振動(dòng)盤式精密播種機(jī)調(diào)水平并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度研究

龔智強(qiáng)，陳　進(jìn)，李耀明，趙　湛

(1.巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，合肥　238000；2.江蘇大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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振動(dòng)盤式精密播種機(jī)調(diào)水平并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度研究

龔智強(qiáng)1，陳進(jìn)2a，李耀明2b，趙湛2b

(1.巢湖學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，合肥238000；2.江蘇大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：為滿足氣吸振動(dòng)盤式播種機(jī)精密播種的需求，運(yùn)用離散元分析軟件EDEM模擬種盤傾斜狀況下種群運(yùn)動(dòng)，研究水平度對(duì)種群運(yùn)動(dòng)的影響程度，得出田間育苗過程中播種機(jī)調(diào)水平機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度要求，使用調(diào)水平并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)播種機(jī)振動(dòng)種盤調(diào)水平操作。同時(shí)，通過對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式進(jìn)行全微分求解，獲得機(jī)構(gòu)精度模型，繪制機(jī)構(gòu)精度與驅(qū)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)誤差、構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的關(guān)系曲線，為該調(diào)水平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：播種機(jī)；水平調(diào)節(jié)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)；精度分析

0引言

田間育苗氣吸振動(dòng)盤式精密播種機(jī)利用種盤振動(dòng)使種子群形成“準(zhǔn)流體”,減少種子相互內(nèi)摩擦力，以便氣力吸種部件完成精密播種[1-3]。針對(duì)播種機(jī)在田間行走導(dǎo)軌上工作可能出現(xiàn)振動(dòng)種盤有一定傾斜角度的問題，基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種調(diào)水平機(jī)構(gòu)[4]。通過水平調(diào)節(jié)使得播種機(jī)振動(dòng)種盤在播種過程中保持近水平狀態(tài)下振動(dòng)，以滿足振動(dòng)種盤中種群均勻分布的要求。播種機(jī)調(diào)水平并聯(lián)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度是一個(gè)重要指標(biāo)[5-6]，機(jī)械零部件加工制造和裝配過程中產(chǎn)生的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差、運(yùn)動(dòng)副誤差等都與機(jī)構(gòu)輸出精度相關(guān)，它將影響精密播種機(jī)的整體工作性能。

為滿足播種機(jī)精密播種的需求，運(yùn)用離散元分析軟件EDEM模擬種盤傾斜狀況下種群運(yùn)動(dòng)[7-8]，研究水平度對(duì)種群運(yùn)動(dòng)的影響程度，得出田間育苗過程中播種機(jī)調(diào)水平機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度要求。采用調(diào)水平并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)播種機(jī)振動(dòng)種盤水平度調(diào)水平的操作，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向角度調(diào)節(jié)的要求[4]。根據(jù)機(jī)構(gòu)學(xué)理論得到機(jī)構(gòu)位置關(guān)系，通過對(duì)機(jī)構(gòu)位置關(guān)系式進(jìn)行全微分推導(dǎo)機(jī)構(gòu)精度模型，繪制機(jī)構(gòu)精度與驅(qū)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)誤差、構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的關(guān)系曲線，為該調(diào)水平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償提供依據(jù)。

1設(shè)計(jì)原理及種群離散元仿真

氣吸振動(dòng)盤式精密播種機(jī)如圖1所示。

1.機(jī)架　2.振動(dòng)種盤系統(tǒng)　3.吸種盤

調(diào)水平并聯(lián)機(jī)構(gòu)由靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)，以及三支鏈AB、EDC、HGF組成，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靜平臺(tái)與行走底盤相固連，動(dòng)平臺(tái)與播種機(jī)機(jī)架下底板相固連。

根據(jù)研究，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度為3，動(dòng)平臺(tái)的自由運(yùn)動(dòng)為沿z軸的移動(dòng)、繞與x軸平行軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞BC軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，具有3個(gè)自由度。

種盤做上下振動(dòng)，種子被上下拋鄭，種子群做“沸騰”運(yùn)動(dòng)[1-3]。為研究種盤水平度對(duì)種群運(yùn)動(dòng)的影響程度，應(yīng)用離散元軟件EDEM仿真模擬種盤傾斜角度狀態(tài)種群空間均勻分布規(guī)律，得出田間育苗過程中播種機(jī)調(diào)水平機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度要求。播種時(shí)，種盤做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，振幅A=4mm，振動(dòng)頻率f=11Hz，運(yùn)動(dòng)方程為S=Asinwt。種盤基礎(chǔ)物理特性參數(shù)為泊松比0.28、剪切模量80GPa、密度7 850kg/m3、種盤與種子間恢復(fù)系數(shù)0.5、靜摩擦因數(shù)0.34、滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.01。模擬種盤傾斜角度0°、0.2°、0.5°、0.8°、1.1°狀態(tài)下種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出100s時(shí)種群分布畫面，如圖3所示。

