象蟲計數器的連桿機構的設計分析研究*

李君帥，惠延波，汪楊智，周 穎，禹軍安，白路遙

(河南工業大學 先進制造研究所，河南 鄭州 450007)

0 引 言

象蟲具有較多種類，而其中米象與玉米象是世界上危害最大、具有毀滅性的倉庫害蟲。在糧食、中藥材、外貿、食品、農副土特品倉庫及其加工廠里，對貯藏物資危害極大[1]。象蟲的任何一種都列為被檢疫的對象，限制其傳播和蔓延的范圍，對蟲害的防治提出了更高的要求[2]。而對象蟲的計數與統計是實現蟲害預測與防治的重要前提。因此，研發高效合理的計數與統計裝置對蟲害的防治研究具有重要意義。目前，對于象蟲的密度調查，主要是抽樣調查，人工計數為主。人工計數工作時間長，象蟲體積較小，對其計數十分耗時耗力。此外，估計計數難以精確計算出象蟲的準確數量。因此，計數準確高效、性能穩定可靠的象蟲計數裝置也成為了研究的重點。

目前，市面上的計數產品主要是針對固體顆粒(藥片[3]，寶石[4]等)，機械零件(螺母，軸承等)等計數，運用排序機對其排序處理。但是，由于象蟲體積小，易運動，市場上的計數產品無法對其排序處理，難以完成對象蟲數量上的統計。本文通過觀察象蟲習性，設計一套新的連桿裝置來對象蟲計數，并使用3D打印技術成型制造，實現了象蟲的自動計數并具有較高的效率和準確率。

傳統的象蟲計數器由空氣壓縮機連接分離裝置和三角瓶組成，用人工逐個查數手持負壓吸頭將象蟲吸入三角瓶內完成計數收集。根據象蟲離地爬動的習性，創新設計四桿機構收集象蟲并在輸送管道內安裝光纖計數器來代替人工計數。

1 米象運動速率的計算與試驗

采用王殿軒在不同溫度下米象的運動行為研究的研究方法[5]，在室溫下(25 ℃)計算米象的運動速度。在平面無糧情況下，害蟲爬行速率水溫度升高的回歸方程為y=2.841x-30.313。x=25 ℃帶入回歸方程得害蟲的爬行速率為40.712 cm/min。

將米象置于帶有刻度的玻璃試管中，并在試管內豎直方向間隔擦拭聚四氟乙烯(米象難以爬過涂有聚四氟乙烯的內壁)，用以防止米象側向爬行，將200只象蟲置于試管底部，試蟲為昆蟲研究室培養數代后羽化2周的成蟲。在室溫下，將試管底部擋板撤出，米象自然上爬，多次試驗記錄爬行數據，計算均值。得出象蟲在靜止軀體的運動速度為40 cm/min。實驗結果基本一致。

根據象蟲的運動特性，設計工作流程如圖1所示。

圖1 主要工作流程

2 連桿機構與擴散器的設計方法及策略

連桿機構的末端執行器是吸頭安裝位置，故連桿末端的軌跡也表示管道吸頭吸取米象的路徑。擴散器是讓密集的象蟲在內壁上通過爬行擴散開，實現象蟲的均布傳送并消除堆疊現象。擴散器內壁則需要連桿末端軌跡偏移一定距離，并以偏離后的曲線旋轉形成擴散器內壁輪廓曲線(如圖2)。所以連桿的設計確定了擴散器的內壁輪廓形狀，擴散器的大小約束連桿桿長的取值。確定發生微小偏移量時，根據象蟲的高度約為1～2.5 mm，實驗測得吸頭吸取象蟲的最遠距離為6 mm，取偏移距離為4 mm，目的是防止吸頭堵塞、推落象蟲或吸力不足無法吸取的情況發生。

象蟲初步篩選后，進入擴散分離裝置內，再通過連桿吸頭逐一進入計數傳感器，完成計數抓取。連桿進行回轉運動，擴散器進行自轉運動，則吸頭相對于擴散器做回轉的螺旋運動。連桿設計的軌跡規劃和擴散器設計是整個計數系統的關鍵。

圖2 曲柄搖桿機構運動學關系

2.1 四桿機構的約束確定

四桿機構末端的運動軌跡受桿長的影響。根據運動規律可分為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構[6]。 由空間布置及連桿末端運動規律的約束列方程組對各桿桿長進行范圍約束取值。

