基于新型电动切割香蕉采收机的UG仿真

黎毓鹏，马桂香，马俊生，王献泽，张　健

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004)



基于新型电动切割香蕉采收机的UG仿真

黎毓鹏，马桂香，马俊生，王献泽，张健

(广西大学 机械工程学院，南宁530004)

摘要：为了提高效率、降低劳动强度，研发一种能代替纯手工、实现多自由度电动切割香蕉采收的机器，使香蕉采收省力、快速、方便，老少均可操作，熟练程度快。为此，介绍了新型电动切割香蕉采收机的工作原理，并运用三维软件UG进行运动学分析，真实再现了新型电动切割香蕉采收机的工作状况。研究结果表明：新型电动切割香蕉采收机满足工作要求，能实现预定的运动轨迹。

关键词：新型电动切割香蕉采收机；三维软件；仿真

0引言

我国有着种植香蕉的悠久传统和广阔的种植地域，是世界上种植香蕉的最古老国家之一，目前国外许多主栽香蕉品种主要是由我国传去。但我国千百年来都沿袭着纯手工采收的劳作方式，采收粗放、效率低，既费时、费工、费力，又很难避免香蕉不受机械损伤，只能适应小批量和低档次香蕉的采收。虽然国外已运用索道运输法，可解决香蕉运输问题；但仍然没有相应成熟的电动切割、香蕉采收装置，香蕉采收仍停留在纯人工手动采摘，效率低。这大大限制了香蕉产业的发展，单纯靠手工采摘已无法满足香蕉的增长需求。

为了提高效率，同时降低劳动轻度，研发了一种能实现多自由度电动切割、采收香蕉来很好代替纯手工的机具。该机具操作简单、制造方便，经济效益和社会效益显著，可使香蕉采收省力、快速、方便，老少均可操作，熟练程度快；采收每挂果穗只需10～15s，且不伤害香蕉树本身，采收香蕉的速度比用纯手工采收快2倍。这样既能降低蕉农的劳动强度，又能提高香蕉采收速度和采收率。该装置结构简单、质量小、操作方便，对提高香蕉种植规模及经济效益和产业化水平有着重大的意义，适合香蕉种植业的发展。

以往对新型电动切割香蕉采收机的研究是通过类比或经验得出，这种传统方法具有一定的盲目性和局限性。因此，需要采用更为科学合理的设计方法，为新型电动切割香蕉采收机的生产和制造提供更加有效的参数。为此，通过三维软件UG建立新型电动切割香蕉采收机的三维模型，真实再现了新型电动切割香蕉采收机的工作状况，并对采收机进行了运动学分析和三维仿真。

1整机结构及工作原理

新型电动切割香蕉采收由机车架、切割机构及抓取机构组成，如图1所示。

1.车架　2.刀架　3.第1电机　4.连接块　5.第1转轴

对于切割机构，使用时，将通过车架推至目标香蕉树附近，工人根据香蕉果轴的位置，通过把手控制圆盘刀的方向；按压或抬升把手，圆盘刀绕着第2转轴旋转抬起或压下，第1弹簧和第2弹簧起到自动将圆盘刀恢复到平衡位置的作用，导向杆起到支撑弹簧的作用。向前或向后拉动把手时，通过滑块在滑槽中的移动将圆盘刀伸出和收回；左右旋转把手，则刀架绕第1转动副做圆周运动，圆盘刀获得水平面上的自由度。

楼梯和升降滑槽固定在带轮底盘上形成三角形车架，楼梯倾斜安装，升降滑槽竖直安装。由于有些香蕉树很高，工人需要爬上楼梯上操作切割机构的把手。

夹爪包括滑动杆、支撑主杆、半环形支撑臂及香蕉果轴定位槽，通过滑动杆安装在升降滑槽中；支撑主杆固定在滑动杆上，半环形支撑臂固定在支撑主杆上，香蕉果轴定位槽固定在支撑主杆下端并且与半环形支撑臂的圆心对应。

第2传动机构包括减速器、联轴器及驱动机；第2电机的输出轴与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴通过联轴器与驱动机的输入轴连接，线辊安装驱动机的输出轴上。

通过第2转动机构将夹爪升到香蕉果轴的位置，香蕉果轴底端嵌入香蕉果轴定位槽中并被半环形支撑臂环抱；当香蕉果轴上端被圆盘刀割断后能够稳固的停留在夹爪中，并随着夹爪沿着升降滑槽降低到地面，由位于底面的工人装到储存车中运走。

