丘陵山地桑葉采收機取袋機構(gòu)優(yōu)化設計與試驗

摘要：針對丘陵山地桑葉采收機收集裝置自動取袋過程實現(xiàn)困難的問題， 通過桑葉取袋裝袋過程運動學分析， 對取袋機構(gòu)進行了優(yōu)化設計與試驗． 首先通過分析整機結(jié)構(gòu)與取袋機構(gòu)工作原理， 建立了取袋機構(gòu)運動學分析模型； 以最大橫向取袋距離和取袋瞬間角度為目標， 建立了優(yōu)化設計模型， 并開發(fā)了輔助分析設計軟件， 確定了取袋機構(gòu)參數(shù)的取值范圍； 采用帶基因策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-II）對模型求解， 獲得最優(yōu)設計參數(shù)． 其次根據(jù)最優(yōu)設計參數(shù)建立了三維模型， 利用ANSYS進行運動學仿真分析， 結(jié)果表明取袋機構(gòu)末端執(zhí)行器位移圖像和速度曲線與設計要求一致， 可滿足取袋機構(gòu)設計要求． 最后研制出桑葉采收機與取袋機構(gòu)樣機， 對取袋機構(gòu)樣機開展高速攝像試驗， 驗證了取袋機構(gòu)運動軌跡與理論仿真結(jié)果基本一致． 以曲柄轉(zhuǎn)速、 噸口袋種類、 磁吸石外圓尺寸為試驗因素， 取袋開袋成功率為指標開展桑葉取袋開袋正交試驗， 并根據(jù)最優(yōu)組合進行驗證試驗． 試驗結(jié)果表明： 曲柄轉(zhuǎn)速為0.1 r/s、 噸口袋形狀與尺寸為方體550 mm、 磁吸石外圓尺寸為20 mm時， 取袋開袋成功率為97.50%， 表明該機構(gòu)能完成取袋作業(yè)， 可實現(xiàn)桑葉采收機的取袋開袋功能．

關 鍵 詞：桑葉采收； 取袋機構(gòu)； 連桿設計； NSGA-II算法； 取袋試驗

中圖分類號：

TH122； S225.93

文獻標志碼：A

文章編號：16739868（2024）07013712

Optimized Design and Experiment for Bag Pickup Mechanism of

Mulberry Leaf Harvesting Machine in Hilly Mountainous Area

TANG Hualin ，3， LI Li ，3， LU Lei ，

LU Shibo ZHANG Yunfeng

1. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing 400715， China；

2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Equipment for Hilly and Mountainous Regions， Chongqing 400715， China；

3. Yibin Academy of Southwest University， Yibin Sichuan 644000， China

Abstract： Aiming at the problem of difficult to realize bag pickup process of collection device of mulberry leaf harvester in hilly and mountainous area， based on the kinematic analysis of mulberry leaf bag pickup and loading process， the bag pickup mechanism is optimally designed and tested． Initially， by analyzing the overall structure and working principles of the machine， a kinematic analysis model of the bag pickup mechanism was established． With the objectives of maximizing the lateral bag pickup distance and optimizing the angle at the bag pickup moment， an optimization design model was constructed． Additionally， an auxiliary analysis design software was developed to determine the parameter range of the bag pickup mechanism． The optimization process utilized a non-dominated sorting genetic algorithm （NSGA-II） with a gene strategy to obtain the optimal design parameters． Subsequently， a three-dimensional model was created based on the optimal design， and kinematic simulation analysis was conducted using ANSYS． The results demonstrated that the displacement image and velocity curve of the end effector of the bag pickup mechanism were in accordance with the design requirements， satisfying the design criteria for the bag pickup mechanism． Finally， a mulberry leaf harvester and a bag pickup mechanism prototype were developed． The bag pickup mechanism prototype was subjected to high-speed camera test， and the results verified that the bag pickup mechanism trajectory was basically the same as that of theory and simulation． The orthogonal test was carried out with crank rotation speed， the ton pocket type， the magnetic suction stone outer size as the test factors， and the success rate of bag opening as the index， and validation test was conducted according to the optimal combination． The test results show that with crank rotation speed of 0.1 r/s， the ton pocket shape and size of cube 550 mm， and the magnetic suction stone outer size of 20 mm， the success rate of bag opening was 97.50%， indicating that the mechanism can complete the bag pickup operation， and it can realize the bag opening function of the mulberry leaf harvester．

