本文作者：何磊、周亚立、刘向新、赵岩、闫向辉、李生军 单位：新疆农垦科学院 机械装备研究所、新疆生产建设兵团农机局
0引言
传统的免耕播种机研发一般要经过图纸设计、样机制作、田间试验、样机改进及最后产品的成型等阶段［1］。其设计过程需要一个很长的周期，在此过程中如果设计不合理，还会造成大量人力与财力的浪费。若将虚拟样机技术运用到免耕播种机的设计中，将会很大程度上缩短播种机的研发周期，提高播种机的质量以及工作的稳定性，同时还可以避免一些不必要的浪费，降低播种机的生产成本［2－5］。虚拟样机是通过构造一个数字化的样机来完成物理样机的功能。虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，它能根据实际运动系统建造出仿真虚拟样机，在物理样机建造之前分析出系统的工作性能，并且能够方便地改变参数和优化设计，节约大量的时间和费用，从而实现高质量、快速和低成本的设计［6－7］。
1免耕播种机整机结构
免耕播种机主要由机架、肥箱、种箱、排种器、传动链轮装置、镇压、双圆盘开沟器、破茬开沟犁刀和地轮等组成，如图1所示。
2免耕播种机零件的三维设计
零件设计是三维设计的基础，用SolidWorks2007软件建立零件模型既快捷，又准确。该软件具有功能强大、易学易用和高效等特点，是进行机械设计、模具设计和消费品设计的有力三维设计工具［8］。利用该软件建立模型时，主要有自下而上和自上而下的两种设计方法［9］。自下而上的设计方法是先建立各个零件的实体模型，然后在装配体环境中将设计好的各个零件装配成一个整体。这种方法的优点是能够快速地建立机构的模型，并能够快速区分零件单体，简单明了，使读者一目了然。而自上而下的设计方法就是在装配环境下根据零件的特征和尺寸关联建立各个构成零件。该方法在对整个装配体进行修改时，修改某个特征尺寸，其关联零件的特征尺寸相应发生改变，便于部件或整机的系列化以及修改。由于免耕播种机的零件较多，因此采用自下而上的设计方法，并建立播种机零件库，可通过模型树(ModelTree)了解零件的设计过程，灵活地对其进行修改。SolidWorks主要以草图的特征为基础，对实体进行零件建模。运用拉伸凸台、拉伸切除、旋转凸台、扫描、放样、圆角、倒角、抽壳和阵列等命令，对零件实体进行基本特征的建立。模型建立好之后，可对零部件进行装配、干涉检查、运动分析等。免耕播种机主要由机架、刀刃破茬开沟器、地轮、双圆盘开沟器、排种器和镇压轮等部分组成。以机架的建模为例，其三维设计过程为:进入草图绘制，首先定义材料属性为普通碳钢;在草图平面上画出机架截面图或投影图，通过拉伸凸台命令将二维图生成三维实体。由于机架主要是焊接而成，因此可将焊接部分直接在一个零件中生成，可在基准面绘制草图，通过拉伸、切除、扫描、抽壳、倒圆角和加筋命令完成机架的建模。由于机架关于中心平面对称，可做出一半特征，然后通过镜像完成整个实体的建模。机架的三维实体图如2所示，免耕播种机部分零件的三维模型如图3所示。免耕精量播种机的所有零件实体模型建好之后，将进行整机的装配，为了装配方便快捷，首先进行部件的装配;进入装配体，顺序插入零件，通过基准面或线重合、平行、垂直、同轴心与相切等配合关系，将各零件组合成一个部件(如图4所示);最后，由各个部件装配成整机，如图5所示。
3干涉检查
将播种机如此多的零部件组装在一起，如果结构设计不合理或者尺寸有偏差，在装配和加工的过程中将会出现干涉现象，从而影响零件或整机的设计工作。因此，在播种机装配完成后应进行干涉检查，根据检查结果对模型修改。如果用视觉观察零部件是否存在干涉，是非常困难的事，而SolidWorks就可以做到，并且很容易找到干涉位置。装配完成后，点击工具栏中的命令，点击计算，结果如图6所示。在每一项干涉点击右键“放大所选范围”将立刻显示干涉的位置，对其结构参数进行修改，直到检查结果显示无干涉，说明设计和装配合理。
4运动仿真
ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechani-calSystem)是机械系统运动学与动力学自动分析软件，它具有强大的建模和仿真环境，可进行实体建模与仿真以及优化模型。ADAMS的模块主要包括用户界面模块(View)、求解器(Solver)和后处理模块(PostProcessor)［10］。免耕精量播种机在整个工作过程中，排种器的稳定性直接影响着免耕播种质量的好坏［11］，因此必须保证其准确取种、清种及零速投种。设置仿真参数，终止时间(Endtime)为4s，工作步长(Steps)为200步，进行仿真计算。免耕精量播种机在工作过程中速度一般为3～4km/h，现将仿真速度设定为3．5km/h，则对应排种器的转速为40r/min，也就是排种器的转动加速度为240°/s。对排种器模型中的旋转副进行驱动，即可对种子在排种器中的相对运动进行仿真分析。通过观看仿真动画，可以直观地看到种子在排种器中的运动情况，即夹持取种、清种和投种过程以及种子下落时与排种器部分构件之间的干涉情况。仿真工作完成后，对排种器模型进行干涉检查，如果存在干涉，可以改变模型的结构尺寸及装配关系，直到无干涉产生。运动仿真结果可通过后处理模块得出，点击Review—Postpressing—Animation观看仿真动画，然后通过Plotting可得到种子Marker点合速度、合加速度、合位移及动能等曲线。种子质心点在x轴、y轴及z轴空间方向上的合速度、合加速度、合位移曲线如图7、图8和图9所示。由图7、图8和图9可知，3条曲线都是不规则曲线。在开始取种时(滚轮在轨道上，动取种器打开)，排种器取种装置的速度随取种器离开轨道缓慢增加;清种过程中，(种子已被夹持)保持不变;投种时(滚轮进入另一侧轨道，动取种器打开)，波动较大，此时排种器排出种子，种子下落到接种盒，然后通过输种管落入种沟，实现二次投种。种子加速度在投种瞬间变化较大，种子位移随取种、清种、投种和种子下落的过程变化较为复杂。
5结束语
虚拟样机技术实现了免耕播种机零部件的三维造型设计与运动仿真分析，其结果与实际理论分析结果一致，体现了运用虚拟样机技术对免耕播种进行仿真分析的可行性与直观性。该技术为以后免耕播种机的设计与制造提供了理论依据和方法，并且大大提高了免耕播种机图纸修改设计和系列化设计的效率［12］，同时也提高了产品的直观性，并实现产品的预装配，进行干涉检查，将错误消灭在设计阶段。另外，在很大程度上缩短播种机的研发周期，提升播种机的质量及工作的稳定性，同时还可避免一些不必要的浪费，降低免耕播种机的生产成本。因此，虚拟样机技术在播种机的研发中有着广阔的应用前景。
