耕种机虚拟样机精密单体播深和排种仿真研究

王风燕，马　茵，刘志刚

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳　473000；2.南昌工学院，南昌　330108；3.南昌大学，南昌　330031 )



耕种机虚拟样机精密单体播深和排种仿真研究

王风燕1，马茵1，刘志刚2,3

(1.河南工业职业技术学院，河南 南阳473000；2.南昌工学院，南昌330108；3.南昌大学，南昌330031 )

摘要：为了进一步改善耕种机的播深控制和排种精度，提高耕种机的设计效率，提出了一种基于数值仿真模拟的耕种机播种精度优化设计方法，建立了播种机的虚拟样机模型，并对播种参数的优化效果进行了仿真计算分析。利用三维绘图软件UG设计了排种器的零部件，建立了装配模型，设计了精密播种机的虚拟样机模型；采用ADAMS软件对排种器排种精度和播种机虚拟样机的播深合格率进行了动力学仿真。通过数值仿真模拟计算，得到了精密播种机播深随时间的变化曲线，以及ADAMS参数优化前后排种精度和播深合格率的结果。通过结果的对比分析发现：优化后的排种器排种精度有了明显的改善，且变异系数小；虚拟样机的播深合格率有了明显的提高，并且播深控制的稳定性较好，播深的控制精度较高，为播种机的优化设计提供了技术参考。

关键词：播深控制；虚拟样机；排种器；仿真模拟；UG软件；ADAMS软件

0引言

播种技术严重影响着粮食的产量。在我国，已有近50年精密播种技术的发展历史。精密播种机在20世纪60年代中期就已经出现，但是由于技术方面不够完善及农艺要求方面还存在一些问题，在进行精密播种试点时没有达到较好的效果，最终没有实现有效的推广。近几年，农业得到了国家基金的大力扶持，播种技术不断进步，加快了精播技术的发展步伐。精密播种技术指的是按照科学的计算和农艺要求，通过播种预定数量的种子在预测的土壤位置上，要求播种的穴距、穴粒数、播种深度等精确，并保证精确行距均。通过以往的实验数据可以得出：精密播种技术大大提高了增产率，相比普通播种增产量达到了6%～25%。

精密播种技术已成功应用于多种作物的种植，是农业增产、增收和降低粮食生产成本的重要措施之一。为了进一步提高耕种机的播深控制精度和排种精度，本文结合排种器排种和播种机耕种的力学原理，设计了排种速度和播深位移的模糊控制优化算法，并采用UG和ADMAS联合仿真的方法对优化效果进行验证，大大提高了播种机优化设计的效率。

1耕种机虚拟样机仿真模拟原理

近几年，精密播种机的研究有了新的发展方向，通过计算机虚拟样机技术对播种机部件和整机进行模拟仿真实验取得了较好的效果，提高了播种机的设计效率及准确性。目前，在研究播种机过程中，通过应用Pro/E、UG等三维设计软件对零部件进行参数化设计，仔细检验整机装配，使得产品在系列化设计方面有了更大的进步。同时，应用多种专业的分析软件(如有限元分析软件ANSYS、机械系统动力学分析软件ADAMS等)进行动力学、力学、机构运动学仿真分析，使精密播种机在稳定性、通用性、可靠性方面有了很大程度的改善，进一步推动了播种机械在我国的发展。

图1为精密播种机的示意图。多数播种机都采用了平行四杆仿形机构，在播种的单体上设计了精密的播深调整装置，可以准确地调整和指示播深，保证了播种深度的一致性。

图1　精密播种机虚拟样机示意图

图2为播种机优化设计仿真过程示意图。首先根据播种机的力学原理设计播深和排种速度的数学模型，利用模糊控制原理控制排种速度和播深的误差，使用UG软件建立精密播种机的虚拟样机，采用ADMAS软件对排种和播深进行仿真模拟；然后，通过联合仿真输出优化结果，将最终优化结果导入到数据库中，方便后续设计数据的直接调用。

图2　播种机优化设计仿真过程示意图

2控制算法设计

在排种的初始阶段，大量的种子会涌进排种器内，以进入的种子为研究对象，将位置角度记做θ，种子受力主要有重力mg、离心力mω2r、分种勺面的静摩擦力FN和隔板间的滑动摩擦力F′，如图3所示。

图3中，受力关系方程为

(1)

排种器的极限充种角度θbc，其表达式为

tanβ·tanφ′

(2)

其中，α为导种台倾角；φ为种子静摩擦角；φ′为种子滑动摩擦角；r为种子质心距主轴心距离；ω为角速度。其中，ω是主要可以调控的变量，为了实现耕种机播深和排种精度的优化，采用模糊控制的方法对排种速度ω和播深进行模糊控制，通过定义位移误差和排种速度的误差域来实现。首先定义位移和排种速度的误差范围，则有

-6mm≤S(k)=S(k)-S(k-1)≤6mm

-8rad/s≤ω(i)=ω(i)-ω(i-1)≤8rad/s

(3)

播种机模糊控制位移和排种速度的基本误差域为S[-6,6]和ω[-8,8]，利用模糊控制将误差域进行离散化，则

(4)

