高速公路绿篱修剪机运动学仿真分析_欧阳天成

机器人;控制;系统

EquipmentManufacturingTechnologyNo.11，2012

高速公路绿篱修剪机运动学仿真分析

欧阳天成，梁燕成，陈树勋

（广西大学机械工程学院，广西南宁５３０００４）

摘要：设计了一款结构简单、功能优越的高速公路绿篱修剪机。重点介绍利用ＡＤＡＭＳ软件对修剪机进行运动学仿真，获得相关的运动参数，并校核了修剪机运动干涉和“死点”问题。结果表明：修剪机的运动参数符合所设计的功能要求。关键词：绿篱修剪机；运动学仿真；ＡＤＡＭＳ中图分类号：Ｖ４１８．３

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２０１２）１１－００３６－０３

当今绿篱修剪机被广泛应用于高速公路绿篱修

剪和园林美化，大幅度提高了工作效率。今后绿篱修剪机将朝着一机多用、自动化程度高、适应性强、工

环保等方面发展。基于这一思想，并参考现作可靠、

有修剪机的设计方法，本文设计出了一款结构简单、功能优越的高速公路绿篱修剪机，如图１所示。该修剪机不仅能在高速公路和园林上进行绿篱修剪，还可以在公园、城市小区的草坪上割灌。修剪机的工作原理大致为：液压马达驱动回转平台，调整工作臂的空间位置；举升液压缸驱动举升臂绕基座旋转，调整工作臂的修剪高度；伸缩液压缸驱动伸缩臂，调整修剪机构修剪距离；翻转油缸驱动刀架盘旋转，调整修剪机构作业角度；修剪电机通过皮带驱动刀片旋转；承载车向前移动，修剪机向前推进作业。

举升臂

翻转液压缸

液压泵站基座

发电机组控制箱

承载车

伸缩臂修剪电机刀架盘

点”问题；获得修剪机主要技术参数；提取液压缸作用力。运动机构“死点”是指：当从动件上的压力角为９０°，驱动力对从动件的有效回转力矩为零，这个位置称为机构的死点位置。修剪机运动学仿真分析如下。１．１建立模型，添加运动副

仿真的ＣＡＤ模型在ＵＧ中建立，如图２所示，此时的修剪机为装车转场状态。将模型导入ＡＤＡＭＳ后，在各连接构件间添加相关的运动副，运动副所在的位置和性质如图３和表１所示。

ZX

Y

图２修剪机仿真模型

图１修剪机设计结构总成

为了验证设计的可行性，需使用ＡＤＡＭＳ软件进

修剪机的运动参行运动学仿真分析。仿真结果表明，

数符合所设计的要求，各构件间没有出现干涉和“死点”问题，所选的液压缸满足使用要求，达到了预期的设计效果。

２１．２计算修剪机模型的自由度

模型中有１６个运动构件、８个固定副（承载车与大地固接）、８个低副、２个高副和４个驱动副，则模型的自由度为

F＝６×１６－６×８－５×８－２×２－４＝０（１）施加４个驱动约束后，模型的自由度为０，则模型的运动轨迹已确定。

１７

１６１５

１４１３１２

１１１０

２３

４

９

５６７

８

１

１修剪机运动学仿真分析

修剪机运动学仿真的目的：检验运动干涉和“死

图３修剪机运动副约束位置

２０１２－０８－１１收稿日期：作者简介：欧阳天成（１９８６—），男，在读硕士研究生，研究方向：车辆结构分析与优化设计。

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《装备制造技术》２０１２年第１１期

表１

转动副３，６，８，１３，１６自由度１

移动副４，１２，１７自由度１

四种运动副约束

固定副２，７，９，１０，１１，１４，１５

自由度０

点线副１，５自由度４

ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，３５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，３５，０，５５，１１００）

＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５５，０，２３５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２３５，０，２５５，－１１００）