Key words： mulberry leaf harvesting； bag pickup mechanism； linkage design； NSGA-II algorithm； bag pickup test

中國是世界蠶桑商品出口大國， 具有悠久的蠶桑養(yǎng)殖文化． 國家出臺了一系列政策促進蠶桑產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展［1-2］． 桑葉是蠶桑產(chǎn)業(yè)前端原料， 其機械化采收是目前該產(chǎn)業(yè)的“卡脖子”問題． 針對丘陵山地桑葉采收人工勞動強度大、 采收作業(yè)成本高等問題［3］， 研究丘陵山地桑葉自動采收機對蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義．

目前一些學者開展了桑葉采摘方面的研究， 提出了搖桿式與往復式采摘機［4-5］， 并將視覺技術引入桑葉采摘［6］， 但相關研究仍然偏少． 茶葉采摘機械與銀杏葉采摘裝置［7-9］對桑葉采收機的設計有一定的參考價值， 但沒有將采摘與收集裝袋兩者結(jié)合起來； 廖凱等［10］根據(jù)蘆葦筍受力特點與生物特點研制了蘆葦筍自動化采摘與收集作業(yè)裝置， 為桑葉采摘與收集裝袋相結(jié)合提供了思路．

取袋機構(gòu)是桑葉自動采收機實現(xiàn)收集功能的關鍵核心部分． 工業(yè)上常見的取袋方式是利用吸盤對編織袋進行抓取與展開［11］， 但作業(yè)環(huán)境單一、 占地面積大， 難以直接應用于丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備的自動采收． 許多學者對取料機構(gòu)的應用進行了研究， 將連桿機構(gòu)應用在開袋與取料裝置上［12-14］， 這對農(nóng)業(yè)機械取袋機構(gòu)的設計提供了參考． 由于桑葉采收機整體尺寸受限以及取袋機構(gòu)的連桿機構(gòu)需滿足運動特性要求， 因此通過設計運動學輔助分析軟件與參數(shù)優(yōu)化來實現(xiàn)不同裝置特定功能的連桿機構(gòu)設計［15-19］， 在縮短設計周期的同時能更好地完成預期設計要求與特定工作需要， 基于此本文采用多連桿機構(gòu)完成桑葉自動采收機的取袋與開袋功能．

綜上分析， 本文研究了一種丘陵山地桑葉自動采收機取袋機構(gòu)， 按照設計要求， 建立了多連桿數(shù)學分析運動學模型， 根據(jù)分析輔助軟件與非支配排序遺傳算法（NSGA-II）完成優(yōu)化設計， 并建立三維模型， 完成機構(gòu)運動仿真， 最后進行樣機試驗， 驗證了取袋機構(gòu)設計的準確性和正確性．

1 整機結(jié)構(gòu)與取袋機構(gòu)工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)與取袋機構(gòu)

我國大部分桑園位于丘陵山地， 行寬為2 m， 坡度為0°～25°， 因此采用履帶式底盤作為桑葉自動采收機的行駛工具． 丘陵山地桑葉采收機結(jié)構(gòu)如圖1所示， 整體裝置主要由桑葉采摘裝置、 桑葉采摘機架、 桑葉收集裝置、 履帶車底盤組成．

桑葉收集裝置包括底板、 接料機構(gòu)、 導料機構(gòu)、 送袋機構(gòu)和取袋機構(gòu)， 其中取袋機構(gòu)是其核心部分， 取袋機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示． 當桑葉采摘裝置完成桑葉采摘后， 接料機構(gòu)開始工作將桑葉運到收集部分． 桑葉進入料倉后， 導料機構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)撥料的方式， 將桑葉具有方向性地轉(zhuǎn)運入袋； 該采摘機采用鏈條式送袋機構(gòu)， 以實現(xiàn)對噸口袋的定向輸送； 取袋機構(gòu)上配置有電磁吸鐵， 根據(jù)吸合原理取出安裝在送袋機構(gòu)上的噸口袋（設有磁吸石）， 噸口袋通過取袋機構(gòu)運動實現(xiàn)袋口的展開， 最終實現(xiàn)桑葉的采收及裝袋功能．

