“8形”凸輪整排取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真

唐海洋，曹衛(wèi)彬，趙宏政，馬　瑞，李　華，劉嬌娣

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832003)

?

“8形”凸輪整排取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真

唐海洋，曹衛(wèi)彬，趙宏政，馬瑞，李華，劉嬌娣

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832003)

摘要：針對(duì)目前國內(nèi)旱地移栽機(jī)存在取苗效率和自動(dòng)化程度低等問題，設(shè)計(jì)了一種“8形”凸輪整排取苗機(jī)械手，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。同時(shí)，通過建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)速度與加速度方程，以“8形”凸輪整排取苗機(jī)械手的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，建立取苗機(jī)械手的樣機(jī)模型，使用MatLab和ADAMS求解苗針位移方程進(jìn)行對(duì)比，并在ADAMS下進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性，且對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：移栽機(jī)；取苗機(jī)構(gòu)；“8形”凸輪；MatLab；ADAMS

0引言

取苗機(jī)構(gòu)是缽苗自動(dòng)移栽機(jī)的核心工作部件，決定著移栽的效率和質(zhì)量[1-2]。目前，國內(nèi)推廣使用移栽機(jī)為人工投苗的半自動(dòng)移栽機(jī)， 投苗轉(zhuǎn)杯在軌道上移動(dòng)速度較快，需人工快速取苗并準(zhǔn)確投苗，長時(shí)間重復(fù)以上動(dòng)作，精神高度緊張、眼睛容易疲勞、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且容易出現(xiàn)漏苗及缺苗現(xiàn)象。由于受到人工投苗速度的限制，一般國內(nèi)移栽機(jī)作業(yè)效率只相當(dāng)于人工的5～15倍，而且1臺(tái)2行移栽機(jī)作業(yè)需要司機(jī)1名、2名人員投苗及1～2名輔助人員跟蹤補(bǔ)苗、覆土，增加了移栽成本，因此機(jī)械化作業(yè)綜合效益不明顯。為此，提出了一種“8形”凸輪整排取苗機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗放苗作業(yè)。1臺(tái)移栽機(jī)可以安裝多套取苗機(jī)構(gòu)，提高了單位時(shí)間內(nèi)的取苗效率；機(jī)構(gòu)簡單，機(jī)械故障少，制造成本低。

1基本結(jié)構(gòu)及工作原理

取苗手機(jī)構(gòu)三維模型如圖1所示，機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。當(dāng)取苗機(jī)械手處于圖2所示的狀態(tài)時(shí)，壓板彈簧夾“8型”凸輪處于水平；在此“8型”凸輪的力的作用下，使壓板彈簧夾克服上拉彈簧的作用力下保持水平狀態(tài)，保證壓板彈簧夾的壓板水平壓在楔形滑道彈簧夾的楔形面上，使楔形滑道彈簧夾張開固定的角度。同時(shí)，安裝在上絲杠的取苗叉“8型”凸輪處于垂直狀態(tài)，取苗針頂桿在取苗針“8型”凸輪力的作用下克服頂桿取苗針復(fù)位彈簧作用力，把取苗針插入基質(zhì)；苗針在楔形滑到彈簧夾復(fù)位彈簧的彈簧力作用下對(duì)基質(zhì)由壓縮加固作用；完成以上動(dòng)作后，即可將機(jī)械手提升使苗脫離苗盤進(jìn)行移栽操作。