圖2　調(diào)水平并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖3　種盤傾斜狀態(tài)種群運(yùn)動(dòng)仿真

由圖3可知：隨著種盤傾斜角度的增加，種群發(fā)生聚集偏移的程度越嚴(yán)重。當(dāng)種盤傾斜角度大于0.8°時(shí)，種群聚集偏移致吸種盤高位處吸孔正下方位置無種子的時(shí)間變短，種群聚集偏移運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致吸種盤盤面種群分布集聚，導(dǎo)致播種空穴率的增加，使播種精度無法保證。

2并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及解耦性分析

2.1　并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)

根據(jù)機(jī)構(gòu)學(xué)理論求解，得出并聯(lián)機(jī)構(gòu)輸入與輸出的位置關(guān)系表達(dá)式[6,9]為

Zd=P1

(1)

(2)

(3)

2.2　機(jī)構(gòu)解耦性分析

機(jī)構(gòu)控制解耦性程度越高，運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)復(fù)雜程度越低，也越利于控制。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸出—輸入之間的控制解耦性原理[6,10]，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式為Zd=f1(P1)，α=f2(P1,P2)，β=f3(P1,P3)，動(dòng)平臺(tái)輸出量Zd、α、β為部分輸入的函數(shù)，得出該機(jī)構(gòu)是部分控制解耦機(jī)構(gòu)，選擇P1、P2、P3為驅(qū)動(dòng)副。

3并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度分析

對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式(1)～式(3)進(jìn)行全微分，可得

dZd=dP1

(4)

={[(P2-P1)-lBCsinα]dP1+

[lBCsinα+(P1-P2)]dP2)-

(5)

(6)

寫成矩陣表達(dá)形式，則

(7)

雅可比矩陣為

(lBCsinα+P1-P2)[2P3-2P1-

(9)

機(jī)構(gòu)奇異位姿與機(jī)構(gòu)的位姿及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與其運(yùn)動(dòng)參數(shù)無關(guān)[6,9]。為避免發(fā)生奇異，并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)保證關(guān)系式(9)不成立。

從全微分方程式(4)～式(6)可以看出：3個(gè)驅(qū)動(dòng)副P1~P3的誤差及各構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)的誤差都將影響動(dòng)平臺(tái)的輸出精度。動(dòng)平臺(tái)Z軸方向移動(dòng)誤差dZd只取決于驅(qū)動(dòng)副P1的移動(dòng)誤差dP1。動(dòng)平臺(tái)繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度誤差dα與驅(qū)動(dòng)副誤差dP1、dP2和構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差dK、dlBC、dlDC有關(guān)。動(dòng)平臺(tái)繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度誤差dβ與驅(qū)動(dòng)副誤差dP1、dP3和動(dòng)平臺(tái)繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度誤差dα及構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差dm、dlBC、dlFG有關(guān)。

4算例分析

水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)：K=500mm，m=500mm，lBC=480mm，lDC=75mm，lFG=265mm。當(dāng)驅(qū)動(dòng)副的位置為P1=150 mm、P2=86.11 mm、P3=79.79mm時(shí)，動(dòng)平臺(tái)位姿為Zd=150mm、α=1°、β=0°。

1)當(dāng)構(gòu)件誤差為dlBC=0.1mm、dlDC=0.1mm、dlFG=0.1mm、dk=0mm、dm=0mm，驅(qū)動(dòng)誤差dP1、dP2、dP3分別為-0.1～0.1mm時(shí)，機(jī)構(gòu)的輸出誤差如圖4所示。

2)當(dāng)驅(qū)動(dòng)誤差為dP1=0.1mm、dP2=0.1mm、dP3=0.1mm，構(gòu)件誤差為dk=0、dm=0，dlBC、dlDC、dlFG分別為-0.1～0.1 mm時(shí)，得到的輸出誤差曲線如圖5所示。

