摘要:近年来，车载式施药机逐步在农业病虫害防治中推广使用，但由于技术相对落后，在施药过程中普遍存在喷施不均、漂移、蒸发、污染和施药者中毒等问题。为此，在车载施药机桁架结构的设计分析过程中，引入了UG三维建模和仿真软件，通过计算机仿真分析，以期在车载式施药机行走速度不同的情况下保证相同的施药量，并在减少对环境污染的同时降低农业生产成本。为了验证方案的可行性，采用UG软件创建了桁架结构两中心线不相重合的轴的联轴器模型，并进行了运动仿真分析。结果表明:采用UG软件可以成功实现车载施药机机械零部件的运动仿真，且仿真结果符合实际运动规律，对于车载施药类机械结构的研究具有重要的意义。
关键词:UG软件;三维建模;车载施药机;仿真动画;联轴器
0引言
我国是一个农业大国，耕地面积广阔，农作物种类繁多，但所有的农作物在生产过程中都会遭受病虫害的威胁。因此，病虫害防治是我国农业发展中的重要工作之一。据统计，我国大部分地方的病虫害防治措施依然是人工喷洒农药，工作效率极低、施药不均匀，容易造成农业化学污染。随着农业机械化的不断发展，在一些有经济能力的地区开始使用车载式施药机，大大提高了工作效率。在进行一些高大农作物的施药作业时，由于农作物的尺寸较大，所以需要使用桁架结构，以提高农药的喷洒高度和喷洒面积。为了提高施药机的设计效率，实现设计过程的三维仿真模拟，采用UG软件对施药机的机械零部件进行了动画设计和运动分析，对于复杂桁架结构的运动分析具有重要的作用。
1车载式施药机及其设计概述
车载施药机是近年来我国逐渐采用的一种施药机械，在很多地区，由于农田的地形复杂，地势起伏变化较大，在施药机的工作过程中，需要对施药机进行速度调节。在工作过程中，为了保证施药量的均匀，还需要将一些控制参数进行实时反馈，这就需要一套数据采集系统，通过数据的反馈，来实现自动化控制。其控制流程如图1所示
在实际作业过程中，可以根据车载施药机喷头的喷出药量反馈信息，对输入量进行调节，在一些农作物尺寸较大的作业环境中，还需充分考虑施药机桁架结构的运动，才能保证施药的质量。为了保证车载施药机桁架结构达到最优，除了根据农作物的尺寸信息，还可以根据喷药采集信息反馈，对桁架结构进行优化设计，以使喷药质量达到最优，优化流程如图2所示。
2基于UG的机械结构运动仿真和分析
机械结构的运动仿真和分析是UG软件非常重要的模块，可以建立机械装置的运动模型，进而分析机械结构的运动规律。本次以车载式施药机的联轴器装置为例，采用UG/Modeling模块创建三维模型，利用UG/Motion模块赋予各零部件运动特性后，便可以仿真结构的运动规律。利用UG/Motion模块除了可以进行运动分析之外，还可以跟踪施药零部件的运动轨迹，进而生成仿真运动的动画。在进行运动创建时，可以定义运动副、运动函数和驱动力等，但首先需要创建运动构建的质量属性。利用质量属性进行力学分析时，可以求解运动力和结构的静力，对于一般材料而言，直接选择默认的质量属性即可，但对于特殊的材料需要人工输入一些质量参数。
如图3所示，在进行人工输入质量属性参数时，必须输入的参数项目包括质量、惯性矩、初始运动与转动速度等，还需要将质心选择好。
质量属性创建完成后便可以进行运动副的创建，运动副将机械结构连在一起，如果不创建运动副，机械结构会没有任何约束，具有6个自由度。创建运动副后，可以约束1个或多个自由度，运动副的定义如图4所示。
在创建运动副时，首先需要确定运动副的原点和方向:当选中的是圆弧或者圆时，运动副的原点会设在圆心上;如果是直线，会设置在距离直线最近的控制点上;如果不能确定原点，需要手动输入。运动副使用最多的有3种，包括旋转副、滑动副和柱面副。旋转副的结构形式如图5所示。
旋转副包括两种:一是多个连接杆件沿着一个固定轴做相关运动;二是一个连杆绕固定一根轴进行旋转。旋转运动副具有一个绕Z轴旋转的自由度，一个旋转副可以定义一个运动输入，当定义一个旋转副时，会相应的去掉5个自由度。另一种常用的运动副形式是滑动运动副，如图6所示。
滑动运动副可以实现其中一个部件相对于另一个部件做直线运动的功能。滑动运动副会连接两个机械结构，这两个机械结构之间不允许存在转动，一个滑动运动副也将去掉5个自由度。
如图7所示，柱面运动副结构形式可以实现其中一个柱面部件绕着另一个柱面部件做旋转运动。一个柱面运动副相当于一个旋转运动副和滑动运动副，本次对于施药机联轴器的运动仿真便是采用这种运动副形式。
3施药机滑块联轴器动画仿真
为了验证UG软件在车载式施药机械动画仿真中使用的可行性，以施药机械上滑块联轴器为例，对其运动过程进行仿真，如图8所示。滑块联轴器是一种补偿性的移动式联轴器，可以将中心线不重合的两个轴进行连接，使用在施药机桁架结构上，利用该装置可以让两个中心线不在一起的构件具有相同的角速度和线速度。
采用UG软件可以对施药机桁架联轴器部分进行建模和仿真，建模后需要添加碰撞和滑动运动副两种形式。首先，建立联轴器的一侧，建立好的模型如图9所示。
滑块联轴器一侧的模型可以采用自底向上的建模方式，首先根据设计尺寸建立滑块联轴器的草图，然后根据实际模型尺寸进行拉伸和切除操作;相同的道理可以建立另一侧结构模型。
如图10所示，建立好联轴器装配体另一侧模型后，便可以进行虚拟装配和运动仿真。在仿真时，可以设定各种参数，以运动位移为例，可以设定运动的限定距离，如图11所示。
设定好各种运动参数后，便可以进行三维碰撞接触和动画仿真，仿真过程可以输出转速曲线，还可以生成gif动画，本次主要通过运动仿真验证从动副经过滑块联轴器的速度传递可以得到与主动轴相同的角速度和方向。
如表1所示，通过主动轴和从动轴的运动仿真结果可以看出:从动轴和主动轴方向一致，角速度一致性误差也很小，从而验证了滑块联轴器的作用，也验证了UG动画在施药机部件运动仿真中使用的可行性。
为了进一步验证方案的可行性，将仿真优化的桁架结构使用在车载施药机上，并对施药质量进行了分析，得到了如表2所示的结果。由表2所示结果可以看出，施药机的施药质量较高。
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4结论
为了提高车载施药机的设计效率和喷药质量，在施药机设计过程中引入了UG建模和仿真软件，并对桁架机构进行了优化设计。为了验证方案的可行性，以滑动联轴器的运动分析和动画设计为例，建立了联轴器的三维模型，并对其运动参数进行了分析。仿真分析结果表明:采用UG软件可以成功实现车载施药机部件的运动仿真。最后，对设计的车载施药机的质量进行了测试，测试结果表明:其对靶准确率和控制相对误差都较小，满足了农作物喷药需求。
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