頂出—夾取式自動取苗機構運動學分析

劉衛想　金鑫　杜新武

摘要：為了降低自動取苗裝置取苗過程中對缽體的損傷，提高取苗成功率，對頂出-夾取式自動取苗裝置的各個執行機構建立運動學模型，并對模型進行仿真分析。在Visual Studio環境下，根據模型編寫可視化蔬菜穴盤苗自動取苗裝置時序分析程序，并對各個機構進行參數優化，得到一組最佳參數：曲柄長度a=78 mm，連桿長度b=112 mm，偏心距e=20 mm，頂苗機構的初始相位角φd=108°，橫移機構的位移為h1=36.5 mm，縱移機構的初始相位角φz=185°，苗爪翻轉機構的初始相位角φf=15°。樣機試驗結果表明，在取苗速度為140株/min時的成功率為98.44%，基質損失率為36.67%，驗證了該取苗機構的可行性。

關鍵詞：頂出-夾取式；運動學模型；仿真分析；參數優化；樣機試驗

中圖分類號： S223.92 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0385-04

自動取苗裝置是全自動移栽機的核心部件之一，如今已成為阻礙我國移栽過程全自動化發展的主要障礙。國外對取苗裝置的研究[1-5]起步較早，已有成熟的機型，但因其價格昂貴、結構復雜、與我國的農藝不相符等而并未在我國得到大面積的推廣應用。為了提高我國移栽過程的自動化水平，國內一些高校及科研院所對取苗裝置開展了研究，如田昆鵬等研究開發了一種門形取苗裝置[6]；周梅芳等對橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機構進行了研究[7]；俞高紅等研究開發了一種橢圓-不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機構[8]；趙雄等對棉花移栽機旋轉式取苗機構進行了運動學分析及虛擬試驗[9]；中國農業機械化科學研究院對齒輪—五桿取苗裝置進行了研究[10]；俞高紅等研制了一種旋轉式穴盤苗取苗機構[11]；南京農業大學開展了穴盤苗移栽機自動取喂系統的研究[12]；胡敏娟研制了取苗器的試驗系統[13]；楊傳華開展了蔬菜穴盤苗自動輸送技術與機構的研究[14]等。然而，由于各種各樣的原因如取苗成功率低、穩定性差等，所研究的一些取苗機構并未能在實際中得到應用。因此，為了降低取苗過程對缽體的損傷及提高取苗成功率，對頂出-夾取式取苗裝置的取苗過程進行分析，并對各執行機構進行運動學分析及參數優化，得出該取苗機構最佳的一組參數組合，對樣機的可行性進行試驗驗證。

1 基本結構及工作原理

自動取苗裝置主要包括頂苗機構、橫移機構、縱移機構和苗爪翻轉機構，其中頂苗機構為一曲柄滑塊機構驅動推苗桿作周期性直線往復動作，將基質苗從穴盤中推出；苗盤的縱移為槽輪間歇機構，槽輪間歇轉動，主動軸帶動苗盤縱移鏈輪轉動，鏈條中穿有可固定苗盤的橫連桿，使苗盤縱向間歇進給，凸輪帶動苗架在頂苗的間隙完成橫移，其裝置結構如圖1所示。

移栽機工作時，動力由地輪提供，傳動到各個機構，一個動力源可以保持送苗、頂苗、取苗等機構的同步動作。苗盤橫向放置，每排16株，頂苗機構每轉動1周，頂出8株。苗盤橫移1次，橫移凸輪從近休位置到達遠休位置，頂苗機構頂出剩下8株?？v移機構帶動苗盤進給1個穴距，頂苗機構頂出下一排的8株，橫移凸輪從遠休位置回到近休位置，再頂出剩下8株，完成1個循環，取苗過程如圖2所示。

