顶出—夹取式自动取苗机构运动学分析

刘卫想　金鑫　杜新武

摘要：为了降低自动取苗装置取苗过程中对钵体的损伤，提高取苗成功率，对顶出-夹取式自动取苗装置的各个执行机构建立运动学模型，并对模型进行仿真分析。在Visual Studio环境下，根据模型编写可视化蔬菜穴盘苗自动取苗装置时序分析程序，并对各个机构进行参数优化，得到一组最佳参数：曲柄长度a=78 mm，连杆长度b=112 mm，偏心距e=20 mm，顶苗机构的初始相位角φd=108°，横移机构的位移为h1=36.5 mm，纵移机构的初始相位角φz=185°，苗爪翻转机构的初始相位角φf=15°。样机试验结果表明，在取苗速度为140株/min时的成功率为98.44%，基质损失率为36.67%，验证了该取苗机构的可行性。

关键词：顶出-夹取式；运动学模型；仿真分析；参数优化；样机试验

中图分类号： S223.92 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0385-04

自动取苗装置是全自动移栽机的核心部件之一，如今已成为阻碍我国移栽过程全自动化发展的主要障碍。国外对取苗装置的研究[1-5]起步较早，已有成熟的机型，但因其价格昂贵、结构复杂、与我国的农艺不相符等而并未在我国得到大面积的推广应用。为了提高我国移栽过程的自动化水平，国内一些高校及科研院所对取苗装置开展了研究，如田昆鹏等研究开发了一种门形取苗装置[6]；周梅芳等对椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗取苗机构进行了研究[7]；俞高红等研究开发了一种椭圆-不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构[8]；赵雄等对棉花移栽机旋转式取苗机构进行了运动学分析及虚拟试验[9]；中国农业机械化科学研究院对齿轮—五杆取苗装置进行了研究[10]；俞高红等研制了一种旋转式穴盘苗取苗机构[11]；南京农业大学开展了穴盘苗移栽机自动取喂系统的研究[12]；胡敏娟研制了取苗器的试验系统[13]；杨传华开展了蔬菜穴盘苗自动输送技术与机构的研究[14]等。然而，由于各种各样的原因如取苗成功率低、稳定性差等，所研究的一些取苗机构并未能在实际中得到应用。因此，为了降低取苗过程对钵体的损伤及提高取苗成功率，对顶出-夹取式取苗装置的取苗过程进行分析，并对各执行机构进行运动学分析及参数优化，得出该取苗机构最佳的一组参数组合，对样机的可行性进行试验验证。

1 基本结构及工作原理

自动取苗装置主要包括顶苗机构、横移机构、纵移机构和苗爪翻转机构，其中顶苗机构为一曲柄滑块机构驱动推苗杆作周期性直线往复动作，将基质苗从穴盘中推出；苗盘的纵移为槽轮间歇机构，槽轮间歇转动，主动轴带动苗盘纵移链轮转动，链条中穿有可固定苗盘的横连杆，使苗盘纵向间歇进给，凸轮带动苗架在顶苗的间隙完成横移，其装置结构如图1所示。

移栽机工作时，动力由地轮提供，传动到各个机构，一个动力源可以保持送苗、顶苗、取苗等机构的同步动作。苗盘横向放置，每排16株，顶苗机构每转动1周，顶出8株。苗盘横移1次，横移凸轮从近休位置到达远休位置，顶苗机构顶出剩下8株。纵移机构带动苗盘进给1个穴距，顶苗机构顶出下一排的8株，横移凸轮从远休位置回到近休位置，再顶出剩下8株，完成1个循环，取苗过程如图2所示。

2 关键部件运动学模型建立

2.1 顶苗机构

装置工作时，链传动部件将动力传递到曲柄滑块机构（图1-a），由滑块推动顶苗杆作周期性直线往复动作，将基质苗从穴盘中顶出。因此，以O点为坐标原点，建立顶苗机构运动学模型。

式中：H代表苗瓜翻转凸轮的位移；hp代表苗爪翻转凸轮的行程，mm；φ代表苗瓜翻转凸轮的转角；m代表齿轮齿条机构的模数；Zp代表齿轮的齿数，mm；γ代表苗盘放置角度与水平面夹角。

3 运动学仿真

3.1 顶苗机构运动学仿真

利用运动学仿真软件对顶苗机构的顶杆进行运动学仿真分析，得到顶杆的位移、速度和加速度曲线，如图4所示。曲线显示，在到达顶苗位置时，速度逐渐降低，在顶苗结束后，加速度增大，减少空程时间。当取苗速度为240株/min时，曲柄转速为30 r/min，最大速度出现在顶杆到达顶苗位置之前，最大线速度vmax=305.64 mm/s，加速度最大值出现在顶苗结束后，amax=1 789 mm/s2，所以在顶苗过程中顶杆对基质苗无明显冲击。

3.2 苗盘输送机构运动学仿真

顶杆在顶苗时，穴盘要保持静止状态，因此设α（0≤α≤2π）为顶苗机构到达顶苗点之后对应的相位角，为使顶苗机构与苗盘输送机构不产生干涉，则需要满足：

式中：β1代表苗盘纵移的运动相位角；β2代表苗盘横移机构远休或近休相位角。

根据顶苗机构和苗盘输送机构的运动学方程以及2个机构的相位角所满足的条件，对2个机构的位移进行仿真分析，其结果如图5所示。

3.3 取苗机构运动学仿真

在取苗速度为240株/min时，凸轮的转速为30 r/min，利用运动学仿真软件对苗爪翻转机构凸轮从动件进行运动学仿真分析，得到凸轮的位移、速度和加速度曲线（图6）。曲线显示最大加速度amax=182.198 mm/s2，出现在刚刚翻转时和夹持基质苗快要到竖直位置时，此时会出现冲击。

