0 引言

為解決人工移栽費工費時、生產效率低、難以實現大面積作業的弊端,研發全自動移栽機以替代傳統作業方式將成為趨勢[1].現有的移栽機基本為半自動化的栽植機械,另需配套人工完成喂苗[2]; 當人工勞作遇到大面積作業時,必會產生煩躁情緒,從而影響作業質量和效率.為此,設計了一種能從穴盤格中將穴盤苗夾取出并進行有效投放的執行機構,利用虛擬樣機技術對其模型進行運動仿真分析,同時通過樣機試驗驗證了該設計的可行性.

1 取苗機構

取苗機構[3 -5]是將穴盤苗苗缽缽體夾取出穴格并最終釋放至栽植機構的工作部件,由取苗器及其驅動機構等組成.工作時,取苗器插入苗盤穴格直接與苗缽體接觸進行夾取和投放.為保證取苗器以一定的位姿完成定點取苗、帶苗輸送和準確投苗動作,其運動軌跡和姿態必須進行合理規劃.圖 1 所示的 5 個點乃是軌跡規劃的關鍵: ①A 點落苗.當取苗器移動至該點時,必須將穴盤苗投放入即位的栽植機構,該點的設計主要考慮實現穴盤苗的零速[6]投遞.②B1為穴盤苗頂點,一般取穴盤苗的平均高度.③B 為穴盤表面點.④C 為穴盤底部點.取苗軌跡滿足取苗器插入苗缽缽體并夾持苗缽必須經過穴盤表面點 B,并以垂直于穴盤表面的直線或近似直線軌跡向點 C\\( 穴盤底部\\) 插進,但軌跡線顯然不能超過點 C,否則塑料穴盤將會被捅穿造成破壞且影響機構的正常運行.⑤O 為拔苗行程終止點.夾持住苗缽后,取苗器有個拉拔動作,實現將苗缽拔離穴盤穴格,拔苗行程終止點 O 即為保證取苗器將穴盤苗完全從穴格中拔出后繼而轉向而設,由此可得取苗器整體后移距離 B1O 必須大于等于距離 BC.

為滿足取苗軌跡和姿態要求,設計了如圖 2 所示的取苗機構.其中,取苗器由針座、取苗滑針、針管座、取苗針管、取苗彈簧和取苗桿等組成[7 -8].針座用于安裝取苗滑針插入針管滑動,取苗針管安裝于針管座上,取苗彈簧套接于針座與針管座之間.驅動機構主要包括取苗滑塊和擺動導桿滑塊機構,取苗器整體套裝在擺動導桿上,將針管座固定,而針座能隨著取苗彈簧的受力不同往復滑動,彈簧的伸縮受取苗滑塊的"口"字形滑道\\( ABCDEA\\) 控制,實現取苗滑針伸出與縮回針管的動作.首先,取苗器在取苗滑塊受到F 力作用后,沿滑塊導軌AB⌒圓弧段順時針轉動 90°角至待取苗狀態,該過程中彈簧受拉,取苗滑針縮于針管內; BC 直線段時,取苗滑塊運動停歇,壓縮彈簧所受約束被解除,取苗滑針在彈力驅動下伸出,遇到取苗彎管后變向,實現傾斜插入并夾持住苗缽; 取苗器在持苗輸送過程 CA 段中受到滑塊的反向 F 力作用,逆時針轉至初始位置,主要由圓弧CD⌒和線段 DA 構成; 取苗器在CD⌒圓弧段時被逆時針轉動∠COD,取苗滑針保持原夾持狀態將穴盤苗移送至點 D,隨后進入線段 DA,即刻起針座的轉向半徑逐漸縮小,取苗滑針開始縮回針管; 穴盤苗被由取苗針管頂住上表面逐漸從滑針上拔出直至最終落入栽植機構,實現穴盤苗的有效投放.

2 取苗機構驅動部分設計

上述取苗器自穴盤穴格中取苗操作步驟歸納如下: ①取苗器由原始位置移至待取苗位置; ②取苗器伸出插入穴格抓取苗缽; ③拉拔出穴盤苗使其脫離穴格; ④取苗器移至投苗位置; ⑤恢復至原始位置.圖 2所示取苗機構在滑道約束下能完成上述動作①、②、④、⑤; 然而苗盤的位置是固定安裝,則要求取苗器必須有向后退縮將苗缽拔離穴盤穴格進而轉向等的動作,即缺少動作流程③.因此,本文在此滑道基礎上設計了不完全齒輪齒條驅動機構.具體設計是由兩套模數、壓力角等參數相同、齒數不同的齒輪副機構并排動作,將兩個不完全齒輪安裝于同一驅動軸上,首個嚙合齒對齊,同時嚙合時取苗器完成拔苗動作,一個嚙合一個脫嚙合時驅動取苗器沿滑道動作,兩者都脫嚙合時取苗器插入并抓住苗缽.兩套動作時序如圖 3 所示.