2 關鍵部件運動學模型建立

2.1 頂苗機構

裝置工作時，鏈傳動部件將動力傳遞到曲柄滑塊機構（圖1-a），由滑塊推動頂苗桿作周期性直線往復動作，將基質苗從穴盤中頂出。因此，以O點為坐標原點，建立頂苗機構運動學模型。

式中：H代表苗瓜翻轉凸輪的位移；hp代表苗爪翻轉凸輪的行程，mm；φ代表苗瓜翻轉凸輪的轉角；m代表齒輪齒條機構的模數；Zp代表齒輪的齒數，mm；γ代表苗盤放置角度與水平面夾角。

3 運動學仿真

3.1 頂苗機構運動學仿真

利用運動學仿真軟件對頂苗機構的頂桿進行運動學仿真分析，得到頂桿的位移、速度和加速度曲線，如圖4所示。曲線顯示，在到達頂苗位置時，速度逐漸降低，在頂苗結束后，加速度增大，減少空程時間。當取苗速度為240株/min時，曲柄轉速為30 r/min，最大速度出現在頂桿到達頂苗位置之前，最大線速度vmax=305.64 mm/s，加速度最大值出現在頂苗結束后，amax=1 789 mm/s2，所以在頂苗過程中頂桿對基質苗無明顯沖擊。

3.2 苗盤輸送機構運動學仿真

頂桿在頂苗時，穴盤要保持靜止狀態，因此設α（0≤α≤2π）為頂苗機構到達頂苗點之后對應的相位角，為使頂苗機構與苗盤輸送機構不產生干涉，則需要滿足：

式中：β1代表苗盤縱移的運動相位角；β2代表苗盤橫移機構遠休或近休相位角。

根據頂苗機構和苗盤輸送機構的運動學方程以及2個機構的相位角所滿足的條件，對2個機構的位移進行仿真分析，其結果如圖5所示。

3.3 取苗機構運動學仿真

在取苗速度為240株/min時，凸輪的轉速為30 r/min，利用運動學仿真軟件對苗爪翻轉機構凸輪從動件進行運動學仿真分析，得到凸輪的位移、速度和加速度曲線（圖6）。曲線顯示最大加速度amax=182.198 mm/s2，出現在剛剛翻轉時和夾持基質苗快要到豎直位置時，此時會出現沖擊。

4 參數優化分析

4.1 優化目標

取苗裝置的運動情況對取苗成功率及取苗質量有至關重要的影響，因此在運動學模型的基礎上結合裝置所需要滿足的農藝及農機的要求對運動學模型進行優化分析，其優化分析的目標有：（1）頂苗位移要小于200 mm；（2）曲柄所轉的相位角必須要對應橫移機構和縱移機構的遠休相位角或近休相位角；（3）頂苗機構和苗盤橫移、縱移機構各動作之間都有一定的預留時間；（4）苗盤每次的步進距離為36 mm。

4.2 優化結果分析

通過對取苗裝置進行時序分析并根據分析結果及各機構數學模型，在Visual Studio開發環境下，建立機構的可視化時序分析程序，通過改變各個機構的參數，求得該機構的最佳參數組合為：曲柄長度a=78 mm，連桿長度b=112 mm，偏心距e=20 mm，頂苗機構的初始相位角φd=108°，橫移機構的位移為h1=36.5 mm，縱移機構的初始相位角φz=185°，苗爪翻轉機構的初始相位角φf=15°。

5 樣機試驗

5.1 試驗材料

試驗對象為番茄穴盤苗，品種為以色列1918，苗齡50 d。育苗質量較好，出苗率達到100%，且基質塊緊實，盤根情況較好，達到了試驗用苗的要求。

5.2 儀器設備

蔬菜穴盤苗自動取苗裝置樣機（動力源為變頻調速電機，可通過變頻器實現無極調速，速度變化范圍6～240 r/min），i2000型電子天平，封口塑料袋，秒表。

5.3 試驗方法

取3盤苗（出苗率均為100%，基質含水率為32.79%）進行3組試驗，變頻器的頻率分別為2.5、3.5、4.5 Hz，對應的取苗速度約為80、110、140株/min。試驗過程中觀察頂苗和夾取過程中未頂出個數和未成功夾取個數，進行記錄；在蔬菜穴盤苗自動取苗裝置的底部放置紙板，用以收集各個機構掉落的基質，取苗完成后將各個部分的基質和取苗動作完成后基質苗進行收集和稱質量，以此分別計算取苗成功率和基質損失率。取苗成功率（η1）的計算公式：

