刘 静，詹琦平，曾令亮，曹盛利

(江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000)

1 引 言

每年11月左右，为了防止虫害和冻伤，园林工人需为树木刷上石灰药液，俗称“涂白”。目前刷树工作没有专用机器,只能采用手工涂刷的方法，工作效率低，完成这项工作需耗费大量的人力、物力和财力。为了提高“涂白”工作效率，减轻园林工人劳动强度，本项目研究一种四自由度树干喷涂机，由机械手完成施药动作，能够对形状各异的树干进行药液喷涂，操作简单、喷涂均匀、灵活性强、效率高，可适用于城市、乡村大部分的树木。

2 四自由度树干喷涂机的工作原理

四自由度树干喷涂机是一种可以实现喷液和涂刷相结合的专用涂白机器。整机由底座、机械手、供液装置和控制部分等组成。如图1所示，机械手1模拟人的双手将树干环抱，水泵9抽取石灰药液，从水箱10经水管流入机械手，由均匀分布在机械手内的小孔喷出。为适应形状各异的树木，机械手设计有4个自由度，可上下移动、水平张合移动、前后摆动、左右摆动。由电机11通过卷筒和钢丝绳带动机械手1水平张合移动；电机3驱动链传动2，带动机械手上下移动；液压缸5、活塞4、机械手支撑杆6、机架7构成摇块机构，使机械手前后摆动；蜗杆传动8带动机械手左右摆动。

图1 四自由度树干喷涂机工作原理示意图1.链条 2.链传动 3.电机 4.活塞 5.液压缸 6.支撑杆 7.机架 8. 蜗杆传动 9.水泵 10.水箱 11.电机

3 四自由度树干喷涂机主要零件三维建模

四自由度树干喷涂机的三维建模主要包括车体、机械手、链传动、蜗杆传动的建模、各轴的建模和辅助零件的建模。其中链传动、蜗杆传动的建模是难点，下面主要以蜗杆传动为例，在Pro/E软件中进行蜗轮的三维参数化建模[1]。其主要步骤如下。

(1) 蜗轮的画法和直齿轮画法类似:先进入草绘模式绘制分度圆，完成后再在同一平面绘制渐开线，具体方法是“插入”-“模型基准”-“曲线” > “从方程”，在弹出的rel.ptd记事本中输入蜗轮的渐开线方程，绘制出该蜗轮的渐开线。

(2) 利用“拉伸”、“旋转”、“剪切”、“阵列”等命令绘制蜗轮的齿形。

(3) 使用Pro/E强大的参数化建模功能，在“参数”下修改蜗轮的基本参数后(如模数、齿数等)，然后点击“再生”就可以产生新的蜗轮模型。其结果如图2所示。

4 四自由度树干喷涂机虚拟装配与运动仿真

Pro/E Wildfire的运动学分析模块Mechanism可以进行运动学分析和仿真,该模块可实现对机构的定义,使机构中的零件移动以及对它的运动进行分析研究。可建立零件之间的连接及装配的自由度,对输入轴添加相应的电机驱动来产生设计要求的运动，在分析机构运动时可以观察和记录分析过程的一些参数,如位置、力、速度等[2]。

虚拟装配与运动仿真主要要经过以下几个步骤：创建模型—检测模型—添加驱动器—分析模型—获得结果。

4.1 创建模型

虚拟装配就是利用零部件的链接关系建立装配。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束。在Pro/E中建立装配关系是用贴合、平面和基准面对齐、坐标系各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件按要求装配在一起[3]。

在对喷涂机进行虚拟装配时,需对其装配层次、约束关系等进行分类和定义,按照零部件间的设计逻辑依附关系来确定模型的父子关系, 先将车体部分、机械手支架部分和机械手部分的各个零件装配好，再进行总装。基本连接关系生成以后，根据实际需要，还要添加生成一些特殊连接，比如齿轮副连接等。例如蜗杆传动中，除了定义销钉连接外，还需添加齿轮副连接，齿轮副连接可约束两个连接轴的速度，可以直接指定齿数比而不必创建新的齿轮。添加好约束的三维模型图如图3所示。

图2 蜗轮的三维建模 图3 添加好约束的三维模型图

4.2 检测模型

创建模型后,使用“机构”(Mechanism)-“连接”(Connect) 命令可运行组件分析。以交互方式拖动主体，使用拖动方法研究机构移动方式的一般特性以及主体可到达的位置范围，可以检验之前定义的连接是否能产生预期的运动[4]。

4.3 添加驱动器

创建模型并确保其连接正确后，即可添加伺服电动机。伺服电动机可转动模型，以便在不考虑所需力的情况下或在不考虑主体间干涉的情况下满足指定的位置、速度或加速度要求。

4.4 分析模型

使用“分析定义”，可得出模型在伺服电动机作用下的运动。可选择分析期间要使用的伺服电动机，并指定其在分析期间的开始和终止时间。如果仅对模型某部分的运动感兴趣，可使用“分析定义”(Analysis Definition) 对话框内“优先选项”(Preferences) 选项卡中的主体锁定或连接锁定选项，以消除某些允许的自由度。使用运动分析可计算机构中的点或连接轴的位置、速度和加速度。

4.5 获取结果

保存结果并检查干涉：如果要在其它进程中运行分析结果，则必须将其保存为回放文件。使用“机构”-“回放” 命令打开“回放”对话框。使用其中的选项保存、恢复、删除及导出分析结果。也可通过“回放”对话框回放分析及检查干涉情况[5]。蜗轮轴的位移曲线如图4所示。蜗轮分度圆的加速度曲线如图5所示。

图4 蜗轮轴位移曲线 图5 蜗轮分度圆加速度曲线

利用Pro/E的运动分析可以获得以下信息:几何图元和连接的位置速度及加速度随时间变化的情况，机构的运动轨迹曲线，机构运动的运动包络轨迹。这里针对蜗杆传动进行运动分析,因为蜗杆需要正反转,而在Pro/E软件中只有余弦电机才能正反转动，所以在定义电机时,采用余弦电机近似表示，其中定义A=60，T=120，A代表电机的最高转速，T代表一个完整的周期是120 s。上图中表示蜗轮轴运行一个周期为120 s,蜗轮的直径为160 mm，且图形为正弦曲线，由于电机的速度为余弦曲线，因此说明该仿真

失真度不大。分析结果中没有出现加速度突变,且最大加速度数值也不大,所以满足设计要求。

5 结 语

在对四自由度树干喷涂机的结构和工作原理分析的基础上，利用Pro/E强大的三维建模功能，实现了从建立模型、装配到仿真分析的全过程，最终实现了虚拟样机的设计，以此来检验各主要参数计算的正确性。借助三维CAD软件和仿真技术，可大大缩短产品设计周期，提高产品质量。

参考文献:

[1] 胡仁喜.Pro/E Engineer Wildfire 3.0 中文版机械设计高级应用实例[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2] 林清安.Pro/E野火3.0中文版动态机构设计与仿真. 北京:电子工业出版社,2007.

[3] 牛军龙，张 淳.基于Pro/E的三环减速器三维建模及运动仿真[J]. 煤矿机械,2012,33(5):247-248.

[4] 周尔民,肖 乾.基于Pro/E Wildfire实现变速器的虚拟装配和运动仿真[J]. 煤矿机械,2007,28(2):78-80.

[5] 刘 静.自动爬楼梯轮椅的虚拟设计与运动仿真[J]. 机械研究与应用,2012(6):133-137.