2圆盘刀尖的运动规律分析

2.1　圆盘刀尖速度

圆盘刀在扭矩和自身重力下的作业下圆周转动并向里进给，圆盘刀对香蕉果轴切削，如图2所示。

图2　圆盘刀的结构图

现以圆盘刀尖作为研究对象，设圆盘刀以角速度ω进行转动，并以速度vx向里进给。土壤质点的绝对速度等于相对速度、牵连速度加上竖直速度的矢量和，则

ω—圆盘刀的角速度(rad/s)；

R—圆盘刀尖到中心轴的质点(m)；

δ—圆盘刀与水平方向的夹角(°)。

速度参数图如图3所示。

图3　土壤质点的速度图

2.2　圆盘刀的加速度分析

质点位于匀速转动的圆盘刀上，根据运动学知识，质点的绝对加速度等于科式加速度、相对加速度和牵连加速度的矢量和，则有

δ—牵连加速度与相对加速度的夹角(°)。

加速度分析如图4所示。

图4　土壤质点的加速度图

2.3　土壤质点的力学分析

以圆盘刀上任意质点作为研究对象，分析其受力，如图5所示。图5中，G为圆盘刀的重量；N为圆盘刀尖上的法向压力；F为圆盘刀尖受到的惯性力。

图5　受力图

3新型电动切割香蕉采收机的运动学分析

3.1　新型电动切割香蕉采收机的三维模型

要进行采收机的运动学分析，需对采收机建立三维模型。新型电动切割香蕉采收机主要由机车架、切割机构及抓取机构等组成。

3.2　创建驱动条件

在新型电动切割香蕉采收机中，只有两个动力源: 其线辊转轴的动力角加速度为ω1= 240°/s，驱动条件如图6所示。其圆圆盘刀转轴的动力角加速度为ω1= 900°/s，驱动条件如图7所示。

图6　新型电动切割香蕉采收机的驱动条件

图7　新型电动切割香蕉采收机的驱动条件

3.3　运动仿真的解算方案

经UG基于运动学与动力学的综合分析，确定好重力常数的大小和方向，以及解算方案，如图8所示。

图8　新型电动切割香蕉采收机的解算方案

3.4　圆盘刀运动仿真的解算结果

经UG运动学分析，圆盘刀尖位置位移图如图9 所示，圆盘刀尖位置的角速度图如图10所示。

图9　圆盘刀刀尖位置的位移图

图10　圆盘刀刀尖位置的角速度图

由运行的结果分析可得：圆盘刀尖位置的运动为匀速直线运动，速度为867deg/s。

3.5　半环形支撑臂仿真的解算结果

经UG运动学分析，以半环形支撑臂的某一定点做位置跟踪，其位移图如图11所示，半环形支撑臂的速度图，如图12所示。

图11　半环形支撑臂的某一定点位移图

图12　半环形支撑臂的速度图

由运行的结果分析可得：半环形支撑臂的运动为匀速运动，速度是126mm/s。

4结论

1) 三维仿真软件UG 真实再现了新型电动切割香蕉采收机的工作工况。

2) 新型电动切割香蕉采收机满足工作要求，能实现预定的运动轨迹。

参考文献：

[1]郑广平，覃海英，娄玉印.基于新型植树挖坑机的Pro/E仿真[J].农机化研究，2013,35(6)：73-76.

[2]许林兵.世界香蕉产业状况与发展趋势[J].广东农业科学，2006(10)：106-109.

[3]王红军，唐之富，赵润茂，等. 香蕉采摘机械手夹持装置仿真优化设计[J].机械设计与制造，2015 (6)：161-164.

[4]任伟平，朱立学.香蕉田间运输小车悬挂结构设计[J]. 现代农业装备，2015(3)：40-43.

[5]丁旭东，袁双喜. Autodesk Inventor运动仿真模块基础[J]. CAD/CAM与制造业信息化，2014(11):57-59.

[6]黄伟，娄玉印，韦宁,等.行走式植树挖坑机的工作原理及结构分析[J].农机化研究，2013，35(2)：35-39.

[7]濮良贵，纪名刚，陈国定，等.机械设计[M].北京:高等教育出版社.

UG Simulation Based on Electric Cutting Banana Harvest Machine

Li Yupeng， Ma Guixiang, Ma Junsheng， Wang Xianze， Zhang Jian

(School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Abstract：In order to improve the efficiency, reduce labor intensity, at the same time to develop a can realize the multi degree of freedom instead of the pure manual electric cutting banana harvest machine, make banana harvest energy, fast, convenient, young and old are operational, proficiency quickly. This paper introduced the working principle of electric cutting banana harvest machine, kinematics analysis and using Three-dimensional software UG, electric cutting real banana harvest machine in working condition. The results show that the electric cutting banana harvest machine can meet the job requirements, to achieve a predetermined motion law.

Key words：electric cutting banana harvest machine; three-dimensional software; simulation

中图分类号：S225.5+3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0061-05

作者简介：黎毓鹏(1971-),男，广西桂平人，工程师，硕士。通讯作者：马桂香(1994-)，女，广西桂林人，硕士研究生，(E-mail)1124056290@qq.com。

基金项目：广西大学国家级大学生创新创业训练计划项目(141059301)

收稿日期：2015-11-17