1.2 取袋機構(gòu)的工作原理

鑒于桑葉采摘收集作業(yè)環(huán)境限制， 為了實現(xiàn)準確取袋功能及結(jié)構(gòu)輕量化， 本文提出了一種多連桿取袋機構(gòu)， 該機構(gòu)由曲柄、 連桿、 搖桿、 機架、 連動桿、 連動桿附桿、 末端執(zhí)行器電磁鐵組成． 工作原理圖如圖3所示， 其中T為送袋機構(gòu)， v為送袋方向， M為待取袋位置， M1為待輸送袋位置， θP1為取袋時刻曲柄與水平軸的正向夾角， θK1為裝袋時刻曲柄與水平軸的正向夾角． 取袋機構(gòu)的工作過程可分為取袋、 開袋與裝袋過程．

在多連桿取袋機構(gòu)中， OC為固定機架， 在圖3a取袋瞬間時刻， 送袋機構(gòu)T保持靜止， 曲柄轉(zhuǎn)角為θP 末端執(zhí)行器電磁鐵DE在通電狀態(tài)下與待取袋磁吸石相接觸， 實現(xiàn)吸合并完成取袋過程． 為保證末端執(zhí)行器順利與磁吸石貼合， 在取袋時刻E點速度應盡量?。?經(jīng)測試， 電磁鐵末端平面為斜45°時， 取袋效果最佳． 通過優(yōu)化取袋機構(gòu)設計參數(shù)， 可得到末端電磁鐵在取袋瞬間極限位置DE時刻的取袋夾角最優(yōu)值．

如圖3b所示， 當曲柄持續(xù)旋轉(zhuǎn)到θK1時， 曲柄停止轉(zhuǎn)動并完成開袋過程． 為了確保開袋效果的平穩(wěn)性， 末端執(zhí)行器速度幅值波動應較?。?在取袋與開袋過程中， 送袋機構(gòu)保持靜止狀態(tài)． 開袋完成后進行桑葉采收裝袋． 桑葉裝袋作業(yè)一定時間后， 電磁鐵斷電， 送袋機構(gòu)沿著指定方向運動， 使得袋口自動脫落， 完成裝袋過程． 曲柄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 電磁鐵通電， 逐漸回到圖3a取袋瞬間時刻， 從而完成一次循環(huán)并開始重復作業(yè)．

在前期開袋試驗后， 選取型號為KK-P34/25吸盤式電磁鐵作為執(zhí)行件， 其基本尺寸參數(shù)為圓外徑34 mm、 長度25 mm、 吸力25 kg． 考慮電磁鐵實際尺寸參數(shù)與電磁鐵支撐座尺寸， 最終確定末端執(zhí)行器DE總長度為50 mm．

2 取袋機構(gòu)運動學模型的建立

取袋機構(gòu)主要由連桿運動機構(gòu)與末端執(zhí)行器電磁鐵2部分組成． 圖4為取袋機構(gòu)的運動分析圖， 以曲柄動力輸入位置O為坐標原點， 水平右方向為x軸正方向， 豎直向上方向為y軸正方向建立笛卡爾直角坐標系．

根據(jù)封閉圖形OABC構(gòu)建解析方程為：

l1cos θ1+l2cos θ2=l4cos β+l3cos θ3

l1sin θ1+l2sin θ2=-l4sin β+l3sin θ3

（1）

引入輔助線連接AC， 可得：

cos （θ1+β）=l21+l24-l2AC2l1l4（2）

φ1=arcsin l1lACsin （θ1+β）（3）

φ2=arccos l2AC+l23-l222lACl3（4）

進而求得CB桿件角位移θ3與AB桿件角位移θ2為：

θ3=π-φ1-φ2-β（5）

θ2=arccos l22+l2AC-l232lACl2-π+θ3+φ2（6）

在封閉圖形ADB中可以求得D點位移方程：

xD=l1cos θ1+l5cos （α1+θ2）

yD=l1sin θ1+l5sin （α1+θ2）

（7）

式中： xD， yD為D點橫坐標和縱坐標， mm． 其中α1由余弦定理得到：

cos α1=l22+l25-l262l2l5（8）

由幾何關系可得：

θ4=α2+arccos xD-l1cos θ1-l2cos θ2l6-π（9）

由式（9）得E點的位移方程為：

xE=xD+lDEcos θ4

yE=yD+lDEsin θ4

（10）

式中： xE， yE為E點橫坐標和縱坐標， mm． 在式（9）位移方程中對時間求一階導數(shù)， 得到E點的速度方程：

vEx=x·E=x·D-θ·4lDEsin θ4

vEy=y·E=y·D+θ·4lDEcos θ4

（11）

式中： x·E， y·E為E點橫坐標和縱坐標的速度分量， mm/s．

3 取袋機構(gòu)優(yōu)化設計與仿真

3.1 目標函數(shù)

