基于ADAMS的缽苗移栽機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動仿真

鐘興　王艷莉

摘要：利用UG三維建模軟件建立了缽苗移栽機(jī)的實(shí)體模型，利用接口軟件將模型導(dǎo)入仿真軟件ADAMS中，建立虛擬樣機(jī)模型，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，實(shí)現(xiàn)了模型順序動作的運(yùn)動過程仿真。經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的模型能穩(wěn)定可靠地沿著設(shè)計(jì)的軌跡運(yùn)動，因此該設(shè)計(jì)方案是正確可行的；同時(shí)，也說明了虛擬樣機(jī)在產(chǎn)品開發(fā)中的重要作用，為全自動缽苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和制造奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 缽苗；虛擬樣機(jī)；UG；機(jī)械手

中圖分類號：S223.92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-308-03

苗缽育苗具有出苗率高、整齊度好、移栽后緩苗期短、病蟲害少、省工、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，代表了育苗技術(shù)的發(fā)展方向。目前，國內(nèi)缽苗移栽主要靠手工完成，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，難以實(shí)現(xiàn)大面積移栽，僅有少量的半自動移栽機(jī)可用于缽苗移栽，但是半自動移栽機(jī)每行需要配備1人來喂苗，輔助用工多，作業(yè)效率低，不能滿足規(guī)?；a(chǎn)的需要。全自動移栽機(jī)能夠很好地解決勞動力不足、作業(yè)效率低下等問題，對解放勞動力、提高移栽質(zhì)量和效率具有重要的意義。因此應(yīng)用UG軟件對全自動缽苗移栽機(jī)取苗機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)應(yīng)用參數(shù)化建模， 應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS構(gòu)建其三維運(yùn)動仿真模型，并對移栽機(jī)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，分析得出主體結(jié)構(gòu)的速度、加速度和位移曲線，實(shí)現(xiàn)了移栽速度為10個(gè)/min的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 移栽機(jī)械手結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 移栽機(jī)械手結(jié)構(gòu) 缽苗移栽機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示，由伸縮氣缸、取苗爪、直角件、連接元件1、連接元件2、旋轉(zhuǎn)氣缸、升降氣缸等組成。

土壤對取苗針有粘附和摩擦作用，摩擦因數(shù)在0.6～1.2之間，根據(jù)自鎖原理，取苗針與水平面成30°～45°的方向插入苗缽，可以保證缽苗不滑落，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可提高機(jī)械手抓取的適應(yīng)性，對不同的缽苗抓取效率高，不傷苗。

圖2為機(jī)械手臂示意圖。取苗爪是由4塊鋁合金板連接而成的矩形殼體，用來固定取苗針，完成退苗及投苗動作。取苗爪下方的矩形孔保證缽苗能夠順利落下，完成投苗動作。

取苗爪的最關(guān)鍵部位是手指前端的取苗針，取苗針插入苗缽，既能輕松便捷地插入苗缽能順利把幼苗取出苗缽，還不會損傷幼苗的根和葉，可保證幼苗的完整，使得幼苗的移栽成活率大大提高。由于缽苗基質(zhì)的深度大約有80 mm，針只需插入基質(zhì)40～50 mm深處，所以針的長度設(shè)計(jì)成60～80 mm即可，取苗針的三維建模如圖3所示。

由于考慮到機(jī)械手臂在旋轉(zhuǎn)氣缸的帶動下，會有一個(gè)很大的沖擊力，使得機(jī)械手臂在運(yùn)動過程中產(chǎn)生晃動，所以經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究，將該底座設(shè)計(jì)成由1塊連接板和2個(gè)氣缸支柱組成，底座與移栽機(jī)相連接用螺母固定，2根支柱與旋轉(zhuǎn)氣缸相連接，起到固定和支撐整個(gè)機(jī)械臂的作用，這樣就減少了機(jī)械手臂的晃動，從而使得取苗時(shí)手臂運(yùn)動的更加平穩(wěn)，同時(shí)一板2支柱的結(jié)構(gòu)保證了機(jī)械手旋轉(zhuǎn)時(shí)的剛度和穩(wěn)定性，起到很好地止轉(zhuǎn)作用，極大地增加了取苗的成功率，和很好地防止了運(yùn)動過程中因?yàn)槎秳佣斐傻睦徝缑撀?，傷到幼苗?/p>

