韓長(zhǎng)杰，郭 輝，楊宛章，張 靜

( 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

?

取苗機(jī)械手雙氣缸三位置的驅(qū)動(dòng)及優(yōu)化

韓長(zhǎng)杰，郭 輝，楊宛章，張 靜

( 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移栽機(jī)的關(guān)鍵，而取苗機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移栽的前提。為實(shí)現(xiàn)平行夾式取苗機(jī)械手的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，參考穴盤(pán)苗莖稈所能承受的夾持力，設(shè)計(jì)了基于雙氣缸驅(qū)動(dòng)的擺臂3位置控制結(jié)構(gòu)，使擺臂能在居中位置準(zhǔn)確停止進(jìn)行對(duì)穴取苗和放苗，在夾苗行程開(kāi)始時(shí)運(yùn)動(dòng)迅速，還能在擺臂擺動(dòng)到夾苗位時(shí)以適當(dāng)?shù)膴A持力分別夾持對(duì)應(yīng)位置的穴盤(pán)苗。通過(guò)計(jì)算分析，確定了l為130mm、h為130mm與長(zhǎng)度為60mm的擺臂形成的Y字型結(jié)構(gòu)，使平行夾在夾苗時(shí)具有不大于23N的夾持力，保障能夠夾持取苗且不傷苗。

自動(dòng)移栽；取苗機(jī)械手；平行夾；穴盤(pán)苗

0 引言

取苗機(jī)械手是自動(dòng)移栽機(jī)的核心工作部件，國(guó)外先后研制出多種適用于移栽機(jī)的穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗裝置，如日本研制出了基于雙針扎入基質(zhì)的單取苗機(jī)械手，按照扎苗、取苗、放苗動(dòng)作順序，每次能夠取出一株苗[1]。澳大利亞生產(chǎn)的采用4個(gè)針扎入取苗的自動(dòng)移栽機(jī)，相比日本的取苗可靠性提高，對(duì)育苗基質(zhì)要求降低。意大利與美國(guó)分別開(kāi)發(fā)了采用推桿將苗從穴盤(pán)中推出的取苗裝置，此種方式主要針對(duì)硬質(zhì)穴盤(pán)。以色列生產(chǎn)的履帶式全自動(dòng)移栽機(jī)，采用負(fù)壓將整盤(pán)苗吸出，其取苗裝置結(jié)構(gòu)龐大，可靠性不高[2]。國(guó)內(nèi)相繼開(kāi)展了多種自動(dòng)取苗裝置的研究：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)陳海濤等研究了甜菜鏈?zhǔn)嚼徝绶蛛x裝置，吉林大學(xué)孫廷琮等研究了真空投苗裝置，江蘇大學(xué)毛罕平等對(duì)研究了一種由齒輪連桿與槽型凸輪控制軌跡的自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)汪小旵等對(duì)穴盤(pán)苗移栽機(jī)取苗末端執(zhí)行器進(jìn)行虛擬樣機(jī)分析，尹文慶等對(duì)滑針式取苗手進(jìn)行了研究，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)田素博等對(duì)溫室花木單自動(dòng)移栽機(jī)械手的控制進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)研究的取苗方式雖有不同，但均為對(duì)單株穴盤(pán)苗操作，效率不高[3-6]。

新疆移栽種植面積較大，人工移栽成本高、周期長(zhǎng)，需要高速的自動(dòng)移栽機(jī)械，快速完成辣椒、番茄等作物的移栽。為了有效地提高移栽效率，必須采用取苗機(jī)械手代替人工取苗，本文以手工取苗動(dòng)作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)制作了基于平行移動(dòng)夾片取苗的機(jī)械手[7]，能夠同時(shí)取出穴盤(pán)中的多株苗，并對(duì)取苗機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)原理和夾持力控制進(jìn)行詳細(xì)分析，以獲得較優(yōu)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

1 取苗機(jī)械手結(jié)構(gòu)

平行夾取苗機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.擺臂 2.后滑桿 3.前滑桿 4.長(zhǎng)夾片 5.短夾片 6.支座

