插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫淼　趙鳳芹

摘要：針對(duì)寬窄行分插機(jī)構(gòu)建立尺寸優(yōu)化模型；基于寬窄行分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，反求分插機(jī)構(gòu)的重要尺寸參數(shù)；解決約束條件多且復(fù)雜的問題，應(yīng)用MATLAB中Fmincon函數(shù)對(duì)其求解；并將優(yōu)化設(shè)計(jì)生成可視化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，便于該方法的有效推廣，提高設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：分插機(jī)構(gòu)；插秧機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；可視化界面

中圖分類號(hào)：S223.91+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2015）04-0040-03

分插機(jī)構(gòu)是插秧機(jī)的核心工作部件，其性能的優(yōu)劣直接影響插秧質(zhì)量。交錯(cuò)軸斜齒行星輪系分插機(jī)構(gòu)為水稻寬窄行種植的一種核心機(jī)構(gòu)，其工作軌跡為復(fù)雜的空間海豚型軌跡，但是其優(yōu)化方法尚不明確。為了優(yōu)化寬窄行分插機(jī)構(gòu)的尺寸，本文提出基于寬窄行分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，建立分插機(jī)構(gòu)的尺寸優(yōu)化模型。

1 分插機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化模型

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

分插機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為：偏心距e、偏心齒輪半徑R、中心距a、偏心齒輪螺旋角β、初始安裝角φ0、行星架拐角δ0、栽植臂初始安裝角α0和分插機(jī)構(gòu)栽植臂S。模型的設(shè)計(jì)參數(shù)表述為：X=（e，R，a，α0，φ0，δ0，S，β）。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

水稻寬窄行栽培技術(shù)是指水稻秧苗在單位總行數(shù)不變、穴距適當(dāng)增加、穴數(shù)適當(dāng)減少的條件下，把原來單一等距的行距變成寬窄相間、合理搭配的栽培方式，即寬行距40 cm、窄行距20 cm，如圖1所示。

傳統(tǒng)水稻插秧的行距為30 cm，為了達(dá)到水稻寬窄行種植的目的，設(shè)水稻插秧機(jī)作業(yè)時(shí)在縱方向偏移量△S=50 mm，并確定縱方向偏移量為優(yōu)化目標(biāo)。同時(shí)，栽植臂需要完成摘取秧苗和推送秧苗的過程，其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)插秧穴口的寬度也影響著秧苗的直立性，因而插秧軌跡的高度差△y、插秧穴口寬度△x同樣為優(yōu)化目標(biāo)。

1.3 約束條件

1.3.1 取秧點(diǎn) 水稻插秧機(jī)在取秧時(shí)栽植臂的秧針與水平面的夾角應(yīng)該在-5～25°之間，栽植臂到達(dá)取秧點(diǎn)時(shí)如圖2所示。

通過插秧軌跡的高度差來最大限度地限制插秧軌跡的高度差，設(shè)定上、下限的范圍為偏差±10 mm內(nèi)。

1.3.6 其他約束條件 其他線性約束A，b由Rbmin-Rb≤0及給定的e，R，a界限確定。

1.4 優(yōu)化計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

將上述約束條件中的非線性約束條件存于fxxystj.m中，利用MATLAB的MAX及MIN函數(shù)完成各參數(shù)極值的尋找。給定初始值x0=[R e a φ0 δ0 α0 S β]，調(diào)用目標(biāo)函數(shù)及非線性約束條件語句為：[x，f]=fmincon （'myfunction'，x0，A，b，[]，[]，[]，[]，'fxxystj'），將上述程序存于yhjieguo.m文件中，以方便后續(xù)回調(diào)函數(shù)中文件的調(diào)用。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)界面

2.1 界面設(shè)計(jì)

利用MATLAB中可視化設(shè)計(jì)工具GUI完成系統(tǒng)編輯，實(shí)現(xiàn)分插機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化的可視化設(shè)計(jì)。尺寸優(yōu)化界面如圖4所示。

運(yùn)算需輸入已知參數(shù)值，求得在滿足條件范圍的偏心齒輪半徑等值。運(yùn)算結(jié)束后，輸出各參變量的值，顯示水稻插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)尺寸的最優(yōu)解。最優(yōu)化程序編輯完成并存于M文件中，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化需調(diào)用yhjieguo.m文件。偏心非圓齒齒輪的優(yōu)化結(jié)果界面如圖5所示。

2.2 程序設(shè)計(jì)

首先將運(yùn)動(dòng)規(guī)律輸入到MATLAB中，非線性約束條件fxxystj.m文件中通過f=str2num （get（handles.edit1，'String'））函數(shù)獲得運(yùn)動(dòng)參數(shù)值，通過set（handles.edit11，'string'，num2str（alpha））函數(shù)來顯示優(yōu)化結(jié)果。

3 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)約束條件的描述，給定R，e，a，φ0，δ0，S，β的界限：18 mm≤R≤2 mm，3 mm≤e≤5 mm，36 mm≤a≤42 mm，4°≤φ0≤12°，70°≤δ0≤90°，-90°≤α0≤

-100°，170 mm≤S≤180 mm，8°≤β≤20°。確定優(yōu)化變量初值：x0=[e R a φ0 δ0 α0 S β]=[4 19 38 5 80 -95 180 15]，根據(jù)選定的Fmincon函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，選定高度差為250 mm，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)中插秧穴口寬度為23 mm，秧針在縱方向的位移偏移量為50 mm。優(yōu)化結(jié)果與原數(shù)據(jù)見表1。

優(yōu)化后分插機(jī)構(gòu)的縱向運(yùn)動(dòng)范圍△S=50 mm，通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知，優(yōu)化效果明顯，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目的。應(yīng)用MATLAB工具進(jìn)行優(yōu)化求解，具有簡單易行、便于設(shè)計(jì)師使用的特點(diǎn)，可將設(shè)計(jì)師從繁重、重復(fù)的設(shè)計(jì)、計(jì)算中解放出來，從而提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

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Abstract： In the article， it built the model of dimension optimization according to wide and narrow row separating planting mechanism； based on the motion path of wide and narrow row separating planting mechanism， reversed to seek the important dimension parameters of separating planting mechanism； the constraint conditions are a lot and complex， for solving it， it used Fmincon function of MATLAB to solve； and upgraded the optimization design to visual design system， it is easy to effectively extend for the method， and raised the design efficiency.

Key words： separating planting mechanism； transplanter； optimization design； visual interface