黎寧慧,薛金林,丁蘭英,張 煒,康 敏

南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,江蘇 南京 210031

種植業(yè)占我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的一半以上，移栽是種植業(yè)中極其重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，目前我國(guó)旱地作物的移栽作業(yè)多采用人工移栽的方式，由于農(nóng)村從業(yè)人員外出就業(yè)比例的增多以及整體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，實(shí)際勞動(dòng)力成本已明顯高于機(jī)械化作業(yè)，因此，發(fā)展自動(dòng)化、機(jī)械化移栽并提高其移栽效率勢(shì)在必行[1]。旱地移栽機(jī)是主要針對(duì)玉米、棉花、包菜等旱地作物移栽的農(nóng)業(yè)裝備，能夠代替人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、半自動(dòng)移栽工作，已經(jīng)在我國(guó)不同地域區(qū)塊得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[2]。

栽植機(jī)構(gòu)作為旱地移栽機(jī)上的重要組成部件，根據(jù)其結(jié)構(gòu)類(lèi)型，可以將移栽機(jī)分為吊籃式、撓性圓盤(pán)式、鏈夾式[3-5]等多種，目前常見(jiàn)的栽植機(jī)構(gòu)存在穩(wěn)定性差、工作效率低、準(zhǔn)確性低等缺點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)一種多桿式平行桿組栽植機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)栽植鴨嘴的平動(dòng)，提升栽植機(jī)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，并通過(guò)多桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)保證整體運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性。針對(duì)多桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較為困難的問(wèn)題，本文采用ADAMS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析[6-9]，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)理念開(kāi)發(fā)用于參數(shù)化設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面，利用人機(jī)交互界面設(shè)定并調(diào)整栽植機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終可以得到符合設(shè)計(jì)目標(biāo)的多桿式平行桿組栽植機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。此方法便于對(duì)多桿式平行桿組栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為多桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法提供了新思路，開(kāi)辟了新道路。

1 多桿式栽植機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作原理

多桿式栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要由鴨嘴組件和平行桿組兩部分組成。

圖1 多桿式平行桿組栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of multi-linkage parallel bar group transplanting mechanism

鴨嘴組件主要由左栽植鴨嘴、右栽植鴨嘴、直線(xiàn)推桿、銷(xiāo)釘?shù)葮?gòu)件組成，其中桿IJ與直線(xiàn)推桿電機(jī)控制栽植鴨嘴的張合，其簡(jiǎn)化模型為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，I點(diǎn)定位銷(xiāo)固定于右栽植鴨嘴上，同時(shí)通過(guò)滑槽與左栽植鴨嘴連接，當(dāng)直線(xiàn)推桿電機(jī)推桿伸出時(shí)，推動(dòng)桿IJ運(yùn)動(dòng)，I點(diǎn)上升，兩片鴨嘴打開(kāi)，當(dāng)推桿收縮時(shí)，兩片鴨嘴閉合。

平行桿組作為栽植機(jī)構(gòu)中的傳動(dòng)部分，通過(guò)多個(gè)連桿帶動(dòng)鴨嘴按照既定軌跡精確運(yùn)動(dòng)，其整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型為平行四桿機(jī)構(gòu)，其中桿AB與桿EF平行且相等，桿BCD與桿FHK平行且相等，桿CG與桿HL平行且相等，而AE、BF、GL、CH、DK分別平行且相等，整體構(gòu)成平行四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鴨嘴的平動(dòng)，D、K點(diǎn)處裝有銷(xiāo)軸，分別與鴨嘴支撐架及左、右栽植鴨嘴連接，桿GC作為原動(dòng)件，通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針?lè)较虻膭蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

工作時(shí)，平行桿組與鴨嘴實(shí)現(xiàn)節(jié)拍配合，當(dāng)平行桿組帶動(dòng)鴨嘴從最高點(diǎn)投苗點(diǎn)到達(dá)最低點(diǎn)栽植點(diǎn)時(shí)，鴨嘴打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)栽植；當(dāng)平行桿組帶鴨嘴上升離開(kāi)栽植點(diǎn)時(shí)，鴨嘴閉合，到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行人工手動(dòng)投苗，以此完成一個(gè)工作周期。

2 多桿式栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為了研究多桿式栽植機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用解析法對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[10]，建立機(jī)構(gòu)的封閉矢量位置方程式，以原動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)角度和各個(gè)桿件長(zhǎng)度為已知量求得各個(gè)桿件轉(zhuǎn)角等未知量，推導(dǎo)出關(guān)鍵點(diǎn)鴨嘴尖端的位置坐標(biāo)即得知其位移規(guī)律，通過(guò)進(jìn)一步求導(dǎo)可得到其速度、加速度規(guī)律。該多桿式栽植機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Kinematic diagram of mechanism

以G點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，其中原動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，機(jī)組前進(jìn)速度方向即多桿式栽植機(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)方向向左。多桿機(jī)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 多桿機(jī)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of multi-linkage mechanism

