象蟲計數(shù)器的連桿機構的設計分析研究*

李君帥，惠延波，汪楊智，周 穎，禹軍安，白路遙

(河南工業(yè)大學 先進制造研究所，河南 鄭州 450007)

0 引 言

象蟲具有較多種類，而其中米象與玉米象是世界上危害最大、具有毀滅性的倉庫害蟲。在糧食、中藥材、外貿(mào)、食品、農(nóng)副土特品倉庫及其加工廠里，對貯藏物資危害極大[1]。象蟲的任何一種都列為被檢疫的對象，限制其傳播和蔓延的范圍，對蟲害的防治提出了更高的要求[2]。而對象蟲的計數(shù)與統(tǒng)計是實現(xiàn)蟲害預測與防治的重要前提。因此，研發(fā)高效合理的計數(shù)與統(tǒng)計裝置對蟲害的防治研究具有重要意義。目前，對于象蟲的密度調(diào)查，主要是抽樣調(diào)查，人工計數(shù)為主。人工計數(shù)工作時間長，象蟲體積較小，對其計數(shù)十分耗時耗力。此外，估計計數(shù)難以精確計算出象蟲的準確數(shù)量。因此，計數(shù)準確高效、性能穩(wěn)定可靠的象蟲計數(shù)裝置也成為了研究的重點。

目前，市面上的計數(shù)產(chǎn)品主要是針對固體顆粒(藥片[3]，寶石[4]等)，機械零件(螺母，軸承等)等計數(shù)，運用排序機對其排序處理。但是，由于象蟲體積小，易運動，市場上的計數(shù)產(chǎn)品無法對其排序處理，難以完成對象蟲數(shù)量上的統(tǒng)計。本文通過觀察象蟲習性，設計一套新的連桿裝置來對象蟲計數(shù)，并使用3D打印技術成型制造，實現(xiàn)了象蟲的自動計數(shù)并具有較高的效率和準確率。

傳統(tǒng)的象蟲計數(shù)器由空氣壓縮機連接分離裝置和三角瓶組成，用人工逐個查數(shù)手持負壓吸頭將象蟲吸入三角瓶內(nèi)完成計數(shù)收集。根據(jù)象蟲離地爬動的習性，創(chuàng)新設計四桿機構收集象蟲并在輸送管道內(nèi)安裝光纖計數(shù)器來代替人工計數(shù)。

1 米象運動速率的計算與試驗

采用王殿軒在不同溫度下米象的運動行為研究的研究方法[5]，在室溫下(25 ℃)計算米象的運動速度。在平面無糧情況下，害蟲爬行速率水溫度升高的回歸方程為y=2.841x-30.313。x=25 ℃帶入回歸方程得害蟲的爬行速率為40.712 cm/min。

將米象置于帶有刻度的玻璃試管中，并在試管內(nèi)豎直方向間隔擦拭聚四氟乙烯(米象難以爬過涂有聚四氟乙烯的內(nèi)壁)，用以防止米象側向爬行，將200只象蟲置于試管底部，試蟲為昆蟲研究室培養(yǎng)數(shù)代后羽化2周的成蟲。在室溫下，將試管底部擋板撤出，米象自然上爬，多次試驗記錄爬行數(shù)據(jù)，計算均值。得出象蟲在靜止軀體的運動速度為40 cm/min。實驗結果基本一致。

根據(jù)象蟲的運動特性，設計工作流程如圖1所示。

圖1 主要工作流程

2 連桿機構與擴散器的設計方法及策略

連桿機構的末端執(zhí)行器是吸頭安裝位置，故連桿末端的軌跡也表示管道吸頭吸取米象的路徑。擴散器是讓密集的象蟲在內(nèi)壁上通過爬行擴散開，實現(xiàn)象蟲的均布傳送并消除堆疊現(xiàn)象。擴散器內(nèi)壁則需要連桿末端軌跡偏移一定距離，并以偏離后的曲線旋轉形成擴散器內(nèi)壁輪廓曲線(如圖2)。所以連桿的設計確定了擴散器的內(nèi)壁輪廓形狀，擴散器的大小約束連桿桿長的取值。確定發(fā)生微小偏移量時，根據(jù)象蟲的高度約為1～2.5 mm，實驗測得吸頭吸取象蟲的最遠距離為6 mm，取偏移距離為4 mm，目的是防止吸頭堵塞、推落象蟲或吸力不足無法吸取的情況發(fā)生。

象蟲初步篩選后，進入擴散分離裝置內(nèi)，再通過連桿吸頭逐一進入計數(shù)傳感器，完成計數(shù)抓取。連桿進行回轉運動，擴散器進行自轉運動，則吸頭相對于擴散器做回轉的螺旋運動。連桿設計的軌跡規(guī)劃和擴散器設計是整個計數(shù)系統(tǒng)的關鍵。

