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沙果采摘机升降装置设计及仿真

2022-04-15毕可乔孙立鹏张晓龙

南方农机 2022年8期
关键词:机械手静态网格

毕可乔 , 孙立鹏 , 王 慧 , 张晓龙

(1.黑龙江农业职业技术学院,黑龙江 佳木斯 154007;2.佳木斯市潜兴农业机械研发有限公司,黑龙江 佳木斯 154002)

0 引言

我国的水果生产量一直居世界前列[1]。国家统计局数据显示,2019年我国果园种植面积共计1.841 5亿亩。因此,水果采摘工作量巨大,在采摘过程中还要注意果实采摘的质量,质量的好坏直接影响着产品的价格、储存、运输等后续工作[2]。针对上述问题,国内外相关专家学者研发出多种水果采摘机械[3-4]。Abundant公司推出一款新型吸气式苹果采摘机器人(通过树上抽真空的方式来采摘苹果)。该机器人通过视觉传感技术来辨别树上果实的成熟度,采摘过程不会伤害果树、果枝、果实。英国奥克杜(Ocadu)公司研发的一款柔软手臂机器人,通过改变材料内部的压力来采摘东西,机器人的手臂、手指、手掌可以通过调节本身的结构形状来配合物体的形状,能在保护对象结构的同时,将实物摘下。华南农业大学研发了一种新型荔枝采摘机器人,该机器人采用双立体的视觉对果实进行准确定位,用夹指夹紧枝条,再用剪切的方式切断果枝,该机器适用于多种采摘对象,通用性强[5]。

沙果是水果产业中重要的水果之一,是一种营养价值很高的水果。沙果的果实较小,果皮较薄,采摘过程中,果皮易破损,影响售卖价格[6]。本研究结合上述水果采摘机械研究现状,结合国内沙果采摘机械发展情况,提出一种自走式沙果采摘机。升降台是该机关键装置,影响着整机的采摘效率,因此,本研究重点对其升降装置进行理论分析及有限元仿真,保证其工作可靠,提高采摘效率,降低收获成本,对沙果采摘机械的发展有重要理论意义。

1 结构组成及工作原理

自走式沙果采摘机由采摘系统、控制系统和动力系统三大系统组成。其中采摘系统包含采摘机械手、果实收集箱等,动力系统包括电源(太阳能板、蓄电池等)、行走装置和折叠式升降装置。该机采用太阳能与蓄电池混合提供动力,解决了单一方式供能时间短的问题,打破对传统能源的依赖。该机器通过视觉传感技术,利用摄像头采集信息反馈到控制系统,判别沙果的成熟度,使用机械手对满足要求的沙果进行采摘。当采摘机靠近果树时,通过电机输出的动力,在腰部旋转机构固定,折叠式升降装置升高,使底部行走机构带动机械手调整高度接近果实,由控制系统发出指令调节气压缸,实现机械手的俯仰动作。机械手张开手指,将树枝包围,利用气流的吸气作用,果实被吸附在橡胶吸嘴上,机械手闭合,反方向移动到收集箱位置,机械手打开并旋转90°将沙果放入果实收集箱内,结束一次采摘。

2 升降装置仿真分析

2.1 理论分析

折叠式升降装置的结构简图与整体受力分析分别如图1、图2所示,ae单杆受力如图3所示,d、f两点为在顶板与底板固定点,a、c为左右移动点,推杆推力为f(取f=0.45),杆长为l=0.5 m,重量忽略不计;α为各杆与平面的夹角(α=45°);θ为底杆与y方向的角度(θ=60°);γ与β分别取30°与60°;G为顶板上载荷重量(G=50 kg×9.8 N/kg=490 N);P为线矩(P=0.25 m);o、i分别为ae、ec杆对称点;对各个机构力列出方程求解,计算出各绞点力的大小[7]。

图1 升降装置结构简图

图2 整体受力分析

图3 ae单杆受力分析图

各绞点力分析方程:

则:

ae杆受力分析:

整理得:

2.2 仿真模型的建立

利用Creo 5.0建立三维模型,对升降装置的零件进行绘制并完成装配,如图4所示。

图4 升降装置三维模型

建立基准点,单击装配图中升降装置的末端一点;进入Creo 5.0功能板中Simulate模块,单击选项板中“材料”,双击选择“steel”材料,参考选择“分量”,选择要分配材料的零件,属性材料选择刚刚添加的“steel”材料方向“无”,点击“确定”,完成升降台材料的分配[8]。升降装置材料属性如表1所示。

表1 升降装置材料属性表

施加约束:升降装置与底盘固定,在“约束”选择功能区单击“位移约束”,将升降装置底部4个支撑点添加位移约束,将其平移的3个自由度固定,单击“确定”完成约束的建立。

创建载荷:在“载荷”模块选择单击“力与力矩”,由2.1理论分析可知,在a点X、Y方向添加-77.96 N、173.24 N的力;在b点X、Y方向添加-169.00 N、287.73 N的力;在c点X、Y方向添加-77.96 N、173.24 N的力;在d点X、Y方向添加-77.96 N、71.76 N的力;在e点X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力;在f点X、Y方向添加-110.25 N、245.00 N的力;在o点X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力;在i点X、Y方向添加-77.96 N、456.73 N的力;单击“确定”完成载荷施加。

网格划分:在Creo Simulate的集成模式下点击“精细模型”下“Auto GEM”命令将自动完成网格划分,通过Auto GEM摘要可观察到升降装置被划分为4 974个网格元素、1 632个节点。至此完成升降装置模型的前处理,网格划分结果如图5所示。

图5 升降装置网格划分结果

2.3 静态分析

定义静态分析:在“分析”选择功能区单击“分析和设计研究”,弹出响应对话框,单击“文件”选择“新建静态分析”,输入新建名称,确定约束栏相关内容,选择“单通道自适应”的收敛方式,其他选项默认设置,单击确定完成静态分析定义[9]。

执行静态分析:在“分析和设计研究”对话框要保证定义分析被选中,在选择菜单栏单击“开始运行”或选择“运行(R)”→“开始”命令,开始执行静态分析,在执行分析过程中,可通过选择“信息(I)”→“状态”进行查看分析进度[10]。

结果分析:完成上述设置与处理后,在“分析和设计研究”对话框查看设计,打开“结果窗口定义”,显示类型“条纹”,显示量“位移”,显示分量“模”,静态分析结果如图6所示。分析结果图显示,当升降装置达到最高点、收集箱达到最大容量时,此时的最大形变发生在a点,变形量为0.166 639 mm(可忽略不计);最大应力出现在i点附近,最大剪应力为13.003 5 MPa,远小于材料屈服强度240 MPa。由仿真结果可知,该升降装置满足设计要求。

图6 升降装置静态分析结果

3 结论

综合考虑沙果机械采摘工作条件的需要,利用Creo Parametric 5.0软件对折叠式升降装置进行三维建模,并对其进行理论分析和静态分析,分析结果显示当升降装置达到最高点时,升降装置的最大形变发生在右上绞点,变形量为0.166 639 mm(可忽略不计);最大应力出现在中心绞点附近,最大剪应力为13.003 5 MPa,远小于材料屈服强度240 MPa,满足设计要求。

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