穴盤苗夾苗器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計與仿真分析

馬曉曉，李華，任玲，李樹峰，余思遙

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 湛江 524048；3.新疆科技學(xué)院工學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000)

新疆是中國番茄的主產(chǎn)區(qū)，番茄產(chǎn)業(yè)在新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的地位[1-2].近年來，隨著作物育苗移栽技術(shù)的大力推廣，新疆番茄育苗移栽種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，但目前移栽過程主要以人工作業(yè)為主，半自動移栽機(jī)械作業(yè)為輔，作業(yè)過程中取苗、投苗作業(yè)均需人工完成，存在自動化程度低、勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問題，嚴(yán)重制約了新疆育苗移栽技術(shù)的發(fā)展[3-4].因此，研發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)自動取苗、投苗作業(yè)功能的自動移栽機(jī)成為趨勢和必然.夾苗器作為自動移栽機(jī)取苗裝置的重要部件，其工作性能對移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，因此夾苗器的設(shè)計也是自動移栽機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一.

目前各高校與科研院所已經(jīng)研發(fā)出多種穴盤苗夾苗器，根據(jù)夾苗器工作形式可將現(xiàn)有夾苗器分為夾取式和插拔式兩類[5-8].夾取式夾苗器取苗時，苗針插入缽體后向中間聚攏從而夾緊穴盤苗；投苗時，苗針?biāo)砷_恢復(fù)至初始狀態(tài)，穴盤苗依靠自身重力下落投放.插拔式夾苗器帶有針管，苗針縮在針管內(nèi).取苗時，當(dāng)針管下端接觸穴盤苗缽體上表面時，苗針以固定的角度伸出插入缽體；投苗時，苗針縮回針管，通過苗針與針管之間的相對運(yùn)動將穴盤苗推出，實現(xiàn)分離.夾取式夾苗器在取苗和持苗階段穩(wěn)定性較好，但在投苗時，由于缽體基質(zhì)濕黏和根系纏繞等原因，會導(dǎo)致穴盤苗粘連在苗針上，無法靠自身重力與苗針分離.插拔式夾苗器可有效地釋放缽苗，但在取苗和持苗階段的表現(xiàn)不理想.

為解決上述問題，蔣卓華等[9]結(jié)合夾取式和插拔式夾苗器的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計了一種氣缸驅(qū)動的插拔夾取式夾苗器，可實現(xiàn)插入缽體、夾緊缽體、提升、釋放缽體、苗針分離的動作，取苗成功率較高；韓綠化等[10]設(shè)計了一種兩指四針鉗夾式夾缽取苗夾苗器.利用2根氣缸機(jī)械手指伸出4根苗針插入缽體，氣缸機(jī)械手指閉合，苗針夾持缽體來取苗，利用2根氣缸機(jī)械手指撐開放松夾持缽體，4根苗針回縮脫離缽體來放苗，夾苗器對缽體基質(zhì)的破壞程度較低.以上研究中夾苗器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且不易實現(xiàn)苗針動作的精準(zhǔn)控制.

本研究基于頂-夾組合取苗作業(yè)方式設(shè)計了一種由微型氣缸驅(qū)動的穴盤苗夾取式夾苗器，通過建立機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法對機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果建立了夾苗器三維虛擬樣機(jī)模型，并采用ADAMS軟件進(jìn)行了仿真分析，驗證了機(jī)構(gòu)設(shè)計的合理性，通過搭建取苗試驗臺，開展了整排取苗試驗.夾苗器結(jié)構(gòu)簡單，苗針開合控制準(zhǔn)確，缽體基質(zhì)不會粘附在苗針上，取苗成功率較高，有效解決了取苗過程中苗針傷缽問題，極大提高了取苗效率.

