水稻精密播种机供种系统的仿真分析*

□ 刘永武□ 杨发展□ 李建东□ 王玉玲□ 姜芙林□ 魏海明□ 罗 佳

1.青岛理工大学机械与汽车工程学院 山东青岛 266520

2.中机美诺科技股份有限公司 北京 100083

1 研究背景

我国是一个农业大国，农业问题关系到国民经济发展、社会稳定和国家富强，成为不可忽视的国家大事。在我国南方，粮食主要以水稻为主，因此提高水稻机械化栽种显得尤其重要。目前，我国的水稻播种机械主要来自国外，国内在水稻播种育种这一领域起步较晚，但有后来赶上的优势且前景良好。对水稻精密播种机进行研制，能够加快水稻精密播种，促进增产增收。

笔者应用Pro/E软件进行实体模型创建，装配精密播种机供种系统的虚拟样机，并利用软件中的运动机构仿真模块对关键部件进行干涉检查，检查样机的装配合理性，同时选取关键部件进行位移和速度变化分析。

2 整机设计

整机动力由步进电机提供，通过联轴器将步进电机与链轮轴连接，步进电机的旋转带动链轮转动，主动轮旋转带动链条运动，随之带动装配在链条上的推块运动，推块推动种盒向前运动，进而将种盒内的种子推到落种孔，由落种孔进入落种管到达排种器，最后由排种器排出种子。每个种盒可以装不同品种的水稻试验种子，从而实现种子的精密播种。笔者所设计的精密播种机主要由电机、机架、种盒导板、落种板、种盒、种盒盖板、推块、链条传动系统、撑杆及底座等组成。

基于Pro/E虚拟样机制造技术，设计精密播种机零部件，并按装配要求装配，最后进行动态分析[1]，设计流程如图1所示。

▲图1 设计流程

3 三维建模

应用Pro/E软件对水稻精密播种机供种系统进行三维建模，如图2所示。供种系统一次可以放十个种盒，实现六行播种。种盒三维模型如图3所示。

虚拟样机技术融合了先进的建模仿真技术、先进设计技术等，将这些技术应用于复杂产品的全生命周期和全系统设计，能进行综合管理。与传统产品设计相比，虚拟样机技术支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化协同设计[2]。

▲图2 供种系统三维模型

▲图3 种盒三维模型

笔者设计将种盒装满种子，倒扣在种盒盖板上，放入指定位置。通过电机提供动力，电机经联轴器带动链轮轴转动，通过链条传动带动推块运动，推块推动种盒向前移动。当到达落种孔时，种盒内的种子因重力下落，经落种管到达排种器。一个种盒排空后，后续跟进，直至种盒内的种子都进入排种器。虚拟样机的机构模型由驱动装置、传动装置、推动机构组成。其中，推动机构对供种精度起重要影响，因此重点分析这一机构。推动机构由推块装配在链条上，通过链条的运动带动推块在机架导轨上移动，实际上相当于滑块导轨。推动机构装配如图4所示。

▲图4 推动机构装配

4 运动仿真

4.1 添加步进电机

由于笔者设计的供种系统与水稻精密播种机其它部件是独立的，因此需要安装独立的步进电机。步进电机将电信号转换为角位移信号，其转速与停止位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数量，而不受负载变化的影响[4-6]。当步进电机的驱动器接收到脉冲信号时，驱动器就驱动步进电机沿设定的方向转动固定的角度，由电机的旋转带动链条运动。通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而实现准确定位的目的。同时，也可以通过控制脉冲频率来控制旋转的速度和加速度，从而实现供种速度的调整。

由于主要模拟推块运动，因此推块和机架导轨的装配关系要准确，然后进入机构模块，添加步进电机，选择运动方式为几何运动，接着选择运动零件，再选择方向，最后选择运动路径为直线运动，并设定位置或速度[7]。完成机构分析设置后，再设定运动时间，就可以模拟推块运动。

4.2 机构运动干涉检查

运动学仿真可确定一点的位移、速度及加速度变化范围。整机虚拟样机装配完成后，由装配环境转换为机构环境，添加和定义步进电动机。选择分析类型为运动学分析，设定开始时间为0，结束时间为10 s，运行并保存仿真图表。点击回放，在回放界面中将碰撞检测类型设置为部分碰撞检测，进行机构的干涉检查[8-9]。

4.3 位移分析

装配体完成运动干涉检查后，将进行位移变化的仿真分析。记录运动位移随时间变化曲线并输出，有助于理解和分析机构运动结果，并可提供改进机械设计的信息。

创建测量measure1，设定测量类型为位置，选取推块末端为测量点，选取机架导轨上表面的装配坐标系为参考坐标系，测量位移。测量结果如图5所示。

▲图5 推块水平位移变化曲线

由图5可以看出，推块为连续直线运动，推动种盒不断供种，可以将所有种盒的种子都送到落种孔，保证种子的下落，实现连续供种。

4.4 速度分析

推块的速度对种子的下落有很大影响，若速度过快，种盒里的种子还没有落下就被推走，若速度过慢，连续等待的时间过长，影响播种进程，所以选择一个合适的速度非常重要。创建测量measure2，默认测量类型为时间步长[10]。测量结果如图6所示。

由图6可以看出，种盒始终以恒定的速度向前运动，运动过程没有速度变化，不会造成冲击振动影响投种精度，满足实际播种要求。

5 结束语

虚拟样机是非常有效的设计工具[11]，已成为设计新产品的必备工具[12]。设计水稻精密播种机供种系统的虚拟样机，对虚拟样机进行仿真，对关键部件的速度变化规律进行分析，得到速度变化曲线。同时获得播种过程中推块位移变化曲线，为整机的优化设计提供了理论依据。

▲图6 推块速度变化曲线