2取苗手機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型分析

2.1　運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

8形”凸輪固定安裝在上絲杠上，在絲杠的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下，“8形”凸輪轉(zhuǎn)過特定角度，左右兩個(gè)“8形”凸輪旋轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)；苗針在“8形”凸輪長半徑作用下，受到向下的推力作用，使苗針插入基質(zhì)；放苗的時(shí)候，中間“8形”凸輪長半徑旋轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)，楔形彈簧夾在中間“8形”凸輪垂直作用力的推動(dòng)下，繞著各自的旋轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)動(dòng)，使其張開一定的角度并且左右“8形”凸輪長半徑旋轉(zhuǎn)水平狀態(tài)，苗針在復(fù)位彈簧作用力下從基質(zhì)中抽出，苗可以從苗針脫落。在取苗和放苗的過程中，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是間歇的運(yùn)動(dòng)。為了研究取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在此采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)替代“8形”凸輪的工作過程，曲柄轉(zhuǎn)角為π/2時(shí)和3π/2時(shí)與連桿的尺寸來模擬“8形”凸輪的工作過程中長半徑和短半徑。同時(shí)，把整個(gè)取苗和放苗過程變?yōu)檫B續(xù)過程，替換后的取苗機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1. 取苗針　2.楔形彈簧夾　3.下絲杠　4.上絲杠

1.壓板彈簧夾　2.壓板彈簧夾“8型”凸輪　3.取苗針“8型”凸輪

圖3　取苗手機(jī)構(gòu)示意圖

2.2　建立矢量方程

根據(jù)圖3，建立矢量方程為

(1)

(2)

2.3　求解速度方程

將矢量方程(1)轉(zhuǎn)化為解析形式，求解A、B、C、E、F速度方程和曲柄OA、CD桿、EF桿分別與X軸正方向的夾角為α2、α3、α4。

由C點(diǎn)位移方程可得

(3)

(4)

由式(4)可以求解出α2，則B點(diǎn)方程為

(5)

B點(diǎn)沿著y軸運(yùn)動(dòng)，C點(diǎn)隨著B點(diǎn)以R為半徑繞著D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，C點(diǎn)與B點(diǎn)y軸上位移相等，則

(6)

由式(5)、式(6)可得C點(diǎn)位移方程為

(7)

要得出F點(diǎn)的位移，需要先求出E點(diǎn)的位移，則

(8)

(9)

由幾何關(guān)系可得

α4=π-(2π-α3)+γ=γ+α3-π

(10)

(11)

同理，將矢量式(2)轉(zhuǎn)化為解析形式，求得H、I、J、K點(diǎn)位移方程為

(12)

(13)

(14)

(15)

在取苗機(jī)械手末端執(zhí)行器工作時(shí)，LFE桿與LXJ桿始終保持平行，則有

φ3=α4

(16)

(17)

(18)

2.4　求解加速度方程

楔形彈簧夾端點(diǎn)F點(diǎn)速度方程和苗針K點(diǎn)速度方程可由上面速度方程進(jìn)行二次求導(dǎo)得出，即

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

3數(shù)值計(jì)算與運(yùn)動(dòng)仿真分析

3.1　計(jì)算實(shí)例

選擇“8形”凸輪整排取苗機(jī)參數(shù)，根據(jù)圖3，選擇曲柄LOA=8mm，LAB=23mm，LCD=40mm，LDE=23mm，LEF=60mm,xD=37mm,yD=-15mm,β=138°，γ=138°。使用MatLab按上面速度方程編程，進(jìn)行積分?jǐn)?shù)值計(jì)算，求得F點(diǎn)的位移軌跡方程，如圖4所示。

圖4　MatLab求解F點(diǎn)y軸坐標(biāo)軌跡

3.2　仿真運(yùn)動(dòng)

按MatLab中“8形”凸輪整排取苗機(jī)參數(shù)，在SolidWorks軟件中建立取苗機(jī)構(gòu)的三維數(shù)字模型，按Parasolid格式存儲(chǔ)；進(jìn)入ADAMS機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件界面，導(dǎo)入數(shù)字樣機(jī)模型并定義模型屬性，約束關(guān)系和載荷類型。因此，可以測試出F點(diǎn)的y軸軌跡，如圖5所示。

圖5　ADAMS求解F點(diǎn)y軸坐標(biāo)軌跡

3.3　比較分析

機(jī)械手末端點(diǎn)速度曲線與加速度曲線如圖6、圖7所示。

圖6　機(jī)械手末端點(diǎn)速度曲線

圖7　機(jī)械手末端點(diǎn)加速度曲線

從圖6、圖7可以看出：機(jī)械手末端取苗器的速度和加速度曲線在較小范圍浮動(dòng)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程平穩(wěn)。