根據設計要求，該機構為曲柄搖桿機構(如圖2)，l2、l2′桿固連。點E處安裝計數器吸頭。根據運動規律有以下關系式：

(1) 對各桿的桿長進行約束計算：

f1(X)=l1-l2≤0

(1)

f2(X)=l1-l3≤0

(2)

f3(X)=l1-l4≤0

(3)

f4(X)=l1+l4-l2-l3≤0

(4)

f5(X)=l1+l2-l3-l4≤0

(5)

f6(X)=l1+l3-l2-l4≤0

(6)

(2) 連桿與搖桿的夾角應在γmin和γmax之間，即：

(7)

(8)

由于計數器的尺寸限制，根據設計要求，已知l1和l4的長度分別為30 mm和60 mm。設l2和l3的長度分別為x1和x2。為了防止從動件卡死，只允許連桿與搖桿的夾角在20°～160°變化。將數值帶入則得：

f1(x)=30-x1≤0

f2(x)=30-x2≤0

f4(x)=90-x1-x2≤0

f5(x)=x1-x2-30≤0

f6(x)=x2-x1-30≤0

(3) 連桿約束的繪制

運用MATLAB，對x1和x2的取值范圍進行求解[7]，得到如下可行域(如圖3)，并得到曲線交點坐標為(58.5640,32.7149)，(32.7149，58.5640)。

以10 mm為間隔，根據可行域對不同值的桿長進行末端軌跡仿真分析，則可行域內l2和l3桿長的取值如表3、4(√表示桿長滿足條件)。

圖3 可行域約束曲線圖4 軌跡模擬正交實驗表

2.2 在可行域內對連桿的末端運動軌跡進行仿真

(1) 輪廓曲線的繪制。運用軟件對連桿可行域內數值進行正交實驗軌跡仿真如圖5。

(2) 連桿曲線分析與選定

連桿曲線取選根據擴散器外型輪廓要求應滿足以下標準：①曲線無交叉，保證內壁表面光滑無尖端；②輪廓表面平緩且具有足夠的長度，保證象蟲的均布擴散；③旋轉器的自轉一周時間應是象蟲從底部到擴散器頂部時間，避免象蟲在擴散器頂部的堆疊現象。

圖5 連桿軌跡曲線正交模擬分析

由旋轉器的轉速為3 r/min即是象蟲從底部到頂部用時為20 s。象蟲運動速度為40 cm/min，則可得擴散器的內壁輪廓長度約為13 cm。通過分析，選定l1=30，l2=70，l3=70，l4=60滿足要求。

3 連桿及擴散器建模及3D打印制造

按照設計尺寸對連桿及擴散器進行模型建立，模型建立考慮尺寸，連接處的剛度、強度，以及擴散器的輪廓外型曲線，并運用SolidWorks motion分析其速度與位移規律[8]，發現均滿足實驗要求，然后將模型保存為stl面片格式，運用Materialise Magics 21.0對其進行支撐添加及3D打印的參數調整后導入3D打印機進行實物制造，在光固化和FDM打印機中打印出實體模型[9]，SLA打印的零件經無水乙醇清洗處理，去支撐處理及砂紙打磨處理即可得到所需零件。在曲柄處和擴散器底部安裝馬達(附有減速裝置)，為連桿和擴散器的轉動提供動力。然后進行組裝調試。曲柄及擴散器模型及打印實物如圖6、7。

圖6 三維模型圖

圖7 3D打印實物圖

4 結 論

通過連桿曲線的約束，MATLAB可行域計算，軌跡仿真選擇，三維模型構建及3D打印制造一系列的手段，設計了象蟲計數器的機械抓取裝置，將新設計的曲柄連桿機構和擴散器上部組裝，并將吸頭放入固定位置。在管道處安裝了光纖計數器，實現了象蟲的自動計數。此研究為象蟲計數的研制提供了一種切實可行的方法，與傳統計數相比，具有以下優勢。

(1) 選擇了合理的四桿機構及擴散器曲面，消除了象蟲堆疊誤差。

(2) 運用光纖電子計數器代替了人工計數，提高了原有計數方式的準確率。

(3) 將計數抓取機構與象蟲的習性相結合，實現了象蟲的自動抓取功能，提高了統計效率。