若θ1、α、β、h、L1至L6為已知量，由矢量封閉圖形GCAB可得封閉矢量方程為：

將式（1）向兩坐標(biāo)軸投影，即可得：

為了求得θ2，將方程組（2）整理并簡(jiǎn)化為：

式中：

解之可得：

通過(guò)式（4），可得到θ2。

C點(diǎn)位移方程為：

則D點(diǎn)位移方程為：

K點(diǎn)位移方程為：

而M點(diǎn)位于鴨嘴中心線(xiàn)上，其位移方程為：

綜合式（1）～（8）可求得鴨嘴尖端M的位移方程，將其對(duì)時(shí)間分別求一階及二階導(dǎo)數(shù)可得到鴨嘴尖端M的速度及加速度方程。

3 多桿式栽植機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 多桿式栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型的建立

由于采用傳統(tǒng)計(jì)算手段完成多桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為困難，計(jì)算量過(guò)大，效率低[11]，若采用計(jì)算機(jī)輔助完成多桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)，能夠極大提高設(shè)計(jì)效率，并較易從數(shù)值分析角度驗(yàn)證機(jī)構(gòu)性能。因此本文根據(jù)所建運(yùn)動(dòng)學(xué)模型利用ADAMS軟件建立多桿式栽植機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，以便隨時(shí)調(diào)整有關(guān)參數(shù)來(lái)觀察栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（1）變量設(shè)計(jì)：參考《平面連桿曲線(xiàn)圖譜》和所建的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，最后選定6個(gè)桿長(zhǎng)參數(shù)和1個(gè)角度參數(shù)及其相應(yīng)變化范圍，具體參數(shù)信息如表2所示。

表2 參數(shù)信息表Table 2 Parameter information table

（2）參數(shù)化模型建立：利用Bodies中的LINKS及PLATE根據(jù)對(duì)應(yīng)變量參數(shù)，建立相應(yīng)參數(shù)化模型，其中各桿寬度設(shè)為10 mm，厚度為5 mm，L1至L6桿長(zhǎng)分別設(shè)置為對(duì)應(yīng)變量DV_l1到DV_l6，而DV_a角度變量通過(guò)E點(diǎn)坐標(biāo)引入，即將E點(diǎn)X坐標(biāo)設(shè)置為DV_l4*cos(DV_a)，Y坐標(biāo)設(shè)置為DV_l4*sin(DV_a)，最后建立完成的多桿機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。

（3）驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)副添加：使用Bodies中的PLANE代替地面建立模型，為了便于參數(shù)化設(shè)計(jì)，采用虛擬裝配方式建立運(yùn)動(dòng)副連接，即在各個(gè)桿件鉸接MARKER點(diǎn)處建立對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)副，同時(shí)對(duì)代替地面的平面添加水平移動(dòng)副。最后，對(duì)平面添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，對(duì)桿GC添加轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，完成虛擬樣機(jī)參數(shù)化模型的建立。

3.2 人機(jī)交互界面開(kāi)發(fā)

為了方便地修改參數(shù)化模型中的各個(gè)參數(shù)變量，實(shí)時(shí)地對(duì)該栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真試驗(yàn)，利用ADAMS軟件的二次開(kāi)發(fā)功能開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面，如圖4所示。

人機(jī)交互界面中信息欄左邊顯示的是信息欄里數(shù)值所代表含義，右邊是數(shù)值的單位，通過(guò)改變信息欄的數(shù)值可實(shí)現(xiàn)桿組尺寸（L1至L6）、機(jī)組前進(jìn)速度（Forward velocity）、原動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（Rotational velocity）、機(jī)架定位角（Orientation angle）的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。界面左上角顯示的是該多桿機(jī)構(gòu)模型示意圖，圖下方的四個(gè)按鈕分別點(diǎn)擊可以實(shí)現(xiàn)這些功能：虛擬樣機(jī)裝配（Assemble）、虛擬樣機(jī)動(dòng)作（Take action）、繪制靜態(tài)軌跡（Draw static curve）、繪制動(dòng)態(tài)軌跡（Draw dynamic curve）。

虛擬樣機(jī)模型構(gòu)件尺寸根據(jù)所設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，并完成虛擬裝配，虛擬樣機(jī)模型經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)可實(shí)時(shí)地仿真出栽植鴨嘴的靜態(tài)軌跡和動(dòng)態(tài)軌跡。

圖3 多桿機(jī)構(gòu)模型Fig.3 Model of multi-linkage mechanism

圖4 人機(jī)交互界面Fig.4 Human machine interface

4 機(jī)構(gòu)虛擬試驗(yàn)及栽植軌跡分析

4.1 機(jī)構(gòu)虛擬試驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料和所設(shè)計(jì)栽植機(jī)構(gòu)的性能需求，設(shè)定栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

