穴盤苗整排頂苗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析

李曉濤，馬曉曉，周文靜，邵小青，張洚宇

（新疆科技學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

新疆是番茄、辣椒、甜菜和棉花等經(jīng)濟(jì)作物的主產(chǎn)區(qū)，近年來，隨著育苗移栽技術(shù)的應(yīng)用與推廣，番茄、辣椒等經(jīng)濟(jì)作物育苗移栽種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，但目前移栽過程主要以人工取苗、投苗，機(jī)械栽植為主，存在自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和作業(yè)效率低等問題[1-2]。因此，研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)取投苗作業(yè)功能的移栽機(jī)成為必然趨勢(shì)。

歐美農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的全自動(dòng)移栽機(jī)多為適用于大地塊裸地移栽作業(yè)的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，配備復(fù)雜的機(jī)電液氣系統(tǒng)，取苗機(jī)構(gòu)多采用整排取苗，整機(jī)價(jià)格昂貴，維修困難，未在國(guó)內(nèi)得到推廣[3-4]。日本、韓國(guó)研發(fā)的移栽機(jī)以純機(jī)械系統(tǒng)為主，整機(jī)體積小，適用于小地塊作業(yè)，取苗機(jī)構(gòu)采用苗針插缽的方式取苗，一次只取一株苗，速度較慢且價(jià)格昂貴，也未在國(guó)內(nèi)得到推廣[5]。

國(guó)內(nèi)各高校與科研院所已經(jīng)研發(fā)出多種穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)，但目前相關(guān)技術(shù)尚不成熟，未推廣至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。按照取苗方式可分為夾取式取苗、頂出式取苗以及頂出—夾缽式取苗[6-9]。夾取式取苗時(shí)苗針通過插入缽體夾缽取苗或者從穴盤苗莖稈兩側(cè)夾莖取苗；頂出式取苗利用頂桿頂出或氣流使穴盤苗實(shí)現(xiàn)缽盤分離；頂出—夾缽式取苗方法結(jié)合了頂桿頂出取苗與苗針夾缽取苗的方式。

頂桿頂出式取苗只需頂桿作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)即可將穴盤苗頂出，具有動(dòng)作簡(jiǎn)單、取苗效率高、傷苗率低的特點(diǎn)。因此本文基于偏心圓盤曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種整排自動(dòng)頂苗機(jī)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

頂桿頂出式取苗利用穴盤苗根系由上向下逐漸稠密的特性，頂桿直接作用在根系密集的缽體底部[10]。因此對(duì)穴盤苗缽體盤根性和頂桿直徑有一定要求，如果缽體不緊實(shí)或頂桿過細(xì)，則在頂苗時(shí)頂桿易插入缽體，造成缽體損傷或取苗失敗。

頂苗機(jī)構(gòu)適用苗盤為128穴（8×16）倒四棱臺(tái)形穴孔苗盤，采用聚苯乙烯材料經(jīng)注塑加工制成，可折彎較大弧度而不出現(xiàn)破損，苗盤高度為40 mm，相鄰穴孔中心距為32mm，穴孔底部圓形漏水孔直徑為8mm。頂苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為整排頂出，要求結(jié)構(gòu)緊湊，在保證苗盤輸送及頂苗位置精度的前提下，要求相鄰頂桿間距為32 mm，頂桿直徑為6mm，頂桿長(zhǎng)度應(yīng)能保證將穴盤苗從穴孔中完全頂出[11]。頂出的穴盤苗在檔桿及自身重力作用下迅速調(diào)整姿態(tài)，沿滑道落入接苗杯，圖1為頂桿頂苗示意。

