三维仿真:农业机械装备虚拟仿真实验教学系统

农业机械装备所涵盖的《农业机械学》、《畜牧机械学》、《农产品加工机械与设备》、《节水灌溉》、《设施农业》等是农业机械化及其自动化专业的主干课程，同时也是该专业的特色大类课程。与其他通用机械有许多不同之处，其研究领域主要是根据农业生产的实际需要、自然条件等，利用机械动力学、控制论及优化设计、随机过程、可靠性设计、机械设计及理论等研究农业机械的理论、结构设计、试验和应用等问题；是讲述常用农业机械基本构造、工作原理、理论分析及设计计算等内容的专业课程。通过学习，使学生能够掌握典型农业机械的基本知识，为今后从事农机化事业或其他农业工程工作打下坚实的理论基础。

此外，农业机械装备所涵盖的课程是实践性很强的专业课程，必要的典型结构认识与关键零部件的运动规律分析是使学生理解和掌握课堂授课内容的重要手段。近些年，由于课时不断压缩，大量的结构和试验课削减，学生对各种农机具的认识仅限于各种农机具的外表结构形式，对于其主要工作部件的结构及工作原理、运动形式、动作方式等都无从了解。最终使学生本科或硕士毕业后只能学到一些表象的知识，而对于知识的运用能力欠缺，直接影响学生就业和工作单位才能发挥。
 

因此，为保证授课内容的丰富、全面、直观，本学科组首先从授课方式改进，使用多媒体教学代替了传统黑板授课。进而改变授课方式和内容，建立农业机械装备虚拟仿真实验教学平台，通过仿真虚拟再现各种机具的主要工作部件的详细结构、运动关系、运动规律。主要包括：仿真反映出实物的内部结构，模型的运动模拟、动力学分析，工作原理及复杂机构的运动规律分析。
 

农业机械装备虚拟仿真实验教学系统，主要针对农业机械化及其自动化和机械设计制造及其自动化专业本科生和研究生，完成农业机械虚拟仿真基础分析和建模，复杂实际农业机械相关问题的模型建立，农业机械装备的虚拟设计，从而为农业机械新机具的研发奠定分析基础。

该平台共分为三个相互衔接和独立的模块，包括分析与设计基础仿真模块、典型农业机械仿真模块、特色农作物生产机械仿真与虚拟设计，见图1。

图1农业机械装备虚拟仿真实验教学平台组成

1分析与设计基础仿真模块

基于ADAMES、Pro/ENGINEER、UG等软件，完成农业机械装备的基础仿真分析与虚拟设计，包括以下几个方面。

①机构计算机分析

对确定机构或者拟设计开发机构，通过计算机分析其运动轨迹、动力学特性。实现不同驱动下的动力学和运动学分析、变速传动机构的动力学和运动学分析。

②农业机械模型建立

对已有的农业机械，结合测试和实验数据，进项模型建立，实现力学模型、机构或装置的动力学模型、物料烘干系统模型建立等。

③农业机械虚拟创新设计

通过仿真分析，发明新的机构代替农业机械早期传统的机构，实现工作部件的创新，也可以根据新的农艺方式，虚拟设计一些新的农业机械，实现农机农艺结合后的创新发明。

Pro/ENGINEER(简称Proe/E)是目前我国应用最广泛的三维高端机械设计软件，由美国ＰＴＣ公司推出，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆及管道布线、模具设计及分析等实用模块，应用范围涉及航空航天、汽车、工业机械、轻工、医疗、电子、农业机械等诸多领域。

Pro/ENGINEER是基于特征的全参数化软件，该软件所创建的三维模型是一种全参数化的三维模型。"全参数化"有三个层面的含义，即特征截面几何的全参数化、零件模型的全参数化以及装配模型的全参数化。并且零件模型、装配模型。制造模型、工程图之间是完全相关的，也就是说工程图的尺寸被更改以后，其父零件模型的尺寸也会相应的更改；反之，零件、装配或制造模型中的任何改变，也可以在其相应的工程图中反映出来。