1.2 移栽機(jī)工作原理 機(jī)械手由伸縮氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸按順序依次驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)手臂的順序運(yùn)動，完成從苗缽中取苗、帶苗至投苗位置、投苗等動作。一次移栽共需6個(gè)動作，每個(gè)動作工作順序如圖4所示。由圖4可知，機(jī)械手完成移栽動作累計(jì)單次動作循環(huán)時(shí)間為6 s，可實(shí)現(xiàn)移栽速度為10個(gè)/min的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在取苗和投苗2個(gè)動作過程中，取苗爪要保證及時(shí)進(jìn)行夾緊和松開動作。同時(shí)，考慮到缽苗的柔嫩性，取苗爪在取苗和放苗時(shí)，要保證盡量不傷害苗，不影響苗的生長。

2 移栽運(yùn)動仿真

2.1 仿真模型的建立 缽苗移栽機(jī)械手模型虛擬設(shè)計(jì)是當(dāng)前機(jī)械工程研究領(lǐng)域中重要的研究手段之一，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中已獲得廣泛應(yīng)用。將應(yīng)用 UG構(gòu)建的缽苗自動移栽機(jī)械手的三維實(shí)體模型（圖1）導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，取坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在底座中心，鉛垂向上為Z向，同時(shí)調(diào)整取苗機(jī)構(gòu)上行50 mm，建立仿真模型（圖5）。根據(jù)采摘機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件之間的約束及相對運(yùn)動關(guān)系，對導(dǎo)入的零部件施加約束和驅(qū)動。

3 仿真結(jié)果與分析

仿真步驟多，可以提高仿真的穩(wěn)定性，但會使得計(jì)算量變大，仿真速度變慢；仿真步驟少，可減少仿真的計(jì)算量，但測得的數(shù)值可能誤差較大。根據(jù)案例選6 s仿真時(shí)長，設(shè)置仿真步數(shù)為48步，即在1 s內(nèi)采樣個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，控制在誤差允許的范圍之內(nèi)。同時(shí)，設(shè)置材料為鋁，并修改其接觸參數(shù)，包括接觸剛度、阻尼系數(shù)、磨擦系數(shù)等相關(guān)參數(shù)，以適應(yīng)設(shè)計(jì)要求。

仿真后輸出的取苗機(jī)械手臂（藍(lán)色）和取苗針（紅色）的位移曲線（圖6）、加速度曲線（圖7）和速度曲線（圖8）。從位移曲線和加速度曲線可看出，取苗機(jī)械針在位移的拐點(diǎn)處，速度變化很快（加速度較大），會產(chǎn)生沖擊，因此，對取苗針的剛度和強(qiáng)度有較高要求。

由速度曲線可知，啟動時(shí)轉(zhuǎn)速急劇增加， 之后轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定， 由于是3個(gè)氣缸獨(dú)立的直接驅(qū)動， 整機(jī)產(chǎn)生的沖擊和振動較小，系統(tǒng)基本上保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。取苗針?biāo)俣绕骄禐?4.8 mm/s，取苗機(jī)械手平均轉(zhuǎn)速為179.5°/s，升降平均速度為99.6 mm/s。該數(shù)據(jù)與理論值有一定偏差， 但都在設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)， 說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。

4 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)測得，樣機(jī)（圖9）移栽缽苗的一個(gè)動作循環(huán)是6.12 s（理論值是6 s），即在1 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)了10個(gè)循環(huán)，并且穩(wěn)定可靠地完成了取苗、帶苗、投苗等動作，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。圖10為樣機(jī)起苗過程。

5 小結(jié)

通過ADAMS軟件建立了移栽機(jī)械手的動力學(xué)系統(tǒng)的仿真模型， 并詳細(xì)分析了取苗機(jī)械手移栽過程的運(yùn)動情況，并對取苗機(jī)械手臂和取苗針的合位移、合速度、合加速度進(jìn)行了仿真分析。分析結(jié)果顯示手臂和取苗針都能滿足移栽運(yùn)動軌跡要求。該設(shè)計(jì)方案采用3個(gè)氣缸獨(dú)立的直接驅(qū)動手臂的升降旋轉(zhuǎn)動作和取苗針的伸縮動作，這對實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的平順性和減震很有利，對缽苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)有一定地幫助。通過樣機(jī)試驗(yàn)證明，移栽過程無漏苗現(xiàn)象，且對缽苗根部損傷很小，工作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，對基于實(shí)體仿真模型的產(chǎn)品開發(fā)有很好地指導(dǎo)作用。

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