通過對連桿長度、 安裝角度的合適選擇與設計， 可確保在有限作業(yè)空間內(nèi)， 更好地完成取袋和開袋過程， 并確保取袋機構(gòu)電磁鐵在右極限位置順利完成取袋動作． 因此對多連桿機構(gòu)運動過程提出了設計要求， 確定了2個設計目標：

1） 為了在限定作業(yè)空間內(nèi)實現(xiàn)最大取袋距離， 并實現(xiàn)多連桿機構(gòu)輕量化設計， 選定合適的連桿設計參數(shù)范圍后， 使E點在圖3中兩極限工作時刻擁有最大橫向位移． 為了更好地觀測帕累托前沿結(jié)果， 選擇將最大橫向平移添加負號形式表達， 即用E點最小值位移減去最大值位移， 計算公式如下：

min f1（dxE）=xKE-xPE（12）

式中： xPE為取袋時刻末端執(zhí)行器E點的x軸線性位移， mm； xKE為裝袋時刻末端執(zhí)行器E點的x軸線性位移， mm； dxE為開袋距離， mm．

2） 末端執(zhí)行器電磁鐵與待取袋上設置的磁吸石在取袋瞬間相互貼合， 經(jīng)過測試， 末端取袋與水平夾角為45°時， 取袋效果最佳， 則有：

min f2（θ4）=θP4+π4（13）

式中： θP4為取袋時刻θ4的角度．

3.2 優(yōu)化變量

通過建立機構(gòu)模型與優(yōu)化目標分析， 確定取袋機構(gòu)的設計變量為曲柄OA的長度l1、 連桿AB的長度l2、 搖桿BC的長度l3、 機架OC的長度l4、 連動桿AD的長度l5、 連動桿附桿BD的長度l6， 末端執(zhí)行器DE與連桿l6之間的夾角α2．

3.3 約束條件

1） 根據(jù)格拉霍夫定理， 曲柄搖桿機構(gòu)OABC需要滿足桿長條件， 即最短桿與最長桿的長度之和小于或等于其他兩桿的長度之和， 曲柄為最短桿且與機架相鄰， 可得：

l1+l3≤l2+l4（14）

2） 根據(jù)三角不等式， 三角形ADB需要滿足兩邊之和大于第三邊， 即最短桿與中間桿長度之和大于最長桿， 可得：

l2+l6＞l5（15）

3） 為確保裝袋順利進行并保證機構(gòu)平穩(wěn)性， E點在取袋瞬間與裝袋時刻兩極限位置的y軸坐標值之差不宜過大． 此外， 末端執(zhí)行器DE與連動桿附桿l6之間的夾角α2將決定末端執(zhí)行器最終取袋時的姿態(tài)位置．

根據(jù)設計要求， 基于Matlab App Designer編寫了取袋機構(gòu)輔助分析設計軟件， 界面如圖5所示． 其中包括參數(shù)輸入?yún)^(qū)、 圖像輸出區(qū)、 按鍵控制區(qū)和信息輸出區(qū)4個模塊， 用于分析連桿運動狀態(tài)、 E點軌跡圖像、 E點速度、 合位移和關鍵數(shù)據(jù)輸出， 可簡化設計過程， 縮短開袋機構(gòu)設計周期［20-22］． 在設計軟件中進行參數(shù)調(diào)試， 當曲柄長度增大時， 機構(gòu)整體尺寸也會隨之變大； 曲柄長度太短則取袋距離過小， 不滿足設計要求． 為控制取袋過程中末端執(zhí)行器y軸幅度不宜過大且能實現(xiàn)開袋最大距離， 參考霍肯連桿近似直線機構(gòu)， 調(diào)試各桿件參數(shù)， 最后確定各桿件li與α2的取值范圍， β取值為30°， DE由上文得知為50 mm．

