行星齒輪連桿式栽植機構(gòu)的設(shè)計與仿真分析

李樹峰，麻 平，曹衛(wèi)彬,楊 萌，趙宏政，劉嬌娣

(1.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)機技術(shù)推廣總站，新疆 石河子 832000)

0 引言

栽植機構(gòu)工作的好壞直接影響到田間的移栽質(zhì)量，其工作機構(gòu)要滿足農(nóng)機、農(nóng)藝相結(jié)合的要求。在保證栽植效果前提下，移栽機的栽植機構(gòu)應(yīng)滿足以下條件[1]：一是零速栽植。即在栽植過程中鴨嘴入土張開放苗的時候，鴨嘴水平方向的合速度接近零或等于零，能很好地保證栽植的直立度；二是不掛膜。我國新疆地區(qū)為了提高產(chǎn)量都采用鋪膜移栽，鴨嘴入土過程中要先扎破地膜才能把秧苗移栽到地里，由此帶來對地膜的破損。假設(shè)鴨嘴沒有水平方向的速度，不會造成地膜撕裂過大，地膜的完整性和保溫性得到很大的提高。三是栽植深度。要滿足農(nóng)作物農(nóng)藝要求的栽植深度，才能有效地保證幼苗的成活率和移栽后的農(nóng)作物的產(chǎn)量。

目前，很多學(xué)者對栽植機構(gòu)進行了多方面的研究。劉明峰等人研究移栽機雙五桿栽植機構(gòu)[2]；俞高紅等人研究了大株距栽植的行星輪系蔬菜缽苗栽植機構(gòu)[3]，尤其是對栽植機構(gòu)的運動軌跡的研究取得了較大的進展，對鉗夾式、柔性圓盤及導(dǎo)苗管式和鴨嘴式的栽植機構(gòu)進行了較多研究[4]。在各種栽植機構(gòu)中鴨嘴式栽植機構(gòu)比較適合旱地移栽，尤其是膜上覆土移栽。本文研究的是一種膜上行星齒輪多連桿式單鴨嘴栽植機構(gòu)，該機構(gòu)具有栽植深度深、質(zhì)量小及不掛膜等優(yōu)點。本文對栽植機構(gòu)進行了參數(shù)化設(shè)計與仿真，驗證了設(shè)計的合理性。

1 栽植機構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計了一種行星齒輪連桿式的栽植機構(gòu)，每個栽植單體只有1個鴨嘴，一次只能栽植1株幼苗，如圖1所示。

圖1 栽植機構(gòu)簡圖

在行星齒輪連桿式栽植機構(gòu)的簡圖中，該栽植機構(gòu)主要由行星齒輪、連桿、鴨嘴構(gòu)成[5]。行星齒輪由中心齒輪Z1、中間齒輪Z2、行星齒輪軸Z3及行星架H 構(gòu)成。工作時，中心齒輪固定不動，中間齒輪在行星架的轉(zhuǎn)動下繞中心齒輪旋轉(zhuǎn)，同時也繞行星架自轉(zhuǎn)。同樣，行星齒輪軸在繞中間齒輪轉(zhuǎn)動的過程中也繞行星架自轉(zhuǎn)，整個運動過程中齒輪都是以外嚙合的方式進行傳動。

行星齒輪軸的輸出端與連桿AB固定，連桿AB與鴨嘴相連，連桿主要帶動鴨嘴上下運動并開啟鴨嘴；連桿KC、FD一端與鴨嘴鉸接，另一端與圓盤鉸接；圓盤共有4個鉸接點，另兩個鉸接點與連桿PJ、QE鉸接，連桿PJ、QE的另一端與支架鉸接。行星架的轉(zhuǎn)動帶動齒輪輪轉(zhuǎn)動，齒輪帶動連桿的轉(zhuǎn)動，連桿帶動鴨嘴上下運動，最終實現(xiàn)一個栽植過程。