（３）翻转液压缸的移动副驱动函数

ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，３５，０，５５，４８６）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，５５，０，７０，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，７０，０，８５，－３２１）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，８５，０，１００，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１００，０，１３０，１７９）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３０，０，１４５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１４５，０，１６０，－４０２）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１６０，０，１７５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１７５，０，１９０，４９０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１９０，０，２０５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２０５，０，２２０，－４０９）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２２０，０，２３５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２３５，０，２７０，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２７０，０，２８０，－２３）（４）回转支承的转动副驱动函数

ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２０，０，３５，－９０ｄ）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，３５，０，２５５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２５５，０，２７０，９０ｄ）

１．３制定修剪机的运动方案

虚拟仿真模拟修剪机六个极限作业姿态和转场运输姿态，以此来检验修剪机设计方案的合理性以及在任意时刻的运动状态，每个修剪姿态作业时间为１５ｓ，２８０ｓ完成７个修剪姿态。运动方案如表２所示。

表２

姿态最高水平修剪最高竖直修剪最低水平修剪最低竖直修剪最远水平修剪最远竖直修剪转场运输

修剪机的运动方案

运动过程

时间（ｓ）０￣７０７０￣１００１００￣１４５１４５￣１７５１７５￣２０５２０５￣２３５２３５￣２８０

装车状态－最高水平修剪姿态－修剪作业

最高水平修剪姿态－最高竖直修剪姿态－修剪作业最高竖直修剪姿态－最低水平修剪姿态－修剪作业最低水平修剪姿态－最低竖直修剪姿态－修剪作业最低竖直修剪姿态－最远水平修剪姿态－修剪作业最远水平修剪姿态－最远竖直修剪姿态－修剪作业最远竖直修剪姿态－转场运输

２修剪机的运动学仿真结果

１．４对模型施加驱动副

根据模型运动特点，决定采用ＡＤＡＭＳ库函数里的三次多项式构造ＳＴＥＰ阶跃函数作为液压缸中移动副的驱动函数，ＳＴＥＰ函数的具体表达式为：

ＳＴＥＰ（X，X０，H０，X１，H１）（２）

式中，

X为自变量；

X０为阶跃函数起点自变量值；H０为阶跃函数起点函数值；X１为阶跃函数终点自变量值；

H１为阶跃函数终点函数值。

根据修剪机运动方案定义ＳＴＥＰ函数，用时间（ｔｉｍｅ）表示X；液压缸初始时间表示X０；液压缸初始伸长量表示H０；液压缸终点时间表示X１；液压缸终点伸长量表示H１。

按照修剪机的运动方案，把液压缸活塞杆的伸长量定义为时间（ｔｉｍｅ）变化的函数，采用以下函数来描述三对液压缸和回转支承的运动：

（１）举升液压缸的移动副驱动函数

ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０，０，２０，２５５）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２０，０，１００，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１００，０，１３０，－３８７）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１３０，０，１４５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１４５，０，１６０，２９）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１６０，０，１７５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１７５，０，１９０，１４１）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１９０，０，２３５，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２３５，０，２５５，１００）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２５５，０，２７０，０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，２７０，０，２８０，－１３８）