3)當(dāng)驅(qū)動(dòng)誤差dP1、dP2、dP3同時(shí)在-0.1～0.1mm之間變化時(shí)，由關(guān)系式(4)～(6)可得輸出誤差的最大值為：dZd=0.1mm，dα=0.039°，dβ=0.071°。當(dāng)驅(qū)動(dòng)誤差dlBC、dlDC、dlFG同時(shí)在-0.1～0.1mm之間變化時(shí)，可得輸出誤差的最大值為：dZd=0.1mm，dα=0.015°，dβ=0.070°。當(dāng)驅(qū)動(dòng)誤差dP1、dP2、dP3、dlBC、dlDC、dlFG同時(shí)在-0.1～0.1mm之間變化時(shí)，由關(guān)系式(4)～式(6)可得輸出誤差的最大值為：dZd=0.1mm，dα=0.039°，dβ=0.099°

根據(jù)離散元分析種群運(yùn)動(dòng)對(duì)水平度要求和上述機(jī)構(gòu)精度算例結(jié)果可知：驅(qū)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)誤差和構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差在0.1mm的誤差范圍內(nèi)時(shí)，水平度傾角誤差的最大值為0.099°，可以滿足精度要求下精密播種水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)副的要求。

1.移動(dòng)誤差dZd　2.繞x軸轉(zhuǎn)角誤差dα　3.繞BC軸轉(zhuǎn)角誤差dβ

1.Z方向的誤差dZd　2.繞x軸的轉(zhuǎn)角誤差dα　3.繞BC軸轉(zhuǎn)角誤差dβ

5結(jié)論

1)為使調(diào)水平機(jī)構(gòu)調(diào)水平操作滿足播種機(jī)精密播種的需求，運(yùn)用了離散元分析軟件EDEM模擬種盤傾斜狀況下種群運(yùn)動(dòng)，研究水平度對(duì)種群運(yùn)動(dòng)的影響程度，結(jié)果表明：發(fā)現(xiàn)隨著種盤傾斜角度的增加，種群發(fā)生聚集偏移的時(shí)間逐漸減少。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果可知：傾斜角度越小，對(duì)振動(dòng)種群運(yùn)動(dòng)的空間分布均勻性越有利。采用水平調(diào)節(jié)并聯(lián)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)排種裝置振動(dòng)種盤的水平度調(diào)節(jié)，從而滿足其近水平振動(dòng)的要求。

2)根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系式，分析機(jī)構(gòu)輸出—輸入函數(shù)關(guān)系，結(jié)果表明：該并聯(lián)機(jī)構(gòu)為部分控制解耦，選擇了P1~P3作為驅(qū)動(dòng)副，得到了機(jī)構(gòu)精度模型。同時(shí)，分析了機(jī)構(gòu)輸出精度的影響參數(shù)，繪制了輸出精度與驅(qū)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)誤差、構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的關(guān)系曲線，得出驅(qū)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)誤差和構(gòu)件結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的關(guān)系，為調(diào)水平機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與誤差補(bǔ)償提供理論依據(jù)。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0056-EA

Accuracy Research of a Vibration Tray Precision Seeder’s Horizontal Adjustment Parallel Mechanism

Gong Zhiqiang1， Chen Jin2a， Li Yaoming2b, Zhao Zhan2b

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Hefei 238000, China; 2.Jiangsu University a.School of Mechanical Engineering; b.School of Agricultural Equipment Engineering, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：In order to meet the requirements of Vacuum-vibration Tray precision seeder, apply DEM software EDEM to simulate seeds movement under the state of inclining seed plate,study the impact of level degree to seeds movement and include regulation accuracy requirements of seeder adjustment mechanism in the process of field seeding.Achieve seeder’s vibration seed plate horizontal adjustment operation by adjustment parallel mechanism, get mechanism accuracy model by solving total differential to mechanism position relationship, and draw relation curve of mechanism accuracy about kinematic error of drive pair, parameter error of modular structure, which provide a theoretical basis to adjustment mechanism design and error compensation.

Key words：precision seeder；horizontal adjustment；parallel mechanism；accuracy analysis

中圖分類號(hào)：S223.2+5；TH112

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0056-04

作者簡(jiǎn)介：龔智強(qiáng)(1983-),男，江西宜春人，講師，博士，(E-mail) gzhq2008@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305169)；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2015A246);巢湖學(xué)院博士科研啟動(dòng)資金項(xiàng)目(KYQD—201403)；巢湖學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(XLY—201403)

收稿日期：2015-09-09