η1=WW0×100%=W0-W1-W2W0×100%。

（14）

式中：W代表取苗成功個數；W0代表穴盤中基質苗總個數；W1代表頂苗階段未頂出的苗數；W2代表夾取苗階段未成功夾取到位的苗數。

定義在取苗結束后基質塊仍然殘留在苗盤中的基質個數為頂苗階段未頂出的苗W1；機械手未能夾取到或者在落苗動作前基質苗就從苗爪中脫落的基質苗數為夾取苗階段未成功夾取到位的苗數W2，試驗結果見表1。

式中：m代表整個取苗過程中基質損失量，g；m0代表盤中基質苗總質量（不包括苗盤），g；m1代表頂苗過程中的基質損失量，g；m2代表夾取過程中的基質損失量，g；m3代表落苗過程的基質損失量，g。

定義苗盤輸送裝置底部收集的基質和殘留在穴盤中的基質為頂苗過程中的基質損失量m1；在取苗機械手運行軌跡下方收集的基質為夾取過程中的基質損失量m2；基質苗距離接苗板約280 mm，此過程是為了模仿全自動移栽機上基質苗落入導苗筒的過程，落苗完成后，將成塊的基質苗收集稱質量，接苗板上留下的就是落苗過程的基質損失量m3，整個取苗過程的基質損失量為m=m1+m2+m3，結果見表2。

5.4 結果與分析

試驗過程中的取苗效果如圖7所示。由試驗結果（表1、表2）可知，在取苗速度為80株/min時，取苗成功率為100%，基質損失率為36.24%；取苗速度為110株/min時，取苗成功率為98.44%，基質損失率為 34.64%；取苗速度為140株/min時，取苗成功率為98.44%，基質損失率為3667%，取苗成功率較高。在這3種取苗速度下的基質損失率均高于30%，其主要是因為在頂苗階段基質塊底部受力后，在秧苗直徑方向產生了壓縮變形，而后基質塊兩側受到夾

緊力，又發生了垂直于秧苗直徑方向的壓縮變形，在先后被施加2個方向的載荷之后，基質底部發生了坍塌和顆粒間的重新排列，但是在根系的包裹和纏聯作用下并未脫落，最后基質塊靠重力自由落體，基質塊底部與接苗板撞擊，基質在此過程中大量脫落。試驗結果表明，該取苗機構在取苗速度為140株/min時仍具有較高的取苗成功率，且基質損失率在不同的取苗速度下相對穩定，滿足了設計要求，說明該取苗機構可行。

6 結論

對頂出-夾取式取苗裝置的取苗過程進行分析，通過取苗、苗盤輸送和苗爪翻轉等動作的執行機構建立動作匹配的數學模型，并對這些數學模型進行仿真分析。在Visual Studio 開發環境下編寫可視化蔬菜穴盤苗自動取苗裝置時序分析程序，對各個機構進行參數優化，得到一組最佳參數，即曲柄長度a=78 mm，連桿長度b=112 mm，偏心距e=20 mm，頂苗機構的初始相位角φd=108°，橫移機構的位移為h1=36.5 mm，縱移機構的初始相位角φz=185°，苗爪翻轉機構的初始相位角φf=15°。通過對取苗機構進行取苗成功率和基質損失率試驗，得出在取苗速度為70、110、140株/min 時，取苗成功率分別為100%、98.44%、98.44%，基質損失率均在35%左右，驗證了該取苗機構的可行性。

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