1.2 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

圖2所示為頂苗機(jī)構(gòu)，主要由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、偏心圓盤、花鍵軸、整體式連桿、頂桿架、頂桿、滑道和機(jī)架等組成。頂桿安裝在頂桿架上，與頂桿架同步運(yùn)動(dòng)；頂桿架安裝在滑道內(nèi)，在滑道內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；滑道內(nèi)側(cè)加工有梯形凹槽，焊接在機(jī)架上，起導(dǎo)向和支撐頂桿架的作用；整體式連桿一端與頂桿架采用銷軸連接，另一端為圓環(huán)狀，內(nèi)面開有凹槽；偏心圓盤安裝在花鍵軸上，外圓面開有凹槽，與連桿之間采用滾子進(jìn)行傳動(dòng)，工作時(shí)可使零件的磨損程度大大降低；花鍵軸安裝在機(jī)架上通過軸承支撐，采用聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)動(dòng)力輸出軸連接；固定板用于安裝步進(jìn)電機(jī)，與機(jī)架采用螺栓連接。

頂苗機(jī)構(gòu)工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)安裝在花鍵軸上的偏心圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心圓盤驅(qū)動(dòng)整體式連桿動(dòng)作，在滑道共同作用下使安裝在頂桿架上的頂桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而完成頂苗動(dòng)作，待缽苗沿導(dǎo)苗管落入栽植機(jī)構(gòu)后，頂桿向下移動(dòng)，準(zhǔn)備下一排幼苗的頂出。

2 頂苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

頂苗機(jī)構(gòu)為偏心圓盤曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，偏心圓盤偏心距為曲柄長(zhǎng)，偏心圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心與滑塊運(yùn)動(dòng)方向共線。整排頂苗方式工作效率高，頂苗機(jī)構(gòu)工作原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，可很大程度減少所占的空間位置且生產(chǎn)制造成本較低。如圖3，以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系。

要保證頂苗機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，其原動(dòng)件數(shù)目應(yīng)該等于該機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目。頂苗機(jī)構(gòu)其原動(dòng)件為電機(jī)，共有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，即偏心圓盤、整體式連桿與頂桿架，4個(gè)低副，即偏心圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)副、整體式連桿與頂桿架之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副、頂桿架與機(jī)架之間的移動(dòng)副、偏心圓盤與整體式連桿之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，不存在高副，故頂苗機(jī)構(gòu)的自由度為：

頂苗機(jī)構(gòu)原動(dòng)件數(shù)目等于自由度數(shù)目，故機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

由圖3中的幾何關(guān)系可得偏心圓盤上A點(diǎn)坐標(biāo)為：

式中α—偏心圓盤轉(zhuǎn)角；lOA值為偏心圓盤偏心距e。

連桿上C點(diǎn)坐標(biāo)為：

式中l(wèi)AC=R+lBC，R為偏心圓盤半徑。

3 頂苗機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

為使頂苗機(jī)構(gòu)具有良好的作業(yè)性能，滿足整排頂苗作業(yè)要求，頂苗機(jī)構(gòu)的頂桿行程與機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是關(guān)鍵?；谘ūP苗穴盤結(jié)構(gòu)尺寸與頂苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，共確定如下3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)為約束條件：

（1）苗盤高度為40 mm，為使穴盤苗能夠被頂桿從穴盤中完全頂出，則頂桿行程不小于40 mm；

（2）考慮到頂苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，偏心圓盤半徑不宜過大；

（3）為避免頂苗機(jī)構(gòu)與載盤架運(yùn)動(dòng)干涉，結(jié)合載盤架底部厚度為5 mm，則頂桿長(zhǎng)度最小為45 mm；

涉及的優(yōu)化參數(shù)主要有偏心圓盤偏心距e、偏心圓盤半徑R、整體式連桿BC段長(zhǎng)度lBC以及頂桿長(zhǎng)度lDE。

3.2 參數(shù)優(yōu)化過程與結(jié)果

基于建立的頂苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，利用Matlab軟件開發(fā)頂苗機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，如圖4。借助該軟件利用人機(jī)交互方式，通過調(diào)整各個(gè)參數(shù)值，對(duì)頂苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得滿足頂苗要求的一組機(jī)構(gòu)較優(yōu)參數(shù)組合。表1為優(yōu)化后頂苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

表1 優(yōu)化后頂苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)

4 頂苗機(jī)構(gòu)虛擬仿真試驗(yàn)