2 栽植機構(gòu)運動學(xué)模型建立

2.1 栽植機構(gòu)分析簡圖建立

為了方便理論分析，根據(jù)機械原理的相關(guān)知識對栽植機構(gòu)進一步合理簡化，建立如圖2所示的行星輪系連桿式栽植機構(gòu)坐標示意圖。其原動件是以角速度ω0轉(zhuǎn)動的行星架，簡化為連桿OA，在滿足機構(gòu)具有確定運動的條件下與AB桿、BJ桿、JP桿進行運動組合，一起實現(xiàn)鴨嘴的上下移動和鴨嘴的張開與閉合。工作時，連桿AB、BJ、JP桿都在一個平面內(nèi)運動，從而確保栽植鴨嘴在一個平面內(nèi)運動。鴨嘴與連桿AB鉸接，連桿AB帶動鴨嘴以一定的運動軌跡實現(xiàn)鴨嘴的上下運動，即B點運動軌跡就是鴨嘴運動軌跡。當鴨嘴上升運動最高點時，取苗機構(gòu)取出的缽苗投放入鴨嘴中，并隨鴨嘴一起向下運動，到栽植地面時，鴨嘴打孔；當?shù)竭_栽植深度后，由鴨嘴的平面凸輪帶動銷軸頂開鴨嘴，缽苗被植入土穴內(nèi)，隨后鴨嘴保持張開直到離開缽苗的頂端，然后閉合進行下一輪栽植作業(yè)。

圖2 栽植裝置簡圖

在運動分析時，OA桿為原動件，其余所有連桿和齒輪都為剛性零件，在運動過程中所有零件為不發(fā)生彈性變形、零件間的轉(zhuǎn)動副無轉(zhuǎn)動間隙的理想工作狀態(tài)[6-7]。以行星架的轉(zhuǎn)動中心(中心齒輪的固定中心)O點為坐標原點建立笛卡爾坐標系，水平方向為x軸，垂直方向為y軸，其余各零件以某一個工作狀態(tài)分布于坐標系里。為了便于分析，各個連桿和各個齒輪的相關(guān)參數(shù)初始值如表1所示。

表1 栽植機構(gòu)相關(guān)參數(shù)

栽植機構(gòu)為實現(xiàn)把轉(zhuǎn)動的運動轉(zhuǎn)化成上下的直線運動軌跡要求，設(shè)計連桿AB的長度與3個齒輪的中心距相等，轉(zhuǎn)動方向與行星架相反。行星齒輪始終滿足以下條件：太陽輪的齒數(shù)是中間齒輪和行星齒輪軸齒數(shù)的2倍，行星齒輪的傳動比為

2.2 栽植機構(gòu)運動學(xué)方程建立

根據(jù)圖2，已知常量l1、l2、l3、l4分別為各連桿的長度，已知變量α1、α2、α3、α4為各連桿相對于x軸的轉(zhuǎn)角，建立該栽植機構(gòu)的矢量方程[8]，即

將矢量方程轉(zhuǎn)化為解析形式，得A、B、J點的位移方程分別為

b=2l1l2cos(α1-α2)-2l1xPcosα1-

2l1yPsinα1-2l2cosα2xP-2l2yPsinα2

c=2xPl4-2l1l4cosα2-2l1l4cosα1

d=2yPl4-2l2l4sinα2+2l1l4sinα1

2.3 栽植機構(gòu)速度與加速度求解

在理論分析中，通過矢量的方法求得A、B、J這3個主要鉸點的的位移方程，對位移方程求其一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，可得栽植機構(gòu)各鉸點的速度和加速度方程。通過對各鉸點分析可知：此結(jié)構(gòu)中，鉸點B直接與鴨嘴相連，是實現(xiàn)栽植軌跡的重要節(jié)點，故在此只求解栽植機構(gòu)中點B的速度與加速度方程。

B點的x方向與y方向速度為

B點的x方向與y方向加速度為

3 栽植機構(gòu)VB6.0優(yōu)化設(shè)計

在對栽植機構(gòu)完成了機構(gòu)簡圖的繪制和確定各個運動鉸點的位移方程和加速度方程后，在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中采用經(jīng)驗公式對機構(gòu)進行基本運動條件進行測算，計算機構(gòu)的自由度，以及機構(gòu)能夠正常運動需要滿足的桿長條件和連桿機構(gòu)不出現(xiàn)死點的位置關(guān)系等諸多條件。這樣對一個機構(gòu)的分析是多目標的，傳統(tǒng)的方法費事費力，而且效果一般。本文借助VB6.0這個軟件平臺，先計算出該機構(gòu)可以運動的桿長的初始值，然后把運動學(xué)方程進行VB語言編程[9]，并且桿長的變化可以通過VB6.0可視化的界面進行參數(shù)化驅(qū)動，通過生成軌跡的優(yōu)劣程度來評價各桿件的尺寸是否滿足工作要求。工作界面如圖3所示。