1 夾苗器的設(shè)計

針對自動移栽機(jī)配套使用的16×8=128穴規(guī)格苗盤，穴口尺寸30 mm×30 mm，穴底尺寸14 mm×14 mm，穴孔深40 mm，如圖1所示.基于新疆大面積種植的‘石番36號’加工番茄穴盤苗物理形態(tài)特性進(jìn)行夾苗器結(jié)構(gòu)設(shè)計.當(dāng)缽體基質(zhì)配比為珍珠巖∶礫石∶泥炭=1∶1∶2，缽體含水率為72%時，缽體抗壓力最高，破碎壓縮量最大，缽體抗破碎率最強(qiáng)，最易于夾持[11].缽體下部的根系通常比上部的發(fā)達(dá)，因而夾苗器苗針夾持位置通常位于缽體的中下部.因此本研究選用苗針夾持深度為30 mm，此時苗針中心距應(yīng)小于18 mm，夾持角度應(yīng)小于穴口錐度α，其值為11.31°，在此條件下確定夾苗器的初始參數(shù).

圖1 穴孔截面尺寸Figure 1 Section size of hole

夾苗器的主要功能是實現(xiàn)對從苗盤中頂出穴盤苗缽體的穩(wěn)定夾取、移動以及投苗.基于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、適應(yīng)性廣等機(jī)構(gòu)設(shè)計理念，本研究所設(shè)計的夾苗器為滑塊連桿機(jī)構(gòu)，為便于實現(xiàn)對夾苗器的自動控制，夾苗器的動力由微型氣缸1提供，將滑塊用氣缸推桿代替，夾苗器示意簡圖如圖2所示.推桿2上下移動帶動連桿4從而使苗針5往復(fù)擺動，實現(xiàn)夾苗動作.夾苗器苗針的夾缽位置和夾持角度可調(diào)，氣缸行程，連桿、苗針尺寸和固定點(diǎn)相對位置等會對夾苗器苗針的轉(zhuǎn)角產(chǎn)生影響[12].

1：微型氣缸；2：推桿；3：機(jī)架；4：連桿；5：苗針；6：推苗環(huán)；7：穴盤苗.1：micro air cylinder;2:push rod;3:frame;4:connecting rod;5:seedling needle;6:seedling pushing ring;7:plug seedling.圖2 夾苗器簡圖Figure 2 Sketch of the seedling device

要保證夾苗器具有確定的運(yùn)動，其原動件的數(shù)目應(yīng)該等于該機(jī)構(gòu)的自由度的數(shù)目[13].夾苗器為平面對稱機(jī)構(gòu)，取一側(cè)進(jìn)行分析，其原動件為微型氣缸，共有3個活動構(gòu)件，即推桿2、連桿4與苗針5，4個低副，即推桿與連桿之間的轉(zhuǎn)動副、連桿與苗針之間的轉(zhuǎn)動副、苗針與機(jī)架之間的轉(zhuǎn)動副以及推桿的移動副，不存在高副，故機(jī)構(gòu)的自由度為：

F=3n-(2pl+ph)=3×3-(2×4+0)=1

夾苗器原動件數(shù)目等于自由度數(shù)目，故機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動.

2 夾苗器運(yùn)動學(xué)分析

夾苗器為平面對稱機(jī)構(gòu)，取一側(cè)作為研究對象，建立數(shù)學(xué)模型.以兩固定鉸鏈連線中心點(diǎn)O為原點(diǎn)，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，設(shè)單側(cè)夾持角度為θ，苗針DE與x軸方向夾角為β，單側(cè)苗針中心距為ε，如圖3所示.圖中A點(diǎn)為推桿端點(diǎn)，AB桿固接在推桿上，A點(diǎn)、B點(diǎn)位移由微型氣缸行程決定，D點(diǎn)位置固定，在連桿BC的作用下，苗針DE繞D點(diǎn)往復(fù)擺動，E點(diǎn)為夾苗點(diǎn).

圖3 夾苗器單側(cè)簡圖Figure 3 Single side sketch of the seedling device

對夾苗器單側(cè)模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，夾苗點(diǎn)E點(diǎn)坐標(biāo)為：

(1)

C點(diǎn)坐標(biāo)為：

(2)

B點(diǎn)坐標(biāo)為：

(3)

苗針DE與x軸方向夾角β為：

(4)

單側(cè)夾持角度θ為：

(5)

用機(jī)構(gòu)各桿長表示B點(diǎn)縱坐標(biāo)為：

(6)

建立數(shù)學(xué)模型是優(yōu)化設(shè)計過程中的一個重要環(huán)節(jié)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否可用，主要取決于所建立的數(shù)學(xué)模型是否能夠確切反映工程問題的客觀實際.通過建立單側(cè)苗針中心距ε以及夾苗器各桿長與B點(diǎn)縱坐標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型，可為機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中目標(biāo)函數(shù)以及約束函數(shù)的確定提供理論依據(jù).

