針式抓取裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析

曹麗芳 趙皓 張闖闖 姜楠 劉存祥 王同朝

摘要：穴盤苗移栽是育苗移栽的重要方法，根據(jù)育苗移栽中存在的問題，利用SolidWorks軟件設(shè)計了一種新的穴盤育苗機(jī)械手指夾持裝置。該裝置通過凸輪分割器控制4個指針的旋轉(zhuǎn)和起停，以完成種苗的運輸和交付;然后通過轉(zhuǎn)換接口將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中，通過ADAMS運動仿真，穴盤苗模塊的采集、運輸和投放運動軌跡被清晰地模擬出來，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計實用可靠，運動準(zhǔn)確性得以保證，大大縮短了開發(fā)周期和成本。

關(guān)鍵詞：缽苗移栽;抓取裝置;運動仿真;受力分析

中圖分類號：S223.92文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2020）22-0218-04

作者簡介：曹麗芳（1989—），女，河南商丘人，碩士，助教，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。E-mail：15038041749@139.com。

穴盤移栽是充分利用陽光、爭取農(nóng)時、防止自然災(zāi)害、確保作物高產(chǎn)的重要措施[1-6]。但是，目前國內(nèi)移栽機(jī)械多以半自動移栽機(jī)械為主。例如，旋轉(zhuǎn)吊籃送苗機(jī)構(gòu)、滑軌導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)等移栽機(jī)械，利用人手投苗、放苗，不僅浪費人力，降低工作效率，還會為了附加人力裝置，使機(jī)器負(fù)重大大增加，帶來一連串附加裝置，自動化效益低，不能完成高效率的種植移栽[7-14]。

傳統(tǒng)的移栽機(jī)械不僅生產(chǎn)效率低，而且難以實現(xiàn)大田自動化生產(chǎn)，所以大田全自動穴盤苗移栽是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化研究的趨勢。其中，可靠的取苗裝置是實現(xiàn)全自動移栽的關(guān)鍵[15-18]。現(xiàn)有的自動抓取裝置局限較多，無法適應(yīng)全自動化缽苗的大田移栽種植。因此，本研究通過三維建模軟件SolidWorks設(shè)計了一種穴盤苗取苗移栽機(jī)構(gòu)——分割器導(dǎo)向針式機(jī)械手種苗抓放機(jī)構(gòu)，并通過ADAMS運動仿真軟件，對穴盤苗模塊的采集、運輸和投放軌跡進(jìn)行模擬和運動分析，以保證該結(jié)構(gòu)運動的可靠性。

1分割器導(dǎo)向針式機(jī)械手種苗抓放機(jī)構(gòu)

分割器導(dǎo)向針式機(jī)械手種苗抓放機(jī)構(gòu)的示意圖如圖1所示。該裝置主要由分割器、上盤、下盤、機(jī)械手指、指針、鎖緊裝置、擋塊等部分組成，由分割器和鎖緊裝置2個部分控制整個動作。分割器控制機(jī)械手指向下抓苗、向上提苗、帶苗轉(zhuǎn)動、到放苗筒位置向下放苗以及放苗后提升動作;鎖緊裝置控制上下盤相對位置，以致指針鎖緊及松開，即當(dāng)手指抓住秧苗時鎖緊，使秧苗在機(jī)械手指中不會脫落以便于秧苗運輸;當(dāng)秧苗到達(dá)放苗處時，裝置松開，使秧苗擺脫機(jī)械手，掉落至苗筒中。

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工作原理：以機(jī)械手指在秧苗上方準(zhǔn)備向下抓苗為初始位置，當(dāng)電機(jī)帶動分割器開始工作時，固定在分割器輸出軸上的上盤開始向下運動，機(jī)械手指由下盤控制向中心轉(zhuǎn)動，直至運動到行程最下端，機(jī)械手指達(dá)到最大傾斜角，抓緊秧苗。與此同時，固定在上盤上的鎖緊裝置隨上盤下降，到最下端，將下盤與上盤鎖緊在一起，完成抓苗動作;抓緊秧苗以后，上盤和下盤隨分割器輸出軸上升至行程最上端，然后隨軸一起轉(zhuǎn)動至放苗筒上方，繼而下降至行程最下端，完成送苗動作;待秧苗到達(dá)最下端，擋塊將鎖緊裝置按鈕頂開，上盤和下盤脫離，上盤隨分割器輸出軸向上運動，機(jī)械手指打開，秧苗下落，完成放苗動作。

