“8形”凸轮整排取苗机构运动学分析与仿真

唐海洋，曹卫彬，赵宏政，马　瑞，李　华，刘娇娣

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832003)



“8形”凸轮整排取苗机构运动学分析与仿真

唐海洋，曹卫彬，赵宏政，马瑞，李华，刘娇娣

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832003)

摘要：针对目前国内旱地移栽机存在取苗效率和自动化程度低等问题，设计了一种“8形”凸轮整排取苗机械手，并进行了运动学分析。同时，通过建立数学模型，推导出机械手各个关节速度与加速度方程，以“8形”凸轮整排取苗机械手的设计结构为出发点，建立取苗机械手的样机模型，使用MatLab和ADAMS求解苗针位移方程进行对比，并在ADAMS下进行了仿真，验证了数学模型的正确性，且对数学模型进行了优化。

关键词：移栽机；取苗机构；“8形”凸轮；MatLab；ADAMS

0引言

取苗机构是钵苗自动移栽机的核心工作部件，决定着移栽的效率和质量[1-2]。目前，国内推广使用移栽机为人工投苗的半自动移栽机， 投苗转杯在轨道上移动速度较快，需人工快速取苗并准确投苗，长时间重复以上动作，精神高度紧张、眼睛容易疲劳、劳动强度大，而且容易出现漏苗及缺苗现象。由于受到人工投苗速度的限制，一般国内移栽机作业效率只相当于人工的5～15倍，而且1台2行移栽机作业需要司机1名、2名人员投苗及1～2名辅助人员跟踪补苗、覆土，增加了移栽成本，因此机械化作业综合效益不明显。为此，提出了一种“8形”凸轮整排取苗机构，可以实现自动取苗放苗作业。1台移栽机可以安装多套取苗机构，提高了单位时间内的取苗效率；机构简单，机械故障少，制造成本低。

1基本结构及工作原理

取苗手机构三维模型如图1所示，机构简图如图2所示。当取苗机械手处于图2所示的状态时，压板弹簧夹“8型”凸轮处于水平；在此“8型”凸轮的力的作用下，使压板弹簧夹克服上拉弹簧的作用力下保持水平状态，保证压板弹簧夹的压板水平压在楔形滑道弹簧夹的楔形面上，使楔形滑道弹簧夹张开固定的角度。同时，安装在上丝杠的取苗叉“8型”凸轮处于垂直状态，取苗针顶杆在取苗针“8型”凸轮力的作用下克服顶杆取苗针复位弹簧作用力，把取苗针插入基质；苗针在楔形滑到弹簧夹复位弹簧的弹簧力作用下对基质由压缩加固作用；完成以上动作后，即可将机械手提升使苗脱离苗盘进行移栽操作。

2取苗手机构的数学模型分析

2.1　运动学分析

8形”凸轮固定安装在上丝杠上，在丝杠的旋转驱动下，“8形”凸轮转过特定角度，左右两个“8形”凸轮旋转到垂直状态；苗针在“8形”凸轮长半径作用下，受到向下的推力作用，使苗针插入基质；放苗的时候，中间“8形”凸轮长半径旋转到垂直状态，楔形弹簧夹在中间“8形”凸轮垂直作用力的推动下，绕着各自的旋转副转动，使其张开一定的角度并且左右“8形”凸轮长半径旋转水平状态，苗针在复位弹簧作用力下从基质中抽出，苗可以从苗针脱落。在取苗和放苗的过程中，机构运动是间歇的运动。为了研究取苗机构的运动规律，在此采用曲柄滑块机构替代“8形”凸轮的工作过程，曲柄转角为π/2时和3π/2时与连杆的尺寸来模拟“8形”凸轮的工作过程中长半径和短半径。同时，把整个取苗和放苗过程变为连续过程，替换后的取苗机构示意图如图3所示。