圖2 曲柄搖桿機構運動學關系

2.1 四桿機構的約束確定

四桿機構末端的運動軌跡受桿長的影響。根據(jù)運動規(guī)律可分為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構[6]。 由空間布置及連桿末端運動規(guī)律的約束列方程組對各桿桿長進行范圍約束取值。

根據(jù)設計要求，該機構為曲柄搖桿機構(如圖2)，l2、l2′桿固連。點E處安裝計數(shù)器吸頭。根據(jù)運動規(guī)律有以下關系式：

(1) 對各桿的桿長進行約束計算：

f1(X)=l1-l2≤0

(1)

f2(X)=l1-l3≤0

(2)

f3(X)=l1-l4≤0

(3)

f4(X)=l1+l4-l2-l3≤0

(4)

f5(X)=l1+l2-l3-l4≤0

(5)

f6(X)=l1+l3-l2-l4≤0

(6)

(2) 連桿與搖桿的夾角應在γmin和γmax之間，即：

(7)

(8)

由于計數(shù)器的尺寸限制，根據(jù)設計要求，已知l1和l4的長度分別為30 mm和60 mm。設l2和l3的長度分別為x1和x2。為了防止從動件卡死，只允許連桿與搖桿的夾角在20°～160°變化。將數(shù)值帶入則得：

f1(x)=30-x1≤0

f2(x)=30-x2≤0

f4(x)=90-x1-x2≤0

f5(x)=x1-x2-30≤0

f6(x)=x2-x1-30≤0

(3) 連桿約束的繪制

運用MATLAB，對x1和x2的取值范圍進行求解[7]，得到如下可行域(如圖3)，并得到曲線交點坐標為(58.5640,32.7149)，(32.7149，58.5640)。

以10 mm為間隔，根據(jù)可行域對不同值的桿長進行末端軌跡仿真分析，則可行域內(nèi)l2和l3桿長的取值如表3、4(√表示桿長滿足條件)。

圖3 可行域約束曲線圖4 軌跡模擬正交實驗表

2.2 在可行域內(nèi)對連桿的末端運動軌跡進行仿真

(1) 輪廓曲線的繪制。運用軟件對連桿可行域內(nèi)數(shù)值進行正交實驗軌跡仿真如圖5。

(2) 連桿曲線分析與選定

連桿曲線取選根據(jù)擴散器外型輪廓要求應滿足以下標準：①曲線無交叉，保證內(nèi)壁表面光滑無尖端；②輪廓表面平緩且具有足夠的長度，保證象蟲的均布擴散；③旋轉器的自轉一周時間應是象蟲從底部到擴散器頂部時間，避免象蟲在擴散器頂部的堆疊現(xiàn)象。

圖5 連桿軌跡曲線正交模擬分析

由旋轉器的轉速為3 r/min即是象蟲從底部到頂部用時為20 s。象蟲運動速度為40 cm/min，則可得擴散器的內(nèi)壁輪廓長度約為13 cm。通過分析，選定l1=30，l2=70，l3=70，l4=60滿足要求。

3 連桿及擴散器建模及3D打印制造

按照設計尺寸對連桿及擴散器進行模型建立，模型建立考慮尺寸，連接處的剛度、強度，以及擴散器的輪廓外型曲線，并運用SolidWorks motion分析其速度與位移規(guī)律[8]，發(fā)現(xiàn)均滿足實驗要求，然后將模型保存為stl面片格式，運用Materialise Magics 21.0對其進行支撐添加及3D打印的參數(shù)調(diào)整后導入3D打印機進行實物制造，在光固化和FDM打印機中打印出實體模型[9]，SLA打印的零件經(jīng)無水乙醇清洗處理，去支撐處理及砂紙打磨處理即可得到所需零件。在曲柄處和擴散器底部安裝馬達(附有減速裝置)，為連桿和擴散器的轉動提供動力。然后進行組裝調(diào)試。曲柄及擴散器模型及打印實物如圖6、7。

圖6 三維模型圖

圖7 3D打印實物圖

4 結 論

通過連桿曲線的約束，MATLAB可行域計算，軌跡仿真選擇，三維模型構建及3D打印制造一系列的手段，設計了象蟲計數(shù)器的機械抓取裝置，將新設計的曲柄連桿機構和擴散器上部組裝，并將吸頭放入固定位置。在管道處安裝了光纖計數(shù)器，實現(xiàn)了象蟲的自動計數(shù)。此研究為象蟲計數(shù)的研制提供了一種切實可行的方法，與傳統(tǒng)計數(shù)相比，具有以下優(yōu)勢。

(1) 選擇了合理的四桿機構及擴散器曲面，消除了象蟲堆疊誤差。

(2) 運用光纖電子計數(shù)器代替了人工計數(shù)，提高了原有計數(shù)方式的準確率。

(3) 將計數(shù)抓取機構與象蟲的習性相結合，實現(xiàn)了象蟲的自動抓取功能，提高了統(tǒng)計效率。