Pro/ENGINEER中的主要模块和功能主要有：
1）零件建模

常用的Pro/E创建零件模型的方法主要有 "积木"式的方法，即先创建一个反映零件主要形状的基础特征，然后在基础特征上添加其他的一些特征，如伸出、切口、倒角、圆角等；另一种是由曲面生成零件的实体三维模型的方法，先创建零件的曲面特征，然后把曲面转换成实体模型；还有一种是在装配中生成零件的实体三维模型，先创建装配模型，然后在装配模型中创建零件。在设计过程中，多种设计方法结合使用，不但可以提高建模速度，而且可以保证尺寸的准确性。

2）装配设计

装配设计就是利用装配约束，指定一个元件相对装配体（组件）中其他元件（或装配环境中基准特征）的放置方式和位置，将各个元件（零件）装配到一起组成子装配，再将各子装配组装到一起，最后就形成了整机模型和整机装配的模型树。装配约束的类型包括匹配、对齐、插入相切、坐标系等。如图2所示为低破碎玉米脱粒机的整机装配模型。

图2低破碎玉米脱粒机的Pro/E整机装配模型

3）创建工程图

在Pro/ENGINEER的工程图模块中，可创建Pro/ENGINEER三维模型的工程图，可以用注解来注释工程图、处理尺寸以及使用层来管理不同项目的显示。工程图中的所有视图是相关的，如改变一个试图中的尺寸值，系统就相应地更新其他工程视图。另外，还可以利用有关接口命令，将工程图文件输出到其他系统或将文件从其他系统输出到工程图模块中。如图3所示为振动式马铃薯收获机在Pro/E中建立三维模型后，创建的二维工程图。

图3振动式马铃薯挖掘机的Pro/E工程装配图

4）关系、族表的应用

关系（也称参数关系）是用户定义的尺寸和参数之间的数学表达式。关系捕捉特征之间、参数之间或装配元件之间的设计联系，是捕捉设计意图的一种方式。用户可用它驱导模型，来改变关系也改变了模型。族表是本质上相似零件（或装配或特征）的集合，这些零件在本质上一样的，并且具有相同的功能，但这些零件在一两个方面稍有不同，譬如尺寸上的不同等。可将这些零件构成一个族表，族表中的零件也称为表驱动零件。创建排种器族表的对话框如图4所示。

图4创建排种器族表的对话框图

利用Pro/ENGINEER中关系和族表功能，可构建各种不同规格的农机标准件库，比如各种规格的通风机、清选风机、离心泵、潜水电泵、排种器、犁等。再应用网络技术、信息技术实现标准库共享，使得每位设计人员能够共享该标准。标准库的建立，不仅可提高设计的精确性，还能提高设计效率，缩短产品研发周期。

5）模型的外观设置与渲染

在创建零件和装配三维模型时，通过单击工具按钮、、和，可使模型显示为不同的线框状态和着色状态，但在实际的产品设计中，这些显示状态是远远不够的，因此开发了表达产品的颜色、光泽、质感等外观特点。要表达产品的这些特点，就必须要进行外观设置，然后再进行下一步的渲染处理。

6）运动仿真及动画

在Pro/ENGINEER的机构（Mechsnism）模块中，可以进行一个机构装置的运动仿真及分析。在此创建的"机构"模型课引入Pro/MECHANICA中，以便进行力学分析；也可将其带入到"设计动画"中创建更加完善的动画。

7）行为建模

Pro/ENGINEER中行为建模工具主要完成的是创建基于模型测量和分析的特征参数和几何图元，创建符合特殊要求的测量新类型和分析变量尺寸和参数改变时测量参数的行为。另外，行为建模可自动查找满足所需的模型行为的尺寸和参数，分析指定设计空间内测量参数的行为。

8）模具设计

PTC公司推出的Pro/ENGINEER软件中，与注塑模具有关的模块主要有3个：模具设计模块、模座设计模块和塑料顾问模块。一般的注塑模具设计一般包括模具元件和模座的设计。可见，PTC公司的模具设计模块可满足模具的设计要求。

ADAMS主要研究复杂系统的运动学关系和动力学关系，它以计算多体系统动力学为理论基础，结合高速计算机来对产品进行仿真计算，得到各种实验数据，帮助设计者发现问题并解决问题。应用ADAMS进行虚拟样机设计的流程如图5所示。

