兩工位近似停歇往復(fù)接送苗機構(gòu)分析與試驗

夏旭東 ，章鵬華 ，陳建能 ，2

（1.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310018）

目前在大型農(nóng)田蔬菜移栽種植過程中，全自動移栽機占了大部分，其中接送苗機構(gòu)在移栽過程中是取苗、送苗、栽植的中間步驟，起到對缽苗移栽的承上啟下作用[1-4]。市場上一款FPC型全自動移栽機應(yīng)用廣泛[5]，該移栽機的接送苗機構(gòu)由一個曲柄滑塊機構(gòu)和接苗嘴組成，工作時，接苗嘴在滑塊的帶動下做往復(fù)運動。滑塊的兩個極限位置分別為接苗和送苗位，滑塊在接苗位時接苗嘴為閉合狀態(tài)，接住輸送而來的缽苗；滑塊在送苗位時，接苗嘴被一凸輪頂開，處于打開狀態(tài)，此時的缽苗自由落入栽植嘴中，進入栽植工序。由曲柄滑塊機構(gòu)的運動特性可知，滑塊在接送苗兩個位置的不存在停歇時間，易出現(xiàn)接苗失敗，送苗錯位的情況，降低了移栽成功率。

本文針對該送苗機構(gòu)的缺點，提出一種由行星齒輪-連桿滑塊組合機構(gòu)實現(xiàn)移栽機的接送苗[6-8]，分析了這套組合機構(gòu)的運動學特性，并在基礎(chǔ)上進行桿件參數(shù)優(yōu)化和試驗，目的在于令接苗嘴在兩個極限位置能有足夠的慢動近似停歇時間，提高接送苗成功率。

1 行星齒輪-連桿滑塊組合機構(gòu)的工作原理

基于行星齒輪-連桿滑塊組合機構(gòu)的接送苗機構(gòu)原理示意圖如圖1所示，該機構(gòu)為兩自由度機構(gòu)，其輸入構(gòu)件分別為主動齒輪1和行星架2.機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，兩個輸入構(gòu)件同時提供動力，連桿通過行星齒輪5上的鉸鏈連接，由該連桿推動與接苗嘴固聯(lián)的滑塊往復(fù)移動，接苗嘴在往復(fù)移動至極限位置時，通過凸輪11打開接苗嘴將缽苗落入下方的栽植嘴內(nèi)。對該機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化目標，就是得到行星齒輪與滑塊連桿組合機構(gòu)在一個周期中極限位置產(chǎn)生近似停歇的效果，提高接苗送苗成功率。

圖1 行星齒輪-連桿滑塊組合機構(gòu)示意圖

2 行星齒輪-連桿滑塊組合機構(gòu)的運動學分析

為便于表達，現(xiàn)將機構(gòu)各參數(shù)符號代表的含義列于表1.根據(jù)周轉(zhuǎn)輪系動比計算方法[9]有以下關(guān)系式成立：

于是行星輪4的轉(zhuǎn)角為：

表1 分析符號說明

連桿在行星輪上鉸鏈點的位移計算公式如下：

于是可得連桿與滑道的夾角計算公式：

進而得到滑塊水平位移計算公式如下：

對公式（6）求一階導(dǎo)數(shù)并化簡得到滑塊的移動速度如下式（7），該公式已做變換，最終將滑塊的移動速度僅用連桿在行星輪上鉸鏈點移動速度和連桿與滑道的夾角來表達，為下一步的機構(gòu)參數(shù)優(yōu)選提供數(shù)學計算模型：

3 機構(gòu)的運動參數(shù)設(shè)計

3.1 機構(gòu)運動特性分析軟件

采用Matlab GUI編程開發(fā)機構(gòu)運動特性分析軟件，配合人機交互的方法，程序計算得到機構(gòu)的不同參數(shù)下輸出接苗嘴在一個往復(fù)運動周期內(nèi)的位移、速度和加速度的值，畫出曲線供選擇。該軟件界面如圖2所示。軟件的主要輸入?yún)?shù)有：齒數(shù)z3，齒數(shù)z4，模數(shù)m，偏距H，偏距h，連桿長度L，初始相位角θ0、θ1，太陽輪與行星架的轉(zhuǎn)速比i3H等。通過不同的參數(shù)組合計算，探索該機構(gòu)的輸出構(gòu)件滑塊移動速度的主要影響參數(shù)。

