关键词:
振动采收
旋轮线轨迹优化
加速度响应
动力学仿真
控制系统设计
摘要:
我国目前水果产量和水果消耗量均排名世界第一。随着水果种植面积的扩大,果园机械化的市场需求也在持续增大。而整个果品收获需要的劳动力占据了果园整个生产过程需要劳动时间至少为15%,采用果品机械化收获不仅能够提高采摘效率,节省了人力成本,还能够降低果品损伤率。因此提高果品机械化采收具有重要意义。本课题为进一步提高振动式果品采收机采收的效率,降低振动时对果树产生的损伤影响为目标。因此,本文首先建立果树模型,通过比较不同类型旋轮线激励载荷,根据仿真的结果设计基于旋轮线轨迹的果品振动采收机构,最终进行野外果树振动加速度响应试验,验证基于旋轮线轨迹的果品振动采收机构的实际采收效果。根据以上思路,论文的主要研究内容如下:(1)本文为了方便研究果树振动特性,将其简化为质量—弹性元件系统,建立为四自由度的果树动力学模型,该模型可以较好地反应果树振动情况。利用有限元软件ANSYS对果树模型进行模态分析及谐响应分析,结果表明:(1)果树在不同激振频率下其响应变形不尽相同,一般为树枝扭转和弯曲变形。(2)通过统计谐响应结果发现,在激振振的频率为4Hz、14Hz能达到较好的振摇效果。通过建立果树动力学模型和仿真分析为设计采收装置提供理论依据。(2)首先分析现有的果树激振形式,统计发现非圆周激励能够更有效的激振果树并使果树产生整体响应。通过将ANSYS果树模型导入ADAMS中仿真不同类型旋轮线轨迹激振果树模型,再比较不同类型旋轮线激励载荷对果树的激励响应情况,分析和对比振摇果树时产生加速度大小以及统计测试点处加速度变异系数,最终选择轨迹内凹程度较大旋轮线轨迹作为本文要设计的果品振动采收机构的激励方式。(3)根据果树动力学仿真结果,以及机构运动的可实现性,设计基于旋轮线轨迹的果品振动采收机构,该机构主要由5R机构、夹持机构、动力传动部分、箱体组成。然后对该机构进行运动学分析,以及机构的轨迹规划,规划出伺服电机的输入角度随着时间的变化规律。最后对该机构进行运动学仿真和动力学仿真,求解出该机构输出末端的位移、速度和加速度以及输入驱动杆的力矩大小,进行轨迹的验证和电机的选择。(4)根据确定的最优轨迹和果品振动采收机构的设计,完成了样机的加工和装配。对样机进行调试试验,通过对控制系统的软件和硬件进行设置,实现单片机对伺服电机的运动控制。最后开展户外果树振动响应试验,分别进行三组室外试验,测量和统计不同轨迹下振动果树时20个测试点的平均加速度大小,结果显示3/1支线外旋轮线轨迹5、3/1支线内旋轮线轨迹5、5/1支线内旋轮线轨迹5激振时,树体平均振动加速度和变异系数分别为10.15 m/s和0.48、13.31 m/s和0.57、15 m/s和0.78,验证了3/1支线外旋轮线轨迹5激振果树时能够实现对果树产生整体激振效果和满足输出较大振摇激励。证明了不同旋轮线激振果树时,轨迹线内凹越多,其激振果树时产生的平均加速度越大,但其整体激振效果会越来越差。