其中，前滑桿和后滑桿安裝在兩端的支座上，并能夠在支座里滑動(dòng)，滑桿間距d為56mm；搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心O相對(duì)支座固定不動(dòng)，搖桿上的2個(gè)長(zhǎng)孔分別與前滑桿與后滑桿鉸接，長(zhǎng)夾片固定安裝在后滑桿上，短夾片安裝在前滑桿上，每個(gè)滑桿上相鄰的2個(gè)夾片中心距2b為64mm，夾片夾苗部位寬度15mm。當(dāng)擺臂與滑桿垂直時(shí)，任意相鄰兩個(gè)夾片間距b為32mm(同穴盤(pán)的苗穴間距)；當(dāng)擺臂向右擺動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)夾片隨后滑桿向右移動(dòng)，短夾片隨前滑桿向左移動(dòng)，相鄰長(zhǎng)夾片與短夾片間的穴盤(pán)苗被夾持，此時(shí)可取出穴盤(pán)一排中相互間隔的穴盤(pán)苗；當(dāng)擺臂向左擺動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)夾片隨后滑桿向左移動(dòng)，短夾片隨前滑桿向右移動(dòng)，相鄰長(zhǎng)夾片與短夾片間的穴盤(pán)苗被夾持，此時(shí)可取出穴盤(pán)一排中其余相互間隔的穴盤(pán)苗，擺臂從兩側(cè)向中間回位時(shí)夾片打開(kāi)進(jìn)行放苗。

參照?qǐng)D1，假定相鄰2個(gè)夾片閉合時(shí)搖桿向一側(cè)擺動(dòng)的最大角度為θmax，根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)有

(1)

將b=32mm、d=56mm帶入得θmax=±29.74°，即擺臂單側(cè)擺動(dòng)范圍為不大于29.74°。

2 取苗機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)

為實(shí)現(xiàn)由機(jī)械手高效自動(dòng)夾苗、放苗，設(shè)計(jì)由互成角度安裝的2個(gè)相同氣缸驅(qū)動(dòng)擺臂擺動(dòng)，使擺臂在3個(gè)不同位置變換，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手取苗的自動(dòng)操作。如圖2所示：C1和C2為2個(gè)型號(hào)相同的氣缸(MAL20X70)，氣缸桿與擺臂鉸接，兩氣缸座的位置相互對(duì)稱(chēng)；當(dāng)氣缸C1與氣缸C2的氣缸桿都收回時(shí)，由于2個(gè)氣缸在擺臂垂直方向的分力大小相等、方向相反，故擺臂在中間位置能夠準(zhǔn)確停止。當(dāng)氣缸C1推出且氣缸C2收回時(shí)，擺臂向右擺動(dòng)；當(dāng)氣缸C1收回且氣缸C2推出時(shí)，擺臂向左擺動(dòng)。氣缸的控制策略如表1所示。

圖2 氣缸擺動(dòng)位置簡(jiǎn)圖

3 夾持力分析計(jì)算

從取苗機(jī)械手結(jié)構(gòu)可知：擺臂越長(zhǎng)，氣缸驅(qū)動(dòng)擺臂使夾片間的夾持力越大，如圖3所示。

圖3 氣缸驅(qū)動(dòng)力作用圖

隨著擺臂擺動(dòng)到不同角度，氣缸作用力在垂直于擺臂方向的合力大小及方向都在變化：擺臂從中間位置開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)，受2個(gè)氣缸作用合力較大，啟動(dòng)迅速；隨著擺動(dòng)角度增大，合力逐漸減小；當(dāng)氣缸C2與擺臂同軸線時(shí)，擺臂擺動(dòng)角度為θs，此時(shí)有

(2)

受活塞桿截面積影響，氣缸伸出行程作用力與收回行程的作用力大小不同。設(shè)氣缸桿伸出時(shí)的推力為F，氣缸桿收回時(shí)拉力為T(mén)，壓縮空氣壓強(qiáng)P壓為0.6MPa，則有

(3)

(4)

將氣缸MAL20X70 的參數(shù)φ=0.008m、Φ=0.02m帶入計(jì)算得：F=188.4N，T=158.336N。

XP=r·sinθ

(5)

YP=r·cosθ

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

將式(5)～式(9)帶入式(10)和式(11)，得

(12)

(13)

由式(12)、式(13)可以看出：α1與α2隨著擺臂擺動(dòng)角度θ、l、h的變化而變化。由各角之間的關(guān)系可知

(14)

β2=π-α2

(15)

Ft=F·cosβ1

(16)

Fn=F·sinβ1

(17)

Tt=T·sinβ2

(18)

Tn=T·cosβ2

(19)

根據(jù)力矩平衡原理有

(20)

(21)

即

(22)

(23)

假定在擺臂擺動(dòng)過(guò)程中任意相鄰2個(gè)夾片間具有相同的夾持力fG，則

(24)

將式(14)～式(23)帶入式(24)可得

(θ≤θs)

(25)

(θ>θs)

(26)

由式(26)可以看出：夾持力大小fG與α1、α2有關(guān)，而α1、α2是θ、h、l的函數(shù)。為獲得較優(yōu)的夾片夾持力，使夾片間既有足夠的力夾持取苗，又在閉合夾苗時(shí)不損傷穴盤(pán)苗莖稈，還需根據(jù)莖稈所能承受的夾持力來(lái)確定l、h的距離。