圖2 優(yōu)化分析軟件

3.2 參數(shù)設(shè)計目標與結(jié)果

根據(jù)移栽農(nóng)藝要求，接苗嘴的停頓特性要滿足如下兩個要求：（1）水平位移長度 550 mm；（2）在接苗、投苗位置可以有5 mm的慢速移動，而在空行程需要的速度較高。在第2節(jié)中已經(jīng)對各參數(shù)最終對接苗嘴的移動位移和速度的影響做了分析，現(xiàn)通過不斷調(diào)整參數(shù)得到一組相對較佳機構(gòu)參數(shù)：z3=50、z4=50、m=3 mm、i3H=-1、H=25 mm、h=25 mm、L=730 mm、n2=46 rpm、θ0=270°、θ1=270°，得出一條在兩極限位置有一定行程的近似停頓特性的接苗嘴位移曲線（圖3）。在相同轉(zhuǎn)速條件下，將這組參數(shù)下送苗機構(gòu)的接苗嘴與原有接苗設(shè)備上接苗部件的位移曲線進行對比（圖4（a）），可以看到改進后接苗嘴在移動過程中，運行到兩個極限位置的停頓時間明顯延長。

圖3 接苗嘴水平位移曲線

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖4 新機構(gòu)和原有機構(gòu)的接苗嘴位移和速度曲線對比

由于接苗嘴的上端開口尺寸較大，因此在移栽作業(yè)中，雖然接苗嘴在兩極限位置存在5 mm左右的移動（位移曲線的上下微小波動），但是這并不會影響接苗成功率。圖4（a）表明改進后的接苗嘴在兩極限位置近似停頓行程中，對應(yīng)行星架的轉(zhuǎn)角大約為77°，與改進前的機構(gòu)比較（行星架只轉(zhuǎn)過29°）改進后接苗嘴在兩個極限位置近似停頓時間達到改進前的2.5倍；從圖4（b）看出，在速度分布上，改進后的機構(gòu)在近似停頓期間接苗嘴移動速度慢，而其他行程則移動速度快。以上兩個特性均滿足了接苗嘴運動規(guī)律的要求。

4 機構(gòu)裝置設(shè)計與試驗

4.1 接苗機構(gòu)的三維設(shè)計與仿真

為了得到接苗嘴的實際運動位移曲線，需要進行三維設(shè)計并制作物理裝置進行測試。由第3節(jié)內(nèi)容得到機構(gòu)的主要設(shè)計參數(shù)，結(jié)合一定的零件結(jié)構(gòu)工藝性要求以及工作空間的限制，采用三維設(shè)計軟件建模，并將三維實體模型導(dǎo)入ADAMS虛擬仿真軟件進行裝配（圖5）。在ADAMS中為裝配體添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動后進行虛擬仿真，最終在可以到接苗嘴的仿真運動位移曲線（如圖6），由圖可知仿真位移曲線與前述理論模型計算得到的位移曲線較為吻合，體現(xiàn)了理論模型建立的正確性，以及試驗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行，滿足理論計算要求。

圖5 機構(gòu)虛擬裝配圖

圖6 接苗嘴仿真運動位移曲線

4.2 接苗機構(gòu)實物裝置制作與試驗

通過裝配體的虛擬仿真的結(jié)果可知制作該接苗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計是可行的，為了試驗實際運轉(zhuǎn)情況，加工裝配了一套接苗機構(gòu)裝置（圖7）。為方便測試，采用調(diào)速電機驅(qū)動，考慮到應(yīng)排除接觸式測量可能引入運動干擾，這里使用了一臺高速攝像作為數(shù)據(jù)采集記錄設(shè)備，通過圖像處理軟件分析接苗嘴的運動情況，真實地反映接苗嘴的運動特性。