1.1分割器選型

為了滿足停位抓取-轉(zhuǎn)動-停位投放的動作，本研究選用出力軸上下往復(fù)運動兼間歇旋轉(zhuǎn)左右搖擺運動為一體的升降搖擺式分割器（DH）。其動作示意圖分別如圖2所示。

該分割器僅由1個凸輪和轉(zhuǎn)塔組合而成，適合左右搖擺，上下夾取系統(tǒng)緊密及高精密、高速度地夾取輸送，提供所需的各種形式間歇運動。出力軸最大升降行程為60mm，滿足穴盤缽?fù)恋母叨取?/p>

1.2模型仿真

1.2.1模型添加運用Solidworks軟件進(jìn)行機(jī)械手部件的三維實體建模及參數(shù)計算。把模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行運動仿真分析，（+z軸為重力加速度方向）模型導(dǎo)入ADAMS/view后，為了使針式抓取裝置仿真時間縮短，提高仿真的成功率[19-20]，在添加針式抓取裝置仿真模型時簡化裝置模型，省去對結(jié)果影響不大的零部件，通過添加一些約束如旋轉(zhuǎn)等代替省去的零部件的功用。

為了模擬的準(zhǔn)確性，設(shè)計基準(zhǔn)地面（base）以支撐秧苗，使其固定在大地上，秧苗與其添加接觸約束，簡化后的模型如圖3所示。

1.2.2添加驅(qū)動上盤和下盤是連接間歇分割器與指針的關(guān)鍵部件，不僅要完成上升、下降、轉(zhuǎn)動等動作，還要控制抓苗指針轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)指針的聚攏與打開，即控制抓苗與放苗動作的完成，所以對它們的驅(qū)動尤為重要，這里以上下行程40mm為抓苗基準(zhǔn)。

1.3運動分析

指針隨上下盤的相對位移向圓盤中心轉(zhuǎn)動，通過θ角（上盤與各個指針的夾角，簡稱指夾角度）的變化來實現(xiàn)對秧苗的加緊與松開，以完成取苗與放苗動作（圖6）。

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通過對上下盤添加驅(qū)動動作，指針整個過程角度θ變化如圖7所示。在0～0.2s，上盤沿z軸正方向運動，下盤不動，指針向中心聚攏，這個過程θ由78.5°減小至71°。0.2～0.7s，上下盤處于鎖緊狀態(tài)，上下盤運動軌跡相同，θ變化為0，保持在71°。0.7s以后，上盤向z軸負(fù)方向運動，θ由71°恢復(fù)到78.5°。

通過上下盤的相對運動，4個指針同步轉(zhuǎn)動，秧苗依次被指針抓緊—隨指針上升—同指針轉(zhuǎn)動—隨指針下降—指針打開秧苗下落。秧苗的速度和位移曲線和曲線如圖8和圖9所示。秧苗質(zhì)心標(biāo)記點全過程的運動軌跡圖見圖10，圖中紅線即為秧苗運動軌跡。

秧苗的軌跡主要由2個部分組成，一是通過抓苗裝置帶動其完成抓取投放運動，另一部分是在秧苗脫離機(jī)械手指后，由自身重力引起的運動。2個部分在z方向的運動函數(shù)為

通過ADAMS運動分析，得到秧苗在z方向的位移速度函數(shù)曲線如圖11所示。

通過速度位移曲線，做位移函數(shù)的微分，得到紅色虛線（圖11），由此可見，紅色虛線與速度函數(shù)曲線基本重合，正好符合位移的導(dǎo)數(shù)即速度。

2結(jié)語

通過ADAMS仿真軟件對針式抓取裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，指針式穴盤苗抓取裝置能夠準(zhǔn)確可靠地完成秧苗的抓取、移動和投放等動作;對抓取裝置參數(shù)的設(shè)計及仿真分析表明，在開始制造樣機(jī)前，模型參數(shù)進(jìn)行了分析和多次優(yōu)化，大大節(jié)省了樣機(jī)試驗優(yōu)化參數(shù)時間，提高了裝置的制造效率。

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