基于ADAMS的蓝莓采摘机构设计与仿真*

2015-06-11范久臣

机械研究与应用 2015年4期

史亮，范久臣，乔晗

(北华大学机械工程学院，吉林吉林 132021)

0 引言

近年来蓝莓的保健作用和经济、药用价值越来越得到人们的重视，被称为“世界水果之王”［1］。各个地区蓝莓的种植面积越来越大，但由于中国蓝莓收获主要依靠人工采摘，采摘费用约占蓝莓生产总成本的50% ～70%［2］。为降低成本，国内先后提出的蓝莓采摘机(如某手推式采摘机对果实损坏率达10%，采摘率不足85%)，其采摘机构大多数是不能保证有稳定的采摘惯性力，在采摘成熟果实的同时，会混入生果，不利于采摘，笔者设计了一种抖动式蓝莓采摘机构，可提高蓝莓采摘效率和收获过程的自动化水平。

1 采摘机构工作原理

1.1 结构与工作原理

蓝莓采摘机主要包括采摘机构、采摘机外壳、驱动带轮等如图1所示。

图1 蓝莓采摘机结构简图

采摘机构是核心部件。采摘机构与驱动带轮与外壳相连，依靠电动机驱动带轮带动采摘棒。安装的采摘棒将机械振动传递给果树，成熟的果实在接受了外加的强迫振动后与树枝分离［3］，果实落入输送带送入收集箱内，完成对蓝莓的采摘。

1.2 振动采摘理论分析

采摘机构结构图如图2所示，中心轴与壳体相连，壳体中有两根带有偏心块的短轴。带有偏心块的轴随中心轴转动。同时，偏心块的旋转产生了一对等大反向的平衡力偶，等效成转矩作用在采摘机构上。偏心块旋转一周完成一个采摘周期，蓝莓灌木丛受到采摘棒的受迫振动，使得成熟蓝莓果实脱落。

图2 采摘机构结构图

植株树枝受到采摘棒的振动冲击对果实形成的采摘惯性力为Fc。假设成熟果实与树枝结合力为Fa，生果与树枝结合力为Fb，考虑到采摘过程保留生果，采摘熟果［4］。得到采摘惯性力满足条件:

以结有果实的蓝莓植株作为研究对象，求解采摘力与偏心块转速之间的响应关系。偏心块产生的离心力F为:

式中:rc=4r1/3π为偏心质量块的质心，r1为偏心块的半径。ω为偏心块转速，M=ρlπr12/2偏心块的质量。等效后整个偏心机构获得的周期性转矩T为:

式中:R为两个短轴到中心主轴的距离。

式中:J为采摘机构相对于中心轴的转动惯量，K为等效后的模型阻尼，B为等效后的刚度。采摘部分力学模型简化图如图3所示。

采摘机构相对于中心轴的转动惯量J，壳体相对于中心轴的转动惯量Jb，采摘杆相对于中心轴的转动惯量Jr，偏心轴相对于中心轴的转动惯量Js，即:

图3 采摘部分力学模型图

在采摘过程中，由于Js做周期性的变化，从而使得整个采摘装置的转动惯量J也呈现周期性变化，应用上述的微分方程求解比较困难，因而通过软件进行仿真分析，以确立合理的组合参数。

2 模型建立及仿真分析

2.1 采摘机构模型建立

CATIA中建立蓝莓采摘机构零件模型，完成无干涉装配，并将装配好的机构模型导入ADAMS中。由于ADAMS中所使用MNF格式的柔性体文件，须借助有限元软件来完成［5］。通过ANSYS把采摘棒柔性化处理后，导入ADMAS中，替换蓝莓采摘机构模型中的刚性采摘棒。创建约束、定义接触、设定驱动，得到蓝莓采摘机的刚柔耦合模型如图4所示。

2.2 测量点的设置

蓝莓在惯性力下会与树枝分离，笔者以树枝上采样点的加速度作为测量对象，以此衡量蓝莓能否与树枝分离。在青果时，平均结合力约为3 N，当果实达到八成熟时，结合力为 0.5 ～1 N［6－7］。在树枝上取点进行测量，仿真的采摘参数见表1。

图4 采摘机构刚柔耦合模型

表1 采摘对象参数表

2.3 采摘机构的参数优选

根据采摘机构的仿真结果，找出对落果效率影响最大的参数，进而确定合理的组合参数。本机构主要参数有偏心块转速和偏心块的半径。考察偏心块转速过程中，保持其他参数不变，进行仿真分析。如图5(a)～(d)分别对应中心块转速为100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min测量点的加速度曲线。

由仿真结果可看出，随着转速的增加，测量点加速度呈现周期性变化，有效幅值有所增加，但是当转速达到400 r/min以后，加速度的有效幅值变得不稳定，采摘惯性力不易控制，不利于采摘机的正常工作，因此将偏心块的转速定为300 r/min。

确定了转速后，对不同偏心块的半径进行分析，保证落果质量。以4 mm为间隔，定义4组的半径分别为20 mm ，24 mm，28 mm ，32 mm的偏心块，进行4组仿真分析实验，如图6(a)～(d)为仿真分析结果，图6(c)为偏心块半径为28 mm的测量点加速度曲线，明显的看出在每个周期内的最大幅值位于－80000～－100000 mm/s2之间，有效落果率达到90%左右，提高了采摘效率。

图5 偏心轴不同转速下测量点的加速度曲线

3 结论

(1)通过对采摘机构的设计与原理分析，建立采摘机构CAD模型。结构上实现了从采摘到装箱的一体化，节省了采摘时间，节约采摘成本。

(2)通过对采摘振动过程进行理论分析，得出采摘过程的基本要求。使用ADAMS对模型进行简化，建立刚柔耦合模型，对不同偏心块转速与偏心块半径进行动力学仿真。通过对比仿真结果，确立了在一定范围内落果率随偏心块转速的增加而提高，转速为300 r/min和偏心块半径为28 mm时，能够保证稳定的采摘惯性力，达到合理的采摘效果。为今后我国蓝莓采摘机构的研究提供理论依据。