负号表示移动副沿正方向的反向运动，即沿活塞杆缩进方向运动。

（２）伸缩液压缸的移动副驱动函数

２．１运动学仿真动画

在仿真计算后，可获得修剪机的运动轨迹动画。其中有六个重要的极限位置，即最高水平、竖直修剪，最低水平、竖直修剪，最远水平、竖直修剪，它们的动画截图如图４所示。

（ａ）（ｂ）（ｃ）

（ｄ）（ｅ）（ｆ）

图４

修剪机极限位置

２．２运动学仿真数据处理

经过仿真计算后，产生的各类数据已存在ＡＤＡＭＳ的数据库里，在ＡＤＡＭＳ中对仿真分析的结果进行数据处理的目的：

下防护裙和地面处定义标（１）通过在刀架盘上、

记点，获得修剪机最高水平、最高竖直修剪高度；最低水平修剪高度、最低竖直修剪高度；最远水平修剪距离和最远竖直修剪距离。

（２）提取举升臂水平夹角。（３）提取举升液压缸、伸缩液压缸、翻转液压缸负荷。

２８０ｓ完成７个修剪姿态运动学仿真后处理，相关图表如图５￣图１０所示。

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４５００．０４０００．０３５００．０３０００．０

６０００．０

ｆｚｙ＿ｆｏｒｃｅ

４５００．０

Ｈｅｉｇｈ（ｌｍｍ）

２５００．０２０００．０１５００．０１０００．０５００．００．０

０．０

ＨＬ

最高竖直修剪高度最低水平修剪高度

Ｆｏｒｃｅ（ｎｅｗｔｏｎ）

２１０．０

２８０．０

３０００．０

最高水平修剪高度

１５００．０

７０．０

１４０．０

Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）０．０

０．０

７０．０

图５

３５００．０３０００．０２５００．０２０００．０

ＶＬ

修剪高度参数

１４０．０Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）

２１０．０２８０．０

图１０翻转液压缸负荷

Ｄｉｓｔａｎｃｅ（ｍｍ）

１５００．０１０００．０５００．００．０－５００．０－１０００．０

最远水平修剪距离

通过运动学仿真可以得到修剪机主要作业参数

的仿真值，并将其与设计值对比，校核设计方案能否达到设计要求。仿真值与设计值比较如表３所示。

表３

参数

最高水平修剪高度（ｍｍ）最高竖直修剪高度（ｍｍ）最低水平修剪高度（ｍｍ）最低竖直修剪高度（ｍｍ）最远水平修剪距离（ｍｍ）

ｊｓｂ＿ａｎｇｌｅ

最远竖直修剪距离

仿真值与设计值比较

仿真值３００２．５７４３７０．４２１０３．７７１５２．２４３３２７．１９２５３８．８７－２４．９８￣２８．２２

设计值３００２４３７０１０３１５２３３２８２５３８－２５￣２８

０．０７０．０

１４０．０Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）

２１０．０２８０．０

图６

３０．０

修剪距离参数

最远竖直修剪距离（ｍｍ）举升臂水平夹角（°）

１５．０

最大夹角

０．０

最小夹角

－１５．０

－３０．０

０．０

７０．０

１４０．０Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）

２１０．０２８０．０

图７

１７０００．０１６０００．０１５０００．０１４０００．０

ｊｓｙ＿ｆｏｒｃｅ

举升臂水平夹角

１３０００．０１２０００．０１１０００．０１００００．０９０００．０８０００．０

０．０

７０．０

１４０．０Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）

２１０．０

２８０．０

图８

９００．０

举升液压缸负荷

ｓｓｙ＿ｆｏｒｃｅ

仿真结果表明，修剪机在作业过程中各个运动

构件没有发生运动干涉和出现“死点”问题，由于ＡＤＡＭＳ仿真计算是通过ＳＴＥＰ函数控制，计算步长不是无限小，所以ＳＴＥＰ函数会出界，导致运动学仿真获得的作业范围与设计值存在一定的差异，但这些差异都控制在设计要求允许的范围之内，修剪机设计方案符合实际要求。２．３仿真数据的验证

为了进一步给校核修剪机液压缸和为液压缸的选择提供负荷特性参考，可以把初始选配液压缸的数据与仿真模型中对应的数据进行比较。本文分别校核举升液压缸、伸缩液压缸和翻转液压缸的最大输出力。

