基于ADAMS的缽苗移栽機械手設計及運動仿真

鐘興　王艷莉

摘要：利用UG三維建模軟件建立了缽苗移栽機的實體模型，利用接口軟件將模型導入仿真軟件ADAMS中，建立虛擬樣機模型，對其進行運動學仿真，實現了模型順序動作的運動過程仿真。經樣機試驗證明，設計的模型能穩定可靠地沿著設計的軌跡運動，因此該設計方案是正確可行的；同時，也說明了虛擬樣機在產品開發中的重要作用，為全自動缽苗移栽機的設計和制造奠定了基礎。

關鍵詞： 缽苗；虛擬樣機；UG；機械手

中圖分類號：S223.92 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）08-308-03

苗缽育苗具有出苗率高、整齊度好、移栽后緩苗期短、病蟲害少、省工、省時等優點，代表了育苗技術的發展方向。目前，國內缽苗移栽主要靠手工完成，勞動強度大，作業效率低，難以實現大面積移栽，僅有少量的半自動移栽機可用于缽苗移栽，但是半自動移栽機每行需要配備1人來喂苗，輔助用工多，作業效率低，不能滿足規模化生產的需要。全自動移栽機能夠很好地解決勞動力不足、作業效率低下等問題，對解放勞動力、提高移栽質量和效率具有重要的意義。因此應用UG軟件對全自動缽苗移栽機取苗機的關鍵機構機械手進行了設計。該設計應用參數化建模， 應用機械系統動力學仿真軟件ADAMS構建其三維運動仿真模型，并對移栽機進行了仿真試驗，分析得出主體結構的速度、加速度和位移曲線，實現了移栽速度為10個/min的設計目標。

1 移栽機械手結構與工作原理

1.1 移栽機械手結構 缽苗移栽機械手結構如圖1所示，由伸縮氣缸、取苗爪、直角件、連接元件1、連接元件2、旋轉氣缸、升降氣缸等組成。

土壤對取苗針有粘附和摩擦作用，摩擦因數在0.6～1.2之間，根據自鎖原理，取苗針與水平面成30°～45°的方向插入苗缽，可以保證缽苗不滑落，這樣的設計結構簡單緊湊，可提高機械手抓取的適應性，對不同的缽苗抓取效率高，不傷苗。

圖2為機械手臂示意圖。取苗爪是由4塊鋁合金板連接而成的矩形殼體，用來固定取苗針，完成退苗及投苗動作。取苗爪下方的矩形孔保證缽苗能夠順利落下，完成投苗動作。

取苗爪的最關鍵部位是手指前端的取苗針，取苗針插入苗缽，既能輕松便捷地插入苗缽能順利把幼苗取出苗缽，還不會損傷幼苗的根和葉，可保證幼苗的完整，使得幼苗的移栽成活率大大提高。由于缽苗基質的深度大約有80 mm，針只需插入基質40～50 mm深處，所以針的長度設計成60～80 mm即可，取苗針的三維建模如圖3所示。

由于考慮到機械手臂在旋轉氣缸的帶動下，會有一個很大的沖擊力，使得機械手臂在運動過程中產生晃動，所以經過反復試驗研究，將該底座設計成由1塊連接板和2個氣缸支柱組成，底座與移栽機相連接用螺母固定，2根支柱與旋轉氣缸相連接，起到固定和支撐整個機械臂的作用，這樣就減少了機械手臂的晃動，從而使得取苗時手臂運動的更加平穩，同時一板2支柱的結構保證了機械手旋轉時的剛度和穩定性，起到很好地止轉作用，極大地增加了取苗的成功率，和很好地防止了運動過程中因為抖動而造成的缽苗脫落，傷到幼苗。

1.2 移栽機工作原理 機械手由伸縮氣缸、升降氣缸、旋轉氣缸按順序依次驅動，以實現手臂的順序運動，完成從苗缽中取苗、帶苗至投苗位置、投苗等動作。一次移栽共需6個動作，每個動作工作順序如圖4所示。由圖4可知，機械手完成移栽動作累計單次動作循環時間為6 s，可實現移栽速度為10個/min的設計目標。在取苗和投苗2個動作過程中，取苗爪要保證及時進行夾緊和松開動作。同時，考慮到缽苗的柔嫩性，取苗爪在取苗和放苗時，要保證盡量不傷害苗，不影響苗的生長。

2 移栽運動仿真

2.1 仿真模型的建立 缽苗移栽機械手模型虛擬設計是當前機械工程研究領域中重要的研究手段之一，在農業機械設計中已獲得廣泛應用。將應用 UG構建的缽苗自動移栽機械手的三維實體模型（圖1）導入ADAMS進行仿真設計，取坐標原點設置在底座中心，鉛垂向上為Z向，同時調整取苗機構上行50 mm，建立仿真模型（圖5）。根據采摘機構中各構件之間的約束及相對運動關系，對導入的零部件施加約束和驅動。

3 仿真結果與分析

仿真步驟多，可以提高仿真的穩定性，但會使得計算量變大，仿真速度變慢；仿真步驟少，可減少仿真的計算量，但測得的數值可能誤差較大。根據案例選6 s仿真時長，設置仿真步數為48步，即在1 s內采樣個數據點，控制在誤差允許的范圍之內。同時，設置材料為鋁，并修改其接觸參數，包括接觸剛度、阻尼系數、磨擦系數等相關參數，以適應設計要求。

仿真后輸出的取苗機械手臂（藍色）和取苗針（紅色）的位移曲線（圖6）、加速度曲線（圖7）和速度曲線（圖8）。從位移曲線和加速度曲線可看出，取苗機械針在位移的拐點處，速度變化很快（加速度較大），會產生沖擊，因此，對取苗針的剛度和強度有較高要求。

由速度曲線可知，啟動時轉速急劇增加， 之后轉速趨于穩定， 由于是3個氣缸獨立的直接驅動， 整機產生的沖擊和振動較小，系統基本上保持平穩運轉狀態。取苗針速度平均值為24.8 mm/s，取苗機械手平均轉速為179.5°/s，升降平均速度為99.6 mm/s。該數據與理論值有一定偏差， 但都在設計誤差范圍內， 說明結構設計符合設計要求。

4 樣機試驗驗證

經樣機試驗測得，樣機（圖9）移栽缽苗的一個動作循環是6.12 s（理論值是6 s），即在1 min內實現了10個循環，并且穩定可靠地完成了取苗、帶苗、投苗等動作，完成了設計任務。圖10為樣機起苗過程。

5 小結

通過ADAMS軟件建立了移栽機械手的動力學系統的仿真模型， 并詳細分析了取苗機械手移栽過程的運動情況，并對取苗機械手臂和取苗針的合位移、合速度、合加速度進行了仿真分析。分析結果顯示手臂和取苗針都能滿足移栽運動軌跡要求。該設計方案采用3個氣缸獨立的直接驅動手臂的升降旋轉動作和取苗針的伸縮動作，這對實現機構運動的平順性和減震很有利，對缽苗移栽機的設計和改進有一定地幫助。通過樣機試驗證明，移栽過程無漏苗現象，且對缽苗根部損傷很小，工作可靠，運行穩定，對基于實體仿真模型的產品開發有很好地指導作用。

參考文獻

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