4 参数优化分析

4.1 优化目标

取苗装置的运动情况对取苗成功率及取苗质量有至关重要的影响，因此在运动学模型的基础上结合装置所需要满足的农艺及农机的要求对运动学模型进行优化分析，其优化分析的目标有：（1）顶苗位移要小于200 mm；（2）曲柄所转的相位角必须要对应横移机构和纵移机构的远休相位角或近休相位角；（3）顶苗机构和苗盘横移、纵移机构各动作之间都有一定的预留时间；（4）苗盘每次的步进距离为36 mm。

4.2 优化结果分析

通过对取苗装置进行时序分析并根据分析结果及各机构数学模型，在Visual Studio开发环境下，建立机构的可视化时序分析程序，通过改变各个机构的参数，求得该机构的最佳参数组合为：曲柄长度a=78 mm，连杆长度b=112 mm，偏心距e=20 mm，顶苗机构的初始相位角φd=108°，横移机构的位移为h1=36.5 mm，纵移机构的初始相位角φz=185°，苗爪翻转机构的初始相位角φf=15°。

5 样机试验

5.1 试验材料

试验对象为番茄穴盘苗，品种为以色列1918，苗龄50 d。育苗质量较好，出苗率达到100%，且基质块紧实，盘根情况较好，达到了试验用苗的要求。

5.2 仪器设备

蔬菜穴盘苗自动取苗装置样机（动力源为变频调速电机，可通过变频器实现无极调速，速度变化范围6～240 r/min），i2000型电子天平，封口塑料袋，秒表。

5.3 试验方法

取3盘苗（出苗率均为100%，基质含水率为32.79%）进行3组试验，变频器的频率分别为2.5、3.5、4.5 Hz，对应的取苗速度约为80、110、140株/min。试验过程中观察顶苗和夹取过程中未顶出个数和未成功夹取个数，进行记录；在蔬菜穴盘苗自动取苗装置的底部放置纸板，用以收集各个机构掉落的基质，取苗完成后将各个部分的基质和取苗动作完成后基质苗进行收集和称质量，以此分别计算取苗成功率和基质损失率。取苗成功率（η1）的计算公式：

η1=WW0×100%=W0-W1-W2W0×100%。

（14）

式中：W代表取苗成功个数；W0代表穴盘中基质苗总个数；W1代表顶苗阶段未顶出的苗数；W2代表夹取苗阶段未成功夹取到位的苗数。

定义在取苗结束后基质块仍然残留在苗盘中的基质个数为顶苗阶段未顶出的苗W1；机械手未能夹取到或者在落苗动作前基质苗就从苗爪中脱落的基质苗数为夹取苗阶段未成功夹取到位的苗数W2，试验结果见表1。

式中：m代表整个取苗过程中基质损失量，g；m0代表盘中基质苗总质量（不包括苗盘），g；m1代表顶苗过程中的基质损失量，g；m2代表夹取过程中的基质损失量，g；m3代表落苗过程的基质损失量，g。

定义苗盘输送装置底部收集的基质和残留在穴盘中的基质为顶苗过程中的基质损失量m1；在取苗机械手运行轨迹下方收集的基质为夹取过程中的基质损失量m2；基质苗距离接苗板约280 mm，此过程是为了模仿全自动移栽机上基质苗落入导苗筒的过程，落苗完成后，将成块的基质苗收集称质量，接苗板上留下的就是落苗过程的基质损失量m3，整个取苗过程的基质损失量为m=m1+m2+m3，结果见表2。

5.4 结果与分析

试验过程中的取苗效果如图7所示。由试验结果（表1、表2）可知，在取苗速度为80株/min时，取苗成功率为100%，基质损失率为36.24%；取苗速度为110株/min时，取苗成功率为98.44%，基质损失率为 34.64%；取苗速度为140株/min时，取苗成功率为98.44%，基质损失率为3667%，取苗成功率较高。在这3种取苗速度下的基质损失率均高于30%，其主要是因为在顶苗阶段基质块底部受力后，在秧苗直径方向产生了压缩变形，而后基质块两侧受到夹

紧力，又发生了垂直于秧苗直径方向的压缩变形，在先后被施加2个方向的载荷之后，基质底部发生了坍塌和颗粒间的重新排列，但是在根系的包裹和缠联作用下并未脱落，最后基质块靠重力自由落体，基质块底部与接苗板撞击，基质在此过程中大量脱落。试验结果表明，该取苗机构在取苗速度为140株/min时仍具有较高的取苗成功率，且基质损失率在不同的取苗速度下相对稳定，满足了设计要求，说明该取苗机构可行。

6 结论

对顶出-夹取式取苗装置的取苗过程进行分析，通过取苗、苗盘输送和苗爪翻转等动作的执行机构建立动作匹配的数学模型，并对这些数学模型进行仿真分析。在Visual Studio 开发环境下编写可视化蔬菜穴盘苗自动取苗装置时序分析程序，对各个机构进行参数优化，得到一组最佳参数，即曲柄长度a=78 mm，连杆长度b=112 mm，偏心距e=20 mm，顶苗机构的初始相位角φd=108°，横移机构的位移为h1=36.5 mm，纵移机构的初始相位角φz=185°，苗爪翻转机构的初始相位角φf=15°。通过对取苗机构进行取苗成功率和基质损失率试验，得出在取苗速度为70、110、140株/min 时，取苗成功率分别为100%、98.44%、98.44%，基质损失率均在35%左右，验证了该取苗机构的可行性。

参考文献：

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