振動盤式精密播種機調水平并聯機構精度研究

龔智強，陳　進，李耀明，趙　湛

(1.巢湖學院 機械與電子工程學院，合肥　238000；2.江蘇大學 a.機械工程學院；b.農業裝備工程學院，江蘇 鎮江　212013)

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振動盤式精密播種機調水平并聯機構精度研究

龔智強1，陳進2a，李耀明2b，趙湛2b

(1.巢湖學院 機械與電子工程學院，合肥238000；2.江蘇大學 a.機械工程學院；b.農業裝備工程學院，江蘇 鎮江212013)

摘要：為滿足氣吸振動盤式播種機精密播種的需求，運用離散元分析軟件EDEM模擬種盤傾斜狀況下種群運動，研究水平度對種群運動的影響程度，得出田間育苗過程中播種機調水平機構的調節精度要求，使用調水平并聯機構實現播種機振動種盤調水平操作。同時，通過對機構運動學關系式進行全微分求解，獲得機構精度模型，繪制機構精度與驅動副的運動誤差、構件結構參數誤差的關系曲線，為該調水平機構設計與誤差補償提供理論依據。

關鍵詞：播種機；水平調節；并聯機構；精度分析

0引言

田間育苗氣吸振動盤式精密播種機利用種盤振動使種子群形成“準流體”,減少種子相互內摩擦力，以便氣力吸種部件完成精密播種[1-3]。針對播種機在田間行走導軌上工作可能出現振動種盤有一定傾斜角度的問題，基于并聯機構，設計了一種調水平機構[4]。通過水平調節使得播種機振動種盤在播種過程中保持近水平狀態下振動，以滿足振動種盤中種群均勻分布的要求。播種機調水平并聯機構的調節精度是一個重要指標[5-6]，機械零部件加工制造和裝配過程中產生的機械結構參數誤差、運動副誤差等都與機構輸出精度相關，它將影響精密播種機的整體工作性能。

為滿足播種機精密播種的需求，運用離散元分析軟件EDEM模擬種盤傾斜狀況下種群運動[7-8]，研究水平度對種群運動的影響程度，得出田間育苗過程中播種機調水平機構的調節精度要求。采用調水平并聯機構實現播種機振動種盤水平度調水平的操作，實現兩個方向角度調節的要求[4]。根據機構學理論得到機構位置關系，通過對機構位置關系式進行全微分推導機構精度模型，繪制機構精度與驅動副的運動誤差、構件結構參數誤差的關系曲線，為該調水平機構設計與誤差補償提供依據。

1設計原理及種群離散元仿真

氣吸振動盤式精密播種機如圖1所示。

1.機架　2.振動種盤系統　3.吸種盤

調水平并聯機構由靜平臺、動平臺，以及三支鏈AB、EDC、HGF組成，具體結構參數如圖2所示。并聯機構的靜平臺與行走底盤相固連，動平臺與播種機機架下底板相固連。

根據研究，該并聯機構的自由度為3，動平臺的自由運動為沿z軸的移動、繞與x軸平行軸線的轉動和繞BC軸線的轉動，具有3個自由度。

種盤做上下振動，種子被上下拋鄭，種子群做“沸騰”運動[1-3]。為研究種盤水平度對種群運動的影響程度，應用離散元軟件EDEM仿真模擬種盤傾斜角度狀態種群空間均勻分布規律，得出田間育苗過程中播種機調水平機構的調節精度要求。播種時，種盤做簡諧運動，振幅A=4mm，振動頻率f=11Hz，運動方程為S=Asinwt。種盤基礎物理特性參數為泊松比0.28、剪切模量80GPa、密度7 850kg/m3、種盤與種子間恢復系數0.5、靜摩擦因數0.34、滾動摩擦因數0.01。模擬種盤傾斜角度0°、0.2°、0.5°、0.8°、1.1°狀態下種群運動規律，得出100s時種群分布畫面，如圖3所示。

圖2　調水平并聯機構結構圖

圖3　種盤傾斜狀態種群運動仿真

由圖3可知：隨著種盤傾斜角度的增加，種群發生聚集偏移的程度越嚴重。當種盤傾斜角度大于0.8°時，種群聚集偏移致吸種盤高位處吸孔正下方位置無種子的時間變短，種群聚集偏移運動將導致吸種盤盤面種群分布集聚，導致播種空穴率的增加，使播種精度無法保證。

2并聯機構運動學及解耦性分析

2.1　并聯機構運動學

根據機構學理論求解，得出并聯機構輸入與輸出的位置關系表達式[6,9]為

Zd=P1

(1)

(2)

(3)

2.2　機構解耦性分析

機構控制解耦性程度越高，運動學與動力學復雜程度越低，也越利于控制。根據機構運動輸出—輸入之間的控制解耦性原理[6,10]，機構運動學關系式為Zd=f1(P1)，α=f2(P1,P2)，β=f3(P1,P3)，動平臺輸出量Zd、α、β為部分輸入的函數，得出該機構是部分控制解耦機構，選擇P1、P2、P3為驅動副。

3并聯機構精度分析

對機構運動學關系式(1)～式(3)進行全微分，可得

dZd=dP1

(4)

={[(P2-P1)-lBCsinα]dP1+

[lBCsinα+(P1-P2)]dP2)-

(5)

(6)

寫成矩陣表達形式，則

(7)

