析３１　运动仿真把装配模型从Ｐｒｏ／Ｅ软件导入到ＡＤＡＭＳ软件中。利用ＡＤＡＭＳ软件对整个机构添加约束，除了对部件添加碰撞、旋转、同轴、固定等约束以外，若要形成理想的轨迹还要添加２个动力输入，前进速度和通过主轴输入的转矩，使整个机构向前运动的同时主轴转盘系、除草铲齿转轴也在围绕着主轴的轴心转动。对每个铲齿的质心进行轨迹跟踪，得出８个铲齿质心的运动轨迹。本文选取了３个不同的速７５第４期　　　　　　　　　　　　张朋举等：八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真图３　株间除草装置虚拟样机Ｆｉｇ．３　Ｄｕｍｍｙｏｆｉｎｔｒａｒｏｗｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ　比对铲齿工作状况进行仿真。３２　结果分析影响除草效果的主要因素有３个：（１）铲齿的伸出距离ｓ铲齿的伸出距离是指铲齿在转入和伸出２个状态下铲齿质心在垂直于机构前进方向上的距离ｓ。此距离影响着铲齿转入作物间隙的深度。如果距离过小会使铲齿难以进入株间，达不到株间除草目的。（２）台车的前进速度ｖ除草装置挂接在台车上，因此除草装置的前进速度由台车前进速度决定。台车的前进速度主要由除草装置整个机构的设计尺寸决定。（３）铲齿旋转轴绕主轴轴心旋转线速度与台车前进速度之比λ铲齿的伸出距离ｓ由铲齿质心围绕除草铲齿转轴轴心转动的半径Ｒ２和带螺旋轨道套管的螺旋轨道偏转角度决定。带螺旋轨道套管的转角角度设计范围为０°～１８０°。此模型所设计的带螺旋轨道套管的转角是１００°，铲齿旋转轴到主轴轴心的距离为１２０ｍｍ，铲齿质心到除草铲齿转轴轴心的半径是１００ｍｍ。铲齿伸出距离计算如图４所示。图４　伸出距离计算简图Ｆｉｇ．４　Ｃｈａｒｔｏｆｔｕｒｎｏｕｔｄｉｓｔａｎｃｅ　图中，Ｒ１为除草铲齿转轴轴心到主轴轴心距离，Ｒ３为铲齿在转入状态（状态２）下铲齿质心到主轴轴心距离。则速比λ＝Ｒ１ω／ｖ伸出距离ｓ＝Ｒ１＋Ｒ２－［Ｒ２ｓｉｎ（１８０°－１００°）］２＋［Ｒ１－Ｒ２ｃｏｓ（１８０°－１００°）］槡２＝１２０＋１００－（１００ｓｉｎ８０°）２＋（１２０－１００ｃｏｓ８０°）槡２＝７７７前进速度和速比影响到铲齿覆盖株间间隙面积和铲齿重复覆盖面积。理想的速比能够使株间间隙覆盖面积增加，同时减小铲齿重复覆盖面积，使铲齿的宽度能够得到充分利用，增加其使用效率。评价最优速比的指标有３个：相邻铲齿顶点处的间距ａ；每个铲齿轨迹形成的余摆线最宽处的间距ｂ；相邻余摆线的最小间距ｃ。ａ决定了装置可以进行株间除草的最小株距，ａ越小表明除草装置能够进行株间除草的株间间隙越小，铲齿对株间间隙的覆盖率越大，因此ａ越小越好；ｂ和ｃ同时决定了铲齿所覆盖面积的重复覆盖率，ｂ和ｃ越接近，重复覆盖率越低，铲齿的利用效率越高，因此ｂ和ｃ越接近越好。角速度为１５７ｒａｄ／ｓ时，在不同速比条件下对８个铲齿的质心进行运动轨迹仿真。图５是在λ为０８３８、０７５４、０６８５时８个铲齿的质心轨迹曲线，不同的线型代表不同铲齿的质心轨迹。铲齿运动轨迹的分析结果如表１所示。从表中可以看出，随着速比的减小，ａ和ｃ在不断增大，ｂ在不断减小。虽然速比为０８３８时ａ最小，但是此时的ｂ、ｃ差异较大；速比为０６８５时，ａ较大而且ｂ和ｃ的差异也较大。速比为０７５４时ｂ和ｃ最为接近，在此速比下，除草装置满足株距在１３０ｍｍ以上，行距大于２５０ｍｍ的作物株间除草要求。设Ｒ＝ｍａｘ（ｂ，ｃ）２β＝ｍｉｎ（４Ｒ，ａ）ａ×１００％δ＝４Ｒ－ａａ×１００％式中　Ｒ———铲齿半径β———铲齿的覆盖率δ———铲齿的重复覆盖率表１　仿真结果分析Ｔａｂ．１　Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ’ｓｒｅｓｕｌｔλａ／ｍｍｂ／ｍｍｃ／ｍｍ０８３８１１０８２２８０７５４１３０６７６３０６８５１３８３３１０５８５农　业　机　械　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１０年图５　铲齿运动轨迹Ｆｉｇ．５　Ｍｏｖｅｍｅｎｔｔｒａｃｋｏｆｈｏｅ（ａ）λ＝０８３８　（ｂ）λ＝０７５４　（ｃ）λ＝０６８５　　　表２是铲齿覆盖率为１００％，即４Ｒ≥ａ时３种速比下铲齿的重复覆盖率。从表２中可以看出，满足铲齿覆盖率为１００％，当速比为０８３８、０６８５时，铲齿的最小半径分别为４１０ｍｍ和５２５ｍｍ，相对应的铲齿重复覆盖率分别为４９％和５２％；当速比为０７５４时，铲齿的最小半径为３３５ｍｍ，铲齿的重复覆盖率为３％。因此铲齿覆盖率为１００％时，对比３种不同速比情况下的铲齿半径和重复覆盖率得出λ＝０７５４