齒數少的齒輪副連接圖 2 所示整個取苗機構,齒數多的齒輪副單獨連接圖 2 所示滑塊.A 過程: 兩齒輪副嚙合,取苗機構整體前移; B 過程: 一齒輪副脫離嚙合,另一嚙合齒輪副推動滑塊滑動,驅動擺桿繞其旋轉中心擺動,完成取苗器轉向; C 過程: 兩齒輪副均脫離嚙合,取苗器抓取苗; D 過程: 齒輪副再次嚙合,齒條反向直線移動,取苗機構后移,完成拔取苗; E 過程: 一對齒輪副嚙合驅動擺桿逆轉,完成取苗器轉向,整體機構回復至初始狀態.

3 取苗機構運動仿真分析

3. 1 取苗機構虛擬樣機的建立

根據設計的取苗機構,在三維建模軟件 Pro/E 中完成虛擬裝配[9 - 10],如圖 4 所示.完成在"機構"環境中定義重力加速度 9. 8m/s2,方向為 y 軸負方向; 直線移送與轉向動力均由齒輪齒條機構提供,在齒輪連接軸處添加伺服電機,轉速設為定值; 兩個槽從動連接處分別添加執行電機; 取苗器中針座與針管座間定義取苗彈簧.

3. 2 取苗機構的仿真與分析

在完成對模型運動副、約束、驅動力及工作載荷的添加后,根據取苗速度要求,以一定轉速進行仿真試驗.圖 5 即為取苗器滑針末端受滑塊滑道約束下運動產生的位移、速度和加速度在 x、y 分量上的仿真結果\\( 仿真分析中,定義取苗器水平前移方向為 x 分量正向,重力反向為 y 分量正向,如圖 4 所示\\) .結果顯示,取苗器動作順暢,但在以下關鍵節點產生振動:

①取苗滑道的約束瞬間解除點 B.取苗滑針在彈力作用下被迅速釋放伸出針管,x 向產生較大瞬時加速度.

②取苗滑道 C 點.取苗器因滑道約束產生撞擊,且受變形滑針管約束,速度與加速度迅速增大.③過渡圓弧\\( 連接圓弧與直線\\) 的兩端 D 點和 E 點,為取苗滑針開始縮回針管的瞬間有突變產生.

4 取苗機構試驗研究

參考仿真結果,試驗時選取有較大扭矩的電機,以克服仿真分析中的各個力學突變點,實現連貫動作.控制系統由具有良好人機交互界面的 LabVIEW軟件、計算機、數據采集卡、電機與控制電路等組成.設計當供苗盤到達系統設定的待取苗位置時,由交流電機啟?？刂齐娐穯与姍C驅動取苗機構作業.樣機室內試驗通過控制平臺設置一定驅動頻率,連續循環動作一段時間后,觀察得機構執行動作到位,動作順暢,未出現任何停機或機構損壞等現象.另在齒輪齒條副末端安裝有行程開關,當一套連續動作完成后觸碰該開關,即為供苗機構運動控制的信號反饋.樣機試驗結果為: 當同時安裝有 8 個取苗器時,取苗速度可達 80 株/min.

5 結論

本文設計了一種單動力的取苗機構,其取苗器及其驅動機構的設計及運動配合能使穴盤苗被合理、準確地夾取、投放到栽植機構中.基于 Pro/E 對所設計的機構建立了虛擬樣機模型,仿真分析得出在取苗滑道中的各階段銜接點處機構與機構間相互碰撞產生剛性沖擊,力學特性在該點有發生突變.根據該仿真結果,樣機試驗選取具有較大扭矩的輸出電機,這使得取苗器在取苗滑道各銜接處確有振動,但能很好地滿足移栽機的自動取苗要求.與此同時,取苗滑道的優化設計也是解決力特性突變的關鍵; 另外,改進優化驅動設計使該機構能真正運用到實際操作環境,這將成為今后的研究方向.

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