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当前位置:机电之家首页 >> 工程造价>> 工程技术 >> 施工技术方法 >> 试论UG和VB. NET的蔬菜移栽装置数字化设计
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 【摘要】 基于UG和VB. NET数字化设计方法,实现了旋转顶出式蔬菜移栽装置零部件系列化设计。建立了移栽装置的数学模型,应用UG完成各零部件的三维模型和虚拟装配。借助VB. NET编写程序在UG中添加自定义菜单项,输入或改变有关参数即可在UG中自动生成相应机构的三维模型,实现移栽装置的数字化变型设计。结果表明,该数字化设计方法缩短了设计周期,提高了设计效率。
  关键词: 蔬菜 移栽装置 变型设计 UG软件 VB. NET 
  引言
  蔬菜机械化移栽采用穴盘育苗,由于农作物育苗个体的差异,用于作物育苗的穴盘不尽相同,如用于番茄的是5 ×10穴盘,用于辣椒的是6 ×12穴盘;另外,用于不同作物穴盘的钵体大小也不一致[ 1 ] 。
  因此,不同种类蔬菜移栽机的移栽部件各有异同,如果针对每类穴盘的移栽部件都分别单独设计,不仅计算和绘图工作重复、工作量大,而且设计周期长、效率低,严重影响企业对系列化新产品的研发速度,使企业缺乏对市场的快速响应能力。
  本文在UG参数化建模装配的基础上, 基于VB. NET对UG软件进行二次开发,通过编写程序增加一些特定功能,定制人机交互界面,用户可通过界面实现模块的调用,实现移栽机构的自动系列化变型设计,输出相应的装配图、零件图,并进行运动模拟。
  1 旋转顶出式有序移栽装置旋转顶出式有序移栽装置主要由外滚筒、顶杆组件、连杆组件、杠杆组件、凸轮和主轴等部分组成,如图1所示。其工作原理如下:主轴和外滚筒按一定速比同轴转动,秧盘卡在外滚筒上的栅条里随外滚筒一起转动送进。主轴带动凸轮转动,凸轮接触到杠杆的短臂端时,推动杠杆摆动,其长臂端带动连杆运动。顶杆在连杆的带动下作直线运动,快速将穴盘内的秧苗顶出,钵苗脱盘后依靠重力作用经导苗管落入田中。当凸轮与杠杆长臂端脱离后,杠杆在扭转弹簧的作用下复位并同时通过连杆带动顶杆复位,等待下一次的顶出动作,至此一个钵苗的全部顶出过程完成[ 2~3 ] 。
  该移栽装置能完成2行蔬菜移栽。如果选n列穴盘,则主轴轴向有2n个凸轮,对称分为两组,每组内的凸轮在圆周方向上按360°/ n 的相位角排开。
  与凸轮对应的2n个杠杆安装在杠杆轴上,每个杠杆通过连杆与顶杆一一相连。每组内的顶杆在圆周方向依次有一微小的相位差, 以保证顶杆从穴盘钵碗底部准确地顶出钵苗,提高顶出钵苗的有序性和可靠性。主轴转一周, 秧盘中同一行的钵苗依次被顶出,分别落入田中的两列栽植行内。
  为适用不同穴盘的移栽,该装置不仅是某些零件的数量、大小变化, 而且各零部件的相对位置、运动参数等也要变化, 如穴盘列数n变化, 则凸轮、杠杆、连杆等零件的数量要变化, 主轴和外滚筒转速比、凸轮、顶杆的相位差、位移等参数也要变化。因此,该装置变型设计不只是单个零件或满足各零部件间装配关系的结构参数变型[ 4 ] , 还能随机构参数变化相互关联变型,以满足机构的运动学、动力学性能要求。
  2 数学模型建立 参数n、b、S1 是育秧穴盘的结构参数,由蔬菜品种确定,为已知可变常量; H1、Δt1、Δt2、Δt3、Δt4 一般为固定常量;其他参数则由整体结构或机构运动性能所需经过计算或优化得到。
  211 顶出机构传动比和顶杆相位差确定由顶出机构的运动特点可知, 其传动比i即外滚筒和主轴转速比一定要为整数, 且等于外滚筒周长LC 相对秧盘行距b的倍数,即LC = ib外滚筒半径R = ib / (2π) (1)根据移栽装置整体结构由式( 1)确定R、i值,在确定传动比i值时,要兼顾变速箱体积适当。
  顶杆的长度l5 = S +Δt3 + 2H1 + S +Δt4 (2)杠杆支撑点A 的横坐标xA = - R + l5 +Δt1 +Δt2 + S1 (3)各顶杆的相位差hk = (R - S1 ) sin (360 ( k - 1) / ( in) )( k = 1, 2, ?, n) (4)212 顶出机构参数分析由于l1、l2k、l3k、l4k、xA 、yA 、α20等机构参数直接影响顶杆的行程和顶出蔬菜钵苗的可靠性, 因此需要对顶出机构进行运动学分析[ 3 ] , 限于篇幅, 本文仅列出部分主要参数表达式。
  为使机构有良好的传动性能,杠杆的输出端应左、右对称摆动,各组杠杆的输出端长度取为可根据移栽装置整体结构初步确定。
  3 移栽装置的数字化设计方法及其实现311 方法应用三维造型软件UG对蔬菜移栽装置的各部件建立参数化模型, 并进行虚拟装配。根据所建立的数学模型,借助VB. NET编写程序计算有关参数和定制人机交互界面,用户通过界面输入初始参数调用参数分析模块, 更新模型。参数分析程序流程。
  312 移栽装置参数化模型建立31211 零件造型利用UG 软件的零件设计模块, 通过拉伸( extrude ) 、扫描( sweep ) 、混合( blend ) 、抽壳( shell) 、求和( unite) 、求差( subtract)等方法生成各零件实体。由于每个零件的建模方法很多,在进行零件建模的时候,要选择用最少的命令实现零件建模,简化建模过程;进行零件草绘时,应该使草图完全约束且标注合理,避免因缺少尺寸导致变型失败;另外,由于UG很多命令是不能用表达式控制的,必须选择能用表达式控制的命令进行零件建模,否则不能进行变型设计。
