孫　慧,毛罕平,胡建平,韓綠化,嚴(yán)　蕾

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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自動(dòng)移栽機(jī)雙臂式取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)分析研究

孫慧,毛罕平,胡建平,韓綠化,嚴(yán)蕾

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：提出了一種雙臂式取苗機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)述了該機(jī)構(gòu)的組成及工作原理，并介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)在較低取苗速率情況下，機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定，能夠滿足自動(dòng)取苗要求；但在較高取苗速度情況下，機(jī)構(gòu)晃動(dòng)較為明顯，需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)移栽機(jī)；雙臂式取苗機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)；高速攝像

0引言

移栽是農(nóng)作物生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，但人工移栽作業(yè)量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程和人口的老齡化，農(nóng)村勞動(dòng)力不足現(xiàn)象日益明顯，研究并推廣自動(dòng)取苗技術(shù)，已成為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)階段急需解決的問題[1-2]。

從20世紀(jì)80年代起，歐美發(fā)達(dá)國家開始出現(xiàn)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，但多采用電氣聯(lián)合控制，輔助裝置多，機(jī)構(gòu)龐大，動(dòng)力匹配大，同時(shí)價(jià)格昂貴，使用成本較高，不適合我國國情。日本研制的自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)多為純機(jī)械控制，利用不同的機(jī)構(gòu)組合來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗功能；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)制造成本高，同時(shí)對(duì)育苗質(zhì)量要求較高，限制了其在我國的應(yīng)用[3-8]。

我國移栽機(jī)研制較晚，多數(shù)為半自動(dòng)移栽機(jī)，用工量仍較大。為此，本文介紹了一種用于自動(dòng)移栽機(jī)的雙臂式取苗機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)分析研究。

1機(jī)構(gòu)組成及工作原理

一種雙臂式取苗機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。其包括主軸、凸輪Ⅰ、擺桿Ⅱ、連桿Ⅰ、擺桿Ⅲ、連桿Ⅱ、導(dǎo)向槽、滾子及取苗滑動(dòng)塊等，由凸輪擺桿機(jī)構(gòu)(凸輪Ⅰ、擺桿Ⅱ)、雙搖桿機(jī)構(gòu)(擺桿Ⅱ、連桿Ⅰ、擺桿Ⅲ)，以及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(擺桿Ⅲ、連桿Ⅱ、取苗滑動(dòng)塊、導(dǎo)向槽)經(jīng)Ⅰ型串聯(lián)組合而成。

1.主軸　2.凸輪Ⅰ　3.擺桿Ⅱ　4.連桿Ⅰ　5.擺桿Ⅲ

2雙臂式取苗機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

雙臂式取苗機(jī)構(gòu)是一種凸輪—連桿組合機(jī)構(gòu)，其三維模型如圖2所示。該機(jī)構(gòu)與全自動(dòng)旱地移栽機(jī)的移箱、栽植機(jī)構(gòu)相配套，可滿足全自動(dòng)旱地移栽機(jī)的移栽要求，與一些已發(fā)明的取苗機(jī)構(gòu)相比，具有以下一些特點(diǎn)：

1)采用雙臂式設(shè)計(jì)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)雙搖桿機(jī)構(gòu)，雙搖桿機(jī)構(gòu)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作，完成取苗過程。相比于一般的單臂式取苗機(jī)構(gòu)，取苗效率翻倍。

2)采用導(dǎo)向槽設(shè)計(jì)，在工作時(shí)的取苗、運(yùn)苗及投苗的運(yùn)動(dòng)過程均由導(dǎo)向槽控制。該導(dǎo)向槽取苗段為直線段，可實(shí)現(xiàn)垂直穴盤取苗；投苗段可調(diào)整投苗姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)直立投苗；中間過渡段為連接圓弧，實(shí)現(xiàn)取苗與投苗光滑連通，滿足規(guī)劃的取苗路徑要求。

3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的連桿機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)和擺動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)規(guī)律卻隨構(gòu)件長(zhǎng)度決定，無法精確實(shí)現(xiàn)任意給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。凸輪機(jī)構(gòu)雖能實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而為保證具有較好的效率，用機(jī)構(gòu)傳動(dòng)質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，直動(dòng)從動(dòng)件會(huì)產(chǎn)生過大的縱向尺寸，對(duì)擺動(dòng)從動(dòng)件會(huì)使擺角受到限制。因此，在此機(jī)構(gòu)中采用了凸輪-連桿組合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)凸輪輪廓曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)取苗過程中所要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，適應(yīng)取苗和投苗零速度要求，即在取苗時(shí)保持靜止穩(wěn)定夾取，在投苗時(shí)保持穩(wěn)定釋放缽苗。