3 Matlab參數(shù)優(yōu)化

3.1 約束條件與優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建立

為找到一定條件下的最優(yōu)參數(shù)組合，以苗針中心距為優(yōu)化目標(biāo)，夾持角度為評價指標(biāo)，建立優(yōu)化模型，利用Matlab完成機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[14-16].

依據(jù)穴盤結(jié)構(gòu)尺寸，確定苗針目標(biāo)夾持中心距為18 mm，投苗中心距為50 mm，則苗針開合范圍為32 mm，單側(cè)苗針中心距應(yīng)為苗針中心距的一半，則苗針在實際工作中其最優(yōu)夾持及投苗位置下單側(cè)夾苗中心距為ε0=9 mm，單側(cè)放苗中心距ε1=25 mm.考慮到微型氣缸推桿動作距離為10 mm，即B點(diǎn)縱坐標(biāo)理論變化量為10 mm.為精確實現(xiàn)夾苗點(diǎn)E點(diǎn)開合范圍的變化要求，在苗針中心距變化一定，氣缸行程可變的情況下，通過調(diào)節(jié)各桿件長度使B點(diǎn)位移趨近于氣缸動作距離，設(shè)在一次夾苗、投苗過程中B點(diǎn)縱坐標(biāo)的實際相對位移量為s，以其相對于理論位移10 mm的差值Δs作為優(yōu)化指標(biāo)，則

Δs=s+10

(7)

以各桿長及固定位置OD作為優(yōu)化變量，即：

(8)

對于優(yōu)化目標(biāo)單側(cè)苗針中心距ε提出優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

minf=y(ε1)-y(ε0)+10

(9)

即：

(10)

當(dāng)minf趨近于0時，說明此時選取的變量最優(yōu)，按穴盤苗苗高最大值200 mm(含缽體)進(jìn)行設(shè)計，同時苗針實現(xiàn)對缽體的準(zhǔn)確夾持有桿長要求，考慮到機(jī)構(gòu)空間尺寸的限制和目標(biāo)函數(shù)根式存在的意義，相應(yīng)約束函數(shù)為：

(11)

3.2 遺傳算法求解非線性約束優(yōu)化問題

夾苗器桿長的求解為非線性約束優(yōu)化問題.本研究采用基于遺傳算法的Matlab工具箱來求解非線性約束優(yōu)化問題[17-19].

首先，編寫求解的目標(biāo)函數(shù)：

function y=objfun(x)

y=x(1)*sqrt(1-((x(4)-9)/x(5))^2)-x(1)*sqrt(1-((x(4)-16)/x(5))^2)+sqrt(x(2)^2-(x(3)-x(4)+x(1)*(x(4)-16)/x(5))^2)-sqrt(x(2)^2-(x(3)-x(4)+x(1)*(x(4)-9)/x(5))^2)+10;

end

將其存為objfun.m文件，作為程序模塊以備調(diào)用.

編寫非線性約束函數(shù)文件：

function[c ceq]=confun(x)

c(1)=-x(2)+x(3)-x(4)+x(1)*(x(4)-9)/x(5);

ceq=[];

end

將其存為confun.m文件，同樣作為程序模塊以備調(diào)用.

選擇Matlab菜單欄中APP選項，打開工具欄中Optimization界面，在Solver下拉選項中選擇ga-Genetic Algorithm函數(shù)，界面中輸入?yún)?shù)如圖4所示.點(diǎn)擊Start按鈕，通過軟件多次迭代求解，不斷修改參數(shù)邊界值，得到一組夾苗器各桿長的較優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù).

即：lCD=44 mm，lBC=26 mm，lAB=18 mm，lOD=48 mm，lDE=246 mm.此參數(shù)下當(dāng)苗針夾持中心距為18 mm時，苗針與x軸方向夾角β的理論值為80.878°，單側(cè)夾持角度θ為9.122°，小于穴口錐度α，優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計要求.