4 莖稈夾持力測(cè)定

利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(RGM-X010)對(duì)穴盤(pán)苗莖稈進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，選擇與機(jī)械手夾片寬度相同的15mm的擠壓頭對(duì)苗齡為58天的辣椒莖稈進(jìn)行試驗(yàn)，得到曲線如圖4所示。

圖4 擠壓-變形曲線

實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)夾持力小于25N時(shí)，辣椒莖稈處在彈性變形階段;當(dāng)夾持力大于25N時(shí)，辣椒莖稈開(kāi)始發(fā)生組織破碎;為保障莖稈夾持取苗不受傷害，應(yīng)控制夾片夾苗時(shí)的夾持力小于25N。

5 優(yōu)化計(jì)算

考慮到機(jī)械手的結(jié)構(gòu)不易過(guò)大，擬定擺臂長(zhǎng)度r為60mm，在MatLab中按照式(12)、式(13)、式(25)、式(26)進(jìn)行編程，計(jì)算出當(dāng)h、l取不同長(zhǎng)度時(shí)，夾持力fG隨擺臂擺動(dòng)角度θ的變化情況如圖5所示。從圖5中可以看出：擺臂處在居中位置時(shí)(θ=0°)，夾持力fG大小隨著氣缸支座間距l(xiāng)逐漸增大而增大；當(dāng)擺臂長(zhǎng)度l相同時(shí)，fG隨著擺臂擺動(dòng)角度θ增大而減小；若h增大，夾持力隨擺動(dòng)角度θ、l變化相對(duì)平緩。

圖5 夾持力變化圖

由于機(jī)械手的擺臂最大擺動(dòng)角度θmax為29.74°(夾片閉合角度)，在θ=29.74°的截面上通過(guò)試選來(lái)確定較優(yōu)的l、h值。若l取值太小時(shí)，兩個(gè)氣缸之間的夾角太小，受摩擦阻力影響，擺臂在中間位置停止時(shí)不準(zhǔn)確，故l取值不宜太??；為方便機(jī)械手運(yùn)動(dòng)靈活，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)又不宜過(guò)大，且質(zhì)量要輕，故在滿(mǎn)足夾持力與擺動(dòng)位置準(zhǔn)確的情況下，選定l=130mm、h=130mm。此時(shí)，夾持力fG的變化曲線如圖6所示。

圖6 fG-θ圖

當(dāng)擺臂擺動(dòng)到接近29.74°時(shí)，夾持力約為23N。考慮到機(jī)械手在工作過(guò)程時(shí)前、后滑桿與支座之間有摩擦，且在夾片上有附膠緩沖，故認(rèn)為此驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的。

6 結(jié)論

1) 通過(guò)采用互成角度的兩個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)擺臂完成3個(gè)位置的變換，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手取苗動(dòng)作的自動(dòng)操作，達(dá)到啟動(dòng)迅速、夾苗力適當(dāng)?shù)哪康摹?/p>

2)利用擠壓實(shí)驗(yàn)獲得了穴盤(pán)苗莖稈能夠承受的擠壓力極限為25N，為設(shè)計(jì)夾持取苗機(jī)械手提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

3)通過(guò)分析計(jì)算，確定夾持取苗驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中l(wèi)=130mm、h=130mm時(shí)為較優(yōu)的長(zhǎng)度，此時(shí)夾持力約為23N，不傷害穴盤(pán)苗莖稈。

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The Driving and Optimization for Double-cylinders Three-position Pick Seedlings Manipulator

Han Changjie, Guo Hui, Yang Wanzhang, Zhang Jing

Pick seedling manipulator is the key part of automatic transplanter, and the drive method of pick seedling manipulator is the premise for automatic transplanter. A double-cylinder 3-position driving structure is designed to let the parallel-grip-type pick seedling manipulator automatically work, the gripping force base on the plug seedlings stem withstand test, the press is no more than 25N. The manipulator arm can be controlled to stop in the middle position accurately for pick and drop the seedling, and it is fast move to other side at the beginning of moving derived by double cylinders, seedlings were moderately griped at the end of moving , the gripping force is corresponding to the position of cylinders’ base position. it is determine that the length oflis 130mm andhis 130mm after calculation and analysis,l,hand the arm (60mm length) formed a Y-shape structure, in this condition the gripping force is no more than 23N between the parallel Clamps, so this type of pick seedlings manipulator can be use to pick seedlings and do not hurt the seedlings.

automatic transplanting; take seedling manipulator; parallel clamps; plug seedlings

2016-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51565059，50905153)；新疆維吾爾族自治區(qū)高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃項(xiàng)目(201211117)

韓長(zhǎng)杰(1980-)，男，河南遂平人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)hcj_627@163.com。

S223.92

A

1003-188X(2017)02-0017-05