4)控制開合機(jī)構(gòu)工作的凸輪與取苗機(jī)構(gòu)的凸輪在同一根主軸上，即主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，取苗機(jī)構(gòu)完成取苗動(dòng)作的同時(shí)，開合機(jī)構(gòu)完成取苗所需的開合動(dòng)作，兩運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)工作，完成整個(gè)取苗過程。

圖2　雙臂式取苗機(jī)構(gòu)三維模型.

3雙臂式取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)

為了探究雙臂式取苗機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作時(shí)工作情況和可能存在的問題，為接下來的優(yōu)化設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備，在雙臂式取苗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)上，利用高速攝像對(duì)該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。利用相配套的高速攝像輔助分析軟件，可以對(duì)具體位置點(diǎn)的位移、速度和加速度等進(jìn)行分析。旱地移栽機(jī)機(jī)械綜合性能試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示。

3.1試驗(yàn)方法與步驟

利用試驗(yàn)臺(tái)和高速攝像分析系統(tǒng)對(duì)雙臂式取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析，試驗(yàn)步驟如下：

1)安裝高速攝像儀并將兩臺(tái)攝像儀以一定的角度放置，從而使拍攝的圖像可以在后續(xù)的分析過程中進(jìn)行三維建模。高速攝像儀器如圖4所示。

2)調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)，并將標(biāo)定板放在合適位置，在攝像過程中可以完成標(biāo)定工作。

3)將雙臂式取苗機(jī)構(gòu)上的取苗末端執(zhí)行器定為標(biāo)記點(diǎn)，以便后續(xù)的分析工作。

4)打開攝像儀，調(diào)節(jié)鏡頭焦距，使之能清晰成像；打開光源，調(diào)節(jié)攝像儀幀數(shù)，使成像亮度合適；微調(diào)鏡頭角度，從而使得試驗(yàn)臺(tái)及標(biāo)定板都能被完整的拍攝。

5)啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，使雙臂式取苗機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值，然后開始圖像采集。

6)使用ProAnalyst軟件對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行后處理，得到在不同取苗速率情況下，雙臂式取苗機(jī)構(gòu)中取苗末端執(zhí)行器的三維運(yùn)行軌跡、位移及速度圖像。ProAnalyst軟件三維工作界面如圖5所示。

圖3　雙臂式取苗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)

圖4　奧林巴斯高速攝像儀

3.2試驗(yàn)條件

雙臂式取苗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)，奧林巴斯高速攝像儀(兩臺(tái))，光源(兩臺(tái))。取苗速率設(shè)定在60、20株/min(主軸轉(zhuǎn)速分別為30、10r/min)，高速攝影拍攝速率為100幀/s，為了拍攝到取苗全過程，拆除了雙臂式取苗機(jī)構(gòu)的一側(cè)。

圖5　ProAnalyst軟件操作界面

3.3試驗(yàn)結(jié)果

使用ProAnalyst 圖像分析軟件對(duì)所拍攝圖像進(jìn)行處理，分別得到了取苗速率60、20株/min時(shí)，雙臂式取苗機(jī)構(gòu)取苗末端執(zhí)行器的三維運(yùn)動(dòng)的軌跡、位移和速度圖像，如圖6～圖8所示。

圖6　取苗末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡

Fig.6　3D motion trail of the pick up

圖7　取苗速率在60株/min時(shí)取苗末端執(zhí)行器的位移及速度

圖8　取苗速率在20株/min時(shí)取苗末端執(zhí)行器的位移及速度

從高速攝像實(shí)驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)臺(tái)的工作狀況及后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析可知：機(jī)構(gòu)在低取苗速率情況下(20株/min)，從位移圖像和速度變化圖可以看出，雙臂式取苗機(jī)構(gòu)在取苗及投苗過程時(shí)機(jī)構(gòu)位移變化基本為0(0～1s、3～4s)，能夠滿足零速投苗的要求；在取苗及帶苗工作過程中，位移曲線變化平穩(wěn)，取苗機(jī)構(gòu)能夠很好地完成取苗工作。但隨著轉(zhuǎn)速的提升，當(dāng)機(jī)構(gòu)取苗速率達(dá)到60株/min時(shí)，通過位移及速度變化圖像可知，雙臂式取苗機(jī)構(gòu)在投苗段(0～0.5s)處，取苗末端執(zhí)行器存在10mm左右的往復(fù)晃動(dòng)，影響了投苗效果。針對(duì)以上機(jī)構(gòu)振動(dòng)的情況，找出以下幾點(diǎn)原因：