其中，x∈[u,v]，表示误差域；n为离散度，通过离散化共得到n个子矩阵关系。其算法为

M=M1∪M2∪…∪Mn

(5)

通过播深误差量的反馈调节，得到模糊控制输出量为

Y=(S×ω)·M

(6)

因此，可以利用ADMAS软件的优化设计功能，采用模糊控制的方法对播深和排种速度进行优化设计。

3仿真模拟分析

为了验证所设计的播深和排种精密控制算法的有效性和可靠性，本次研究采用数值仿真模拟的形式对播深和排种精度进行计算，得到播深的合格率和排种的精度。首先利用UG软件建立耕种机虚拟样机排种器的各个零部件，在虚拟装配时采用自底向上的装配方法，将所有零件装配到一起，完成精密排种器的虚拟装配，如图4所示。

工作时，打开UG软件，进入装配模式，依次调入所有的零件，并按照各零件间的相对位置和约束关系，对排种器进行组装；组装完成后，可以通过ADMAS软件对结构进行动力学分析。各变量的优化设计如图5所示。

为了实现排种精度的优化控制，需要在ADAMS软件中使用模糊控制算法对变量进行优化。优化的函数为测量的目标函数“FUNCTION_MEA_1”的最大值，优化的设计变量为“DV_1”、“DV_2”、“DV_3”，目标函数为最大值。

如图6所示，完成所有的设置后，敲定窗口的“Start”键，这时软件将会对装置进行最优化的计算分析。通过计算，可以得到排种器最佳优化参数。其中，装置垂直倾角为26.5°，倾角为9.9°，转动的角速度为8.8rad/s。

图4　精密排种器的装配图

图5　变量优化设计

图6　优化角度相对于迭代次数的变化曲线

如图7所示，为了实现播深精度的优化控制，在ADAMS环境下建立了简化的平行四杆式播种单体仿真模型，通过参数化设计改变仿形机构中关键部件的结构尺寸，进行模型的快速修改和仿真。通过优化，得到了如图8所示的播深变化曲线。

图7　播深虚拟样机示意图

图8　播深随时间变化曲线

由图8可以看出：通过优化后，播深在短时间内便可以达到需要的耕种深度，而且播深控制的稳定性较好，播深的控制精度较高。

在排种精度控制优化前后，通过的10次仿真模拟，得到了排种准确率的分析结果，如表1所示。由表1可以看出：优化后排种的准确率要明显高于优化前，且优化后排种准确率的变异系数也明显比优化前的小。

表1　排种准确率分析结果

续表1

表2为优化前后播深合格率的仿真模拟结果。由表2可以看出：优化后的播深合格率要明显高于优化前的合格率，其最低合格率在95%以上，提高了播深的控制精度，满足播深精密控制的需要。

表2　播深控制合格率

4结论

依据播种机排种和耕种的力学特性，结合模糊控制算法，设计了一种新的播种机排种精度和播深控制的优化方法，并采用数值仿真模拟的方法对优化效果进行了验证。

利用UG软件建立了排种器的各种零部件和播种机虚拟样机，并进行了装配；采用ADAMS软件对排种器排种精度和播种机虚拟样机的播深合格率进行了动力学仿真。

通过数值仿真模拟计算，得到了ADAMS参数优化前后排种精度和播深合格率的结果。由结果分析可以看出：优化后排种的准确率要明显高于优化前，而且优化后排种准确率的变异系数也明显比优化前的小；优化后的播深合格率要明显高于优化前的合格率，其最低合格率在95%以上，满足精密播种的需求，可以在农业精密播种技术中将其推广。

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Simulation Research on Precision Monomer Sowing Depth and Seed Metering of Farming Machine Virtual Prototype

Wang Fengyan1, Ma Yin1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031, China)

Abstract：In order to further improve the farming machine sowing depth control and metering accuracy, improve the design efficiency of farming machine, put forward a kind of optimization design method of machine for tilling seeding accuracy numerical simulation based on the virtual prototype model, established the seeder, and the optimization effect on seeding parameters calculated simulation. The seeding machine parts design using three-dimensional drawing software UG, assembly model is established, the design of the virtual prototype model of precision seeder, the metering device for precision seeding machine virtual prototype and the qualified rate of the sowing depth of dynamic simulation is carried out using ADAMS software. Through the numerical simulation calculation, the precise sowing machine get deep variation curves, obtained ADAMS parameters before and after optimization, the metering accuracy and sowing depth qualified rate results. The results found, sowing precision after optimization is improved obviously, and the coefficient of variation is small, the virtual prototype of the sowing depth pass rate has been significantly improved, and the sowing depth control of good stability, high control precision sowing depth, provide technical reference for optimization design of seeder the.

Key words：sowing depth control; virtual prototype; metering device; simulation; UG software; ADAMS software

文章编号：1003-188X(2016)02-0017-05

中图分类号：S223.2；TP391.99

文献标识码：A

作者简介：王风燕(1981-)，女，河南南阳人，讲师，硕士。通讯作者：刘志刚(1980-)，男，湖北天门人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51305152)

收稿日期：2015-01-27