西北林学院学报2021,36(2):289-296
J o u r n a l o f N o r t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y
d o i :10.3969/j
.i s s n .1001-7461.2021.02.41基于AM E S i m 和S i m c e n t e r 3D 的齿梳式油茶果
收稿日期:2020-06-15 修回日期:2020-10-08
基金项目：芦苇笋智能采收关键技术研究与装备研发(2019N K 2022)；中南林业科技大学博士科研经费项目(11180517
)㊂ 作者简介：马 喆，硕士在读㊂研究方向：现代林业技术及装备㊂E -m a i l :921830818@q q
.c o m *通信作者：高自成，博士，副教授，硕士生导师㊂研究方向：林业机械㊂E -m a i l :g
z c 1968@126.c o m 马 喆，高自成*，李立君，万晋廷
(中南林业科技大学机电工程学院，湖南长沙410004
)摘 要：为了检验齿梳式油茶果采摘机与液压系统的设计是否满足工作要求，运用AM E S i m 和 S i m c e n t e r 3D 软件建立采摘机与液压系统的联合仿真模型，通过彼此的软件接口以AM E S i m 为主
要平台进行联合仿真，得到作为执行机构的3个液压缸的压力㊁流量㊁负载㊁速度㊁位移参数随时间变化的曲线图，并进行分析㊂结果表明，齿梳式油茶果采摘机可以正常工作，设计满足工作要求㊂关键词:AM E S i m ;S i m c e n t e r 3D ; 采摘机；联合仿真中图分类号:S 766.222 文献标志码:A 文章编号:1001-7461(2021)02-0289-08
C o -s i m u l a t i o n o f T o o t h e d C o m b O i l T e a F r u i t P i c k i n g M
a c h i n e B a s e d o n AM E S i m a n d S i m c e n t e r 3D
M A Z h e ,G A O Z i -c h e n g *
,L I L i -j u n ,W A N J i n -t i n g
(S c h o o l o f M a c h i n e a n d E l e c t r i c i t y ,C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y o f F o r e s t r y a n d T e c h n o l o g y ,C h a n g
s h a 410004,H u n a n ,C h i n a )A b s t r a c t :T h e o b j e c t i v e o f t h i s s t u d y w a s t o t e s t t h e f e a s i b i l i t i e s o f a t o o t h e d c o m b o i l t e a f r u i t p i c k i n g m
a -c h i n e a n d i t s h y d r a u l i c s y s t e m.AM E S i m a n d S i m c e n t e r 3D s o f t w a r e w e r e a p p
l i e d t o e s t a b l i s h t h e c o -s i m u -l a t i o n m o d e l f o r t h e p i c k i n g m a c h i n e a n d h y d r a u l i c s y s t e m.T h e c o -s i m u l a t i o n w a s c o n d u c t e d b y t
h e s o f t -w a r e i n t e r f a c e s o f e a c h o t h e r w i t h AM E S i m a s t h e m a i n p l a t f o r m.T h e c h a n g
e c u r v e s o
f t h e r e l a t i v e p a r a m -e t e r s o f t h e t h r e e h y d r a u l i c c y l i n d e r s t h a t w e r e u s e d a s a c t u a t o r s w e r e o b t a i n e d ,i n c l u d i n
g p
r e s s u r e ,f l o w r a t e ,l o a d ,s p e e d a n d d i s p l a c e m e n t .T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e p i c k i n g m
a c h i n e c o u l d w o r k n o r -m a l l y a n d t h e d e s i g n c o u l d m e e t t h e w o r k i n g r e q
u i r e m e n t s .K e y w
o r d s :AM E S i m ;S i m c e n t e r 3D ;p i c k i n g m a c h i n e ;c o -s i m u l a t i o n 为了满足机械化采摘油茶果的要求,
设计了一款齿梳式油茶果采摘机[
1
]㊂采摘机的核心部分是一个采摘机械臂和与之匹配的液压系统，采摘机工作时，作为驱动机械臂运动的3个液压缸的负载是不断变化的，这会对液压缸等液压元件的选型和计算造成很大的困难，仅经过理论计算设计的液压系统很难保证一定满足工作需求，需要在实际生产之前对其进行精确地仿真分析验证㊂
采用同属西门子公司的软件AM E S i m 和S i m -
c e n t e r 3D 分别搭建采摘机的液压系统模型和机械
臂的动力学模型，并以AM E S i m 为主要仿真平台㊂
利用2个软件间的接口进行联合仿真，并对仿真结果进行分析来验证采摘机设计的合理性㊂联合仿真能使数据在2个软件间实时相互交换，可以准确地反应不同时刻下系统与负载的真实关系㊂
1 采摘机械臂工作原理分析
齿梳式油茶果采摘机的结构如图1所示,2个
主臂液压缸和副臂液压缸共同控制采摘机械臂在竖直平面内的运动，采摘马达通过减速机和带传动带动梳齿采摘头旋转来采摘油茶果，立柱回转马达通过减速器和齿轮机构带动机械臂旋转来调整采摘角 度[2]
㊂其中元件3㊁4㊁5㊁8和5㊁6㊁7㊁12分别组成
2个平行四边形机构，使采摘平台始终保持与地面平行
㊂
注:1.梳齿采摘头;2.采摘马达;3.副臂杆1;4.副臂;5.主臂杆2;6.主臂杆1;7.立柱杆;8.采摘平台;9.副臂杆2;10.主臂杆3;11.副臂液压缸;12.主臂;13.主臂液压缸2;14.主臂液压缸1;15.