图5应用ADAMS进行虚拟样机设计的流程

ADAMS软件有若干模块组成，分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具箱和接口模块，如图6所示。

图6ADAMS软件模块图

由于ADAMS软件的模块较多，不方便一一介绍，现将在农业机械装备设计中重要的、常用的模块进行介绍：

1)用户界面模块（ADAMS/View）

ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心的交互是图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计x-y曲线处理结果分析和数据打印等功能集成在一起进行操作，实现创建模型、修改数据库等。如图7是在ADAMS中建立的马铃薯收获机。

图7在ADAMS中建立的马铃薯收获机

2）求解器（ADAMS/Solver）

ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一，是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真"发动机"。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提过静力学、运动学、动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效的解决各种工程应用问题。

3）专用后处理模块（ADAMS/PostProcessor）

为提高ADAMS仿真结果的后处理能力，MDI公司研发了ADAMS/PostProcessor模块，其界面如图8所示。该模块用来输出高性能的动画，各种曲线等，还可以进行各种曲线的编辑和数字信号处理，用户可以方便快捷地观察、研究ADAMS的仿真结果。ADAMS/PostProcessor既可在环境中应用，也可独立于ADAMS/View应用。

图8ADAMS/PostProcessor模块的其界面

4）液压系统模块（ADAMS/Hydraulics）

为了模拟包括液压回路在内的复杂机械系统的动力学性能，MDI公司开发了ADAMS/Hydraulics模块。该模块能精确地对由液压系统驱动的复杂机械系统（如工程机械、汽车制动转向系统、飞机起落架等）进行动力学仿真分析。用户先在ADAMS/View建立液压系统回路图，然后通过液压系统的驱动元件如液压缸等将其与连接到机械系统模型中，实现了机械系统与液压系统的耦合，图9为拖拉机悬挂机构的机液耦合仿真分析图。最后选取适当的、功能最强的求解器分析整个系统的性能。

图9拖拉机悬挂机构的机液耦合仿真分析图

2典型农业机械和机构仿真建模

基于Solidworks、Pro/ENGINEER、UG等软件，利用各种机构的三维实体模型贯穿到课程讲授的各个环节。实现对零件、机构和整机任意位置进行平面剖切，来表达任意截面的内部构造；采用机构的三维模型进行运动仿真授课，简单明了的表达清楚复杂机构当中的各零部件的运动关系；采用相关软件将各关键构件的运动学、动力学的分析结果以视频图像形式直观表达.最终，通过以上手段，在有限的教学课时内使学生尽可能多的了解各种典型农业机械设备的结构及运动分析。

系统中包含相关装备及主要机构的三维实体模型库文件，以及部分复杂模型的装配体爆炸动画演示及自动装配动画，对运动不易理解的装配体结构通过动画仿真给出其动画效果，同时描绘出关键部件、关键点的运动状态或轨迹，制作相应的影像文件，写出了相应的模型要求及使用说明。
 

筛选出几种主要的农机具为对象，对这些农机具进行拆解，剥离出其中的主要工作部件，如图10所示；对于现有农业机械零部件，采用实体测绘的方法，建立与实物模型完全一致的三维实体模型；对于其它的零部件，主要采用研究挂图、图册等相关资料，先根据各部件的比例关系绘制出这些零部件的草图，然后使用三维设计软件对这些典型零件、典型机构进行三维实体建模，然后根据三维实体的比例关系，对局部不协调的部件进行尺寸的调整；在完成局部的零部件三维实体造型后，采用虚拟装配技术建立典型机构的三维虚拟装配体，完成农机具的虚拟样机；在虚拟样机的基础上，借助运动仿真分析软件对已建立的虚拟装配体模型进行运动模拟和运动状态分析，并利用视频生成工具制作模拟和分析结果的影像文件。

图10 部分零件及装配体三维模型

其中典型机构包括摆环往复机构、拨禾轮机构、行星轮往复机构、活塞泵机构、辣椒收获机构造、切割器机构、切流式脱离装置、丝杠螺母机构、四杆仿形机构、五杆仿形机构、悬挂梁机构、移栽机单体机构、振动筛机构等等。已完成的主要机构文件如图11。