4.1 建立虛擬樣機(jī)模型并導(dǎo)入ADAMS軟件

根據(jù)頂苗機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合穴盤苗穴盤結(jié)構(gòu)尺寸等，在Solidworks軟件中建立各零件三維實(shí)體模型，注意建立模型單位設(shè)置為“MMKS”，并對(duì)頂苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬樣機(jī)裝配，設(shè)置偏心圓盤初始轉(zhuǎn)角α=0°。

然后將建好的頂苗機(jī)構(gòu)模型另存為Parasolid格式文件，打開ADAMS軟件，選擇“文件”→“導(dǎo)入”，在打開的“文件導(dǎo)入”對(duì)話框中設(shè)置“文件類型“為Parasolid(*.xmt_txt,*.x_t,*.xmt_bin,*.x_b)，選擇“讀取文件”為保存的Parasolid格式文件，“模型名稱”為“dingmiaojigou”，點(diǎn)擊“確定”按鈕，頂苗機(jī)構(gòu)三維虛擬樣機(jī)模型即可導(dǎo)入ADAMS軟件。

在ADAMS軟件中進(jìn)行頂苗機(jī)構(gòu)零件的屬性更改，包括材質(zhì)和重命名等，根據(jù)各零部件之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加約束類型。為便于對(duì)頂苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，忽略對(duì)頂苗機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果無影響的零部件，各主要部件之間約束的添加如表2。

表2 仿真模型約束添加

4.2 頂苗機(jī)構(gòu)虛擬仿真試驗(yàn)

自動(dòng)頂苗機(jī)構(gòu)配套機(jī)器的栽植效率要求達(dá)到120株/min以上，即以120株/min進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。頂苗機(jī)構(gòu)共有8個(gè)頂桿，則每分鐘內(nèi)頂出次數(shù)n=120/8=15次，即每個(gè)頂桿的運(yùn)動(dòng)周期T=4 s。在ADAMS軟件中設(shè)置偏心圓盤角速度函數(shù)為90 d*time，利用ADAMS軟件對(duì)頂苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)，在頂桿端點(diǎn)處添加標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行追蹤，得到頂桿的位移—時(shí)間曲線和速度—時(shí)間曲線分別如圖5、圖6。

由頂桿位移—時(shí)間曲線可以看出，頂桿在1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為正弦三角函數(shù)曲線，與理論分析結(jié)果一致。t=1.0s時(shí)，偏心圓盤轉(zhuǎn)過90°，頂桿位移達(dá)到最大值237.0 mm；t=3.0s時(shí)，偏心圓盤轉(zhuǎn)過270°，頂桿位移達(dá)到最小值193.0 mm，則頂桿行程為44mm。

由頂桿速度—時(shí)間曲線可以看出，頂桿運(yùn)動(dòng)呈周期性變化，在t=0.1s與t=1.88s時(shí)，頂桿速度達(dá)到最大值35.26 mm/s，t=0.1 s時(shí)頂桿處在向上頂苗階段，t=1.88s時(shí)頂桿處在向下回程階段；在t=1.0s與t=3.0s時(shí)，頂桿速度為0，t=1.0s時(shí)頂桿頂苗結(jié)束，t=3.0s時(shí)頂桿向下回程結(jié)束。

5 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)了一種適用于整排式全自動(dòng)移栽機(jī)的自動(dòng)頂苗機(jī)構(gòu)，該頂苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，可以在較小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的頂苗行程，滿足把整排穴盤苗全部頂出的需要且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

（2）依據(jù)機(jī)構(gòu)原理構(gòu)建了頂苗機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，確定了各機(jī)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系，利用Matlab軟件通過人機(jī)交互方式得到了一組滿足頂苗作業(yè)要求的較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

（3）構(gòu)建了頂苗機(jī)構(gòu)三維模型，通過ADAMS軟件進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明頂苗機(jī)構(gòu)各部件尺寸參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，仿真分析結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了頂苗機(jī)構(gòu)理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。