3.4 基于NSGA-II非支配排序遺傳算法的模型求解

帶基因策略的非支配排序遺傳算法（NSGA-II）是一種全局優(yōu)化算法， 因其符合自然迭代規(guī)律及收斂速度較快而被廣泛應用于各種優(yōu)化設計領域［23-25］． 本文采用NSGA-II優(yōu)化算法對多連桿機構(gòu)的桿件長度及末端執(zhí)行器安裝角度建立優(yōu)化模型求解， 其中每個染色體代表了多連桿機構(gòu)參數(shù)及末端執(zhí)行器安裝角度的一個設計方案， 每個染色體具有交叉與變異能力（產(chǎn)生新染色體）， 并安排其等級制度與支配關系（優(yōu)勝劣汰）， 以及一個目標函數(shù)（最大開袋距離與取袋角度）． 父代種群中的每個個體都有突變與交叉能力， 產(chǎn)生子代種群， 同時整合種群， 依據(jù)等級制度淘汰掉不夠“優(yōu)秀”的染色體， 生成新的父代種群， 從而在較短的時間內(nèi)找到最優(yōu)解．

3.5 優(yōu)化結(jié)果分析

本文NSGA-II算法的基本設置為： 種群規(guī)模100、 最大迭代次數(shù)600、 交叉概率0.8、 變異概率0.15． 所得優(yōu)化解集如圖6所示．

結(jié)果顯示， 最大橫向位移取值較大時， 取袋位置夾角也偏大， 兩者不能同時滿足． 根據(jù)設計要求， 要求對取袋過程中末端執(zhí)行器DE與水平之間的夾角θP4更接近45±0.5°， 并在此基礎上保證最大橫向開袋距離， 綜合考慮下選擇取袋距離dxE=537.82 mm， θP4=44.996°的最優(yōu)解． 根據(jù)實際加工條件， 最終選擇表1所示實際參數(shù)結(jié)果．

驗證參數(shù)優(yōu)化設計合理性， 將最終得到的連桿參數(shù)輸入取袋機構(gòu)輔助分析軟件， 通過輔助交互界面得到最大取袋距離dxE=539.16 mm， θP4=44.69°， 滿足設計要求； 得到多連桿機構(gòu)姿態(tài)位置特征與末端執(zhí)行器E點速度與軌跡圖像， 如圖7所示．

分析圖7中取袋、 開袋與裝袋過程． a點為靜止初始位置， 此時曲柄轉(zhuǎn)角θ1=0°， 末端執(zhí)行器位置為（496.6 mm， 253.3 mm）， 曲柄開始以0.1 r/s速度逆時針旋轉(zhuǎn)； 當旋轉(zhuǎn)到b點時為取袋瞬間， 達到右極限位置， 末端執(zhí)行器速度緩慢降到0.016 m/s， 滿足取袋瞬間低速要求， 此時末端執(zhí)行器位置為（540.8 mm， 212.7 mm）， 末端執(zhí)行器電磁鐵與水平之間的夾角為44.69°， 完成取袋動作． 隨后曲柄繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 進入bc段， 該過程為開袋過程， E點速度波動不大， 符合開袋過程設計要求． 當曲柄旋轉(zhuǎn)到達c點時， 速度不斷減小， 末端執(zhí)行器同時移動到最大距離， 此時電磁鐵的位置為（1.6 mm， 263.2 mm）， 曲柄停止旋轉(zhuǎn)， 曲柄轉(zhuǎn)角為θ1=281°， 此時為裝袋時刻． 最后回到cb段， 即取袋階段， 此階段利用連桿機構(gòu)急回特性， 可縮短取袋回程時間， 提高工作效率．

3.6 取袋機構(gòu)運動學仿真分析

根據(jù)參數(shù)選擇結(jié)果， 利用SolidWorks三維設計軟件建立了多連桿取袋機構(gòu)的三維模型， 并將裝配體導入ANSYS仿真分析軟件的剛體動力學模塊中進行運動仿真分析． 在仿真中， 設置零件之間的相關約束條件， 設置動力輸出軸的轉(zhuǎn)速為0.1 r/s， 通過仿真分析得到末端執(zhí)行器電磁鐵E點的軌跡圖像與速度圖像． 圖8為桑葉采收機收集裝置三維模型與E點軌跡及速度仿真圖．

比較圖7與圖8b之間末端執(zhí)行器電磁鐵E點軌跡圖像、 圖7與圖8c之間E點速度圖像， 可知仿真結(jié)果與理論結(jié)果基本一致， 驗證了多連桿取袋機構(gòu)運動學模型建立的正確性和優(yōu)化設計結(jié)果的合理性．