根据液压缸企业提供的资料，初选定的三种液压缸额定输出压力都为１６ＭＰａ，活塞杆外径分别为

２８、２２ｍｍ，三种液压缸最大输出力的仿真值与额３６、

定值比较如表４所示。

表４

种类举升液压缸伸缩液压缸翻转液压缸

Ｆｏｒｃｅ（ｎｅｗｔｏｎ）

Ａｎｇｌｅ（ｄｅｇ）

液压缸仿真值与额定值比较

仿真最大输出力（Ｎ）

１６５１５．７１８４４．６４５８１１．１５

额定最大输出力（Ｎ）

２５４３４９８４７６０８９

６７５．０

Ｆｏｒｃｅ（ｎｅｗｔｏｎ）

４５０．０

２２５．０

０．０

０．０

７０．０

１４０．０Ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）

２１０．０２８０．０

图９伸缩液压缸负荷

通过表４得知，三种液压缸的最大仿真输出压

力都小于额定输出压力，所以初步选配的液压缸符合设计要求。

（下转第４１页）

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机器人;控制;系统

《装备制造技术》２０１２年第１１期

参考文献：

［１］张志健，耿敬章，孙海燕，等．魔芋片对流干燥水分变化规律研究［Ｊ］．安徽农业科学，２０１１，３９（１２）：７１０６－７１０７．［２］郝迎吉，马德平．一种基于单片机的组态王温度监控系统［Ｊ］．西安科技大学学报，２００５，２５（２）：２０１－２０３．

［３］熊善清．基单片机Ｃ８０５１Ｆ０４０的ＣＡＮ通讯程序设计［Ｊ］．通

信电源技术，２００５，２２（４）：３６－３８．

［４］刘春华，高继森．基于组态软件与单片机的多点温度监控系统总体设计［Ｊ］．宜春学院学报，２００８，３０（４）：５１－５２．［５］田奕，刘秀红．基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的ＣＡＮ总线通讯系统设计［Ｊ］．现代电子技术，２００６，１５：２９－３１．

ＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉｐｏｉｎｔＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ

ＺＨＡＯＬｉａｎｇ

（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅＳｈａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨａｎｚｈｏｎｇＳｈａｎｘｉ７２３００３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣＡＮｂｕｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｕｓｅｄ，ｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｏｆｋｏｎｊａｋｄｒｙｉｎｇｌｉｎｅ，ｔｈｅｆｒｉｅｎｄｌｙｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍｏｆＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｌａｂｗｉｄｏｗｓ／ＣＶＩ；ＣＡＮｂｕｓ

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

（上接第３８页）

学学报（自然科学版），２０１１，３０（５）：２０８－２１０．

［２］孟俊焕，王卫东，刘敏．园林绿化机械设备的现状与发展趋势［Ｊ］．农业装备与车辆工程，２００６，１７４（１）：４－５．

［３］郑建荣．ＡＤＡＭＳ虚拟样机技术及提高［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２．

［４］李增刚．ＡＤＡＭＳ入门详解与实例［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００６．

［５］李军．ＡＤＡＭＳ实例教程［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，

参考文献：

［１］曹海东．高速公路养护机械设备与管理［Ｊ］．辽宁工程技术大

２００２．

３结束语

通过ＡＤＡＭＳ对所设计的高速公路绿篱修剪机

仿真后所获得的修剪机运动参进行运动学仿真分析。

数和液压缸参数均满足设计要求，并且各构件间未发生干涉和“死点”问题，从而证明了该设计的可行性。

ＴｈｅＫｉｎｅｍａｔｉｃｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＨｉｇｈｗａｙＨｅｄｇｅＴｒｉｍｍｅｒｓ

ＯＵＹＡＮＧＴｉａｎ－ｃｈｅｎｇ，ＬＩＡＮＧＹａｎ－ｃｈｅｎｇ，ＣＨＥＮＳｈｕ－ｘｕｎ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅｈａｖｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｏｆｈｉｇｈｗａｙｈｅｄｇｅｔｒｉｍｍｅｒｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｆｏｃｕｓｏｎｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｗａｙｈｅｄｇｅｔｒｉｍｍｅｒｓｂｙｕｓｉｎｇＡＤＡＭＳｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｎｏｂｔａｉｎｒｅｌｅｖａｎｔｍｏｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｖｅｒｉｆｙｔｈｅｔｒｉｍｍｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｄｅａｄｓｐｏｔｓｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｏｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｔｒｉｍｍｅｒｓｍａｔｃｈｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅｄｇｅｔｒｉｍｍｅｒｓ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＡＤＡＭＳ

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