图11已完成的主要机构模型文件包

首先进入到Solidworks操作环境下，打开想要浏览的零件、机具、机构文件，如图12所示：

图12排种器装配图

打开文件后同学可以根据自己的学习情况和兴趣爱好对文件进行操作，如果需要了解装置的装配过程，可以使用爆炸视图来进行观察，如图13所示：

图13排种器的装配关系

同学可以选择观看动画视频的方式来了解排种器的装配、拆解过程，如图14所示：

图14排种器装配视频

如果需要对单个的零部件进行观察，可以装配文件中选择想要查看的零部件，打开该零部件后就可以进行单独查看了，如图15所示：

图15部件图（鸭嘴轮装配体）

标准教学实验室一间，计算机50台。

2.3.1学生实验计算机配置要求

（1）硬件要求 CPU：pentium(R)42.0GHZ以上配置；内存1G以上；硬盘

容量80G以上。

（2）软件要求 操作系统：WindowsXP或 Windows7。

（3）应用软件：Solidworks。

2.3.2服务器配置要求

（1）硬件运行环境 CPU Intel E7200双核 2.53G以上配置；内存：2G以上；硬盘80G以上。

（2）软件运行环境 数据库 MYSQL,SQLSERVER ORACLE 等；

通过多年的平台实用，完成了一定典型农业机械装备或特色农作物生产作业设备的机构和整机虚拟设计装配，如图16-18所示。

图16穴播器的Solidworks整机装配模型

图17旋耕机的Solidworks整机装配模型

图18旋耕整地播种一体机的Solidworks整机装配模型

3特色农作物生产机械仿真与虚拟设计

基于Solidworks、Pro/ENGINEER、UG等软件，针对新疆特色大宗农作物机械化生产，开发新产品和机具。包括辣椒和番茄育苗移栽机械的研发，棉花残膜回收机械的研发，核桃去青皮、破壳、壳仁分离等装备的研发。虚拟仿真技术在其中已经起到巨大的作用，大大提高了产品的研发速度和进度。

移栽自动取喂系统仿真试验是基于穴盘苗移栽自动取喂系统的设计开展的，学生按照指导老师的设计要求，通过三维软件将所需零部件进行建模，并进行虚拟装配，采用碰撞检查部件之间是否有干涉，利用COSMOSmotion对运动部件的进行仿真，并对关键部件进行载荷加载，用COSMOSworks进行受力有限元分析。每组学生完成一种不同结构的取苗方式设计及仿真分析。
 

针对新疆地区吊篮式移栽机手工喂入效率低的问题，基于仿真软件，虚拟设计并制造了穴盘苗移栽自动取喂系统。该系统采用穴盘步进移位机构提供穴盘的横向和纵向移位，由翻转摆位式取苗机械手进行取苗和穴盘苗的转移，利用柔性链输送喂入机构对穴盘苗逐个投放。整个系统由 PLC程序控制，采用气压驱动，单组取喂系统结构独立，不增加原有移栽机地轮负荷，即能与新移栽机配套生产，也能对现有移栽机进行自动化改造。其结构示意图如图19所示。

图19育苗移栽机CAD装配示意图

以秸秆粉碎还田及残膜回收联合作业机模型为研究对象，借助计算机流体力学技术（ComputationalFluid Dynamics 简称 CFD）来模拟其风场，探讨了甩刀形状、刀尖与机壳的间隙、留茬高度等参数对风场的影响。如图20所示。

图20秸秆粉碎还田及残膜回收联合作业机装配图和风场模拟仿真分析

青核桃脱皮机如图21所示，结构上主要由机架、锥形笼架、螺旋板、钢刷滚筒、料斗、叶轮、变速机构、带轮和电机等部件组成。在使用SolidWorks 建立三维模型时，以单个零件分别建模型,然后分别组装为部件，再由部件集成组装为整机。

图21青核桃脱表皮机三维虚拟样机

风筛式杏核物料分选机主要由机架、供料装置、悬挂吊杆、筛箱、出料口、曲柄连杆机构、皮带轮、电机、离心式风机和连接部分组成，其结构如图22所示。

图22核桃壳仁分选机三维转工程示意图

加载方式下对核桃壳进行有限元分析的等效应变如图23和图24所示。