基于Pro/E振动式油茶果采摘机的运动仿真及分析

　　介绍了油茶果采摘机的现状，以及对一种振动式油茶果采摘机的执行机构进行运动仿真的整个过程。重点介绍了利用Pro/E 对各零部件的装配连接及驱动器的添加来构建机构运动学仿真模型，创建并运行运动分析，确定了执行机构运动过程和工作范围，得到了振动采摘头末端一点的运动位置和速度的曲线图，为后续振动式采摘机改进和完善的研制提供了理论依据。

　　油茶是植物油重要的优质原料，其收获具有极强的季节性，长期以来，各油茶种植地绝大部分依靠人工采摘油茶果，消耗的人力、时间比较大，采摘效率低，并且某些油茶难以采摘或采摘不到，对人体安全具有一定的威胁。在我国，油茶采摘机的研制刚刚起步，现有技术一直未能解决这个问题，部分用于油茶的采摘机械在采摘过程中，采摘位置不能任意达到，往往会造成漏摘而同样需要人工摘取，影响采摘效率。本振动式油茶果采摘机突出采用多自由度臂架结构，控制振动采摘头夹紧树干，振动以致使成熟的果实脱落，可实现持续的、高效率的、安全的作业。

　　现今的油茶果种植基地为了适应机械化和自动化管理的需要，果实的栽培已逐渐趋向规范化和标准化。本文取平地株行距3 m×3 m，冠幅直径为3 m 的成熟油茶果树作为研究对象，横向和纵向两棵树之间容许设备通过的距离不超过1.5 m，这个距离过车刚刚好，如果在两个树之间停车采摘，则空间太小，采摘臂的转动必定会撞到油茶树，对树造成损伤。于是我们选择将采摘机停在四棵树之间的空间进行采摘，采摘臂活动空间足够大，减少对树的损伤。本文运用Pro/E 软件对整机执行机构的作业过程进行了运动仿真与分析。采摘机预期要在四棵树中间位置将振动夹头的位姿达到离采摘机2 100 mm 左右树干的采摘距离，以及树干离地500 mm 左右的高度完成振动采摘。

1、实体建模

　　本文考虑到执行机构结构复杂的特点，采用自下而上的方法进行装配，即先将各部件单独建模成零件再按照连接、约束关系和运动形式进行装配。在制作模型时，零件之间的装配关系必须正确，否则将不能产生相应的运动，这是能否使用Pro/E 仿真的前提和关键。若装配件之间没有相对运动，装配时应该完全约束;不然，就应该根据装配件之间的相对运动，通过连接设定限制运动自由度。在选取预定义的连接集之前，必须了解如何用约束和自由度来定义运动，然后选取相应的连接使机构按照所需的运动方式运动。预定义连接集提供了“刚性”、“销钉”、“滑动杆”、“圆柱”、“平面”等多种连接方式。

　　旋转支座与机架采用了“对齐”和“配对”约束类型，旋转臂与支座、主臂与旋转臂、从动滑块与摆动座、摆动座与振动滑座、振动滑座与采摘头则一律采用“圆柱”连接和“平面”连接，主臂滑座与从动滑块之间采用两个“平面”连接，液压油缸的活塞与缸之间用“圆柱”连接，约束类型还包括“平移轴”定义活塞面与油缸底面的相对距离。一般情况下，采用的连接形式不同接下来所要定义的约束类型也不同。

　　完成执行机构所有部件的装配后, 进行干涉检查，确认无误后，保存文件。完成装配的执行机构的三维运动学模型如图1 所示。

1- 机架;2- 旋转臂支座;3- 旋转臂;4- 主臂滑座;5- 从动滑块;6- 水平摆动座;7- 振动滑座;8- 振动马达;9- 振动采摘头

图1 采摘机执行机构

3、结 语

　　通过以上的采摘机执行机构运动仿真实例，可以看出Pro/E 软件不仅实现了采摘机执行机构的三维实体建模和组装，而且提供了完善的运动仿真和运动分析功能，借助仿真结果对采摘臂运动构件的运动状态、运动规律和运动轨迹等问题进行分析，确定了执行机构的运动过程和工作范围，为振动式油茶果采摘机的进一步研制提供了基础。