4結(jié)論

1)對(duì)“8形”凸輪整排取苗機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；依據(jù)數(shù)學(xué)模型運(yùn)用MatLab編程對(duì)速度方程進(jìn)行積分運(yùn)算，求解出機(jī)械手

末端F點(diǎn)的位移軌跡。同時(shí)，在ADAMS仿真軟件中求解出機(jī)械手末端點(diǎn)的位移軌跡，通過軌跡對(duì)比分析驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性。在MatLab求解出的圖像上可以分析出數(shù)學(xué)模型中的缺陷，如α1=π/2及α1=3π/2，數(shù)學(xué)模型不能很好地描述實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，可以選取α1=π/2，與α1=3π/2附近的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行樣條曲線擬合替代函數(shù)模型在上面兩點(diǎn)的跳變情況，使數(shù)學(xué)模型得到優(yōu)化。

2)通過ADAMS分析了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可行性，求解出機(jī)械手末端F點(diǎn)的速度和加速度圖像。結(jié)果表明：速度和加速度在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械手末端點(diǎn)變化平緩，無劇烈振動(dòng)現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1]王君玲,高玉芝,李成華. 蔬菜移栽生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2004(2):42-43.

[2]崔巍,顏華,高希文,等.旱地移栽機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].農(nóng)業(yè)工程,2015(2):15-18.

[3]肖名濤,孫松林,羅海峰,等.雙平行多桿栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014(17):25-33.

[4]左彥軍,曹鵬,趙勻,等.B樣條非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014(15):10-17.

[5]陳建能,王伯鴻,張翔,等.多桿式零速度缽苗移栽機(jī)植苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與參數(shù)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011(9):7-12.

[6]陳建能,黃前澤,王英,等.缽苗移栽機(jī)橢圓齒輪行星系植苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012(5):6-12.

[7]崔巍,方憲法,趙亮,等.齒輪-五桿取苗裝置機(jī)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(8):74-77.

[8]趙勻.農(nóng)機(jī)機(jī)械分析與綜合[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[9]李革,應(yīng)孔月,鄭峰君,等.基于無函數(shù)表達(dá)節(jié)曲線的非圓齒輪分插機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014(23):10-16.

Kinematics Analysis and Simulation of the 8 Shapes Cam Whole Row Picking Seedling Machinery

Tang Haiyang, Cao Weibin, Zhao Hongzheng, Ma Rui, Li Hua, Liu Jiaodi

(School of Mechanical Electrical Engineering of Shihezi University，Shihezi 832003,China)

Abstract：In order to solve the problem of the low efficiency of the pick-up mechanism in the process of seedling transplanting .The paper adopted a whole line automatic pick-up seedling mechanism ，which is designed on the basis of the “8”form cam mechanism.To simulate “8”form cam mechanism controlling seeding needle work attitude, The paper adopted the slider-crank mechanism to replace the “8”form cam mechanism working status .Through the kinematic analysis of the mechanism,and the corresponding mathematical model is established,built mechanical hand joint velocity and acceleration;Constrated the needls kinematic trajectory which solved by MatLab and ADAMS, verified the mathematical expression was validity,which also offered a way to optimize mathematical model.

Key words：pick-up mechanism; pick-up mechanism;“8”form cam mechanism; MatLab; ADAMS

中圖分類號(hào)：S223.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0070-05

作者簡介：唐海洋(1990-)，男，陜西安康人，碩士研究生，(E-mail)1026626238@qq.com。通訊作者：曹衛(wèi)彬(1959-)，男，湖北襄陽人，教授，博士生導(dǎo)師，博士。

基金項(xiàng)目：科技支疆計(jì)劃項(xiàng)目(2013AB013)；新疆兵團(tuán)青年資金項(xiàng)目(2014CB012)；石河子大學(xué)重大攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(gxjs2012-ddgg07)

收稿日期：2015-11-13