在優(yōu)化初期，通過可視化的人機界面進行栽植機構(gòu)變量調(diào)整。優(yōu)化過程中，采用坐標輪換法進行參數(shù)優(yōu)化，最后得到一個理想的栽植軌跡。根據(jù)VB6.0的參數(shù)化設(shè)計，得到了一組理想的栽植機構(gòu)的主要零件的尺寸參數(shù)，即行星架的長度LOA=62mm,連桿AB的長度LAB=62mm，桿件BJ的長度LBJ=120mm，桿件JP的長度LJP=191mm。

4 栽植機構(gòu)虛擬樣機建立

基于VB優(yōu)化后得到確定的機構(gòu)尺寸，在三維設(shè)計軟件SolidWorks2014對栽植機構(gòu)的關(guān)鍵零部件進行三維建模，得到如圖4所示的三維模型。

圖3 計算機輔助優(yōu)化程序界面Fig.3 Computer-aided optimization software interface

圖4 栽植裝置裝配圖

通過SolidWorks的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，將虛擬樣機模型通過格式間的轉(zhuǎn)換，輸入到ADMAS中，得到如圖5所示的ADMAS仿真模型。同時，簡化模型中不影響仿真結(jié)果的零部件，減輕計算機運算負擔，提高仿真效率[10]。

栽植機構(gòu)導(dǎo)入ADMAS中，并不具備運動關(guān)系，運動關(guān)系要通過添加各種約束關(guān)系來建立運動間的配合。在添加約束時，要以部件的工作情況來確定，在旋轉(zhuǎn)部位添加旋轉(zhuǎn)副，在需要固定的地方添加鎖定，嚙合的齒輪添加接觸副，原動件添加驅(qū)動副來創(chuàng)建運動關(guān)系。驅(qū)動副可以設(shè)定部件的運動形式，由函數(shù)進行驅(qū)動來滿足各種工況。栽植機構(gòu)的約束關(guān)系如圖6所示。

圖5 Adams/View中的栽植機構(gòu)

圖6 運動副的添加

栽植機構(gòu)在整個工作過程中必須保證行星齒輪能夠互相嚙合，連桿機構(gòu)能在一個平面里實現(xiàn)上下運動。在仿真前，設(shè)定好重力方向和其他單位量的國際標準，然后設(shè)置栽植機構(gòu)的運動仿真參數(shù)，End Time為20s，Steps為400步，進行仿真分析，該參數(shù)下栽植機構(gòu)能夠完成3次栽植工作[11]。仿真前，在鴨嘴的頂尖建立一個測量用的點MAKER79，仿真完成后可測得栽植機構(gòu)對地的靜軌跡如圖7(a)所示。但是，鴨嘴在工作的時候會以定的速度前進，其工作時可產(chǎn)生一個相對軌跡，如圖7(b)所示。相對軌跡的好壞可以評價鴨嘴式栽植機構(gòu)的工作性能的好壞。

圖7 栽植機構(gòu)仿真軌跡

由圖7(a)可看出：該栽植機構(gòu)對地的靜軌跡是一個“梭”形軌跡，是一條閉合的曲線。在軌跡的最高點接苗，在軌跡的最低點實現(xiàn)破土栽苗。圖7(b)中，相對運動軌跡有交叉點，即鴨嘴栽植過程中存在零速點,其軌跡與VB編程中所求的理論軌跡相符，驗證了設(shè)計的合理性。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了一種行星齒輪連桿式栽植機構(gòu)，對栽植機構(gòu)進行了運動學(xué)分析，并運用矢量法建立了的動力學(xué)方程，獲得了鴨嘴末端的速度、加速度和末端軌跡方程。

2)運用軟件VB6.0編程進行了多個變量參數(shù)化優(yōu)化，得到行星架的長度LOA=62mm，連桿AB的長度LAB=62mm, 桿件BJ的長度LBJ=120mm，桿件JP的長度LJP=191mm為最佳桿件尺寸。

3)把建立好的栽植機構(gòu)的虛擬樣機模型導(dǎo)入到ADAMS中進生了仿真分析，獲得了栽植機構(gòu)的栽植軌跡。栽植機構(gòu)的靜軌跡是一個梭形軌跡，與理論設(shè)計的軌跡相符合，在水平方向存在零速點，滿足零速栽植要求。