4 取袋機構(gòu)樣機試驗

完成桑葉采收機取袋機構(gòu)運動仿真驗證后， 加工出物理樣機， 如圖9所示．

4.1 高速攝像試驗及參數(shù)測試試驗

基于高速攝像技術繪制出取袋機構(gòu)運動軌跡， 拍攝幀數(shù)設定為500 f/s， 取袋機構(gòu)電機選用匯川40B30CB伺服電機． 拍攝完成后在After Effects視頻分析軟件中進行分析， 根據(jù)電磁吸鐵中心點E為描繪點， E點特殊點位置與運動軌跡如圖10所示， 其中a，b，c，d點分別為曲柄在靜止初始位置、 取袋時刻、 裝袋時刻、 曲柄旋轉(zhuǎn)180°的E點狀態(tài)． 通過與E點理論軌跡圖7和仿真軌跡圖8b進行對比， 發(fā)現(xiàn)三者軌跡基本一致．

對連桿進行x軸方向測繪， 得到平均最大開袋距離數(shù)值為551 mm， 誤差為2.2%． 測量末端執(zhí)行器電磁鐵在取袋機構(gòu)極限位置的角度， 得到其平均數(shù)值為46.2°， 誤差為3.4%． 所有參數(shù)在誤差允許范圍內(nèi)， 驗證了該取袋機構(gòu)設計的合理性， 滿足桑葉收集取袋的工作要求．

4.2 試驗條件

根據(jù)前期準備工作與分析， 曲柄轉(zhuǎn)速大小決定取袋時刻與開袋過程的成功率． 轉(zhuǎn)速過快， 取袋與開袋過程容易失敗； 轉(zhuǎn)速過慢， 工作效率降低． 噸口袋種類的形狀與大小將決定袋子在取袋機構(gòu)工作過程中展開時的流暢程度與袋子脫袋情況， 適配的噸口袋將決定取袋開袋的成功率． 取袋開袋過程中磁吸石與末端執(zhí)行器相互作用， 磁吸石外圓尺寸大小將會影響取袋時刻能否順利完成送袋以及開袋過程是否容易脫袋． 為探究曲柄轉(zhuǎn)速（A）、 噸口袋形狀與尺寸（B）、 磁吸石外圓尺寸（C）3因素對桑葉采收機取袋機構(gòu)取袋開袋效果的影響， 并以較少試驗次數(shù)尋求較優(yōu)組合， 開展取袋機構(gòu)正交試驗． 本次試驗場地為西南大學后山桑園內(nèi)， 試驗材料為6月份桑葉， 桑葉長度約為180～280 mm， 寬度約為100～180 mm． 圖11為一個完整取袋開袋過程， 分別為待取袋、 取袋、 開袋及裝袋時刻的狀態(tài)．

4.3 試驗指標與因素

試驗以取袋開袋成功率為試驗指標． 取袋開袋成功率是指取袋機構(gòu)工作過程中能完成整個取袋開袋過程的概率． 取袋開袋成功率越高， 桑葉收集裝袋效果越好， 取袋開袋成功率計算式如下：

S=Q-RQ×100%（18）

式中： S為取袋開袋成功率（%）； Q為取袋開袋試驗次數(shù)； R為取袋開袋試驗失敗次數(shù)．

通過前期試驗與設計要求， 曲柄轉(zhuǎn)速取值范圍為0.1～0.3 r/s； 根據(jù)取袋機構(gòu)的最大開袋距離為551 mm， 噸口袋尺寸過小會導致開袋失敗， 過大會導致袋口展開后發(fā)生變形， 影響裝袋效果． 即可以選擇方體550 mm， 圓柱體600 mm*600 mm， 方體600 mm 3種規(guī)格噸口袋； 其中磁吸石外圓尺寸過大將會與送袋機構(gòu)發(fā)生干涉， 測試后得知應小于25 mm． 根據(jù)磁吸石參數(shù)標準， 磁吸石可適配選擇直徑為16 mm，20 mm，25 mm 3個水平． 試驗因素水平如表2所示．

4.4 試驗結(jié)果與分析

本試驗選取L9（34）正交試驗表進行試驗， 并添加一列空白列， 在試驗中每組分別完成40次取袋開袋試驗以及150張桑葉轉(zhuǎn)運入袋試驗， 每組分別完成3次取平均值， 正交試驗方案與試驗結(jié)果如表3所示．