立柱;16.采摘臂底座;17.
立柱回转马达㊂图1 齿梳式采摘机结构示意
F i g .1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f t o o t h e d c o m b p i c k i n g m
a c h i n e 2 采摘机械臂的理论计算
2.1 采摘机械臂执行机构的最大负载计算
图2为采摘机械臂的力学模型与实物模型的对比图，实物模型零件过多㊂为了减少理论计算的工作量，需要把实物模型简化成力学模型，把副臂杆1㊁
母线框
主臂杆1和主臂杆2去掉，将其质量分别加到主副臂上，用采摘平台代替整个采摘头组件(即采摘平台质量改为整个采摘头组件质量)，保持了机械臂整体质量不变㊂将副臂液压缸和主臂杆3的重力纳入主臂的重力G 1，并设主臂㊁副臂液压缸和主臂杆3的重心位于主臂B F 上，并忽略副臂液压缸活塞杆运动时由于液压油流动而引起的重力变化；将副臂杆2的重力纳入副臂的重力G 2,并设副臂和副臂杆2的重心位于副臂F I 上，采摘头的重力为G 3，并设其重心位于副臂的末端I 点上㊂
其中,L 1到L 10分别为相关构件的长度和3个重心的位置,L 和L 0分别表示主副臂液压缸活塞杆未伸出时的2个耳环铰链中心之间的长度,x ,y 分别表示主副臂液压缸活塞杆在液压油的推动下伸出的长度㊂主臂液压缸的驱动力为F 1，方向沿着主臂液压缸两个耳环铰链中心的连线A C 指向C 点，副臂液压缸的驱动力为F 2，方向沿着副臂液压缸两个耳环铰链中心的连线D H 指向H 点㊂先推导某一时刻主臂液压缸活塞杆的静态负载公式:
当机械臂静态平衡时，力F 1㊁G 1㊁G 2和G 3对B
点的主矩等于0，此时有:
智能无线测温装置
ðM B (F )=0
M F 1+M G 1+M G 2+M G 3=0
其中:
M F 1=F 1l 1s i n øB A C ,M G 1=-G 1l 5
s i n αM G 2=-G 2(l 6s i n α-l 9s i n (α+2φ)
)M G 3=-G 3(l 6s i n α-l 10s i n (α+2φ)
)经过推导，有:
s i n øB A C =1-l 2
1+(l +x )2
-l 2
2
2l 1(
l +x )
2
α=a r c c o s
l 21+l 22-(
l +x )2
2l 1l 2
φ=a r c c o s 2l
3l 4+l 23+l 28-(l 0+
y )2
2l 23l 24+l 23l 28+l 3l 4(l 23+l 28-(l 0+
y )2
)图2 采摘机械臂的力学模型与实物模型
F i g .2 M e c h a n i c a l m o d e l a n d p h y s i c a l m o d e l o f p i c k i n g
m a n i p
u l a t o r a r m 由于采摘机械臂的结构限制，使得主臂B F 与
副臂F I 之间的角度变化范围是30~150ʎ，主臂B F 与立柱A B 之间的角度变化范围是60~150ʎ㊂当采摘臂的总长度在水平方向上达到最大时，即B 点与I 点的距离最大且直线B I 与水平面平行时,
主臂㊁副臂和采摘头的重心到立柱A B 的距离最大，此时主臂液压缸的静态负载最大，取øB F I 的最大值
150ʎ，即2φ=150ʎ,φ=7
5ʎ，则α=90ʎ+øF B I ㊂此时主臂液压缸的静态负载最大㊂
øF B I =a r c c o s
l 2
6+l 2
B I -l 2
10
2l 6l B I
量取此时的长度l B I ㊁
x 和y ，求出øF B I ，则α㊁φ和øB
A C 均已得知，即可求出静态时最大的主臂液压缸的驱动力F 1㊂
将齿梳式采摘机械臂各零件选用的材料密度和
尺寸代入到公式中计算得到此时主臂液压缸的总驱
92西北林学院学报
36卷
动力F 1ʈ15425.8N ㊂
由于在实际工作状态中，主臂液压缸的活塞杆