雅可比矩陣為

(lBCsinα+P1-P2)[2P3-2P1-

(9)

機構奇異位姿與機構的位姿及結構參數有關，與其運動參數無關[6,9]。為避免發生奇異，并聯機構設計時保證關系式(9)不成立。

從全微分方程式(4)～式(6)可以看出：3個驅動副P1~P3的誤差及各構件結構參數的誤差都將影響動平臺的輸出精度。動平臺Z軸方向移動誤差dZd只取決于驅動副P1的移動誤差dP1。動平臺繞x軸轉動角度誤差dα與驅動副誤差dP1、dP2和構件結構參數誤差dK、dlBC、dlDC有關。動平臺繞y軸轉動角度誤差dβ與驅動副誤差dP1、dP3和動平臺繞x軸轉動角度誤差dα及構件結構參數誤差dm、dlBC、dlFG有關。

4算例分析

水平調節機構參數：K=500mm，m=500mm，lBC=480mm，lDC=75mm，lFG=265mm。當驅動副的位置為P1=150 mm、P2=86.11 mm、P3=79.79mm時，動平臺位姿為Zd=150mm、α=1°、β=0°。

1)當構件誤差為dlBC=0.1mm、dlDC=0.1mm、dlFG=0.1mm、dk=0mm、dm=0mm，驅動誤差dP1、dP2、dP3分別為-0.1～0.1mm時，機構的輸出誤差如圖4所示。

2)當驅動誤差為dP1=0.1mm、dP2=0.1mm、dP3=0.1mm，構件誤差為dk=0、dm=0，dlBC、dlDC、dlFG分別為-0.1～0.1 mm時，得到的輸出誤差曲線如圖5所示。

3)當驅動誤差dP1、dP2、dP3同時在-0.1～0.1mm之間變化時，由關系式(4)～(6)可得輸出誤差的最大值為：dZd=0.1mm，dα=0.039°，dβ=0.071°。當驅動誤差dlBC、dlDC、dlFG同時在-0.1～0.1mm之間變化時，可得輸出誤差的最大值為：dZd=0.1mm，dα=0.015°，dβ=0.070°。當驅動誤差dP1、dP2、dP3、dlBC、dlDC、dlFG同時在-0.1～0.1mm之間變化時，由關系式(4)～式(6)可得輸出誤差的最大值為：dZd=0.1mm，dα=0.039°，dβ=0.099°

根據離散元分析種群運動對水平度要求和上述機構精度算例結果可知：驅動副的運動誤差和構件結構參數誤差在0.1mm的誤差范圍內時，水平度傾角誤差的最大值為0.099°，可以滿足精度要求下精密播種水平調節機構的驅動副的要求。

1.移動誤差dZd　2.繞x軸轉角誤差dα　3.繞BC軸轉角誤差dβ

1.Z方向的誤差dZd　2.繞x軸的轉角誤差dα　3.繞BC軸轉角誤差dβ

5結論

1)為使調水平機構調水平操作滿足播種機精密播種的需求，運用了離散元分析軟件EDEM模擬種盤傾斜狀況下種群運動，研究水平度對種群運動的影響程度，結果表明：發現隨著種盤傾斜角度的增加，種群發生聚集偏移的時間逐漸減少。根據仿真數據結果可知：傾斜角度越小，對振動種群運動的空間分布均勻性越有利。采用水平調節并聯機構可實現排種裝置振動種盤的水平度調節，從而滿足其近水平振動的要求。

2)根據機構運動學關系式，分析機構輸出—輸入函數關系，結果表明：該并聯機構為部分控制解耦，選擇了P1~P3作為驅動副，得到了機構精度模型。同時，分析了機構輸出精度的影響參數，繪制了輸出精度與驅動副的運動誤差、構件結構參數誤差的關系曲線，得出驅動副的運動誤差和構件結構參數誤差的關系，為調水平機構設計與誤差補償提供理論依據。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0056-EA

Accuracy Research of a Vibration Tray Precision Seeder’s Horizontal Adjustment Parallel Mechanism

Gong Zhiqiang1， Chen Jin2a， Li Yaoming2b, Zhao Zhan2b

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Hefei 238000, China; 2.Jiangsu University a.School of Mechanical Engineering; b.School of Agricultural Equipment Engineering, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：In order to meet the requirements of Vacuum-vibration Tray precision seeder, apply DEM software EDEM to simulate seeds movement under the state of inclining seed plate,study the impact of level degree to seeds movement and include regulation accuracy requirements of seeder adjustment mechanism in the process of field seeding.Achieve seeder’s vibration seed plate horizontal adjustment operation by adjustment parallel mechanism, get mechanism accuracy model by solving total differential to mechanism position relationship, and draw relation curve of mechanism accuracy about kinematic error of drive pair, parameter error of modular structure, which provide a theoretical basis to adjustment mechanism design and error compensation.

Key words：precision seeder；horizontal adjustment；parallel mechanism；accuracy analysis

中圖分類號：S223.2+5；TH112

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0056-04

作者簡介：龔智強(1983-),男，江西宜春人，講師，博士，(E-mail) gzhq2008@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51305169)；安徽省高等學校自然科學研究重點項目(KJ2015A246);巢湖學院博士科研啟動資金項目(KYQD—201403)；巢湖學院校級科研項目(XLY—201403)

收稿日期：2015-09-09