1. 取苗针　2.楔形弹簧夹　3.下丝杠　4.上丝杠

1.压板弹簧夹　2.压板弹簧夹“8型”凸轮　3.取苗针“8型”凸轮

图3　取苗手机构示意图

2.2　建立矢量方程

根据图3，建立矢量方程为

(1)

(2)

2.3　求解速度方程

将矢量方程(1)转化为解析形式，求解A、B、C、E、F速度方程和曲柄OA、CD杆、EF杆分别与X轴正方向的夹角为α2、α3、α4。

由C点位移方程可得

(3)

(4)

由式(4)可以求解出α2，则B点方程为

(5)

B点沿着y轴运动，C点随着B点以R为半径绕着D点转动，C点与B点y轴上位移相等，则

(6)

由式(5)、式(6)可得C点位移方程为

(7)

要得出F点的位移，需要先求出E点的位移，则

(8)

(9)

由几何关系可得

α4=π-(2π-α3)+γ=γ+α3-π

(10)

(11)

同理，将矢量式(2)转化为解析形式，求得H、I、J、K点位移方程为

(12)

(13)

(14)

(15)

在取苗机械手末端执行器工作时，LFE杆与LXJ杆始终保持平行，则有

φ3=α4

(16)

(17)

(18)

2.4　求解加速度方程

楔形弹簧夹端点F点速度方程和苗针K点速度方程可由上面速度方程进行二次求导得出，即

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

3数值计算与运动仿真分析

3.1　计算实例

选择“8形”凸轮整排取苗机参数，根据图3，选择曲柄LOA=8mm，LAB=23mm，LCD=40mm，LDE=23mm，LEF=60mm,xD=37mm,yD=-15mm,β=138°，γ=138°。使用MatLab按上面速度方程编程，进行积分数值计算，求得F点的位移轨迹方程，如图4所示。

图4　MatLab求解F点y轴坐标轨迹

3.2　仿真运动

按MatLab中“8形”凸轮整排取苗机参数，在SolidWorks软件中建立取苗机构的三维数字模型，按Parasolid格式存储；进入ADAMS机械动力学仿真软件界面，导入数字样机模型并定义模型属性，约束关系和载荷类型。因此，可以测试出F点的y轴轨迹，如图5所示。

图5　ADAMS求解F点y轴坐标轨迹

3.3　比较分析

机械手末端点速度曲线与加速度曲线如图6、图7所示。

图6　机械手末端点速度曲线

图7　机械手末端点加速度曲线

从图6、图7可以看出：机械手末端取苗器的速度和加速度曲线在较小范围浮动，机构运行过程平稳。

4结论

1)对“8形”凸轮整排取苗机械手进行了运动学分析，建立了相应的数学模型；依据数学模型运用MatLab编程对速度方程进行积分运算，求解出机械手

末端F点的位移轨迹。同时，在ADAMS仿真软件中求解出机械手末端点的位移轨迹，通过轨迹对比分析验证了数学模型的正确性。在MatLab求解出的图像上可以分析出数学模型中的缺陷，如α1=π/2及α1=3π/2，数学模型不能很好地描述实际运动轨迹。因此，可以选取α1=π/2，与α1=3π/2附近的区间内进行样条曲线拟合替代函数模型在上面两点的跳变情况，使数学模型得到优化。

2)通过ADAMS分析了机构运动的可行性，求解出机械手末端F点的速度和加速度图像。结果表明：速度和加速度在很小的范围内波动，运动过程中机械手末端点变化平缓，无剧烈振动现象。

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[8]赵匀.农机机械分析与综合[M].北京：机械工业出版社，2009.

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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

中图分类号：S223.92

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0070-05

作者简介：唐海洋(1990-)，男，陕西安康人，硕士研究生，(E-mail)1026626238@qq.com。通讯作者：曹卫彬(1959-)，男，湖北襄阳人，教授，博士生导师，博士。

基金项目：科技支疆计划项目(2013AB013)；新疆兵团青年资金项目(2014CB012)；石河子大学重大攻关计划项目(gxjs2012-ddgg07)

收稿日期：2015-11-13