经调速阀在液压油的推动下做等速运动㊂活塞杆在运动的开始和停止2个时刻会产生很大的加速度，存在刚性冲击，使液压缸驱动力的大小发生巨大波动，所以主臂液压缸的最大负载F 等于其最大静态负载乘以一个波动系数，其值通常为1.3~1.5，这里取中间值1.4,
所以:F =F 1ˑ1.4=21596.12N
由于主臂为2个液压缸并联工作，所以每个主
臂液压缸的最大负载F '只有F 的1/2,
所以:F '=0.5ˑF =10798.06N
副臂液压缸的最大负载求法与主臂液压缸类
似，不再叙述，其值为:
F 副=F 2ˑ1.4=18814.32N
2.2 主副臂液压缸的主要参数计算
先计算主臂液压缸的主要参数㊂确定工作压力
p 1和背压p 2，液压执行元件的工作压力p 1可以结合‘机械设计手册“选取，通过对比不同设备类型选取的压力范围，可以确定齿梳式油茶果采摘机为低压系统，初步选定p 1=5M P a ，同时取p 2=0.2
M P a
㊂根据选取的工作压力，取活塞杆直径d 和液压缸内径D 的比值d /D =0.5㊂文具盒生产过程
根据单杆活塞缸的推力计算公式，有:
F =p 1π4D 2-p 2π4D 2-d 2
ηm 式中,ηm 为液压缸的机械效率,
一般ηm =0.9~0.97，这里选取ηm =0.94㊂F 为上面计算的主臂液
压缸最大负载F '，将上式变形并将所需参数代入得到液压缸内径D :
D =
4F
(p 1-0.75p 2)πη
m ʈ54.92mm 将液压缸内径D 和活塞杆直径d 按照d =
0.5D 的比值根据国家标准就近圆整为D =63mm ,d =32mm ㊂
因为主臂液压缸的负载比较大，运动过程中机黑导电布
械臂的惯性比较大，从工作稳定性的角度出发，设定主臂液压缸活塞杆伸出速度为v 1=10mm /s ，所以根据速比公式有活塞杆收回速度为:
v 2=v 1λv =
v 1
1-d D
焊锡线
2
ʈ13.33mm /s 根据选定的主臂液压缸，流入单个主臂液压缸
的流量为:
q 1=v 1πD 24η
v =10ˑ10-3ˑπˑ(63ˑ10-3)2
4ˑ1m 3
/s ʈ1870.35m L /m i n
其中ηv 为液压缸的容积效率，其值大小与采用的密封形式有关，这里取ηv =
1㊂副臂液压缸主要参数的计算与主臂液压缸类
似，不再叙述㊂其液压缸内径D =80mm ，活塞杆直径d =40mm ；活塞杆速度为v 1=10mm /s ,v 2=
13.33mm /s ；流入的流量为q 2=30
15.93m L /m i n
㊂3 建立模型
3.1 采摘机械臂的S i m c e n t e r 3D 机械系统建模
采摘马达和立柱回转马达的仿真将涉及油茶果
果柄和树枝的模型㊂针对研究主题，只对采摘机械臂和主副臂3个液压缸的工作进行联合仿真㊂
根据实际工作流程，设置主副臂液压缸的初始
位移均为50mm ㊂对模型做完基本处理后，将其存为S T E P 文件导入S i m c e n t e r 3D 中,
对每个零件赋予材料，设置质心和惯性坐标系，根据齿梳式采摘机工作时的实际运动情况，为S i m c e n t e r 3D 中的机械
系统模型添加运动副[
3-5
]㊂其运动副分配情况如表1所示㊂
表1 机械臂运动副设置
T a b l e 1 M a n i p u l a t o r m o t i o n p a i r s e t t i n g t
a b l e 构件1
构件2
运动副类型采摘头
副臂杆1旋转副副臂缸筒主臂旋转副副臂活塞杆主臂杆3旋转副副臂活塞杆副臂缸筒滑动副副臂采摘头旋转副副臂副臂杆2旋转副立柱立柱杆固定副立柱大地固定副立柱主臂旋转副主臂杆1
立柱杆旋转副主臂杆1主臂杆2旋转副主臂杆2副臂杆1共线运动副主臂杆2主臂共线运动副主臂杆3副臂杆2
共线运动副主臂缸筒1立柱旋转副主臂缸筒2立柱旋转副主臂活塞杆1主臂共线运动副主臂活塞杆2主臂