圖7 接苗機構(gòu)裝置圖

圖8 根據(jù)圖像試驗分析的要求，在接苗嘴上與連桿相連的鉸鏈處預(yù)先貼上識別標記塊，并設(shè)置好外置光源，保證高速攝像時（曝光時間極短）有足夠的清晰度，預(yù)設(shè)試驗參數(shù)為：電機轉(zhuǎn)速調(diào)整至滑塊每分鐘往復(fù)運行40次，高速攝像機采集頻率為200幀/s，攝像記錄機構(gòu)一個周期的運行時間。將采集到的視頻導(dǎo)入專業(yè)圖像分析軟件Blaster’s MAS中，捕捉標記點并自動描出標記點的軌跡線，根據(jù)已知采樣頻率可計算出標記點的行星架轉(zhuǎn)角-位移曲線。繪制出曲線如圖9所示。

圖8 接苗嘴標記塊

圖9 位移曲線

4.3 結(jié)果曲線分析

將高速攝像實測位移曲線與前述的Matlab理論計算值以及ADAMS仿真值列入同一坐標系下進行對比，如圖10所示。

圖10 理論、仿真與試驗后接苗部件位移曲線對比

由圖可知，Matlab理論計算值以及ADAMS仿真值幾乎完全吻合，實測所得曲線在初始一段行程亦是吻合，但是在行星架轉(zhuǎn)角110°位置處開始與理論計算值曲線分離，有正偏差也有負偏差，最終在末端又重合。并且接苗嘴的位移幅度在行程的兩個末端都有所增大，現(xiàn)分析造成這些偏差的主要的原因：

（1）機構(gòu)裝置的零件加工誤差以及裝配誤差，為便于裝配，加工過程中對相關(guān)配合零件采用松配合工藝要求，故裝配后相互之間有配合間隙，造成往復(fù)運動中存在竄動量。

（2）輪系機構(gòu)的齒側(cè)間隙的影響，由于曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄與行星齒輪固聯(lián)，因此通過一系列的齒輪傳遞動力至機構(gòu)末端后，齒側(cè)間隙會造成很大的影響，當接苗嘴滑塊從右極限位置始發(fā)開始往左端開始運行時，連桿對行星齒輪有一壓力，整個機構(gòu)的間隙預(yù)先消除，但是當接苗嘴滑塊運行至左端極限位置觸碰凸輪打開接苗嘴之后，滑塊即將往右端回行（行星架轉(zhuǎn)角110°左右），此時連桿受拉，行星齒輪齒側(cè)間隙開始影響滑塊行程，造成了位移的偏差，直到下一個周期開始方消除這個偏差。

（3）圖像處理軟件的目標點拾取誤差，像素點的區(qū)域范圍內(nèi)拾取標記點必定存在偏差，但是這是在理論范圍內(nèi)的，引起的偏差不大。

針對以上分析，為改善試驗結(jié)果，可以采取如下幾方面改進措施，提高試驗臺裝配精度，對慣性力進行平衡，再次還可根據(jù)實際情況人為修正設(shè)計參數(shù)，經(jīng)過不斷測試，得出一組實際運行良好的機構(gòu)參數(shù)為：z3=48、z4=48、m=3、i3H=-1、H=-100 mm、h=25 mm、L=730 mm、n2=46 rpm、k1=270°、k2=270°，其接苗嘴的運動特性曲線如圖11所示，可以看這條曲線較最佳參數(shù)曲線的近似停頓時間短，但是減少了過沖行程，使得最終的效果好，接苗位置更準確。

圖11 最佳參數(shù)與修正參數(shù)曲線對比

5 結(jié)束語

通過對原有機構(gòu)的分析，無停歇的往復(fù)運動是接苗失敗率高的主要原因，本文通過對接苗嘴所需運動規(guī)律的探索，采用行星輪系-曲柄滑塊機構(gòu)，建立運動學模型，編寫計算機分析軟件，通過人工調(diào)整參數(shù)優(yōu)化得到一組比較好的機構(gòu)參數(shù)，并在虛擬仿真以及實物裝置的測試下，結(jié)果表明這組參數(shù)下機構(gòu)較原機構(gòu)在左右接苗落苗位置近似停頓時間達2.5倍，滿足接苗工藝要求。并通過分析實測曲線誤差原因，采取修正措施，增大參數(shù)H，減小參數(shù)z3、z4，達到最佳實物機構(gòu)的運動特性要求，同時該理論-修正法也為其它機構(gòu)設(shè)計提供了參考。

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