1)在取苗速率為60株/min時(shí)，出現(xiàn)取苗成功率降低現(xiàn)象。其主要原因：當(dāng)取苗速率高時(shí)，由于取苗爪內(nèi)的彈簧具有延時(shí)作用，缽苗被投出時(shí)，并非取苗爪運(yùn)動(dòng)速度為零的時(shí)刻；缽苗被投出后具有較大的向后初速度，使缽苗不能正好投入接苗杯中，導(dǎo)致取苗成功率下降。

2)機(jī)構(gòu)臺(tái)架不夠牢固。此試驗(yàn)臺(tái)架均由鋁型材搭建而成，隨著轉(zhuǎn)速的提高，由于臺(tái)架不夠牢固，導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)的產(chǎn)生。

3)滑槽直線段與圓弧段銜接處弧度過大。在較高轉(zhuǎn)速下，滑塊滑動(dòng)到圓弧段與直線段銜接處時(shí)有明顯振動(dòng)，原因是滑槽直線段與圓弧段銜接處弧度過大。

4)為了能夠保證取苗的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，該取苗機(jī)構(gòu)通過凸輪—連桿機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力；為了保證凸輪與連桿上的滾子充分接觸，在連桿與試驗(yàn)臺(tái)架上添加一個(gè)彈簧，通過彈力保證滾子與凸輪之間的接觸。然而，彈簧的彈力在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中給機(jī)構(gòu)帶來了不可控制振動(dòng)；滑塊在滑槽銜接處產(chǎn)生的晃動(dòng)亦與此彈簧的彈力有一定關(guān)系。

5)桿與桿之間通過銷和內(nèi)嵌軸承的方式完成轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，自制軸承套，焊接在各個(gè)連接桿的末端，連接銷亦通過焊接的方法固定在桿件上。焊接帶來的桿件形變(桿件的長(zhǎng)度，連接銷與桿件的垂直度)導(dǎo)致了現(xiàn)有取苗機(jī)構(gòu)與理論設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)尺寸存在差異。由于此機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，如取苗與投苗位置均有明確要求，通過此連接方式加工安裝的取苗機(jī)構(gòu)并不能很好地達(dá)到理想中的取苗效果。另外，各個(gè)連桿均由45鋼制成，質(zhì)量較大，機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)動(dòng)下由于慣性力亦會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)于一個(gè)輕載的取苗機(jī)構(gòu)而言并不是一個(gè)合理的選擇。

4結(jié)論

1)介紹了一種適用于自動(dòng)移栽機(jī)的雙臂式取苗機(jī)構(gòu)的組成和工作原理。

2)雙臂式取苗機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定、取苗效率高、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性好等特點(diǎn)。

3)對(duì)雙臂式去苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)分析研究，結(jié)果表明：雙臂式取苗機(jī)構(gòu)在較低工作速率的情況下，機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定，能夠滿足自動(dòng)取苗要求；但在較高工作速率的情況下，機(jī)構(gòu)振動(dòng)，影響了投苗效果，需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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The Kinematic Test and Analytical Study on the Double Arm Picking Seedling Mechanism of Auto-transplanter

Sun Hui, Mao Hanping, Hu Jianping, Han Lvhua, Yan Lei

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education，Jiangsu University，Zhenjiang 212013,China)

Abstract：Presented a double arm picking seedling mechanism, sketched the constitution and working principle of this picking seedling mechanism, also introduced the structural features of this picking seedling mechanism. Did the kinematic test to verify the working performance of this picking seedling mechanism. The test result shows: under the low picking seedling rate, the machine worked stabilized, the success rate of picking seedling was high, could satisfy the automatic picking seedling demanding. But under the high picking seedling rate, the machine waggled obviously, the optimal design was needed.

Key words：auto-transplanter; double arm picking seedling mechanism; kinematic test; high speed camera

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0204-05

中圖分類號(hào)：S223.9;S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：孫慧(1988-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，(E-mail)423522098@qq.com。通訊作者：毛罕平(1961-)，男，浙江寧波人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，(E-mail)maohp@ujs.edu.cn。

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2012381)

收稿日期：2015-02-12