共线运动副主臂活塞杆1主臂缸筒1滑动副主臂活塞杆2主臂缸筒2滑动副主臂副臂旋转副主臂
数字调谐器主臂杆3共线运动副
共线运动副作用与旋转副类似，但是它不限制轴向运动，可用于替换因存在过度约束而失效的旋转副㊂设置完毕后的模型如图3所示㊂
1
92第2期
马 喆等：基于AM E S i m 和S i m c e n t e r 3D 的齿梳式油茶果采摘机联合仿真
注:1.采摘头(用采摘平台表示整个采摘头组件);2.副臂;3.副臂杆1;4.主臂杆2;5.副臂杆2;6.主臂杆3;7.副臂活塞杆;8.副臂缸筒;
9.主臂杆1;10.主臂;11.主臂活塞杆(2个);12.主臂缸筒(2个);
13.立柱;14.立柱杆㊂
图3采摘机械臂机械系统模型
F i g.3 M e c h a n i c a l s y s t e m m o d e l o f p i c k i n g m a n i p u l a t o r a r m
3.2设置S i m c e n t e r3D的控制输入输出
联合仿真通常会选取一个软件为主要仿真平台，另一个为辅助仿真平台㊂选取原则为：液压系统复杂时，以AM E S i m为主；机械系统的动力学复杂时，以S i m c e n t e r3D为主㊂在本文中，是以液压系统作为主要方面进行研究的，所以选取AM E S i m为主要仿真平台㊂
控制输入与控制输出就是在主㊁副2个仿真平台之间实时相互交换来驱动联合仿真持续有效进行的参数㊂在S i m c e n t e r3D中，控制输入为采摘机械臂的动力学模型通过 S i m c e n t e r3D M o t i o n 模块向AM E S i m中的液压系统模型的3个液压缸输入活塞杆的位移和速度参数；控制输出为AM E S i m液压系统模型通过 机电模块 向采摘机械臂的动力学模型输出3个液压缸活塞杆的受力参数[6-8]㊂数据交换过程如图4所示㊂设置完毕后，对解算方案求解并导出 求解器输入文件 ㊂
3.3基于A M E S i m H C D库的双向液压锁建模与超级元件的制作
双向液压锁在齿梳式采摘机液压系统中是十分重要的元件，在A M E S i m中的H y d r a u l i c库中没有现成的液压锁元件，所以需要调用H C D库自行对液压锁进行建模并制作成超级元件方便后续使用㊂
图5为双向液压锁的结构原理图㊂其中,A㊁B 为液压锁与液压系统连接的2个工作油孔,H㊁K为液压锁与液压缸连接的2个工作油孔㊂当B孔流入压力油时，油液会推开单向阀心b经K孔流入到液压缸无杆腔中推动活塞杆进行工作，同时压力油也会推动控制活塞c，使其推开单向阀心a，使得液压缸有杆腔中的油液可以经过H孔从A孔流出回油箱㊂同理,A孔流入压力油时液压锁的工作流程与上述相似㊂当A㊁B油孔均不流入压力油时，单向阀心a㊁b在弹簧的作用力下自动复位，液压缸两腔的油液被锁住，液压缸活塞杆就能固定在这个位置，实现液压锁的锁紧功能[9-11]
㊂
图4联合仿真模型数据交换示意
F i g.4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d a t a e x c h a n g e o f c o-s i m u l a t i o n m o d e
l
图5双向液压锁结构原理
F i g.5 S c h e m a t i c d i a g r a m o f b i-d i r e c t i o n a l h y d r a u l i c l o c k s t r u c t u r
e
图6双向液压锁的AM E S i m模型
F i g.6 AM E S i m m o d e l o f b i-d i r e c t i o n a l h y d r a u l i c l o c k 图6为按照液压锁原理建立的H C D库模型，然后将其制作成 超级元件 ，将 超级元件 的名称设置为 Y Y S ，接口 1㊁2 为输入接口，接口 3㊁4 为输出接口㊂编辑后的 超级元件 如图7所示