  31212 移栽装置装配和参数关联完成零件造型后,利用UG软件的装配模块进行装配连接, 通过接触对齐( touch align ) 、同心( center ) 、角度( angle ) 、距离( distance ) 、中心( concentric)和平行(parellel)等约束方式对移栽装置的各部件进行装配。在设计过程中,通过建立合适的约束条件和特征间的父子关系,利用参数表达式Exp ression创建零件间的引用,使得各零件间的参数相互关联,如通过计算得到的顶杆相位差hk ,输入到主装配图中,其他零件都可以引用该参数,这样只需更改初始参数,与该参数相关的零件模型都可实现同步更新。对于某些零件间装配关系的不确定性,通过设计经验确定初始参数,应用VB. NET编写程序分析验证,保证输入参数的可靠性,如杠杆支撑点A 坐标、杠杆的初始安装角α20、杠杆输入端长度l2k、连杆长度l4k等参数。图4为建立移栽装置参数化模型流程图。
  313 用户界面定制为了用户方便地控制整个变型设计过程,准确、可靠地输入移栽装置自由变化参数,需要定制用户图4 参数传递简图Fig. 4 Sketch of parameter transmission界面。本文采用VB. NET与UG连接方法制作出移栽装置变型设计用户界面,如图5所示。
  314 应用实例点击UG上方菜单项———参数化设计,进入移栽装置的系列化设计界面(图5a) ,在界面中可以选图5 移栽装置系列化设计软件界面Fig. 5 Interfaces of series design software of transp lantermechanism( a) 菜单项的定制界面 ( b) 初始参数输入界面 ( c) 判断参数界面 ( d) 生成模型保存界面择新建模型或者修改当前模型。图5b是穴盘列数n为18 及输入相关参数( S、i、l1、x、xA 、yA 、α0、α20、Δl4k )的界面和生成的模型。在该界面中,可通过点击下方判断按钮进入参数分析模块对参数进行分析,以确定输入的参数是否符合设计要求; 若不符合, 会弹出提示对话框并要求重新输入参数值(图5c) 。若改变后的输入参数符合设计要求; UG自动变型生成新的三维实体模型,如图5d所示。通过应用界面可对新生成的模型进行保存,或返回上一层界面重新生成模型(图5d) 。
  4 结论
  (1) 基于UG和VB. NET实现核心零部件的数字化变型设计,不仅实现了单一零件及零件间简单的装配关系变型,还能通过编程增加对机构的运动学、动力学特性约束,使机构具有所需的运动学特性以及良好的动力学性能。
  (2) 基于UG和VB. NET实现核心零部件的数字化变型设计,可以减少重复设计,缩短设计周期,提高设计效率。
  参考文献
  1 王荣华,邱立春,田素博. 我国穴盘苗机械化生产的现状与发展[ J ]. 农机化研究, 2008, 30 (7) : 230~231.
  Wang Ronghua, Qiu L ichun, Tian Subo. Status and development of mechanized p rocessing of p lug seedling in China [ J ].
  Journal ofAgriculturalMechanization Research, 2008, 30 (7) : 230~231. ( in Chinese)
  2 浙江理工大学. 一种蔬菜移栽装置: 中国, 200820121105. 2 [ P ]. 2009 - 06 - 17.
  3 张国凤,陈建能,李建桥,等. 水稻钵苗有序抛秧机顶出机构的参数优化[ J ]. 江苏大学学报: 自然科学版, 2008,29 (2) : 101~105.
  Zhang Guofeng, Chen J ianneng, L i J ianqiao, et al. Parameter op timization of ejection mechanism of ordered transp lanter forp lotted rice2seedling[ J ]. Journal of J iangsu University: Natural Science Edition, 2008, 29 (2) : 101~105. ( in Chinese)
  4 赵匀. 农业机械分析与综合[M ]. 北京:机械工业出版社, 2009.
  5 于红英,唐德威. 基于UG的汽轮机用卡板、塞板参数化设计软件开发[ J ]. 农业机械学报, 2006, 37 (11) : 118~120.
  Yu Hongying, Tang Dewei. Development of UG based parametric design software of calipers and p lug guage using in steamturbine p roduct[ J ]. Transactions of the Chinese Society forAgriculturalMachinery, 2006, 37 (11) : 118~120. ( in Chinese)
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