由表4和表5可知， A因素對取袋效果表現(xiàn)為極為顯著， B、 C表現(xiàn)為顯著， 能較好地評價各試驗因素與評價指標之間的參數(shù)關系， 取袋開袋成功率影響的顯著順序為A＞C＞B． 結(jié)合各因素對試驗指標的影響， 得出最優(yōu)試驗因子組合為A1B1C2， 即曲柄轉(zhuǎn)速為0.1 r/s， 噸口袋形狀與尺寸為方體550 mm， 磁吸石外圓尺寸為20 mm．

為驗證正交試驗結(jié)果的準確性， 以最優(yōu)參數(shù)組合進行重復驗證試驗， 試驗結(jié)果如表6所示． 試驗結(jié)果表明， 在曲柄轉(zhuǎn)速為0.1 r/s、 噸口袋形狀與尺寸為方體550 mm、 磁吸石外圓尺寸為20 mm時， 平均取袋開袋成功率為97.50%， 滿足桑葉采收機工作要求．

5 結(jié)論

本文針對丘陵山地桑葉自動采收機的取袋機構(gòu)展開了深入研究， 建立了取袋機構(gòu)運動學模型并對其進行參數(shù)優(yōu)化， 最后完成仿真驗證與樣機試驗．

1） 基于取袋原理， 設計了一種多連桿取袋機構(gòu)， 建立了機構(gòu)運動學模型并完成參數(shù)優(yōu)化設計． 為了滿足桑葉采收機的設計要求， 基于Matlab App Designer開發(fā)了取袋機構(gòu)輔助分析設計軟件， 并確定了機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化范圍． 應用NSGA-II非支配排序遺傳算法優(yōu)化了設計參數(shù)， 并根據(jù)實際加工條件得到了以下結(jié)果： l1=160 mm， l2=310 mm， l3=357 mm， l4=274 mm， l5=403 mm， l6=112 mm， α2=79°， 最大開袋距離為539.16 mm， 取袋夾角為44.69°．

2） 根據(jù)最終參數(shù)結(jié)果建立了取袋機構(gòu)的三維模型， 進行虛擬樣機的運動學仿真分析， 最后完成樣機試驗． 通過仿真得到了末端執(zhí)行器E點的速度曲線和運動軌跡， 理論和仿真結(jié)果基本保持一致， 驗證了運動學模型和優(yōu)化結(jié)果的準確性． 進一步驗證設計的準確性， 開展了樣機試驗． 試驗結(jié)果表明： 在高速攝像技術下E點運動軌跡與理論和仿真基本一致． 以曲柄轉(zhuǎn)速、 噸口袋種類、 磁吸石外圓尺寸為試驗因素， 取袋開袋成功率為指標開展正交試驗， 得到曲柄轉(zhuǎn)速為0.1 r/s、 噸口袋形狀與尺寸為方體550 mm、 磁吸石外圓尺寸為20 mm的最優(yōu)組合． 以該組合進行驗證試驗， 結(jié)果表明： 平均取袋開袋成功率為97.50%， 滿足開袋的設計要求， 證明了取袋機構(gòu)優(yōu)化設計的正確性， 為農(nóng)業(yè)桑園自動化水平的提升提供了技術支持．

參考文獻：

［1］

中華人民共和國商務部． 商務部關于繭絲綢行業(yè)“十四五”發(fā)展的指導意見 ［EB/OL］． （2021-09-15） ［2023-07-06］． http： //scyxs.mofcom.gov.cn/article/jsc/202109/20210903198754.shtml．

［2］ 中華人民共和國中央人民政府． 六部門關于印發(fā)《蠶桑絲綢產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動計劃（2021-2025年）》的通知 ［EB/OL］． （2020-09-26） ［2023-11-09］． https： //www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2020-09/26/content_5547331.htm．

［3］ 馬瑩． 我國規(guī)模化蠶?；亟ㄔO現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究 ［D］． 鎮(zhèn)江： 江蘇科技大學， 2021．

［4］ 閆鑫． 往復式桑葉采摘機結(jié)構(gòu)設計及各機構(gòu)速度優(yōu)化匹配研究 ［D］． 柳州： 廣西科技大學， 2015．

［5］ 柳怡成． 搖桿式桑葉采摘機的運動動力學仿真與優(yōu)化 ［D］． 柳州： 廣西科技大學， 2020．

［6］ 任浩， 李麗， 盧世博， 等． 基于深度學習的復雜自然環(huán)境下桑樹枝干識別方法 ［J］． 中國農(nóng)機化學報， 2023， 44（2）： 182-188．