圖4 遺傳算法求解界面Figure 4 Genetic algorithm solution interface

4 夾苗器虛擬模型仿真分析

根據(jù)優(yōu)化得到的桿長參數(shù)對夾苗器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用三維造型軟件Solidworks完成夾苗器的虛擬裝配.考慮到苗針穩(wěn)定夾持缽體的要求，設(shè)計苗針寬為6 mm，厚度為2 mm；考慮到缽體含水率較高時基質(zhì)會與苗針發(fā)生粘附現(xiàn)象，故在推桿連接件上設(shè)計推苗環(huán)，夾苗器虛擬模型如圖5所示.

氣缸5控制夾苗器整體上下運(yùn)動，微型氣缸7回程時苗針1閉合，完成夾缽動作，微型氣缸推程時苗針打開，同時安裝在推桿連接件10上的推苗環(huán)2沿苗針向下移動推落穴盤苗完成投苗動作.

為了驗證夾苗器工作過程的合理性與準(zhǔn)確性，將SolidWorks中建立的夾苗器三維虛擬模型簡化后另存為Parasolid.x_t格式后導(dǎo)入多體動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS中，根據(jù)夾苗器工作時各部件動作規(guī)律，在具有相對運(yùn)動的各零件之間添加約束.結(jié)合夾苗器工作要求及運(yùn)動特性，設(shè)置仿真終止時間為8 s，仿真步數(shù)為500步，添加約束和驅(qū)動后的夾苗器模型如圖6所示.

1：苗針；2：推苗環(huán)；3：連桿；4：氣缸座；5：氣缸；6：機(jī)架；7：微型氣缸；8：苗針架；9：推桿；10：推桿連接件.1：Seedling needle;2:Seedling pushing ring;3:Connecting rod;4:Cylinder support;5:Air cylinder;6:Frame;7:Micro air cylinder;8:Seedling needle frame;9:Push rod;10:Push rod connecting piece.

圖6 ADAMS中夾苗器虛擬模型Figure 6 Virtual model of the seedling device in ADAMS

圖7為夾苗器各個運(yùn)動狀態(tài)，仿真運(yùn)動結(jié)果表明，苗針可以靈活實現(xiàn)開合動作，推苗環(huán)在推桿連接件的驅(qū)動下可沿苗針自由滑動.苗針與水平方向夾角與苗針中心距關(guān)系曲線以及推苗環(huán)距缽體距離與苗針中心距關(guān)系曲線分別如圖8、圖9所示.

分析仿真測量結(jié)果可知，當(dāng)苗針中心距為18 mm，即苗針閉合夾持穴盤苗缽體時，推苗環(huán)距缽體上表面距離為7.1 mm，不會影響苗針夾持缽體，此時苗針與水平方向夾角為80.88°，對應(yīng)夾持角度θ為9.12°，小于穴口錐度α，與遺傳算法優(yōu)化結(jié)果一致，滿足苗針穩(wěn)定夾持缽體的設(shè)計要求.

圖7 夾苗器各個運(yùn)動狀態(tài)Figure 7 Each movement state of the seedling device

圖8 推苗環(huán)距缽體距離與苗針中心距關(guān)系曲線Figure 8 The curve of the distance of the pusher ring from the seedling bowl and the center distance of the seedling needle

圖9 苗針與水平方向夾角與苗針中心距關(guān)系曲線Figure 9 The curve of the relationship between the angle of seedling needle and horizontal direction and the center distance of seedling needle

當(dāng)苗針中心距為45.3 mm，即苗針打開釋放穴盤苗缽體時，推苗環(huán)距缽體上表面距離為-5 mm(仿真時假定苗針打開，缽體不會下落，負(fù)號表示此時推苗環(huán)位于缽體上表面初始位置下方)，推苗環(huán)行程滿足輔助推苗作用，可避免缽體基質(zhì)粘附在苗針造成投苗失敗.

