基于運動系數農業采摘可調六連桿機構運動分析及結構修正

張凱

鄭州旅游職業學院機電工程系,河南鄭州450009

基于運動系數農業采摘可調六連桿機構運動分析及結構修正

張凱

鄭州旅游職業學院機電工程系,河南鄭州450009

為了研究農業采摘可調節六連桿機構的運動特性，通過考慮自變量計算運動系數的方法結合連桿運動輸入參數，建立可調控制連桿位置的六連桿機構的運動模型。研究結果表明：通過使用引入自變量的方法提高模型計算效率，建立運動系數與自變量之間關系和建立運動系數與輸入參數之間關系；通過對六連桿機構參數修正后控制連桿的運動范圍和輸出端角度較修正前得到提高，模型整體控制能力得到提高。

農業采摘機構;運動系數;可調六連桿;結構修正

1　引言

目前調速傳動機構主要包括行星齒輪系統，可調帶傳動系統，粘液傳動系統，但由于存在機械制造成、維護成本高，空間布置難度大，而使用連桿機構作為調速機構可以減小設計難度，并適用高速工況。可調六連桿模型，具體詳見圖1是在StephensonIII連桿基礎上結合控制連桿的模型,連桿2為輸入連桿，輸出連桿為連桿6，控制連桿為7，連接連桿為4，這里輸入連桿恒定輸入穩定轉速，通過調整位置點P來控制系統狀態，達到控制目標。近年來，國內外眾多學者均對農業用途機構進行了運動學分析以及試驗[1,2]，得到了多連桿機構的運動規律以及機械臂的一些相關運動特性[3,4]，為連桿及機械臂技術的發展提供了相關的參考[5]。本文通過考慮自變量計算運動系數的方法結合連桿運動輸入參數，解耦模型位置方程，建立可調控制連桿位置的六連桿機構的運動模型。

圖1　可調六連桿模型圖Fig.1Adjustable six-bars linkage mechanism model

2　農業采摘可調六連桿機構運動模型建立

圖2　可調六連桿矢量圖Fig.2Adjustable six-bars linkage mechanism vector

兩個自由閉環連桿矢量方程公式（1）（2）可以寫為：

這里公式（1）（2）中每一矢量的第一個符號表示大小，第二個符號表示矢量方向，對于已知數量用符號^表示，未知數量用？表示，自變量用I表示，約束參數用C表示。

使用克萊默法則，第一階運動系數可以寫為：

3　農業采摘可調六連桿機構數值分析及模型修正研究

表1　機構模型參數表Table 1 Mechanism model parameters

基于上述理論模型，根據圖2模型及表1參數對六連桿機構進行數值分析，這里，之間角度分別為179,252,210，。通過理論計算后修正后的模型如圖3所示，控制連桿長度為17.02 cm，角度為196.2控制連桿的長度和位置有約束公式限定。

圖3　修正后的模型圖Fig.3 Redesign model

圖4　連桿3在完整周期位移變化圖Fig.4 Linkage 3 complete cycle displacement

圖4為連桿3在輸入完整周期動力后的變化情況，圖中紅線表示約束位置，三條曲線相交位置即為連桿3運動方向轉換位置，對應的輸入連桿轉角位。

將點P位置移動至D處后，在輸入連桿完整主動一周期后連桿4,5角度變化如圖5所示。

圖5　連桿4,5在完整周期角度變化圖Fig.5 Linkage 4,5 complete cycle angle

圖6　點B在軌跡上曲率半徑變化圖Fig.6 The radius of curvature of the point B in track

分析圖6點B在軌跡上曲率半徑變化趨勢后發現，半徑恒定為35，且曲線的變化在θ2=71，位置處并不連續，這是由于耦合連桿4轉動時存在兩個方向改變點。

圖7為修正后點B運動軌跡曲率中心變化曲線圖，在X軸方向曲率中心的變化范圍大于Y軸方向變化范圍，且為恒定變化。

圖7　修正后點B運動軌跡曲率中心變化曲線圖Fig.7PointBchangesthetrajectorycurvatureafterredesign

圖8　修正前后機構連桿6運動角度的變化曲線圖Fig.8Linkage6movementanglebefore/afterredesign

圖8比較在控制連桿運動角度范圍內，修正前后機構連桿6運動角度的變化區間變化情況，發現修正后控制連桿7的變化區間明顯增大（從增加至），連桿6的最大變化區間也較修正前增大。

4　結論

以上通過考慮自變量計算運動系數的方法結合連桿運動輸入參數，解耦模型位置方程，建立可調控制連桿位置的六連桿機構的運動模型，并根據實際計算參數對六連桿模型進行修正并分析修正后模型運動規律：

（1）通過使用引入自變量的方法可以將4x4的矩陣轉化為2x2的矩陣，提高模型計算效率；

（2）建立運動系數與自變量之間關系和建立運動系數與輸入參數之間關系為后續模型參數的修正提供依據；

（3）通過對六連桿機構參數修正，分析得到行模型中連桿4與連桿5的運動情況完全一致，耦合點B處的運動軌跡的曲率半徑和曲率中心較修正前轉變為常數變化，修正后控制連桿的運動范圍和輸出端角度較修正前得到提高，模型整體控制能力得到提高。

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[5]Gordon R P,Al I.Kinematic analysis and synthesis of an adjustable six-bar linkage[J].Mechanism and Machine Theory,2009,44:306-323

The Analysis and Structural Modification of the Adjustable Six-bars Linkage Mechanism for Agricultural Picking Base on the Kinematic Coefficient

ZHANG Kai
Department of Electromechanical and Engineering,Zhengzhou Tourism College,Zhengzhou 450009,China

To further study the motion characteristics of the adjustable six-bars linkage mechanism for the agricultural picking,this paper established the six-bars model that can be adjustable site by considering the movement argument binding link motion input parameter.The results showed that it established the relationships of the movement coefficient and the argument and input parameter by using the method of drawing into argument to improve the efficiency of the calculation model.The control rod and the output of the angle correction was improved compared to the model improved the overall control after the six-bars mechanism by parameter correction.

Agriculture picking mechanism;kinematic coefficients;adjustable six-bars linkage;structural modification

TH124

A

1000-2324(2015)02-0256-03

2013-05-23

2013--06-03

張凱(1980-),男,河南鄭州人,講師,碩士,主要從事機械設計制造、智能控制方向的研究.