［7］ WENG X X， TAN D P， WANG G， et al． CFD Simulation and Optimization of the Leaf Collecting Mechanism for the Riding-Type Tea Plucking Machine ［J］． Agriculture， 2023， 13（5）： 946．

［8］ ZHANG S W， WANG Z L， WANG L， et al． Design and Experimental Study of Ginkgo Leaf Picking Device ［J］． Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 202 235（24）： 7353-7362．

［9］ 王攀， 易文裕， 熊昌國， 等． 4CJZ-1000型自走式采茶機的設計與試驗 ［J］． 西南大學學報（自然科學版）， 2022， 44（11）： 228-233．

［10］廖凱， 古全元， 高自成， 等． 蘆葦筍采收機研制 ［J］． 農(nóng)業(yè)工程學報， 202 37（15）： 20-30．

［11］張少坤． 回轉(zhuǎn)式給袋包裝機取袋上袋機構(gòu)的設計及優(yōu)化 ［D］． 哈爾濱： 哈爾濱商業(yè)大學， 2020．

［12］陳營， 陸佳平， 李國華， 等． 連續(xù)取袋接袋機構(gòu)的設計 ［J］． 包裝與食品機械， 2016， 34（3）： 33-37．

［13］張勇， 鄧援超． 包裝機八桿機構(gòu)式灌裝開袋裝置的優(yōu)化設計 ［J］． 機械設計與制造， 2018（5）： 106-109．

［14］鄒陽， 唐火紅， 馮寶林， 等． 水泥灌裝機套袋機構(gòu)設計與優(yōu)化 ［J］． 機械設計， 2015， 32（2）： 56-60．

［15］葉秉良， 唐濤， 楊秋蘭， 等． 柳樹插條自動喂入裝置取料機構(gòu)優(yōu)化設計與試驗 ［J］． 農(nóng)業(yè)機械學報， 2022， 53（5）： 93-99．

［16］黨玉功， 金鑫， 李衡金， 等． 單自由度四連桿取投苗機械臂設計 ［J］． 農(nóng)業(yè)工程學報， 2019， 35（14）： 39-47．

［17］沈從舉， 張立新， 周艷， 等． 自走式果園氣爆深松施肥機打穴機構(gòu)運動學分析與試驗 ［J］． 農(nóng)業(yè)工程學報， 2022， 38（1）： 44-52．

［18］尹文慶， 劉海馬， 胡飛， 等． 旱地栽植機八連桿栽植機構(gòu)優(yōu)化設計與試驗 ［J］． 農(nóng)業(yè)機械學報， 2020， 51（10）： 51-60．

［19］魏志強， 宋磊， 陽尚宏， 等． 穴盤苗夾莖式取投苗機構(gòu)優(yōu)化設計與試驗 ［J］． 西南大學學報（自然科學版）， 2022， 44（4）： 88-99．

［20］申屠留芳， 吳旋， 孫星釗， 等． 基于遺傳算法的紅薯栽植機構(gòu)設計 ［J］． 中國農(nóng)機化學報， 2019， 40（12）： 6-11．

［21］孟祥飛， 楊傳民， 樊文濤． 給袋式包裝機取袋機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計 ［J］． 包裝工程， 2017， 38（19）： 168-172．

［22］鄭占賀， 王瑩， 任文營， 等． 青飼機青貯塊間歇型自動撐袋機構(gòu)的設計與優(yōu)化 ［J］． 包裝工程， 2023， 44（3）： 179-186．

［23］李麗， 甘鎮(zhèn)瑜， 李聰波， 等． 面向高效節(jié)能的螺旋輸送機設計參數(shù)優(yōu)化方法 ［J］． 計算機集成制造系統(tǒng)， 2023， 29（8）： 2585-2594．

［24］VERMA S， PANT M， SNASEL V． A Comprehensive Review on NSGA-II for Multi-Objective Combinatorial Optimization Problems ［J］． IEEE Access， 202 9： 57757-57791．

［25］閆嘉， 李林峰， 林毓培， 等． 基于改進免疫遺傳算法的汽車零件排樣 ［J］． 西南大學學報（自然科學版）， 2023， 45（5）： 204-214．

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