為使推桿能夠模擬氣缸動作，設(shè)置推桿速度為-6*SIN(time*pi/2)-5.5 mm/s，將苗針材料設(shè)置為鋼，根據(jù)缽體質(zhì)量以及體積求得缽體的近似密度為9.4×10-7kg/mm3，在苗針與缽體間添加接觸力，假設(shè)夾苗時缽體不變形，運(yùn)動仿真得到苗針中心距變化曲線以及缽體受力圖分別如圖10、圖11所示.

圖10 苗針中心距變化曲線Figure 10 The curve of the center distance of the seedling needle

圖11 缽體受力變化曲線Figure 11 The curve of stress on the seedling bowl

分析圖10、圖11可知，仿真條件下苗針從初始狀態(tài)到夾持缽苗經(jīng)歷時間為2.5 s，此時苗針中心距為18 mm，缽體所受苗針壓力達(dá)到峰值，為7.46 N；從夾持缽苗到投苗瞬間經(jīng)歷時間為2.5 s，此階段苗針中心距逐漸增大，缽體所受苗針壓力急劇減小，直至為零.苗針在一個作業(yè)周期內(nèi)會受到缽苗莖稈的阻礙，圖11中峰值較小曲線段即為苗針對缽苗莖稈的作用力，此力較小，可以忽略不計.

5 取苗試驗

根據(jù)優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)組合和三維結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了夾苗器試制并安裝于整排取苗試驗臺架上.試驗用苗盤為課題組自制，為防止頂苗裝置將穴盤苗缽體頂出穴盤后穴盤苗傾斜，造成夾苗作業(yè)失敗，在普通苗盤上方加工了與穴盤穴孔尺寸相適應(yīng)的格柵，格柵高度為30 mm，兩側(cè)面開有矩形槽，便于苗針通過夾持缽體，專門用于頂-夾組合式取苗作業(yè).夾苗時，頂苗裝置先將穴盤苗頂出缽體高度2/3以上的距離，夾苗器苗針以9.1°的夾持角度夾緊缽體；移位至投苗位置時，苗針打開，同時推苗環(huán)下落，完成投苗動作.

取苗試驗于2019 年12月在新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實驗室進(jìn)行，由于穴盤苗長勢過高，為不影響苗針夾持缽體效果，對穴盤苗莖葉進(jìn)行了修剪，如圖12所示.試驗共選用80株穴盤苗，每次取苗4株，試驗結(jié)果表明：當(dāng)取苗頻率為60株/min時，漏苗率為3.75%，傷苗率為1.25%，取苗成功率為95.0%.穴盤苗盤根性良好時，夾苗器夾苗、持苗以及投苗動作穩(wěn)定，作業(yè)性能優(yōu)良，滿足旱地移栽機(jī)自動取苗作業(yè)要求.

圖12 取苗試驗Figure 12 The test of picking seedlings

6 結(jié)論

1) 設(shè)計了一種適用于128穴苗盤規(guī)格夾缽取苗的夾苗器，通過建立夾苗器數(shù)學(xué)模型，確定了機(jī)構(gòu)各參數(shù)間的關(guān)系.以苗針夾持中心距為目標(biāo)建立了夾苗器各桿長優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并利用Matlab工具箱中的遺傳算法優(yōu)化出了一組較優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù)：lCD=44 mm，lBC=26 mm，lAB=18 mm，lOD=48 mm，lDE=246 mm.

2) 設(shè)計了夾苗器虛擬樣機(jī)模型，并通過ADAMS軟件進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明苗針可以靈活實現(xiàn)開合動作，缽體所受苗針壓力最大值為7.46 N，推苗環(huán)行程滿足輔助推苗作業(yè)要求.仿真分析結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致，驗證了夾苗器理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性.

3) 試制了夾苗器物理樣機(jī)，搭建了整排取苗試驗臺，并進(jìn)行了取苗試驗，結(jié)果表明：當(dāng)取苗頻率為60株/min時，夾苗器取苗成功率為95.0%，漏苗率為3.75%，傷苗率為1.25%，夾苗、持苗以及投苗動作穩(wěn)定，缽體基質(zhì)不會粘附在苗針，驗證了機(jī)構(gòu)實際應(yīng)用的可行性.