（1）移栽機(jī)栽植效率：50～70株/min；

（2）秧苗株距要求：400～650 mm；

（3）秧苗栽植深度：40～60 mm；

（4）栽植投苗入土至出土水平分速度接近于0，且入土點(diǎn)、放苗點(diǎn)和出土點(diǎn)的水平位移為0；

（5）秧苗栽植后的直立度良好。

栽植鴨嘴的靜態(tài)軌跡特性、動(dòng)態(tài)軌跡特性、栽植軌跡最低端鴨嘴尖端的水平分速度和加速度是考查多桿式栽植機(jī)構(gòu)性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)人機(jī)交互界面上參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行栽植機(jī)構(gòu)的虛擬運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，每設(shè)定一組參數(shù)可以得到一組鴨嘴的靜、動(dòng)態(tài)軌跡和鴨嘴尖端的位移、速度、加速度規(guī)律曲線(xiàn)圖，從靜、動(dòng)態(tài)軌跡圖和鴨嘴尖端規(guī)律曲線(xiàn)圖可觀察到該組參數(shù)下栽植機(jī)構(gòu)各指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)判斷此組參數(shù)的優(yōu)劣并根據(jù)幾組參數(shù)間的變化趨勢(shì)調(diào)整參數(shù)的數(shù)值，重復(fù)此過(guò)程最終得到一組較優(yōu)的參數(shù)：原動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為300°/s，機(jī)組前進(jìn)速度為520 mm/s時(shí)，機(jī)架定位角度為42°，L1桿長(zhǎng)為120 mm，L2桿長(zhǎng)為242 mm，L3桿長(zhǎng)為180 mm，L4桿長(zhǎng)為300 mm，L5桿長(zhǎng)為80 mm，L6距離為120 mm。

4.2 栽植鴨嘴靜、動(dòng)態(tài)軌跡特性分析

該組較優(yōu)參數(shù)下，栽植鴨嘴的靜、動(dòng)態(tài)軌跡分別如圖5和圖6所示。當(dāng)原動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為300°/s時(shí)，移栽機(jī)栽植效率為50株/min。栽植鴨嘴的靜態(tài)軌跡配合機(jī)組前進(jìn)速度520 mm/s可得到動(dòng)態(tài)軌跡圖，如圖6所示。由圖6可知，這時(shí)秧苗的栽植深度為60 mm，秧苗株距為624 mm，且出、入土動(dòng)態(tài)軌跡與水平地面基本垂直，即能保證一定直立度，整體移栽軌跡平滑，可滿(mǎn)足栽植要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該組設(shè)計(jì)變量參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，對(duì)栽植鴨嘴的尖端進(jìn)行位移、水平速度、加速度的仿真分析[12]，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖5 靜態(tài)軌跡圖Fig.5The static track

圖6 動(dòng)態(tài)軌跡圖Fig.6The dynamic track

圖7 位移、水平速度、加速度圖線(xiàn)Fig.7Graphs of displacement,horizontal velocity and acceleration

圖7中的位移是栽植鴨嘴尖端隨著時(shí)間變化相對(duì)于地面的位移，位置I是位移的峰值點(diǎn)也是人工投苗點(diǎn)，隨著位移從位置I運(yùn)動(dòng)到位置II，鴨嘴向地面運(yùn)動(dòng)，鴨嘴尖端的水平分速度絕對(duì)值從1.1 m/s逐漸減小，加速度絕對(duì)值也在較小的范圍（0.5 m/s2至2 m/s2）內(nèi)變化；到達(dá)位置II時(shí)，鴨嘴尖端達(dá)到最低點(diǎn)栽植點(diǎn)，此時(shí)鴨嘴尖端的水平分速度絕對(duì)值為0.04 m/s接近于0，加速度也較小；在位置II附近鴨嘴尖端的水平分速度也基本保持接近于0，結(jié)合圖6可見(jiàn)，在垂直方向位移約為-320 mm時(shí)出土點(diǎn)與入土點(diǎn)重合，位置II栽植點(diǎn)的水平方向位置坐標(biāo)與出土點(diǎn)和入土點(diǎn)相同，即栽植鴨嘴從入土到出土這一過(guò)程在水平方向上的絕對(duì)位移量趨于0，充分地保證了零速移栽的作業(yè)要求。

綜合以上栽植鴨嘴的靜、動(dòng)態(tài)軌跡特性分析及鴨嘴尖端的位移、速度、加速度仿真結(jié)果分析，該組參數(shù)能夠很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)一種具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)的多桿式栽植機(jī)構(gòu)，建立該多桿式栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為栽植鴨嘴尖端的動(dòng)態(tài)特性分析提供理論依據(jù)；

（2）建立該栽植機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)參數(shù)化模型，開(kāi)發(fā)便于參數(shù)化設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面，通過(guò)界面上參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行多桿式栽植機(jī)構(gòu)的仿真分析。此方法便于對(duì)多桿式平行桿組栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為多桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法提供了新思路；

（3）通過(guò)ADAMS軟件進(jìn)行輔助虛擬試驗(yàn)，通過(guò)分析栽植靜、動(dòng)態(tài)軌跡，得出一組較為合理的栽植機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)參數(shù)，并通過(guò)仿真分析栽植鴨嘴尖端的位移、速度、加速度規(guī)律，可知鴨嘴到達(dá)運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)時(shí)水平分速度約為0.04 m/s、加速度也較小，從而進(jìn)一步驗(yàn)證該組參數(shù)的合理性，仿真結(jié)果表明該組參數(shù)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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