㊂
图7双向液压锁的超级元件模型
F i g.7S u p e r e l e m e n t m o d e l o f b i-d i r e c t i o n a l h y d r a u l i c l o c k
292西北林学院学报36卷
3.4 基于A M E S i m 的联合仿真模型建立
根据齿梳式油茶果采摘机液压系统，在AM E S -i m 建立相应的模型，从 I n t e r f a c e s 中调入 S i m -c e n t e r 3D M o t i o n m o d e l
模块㊂如图8所示，模块右侧的6个端口(d i s f 和v e l f 分别表示副臂液压缸活塞杆的位移和速度端口,d i s z 1和v e l z 1分别表示主臂液压缸1活塞杆的位移和速度端口,d i s z 2和v e l z 2分别表示主臂液压缸2活塞杆的位移和速度端口)，把S i m c e n t e r 3D 中3个液压缸活塞杆的速
度和位移输入到AM E S i m 中相应的活塞杆上;
左侧的3个端口(f o r c e f 表示副臂液压缸活塞杆驱动力,
f o r c e z 1和f o r c e z 2分别表示主臂液压缸1和2的活
塞杆驱动力)，把AM E S i m 中3个液压缸活塞杆的
驱动力输出到S i m c e n t e r 3D 中相应的活塞杆上㊂
并将模块端口与液压系统相匹配，最终得到采摘机
和液压系统的联合仿真模型如图9所示[
12-13]
㊂图9中的5为随时间变化的电信号源，控制着
液压系统的工作流程;9和10分别与14的左右端口相连接，作为力㊁位移和速度参数在2个仿真软件中实时交换的工具;11的作用是让2个仿真软件中
参数的单位得到统一;12与13组成位移差值减法器，目的是消除2个仿真软件中液压缸活塞杆初始位移之间的差值，使液压系统模型与机械系统模型中的液压缸实现动作同步统一(K 值参数设置为初始位移差，通过差值减法器消除)
㊂其余元件均为常规的液压元件㊂
图8 S i m c e n t e r 3D M o t i o n m o d e l 模块
F i g
.8 S i m c e n t e r 3D m o t i o n m o d e l m o d u l
e 注:1.液压油;2.副臂液压缸;3.双向液压锁;4.单向调速阀;5.分段线性信号源;6.三位四通Y 型电磁换向阀;7.单向阀;8.油箱;9.力传感器;10.位移和速度传感器;11.单位转换器;12.差值减法器;13.固定信号源;14.S i m c e n t e r 3D M o t i o n M o d e l 模块;15.主臂液压缸2;16.
主臂液压缸1;17.恒速原动机;18.液压泵;19.滤油器;20.溢流阀;21.采摘马达模拟负载;22.采摘马达;23.立柱回转马达;24.
立柱回转马达模拟负载;25.二位三通电磁换向阀;26.
三位四通O 型换向阀㊂图9 齿梳式油茶果采摘机联合仿真模型
F i g .9 C o -s i m u l a t i o n m o d e l o f t o o t h e d c o m b o i l t e a f r u i t p i c k i n g m
a c h i n e 采摘臂工作过程的设定:1
)采摘臂上升阶段，即主副臂液压缸同时协调工作，使机械臂末端齿梳式采摘头可以迅速灵活地到达预定的工作高度;2)
采摘马达与立柱回转马达工作阶段，即立柱回转马达带动机械臂转动调整角度和采摘马达带动梳齿头旋转采摘油茶果的阶段;3
)采摘臂下降阶段，即采摘工3
92第2期马 喆等：基于AM E S i m 和S i m c e n t e r 3D 的齿梳式油茶果采摘机联合仿真
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