基于MATLAB的双曲柄五杆移栽机构运动学仿真及优化设计

2018-07-28程志广李健

科技视界 2018年12期

程志广　李健

【摘要】本文建立了双曲柄五杆机构的数学模型，运用多目标优化函数对双曲柄五杆机构进行优化设计，采用MATLAB进行编程计算，得到了栽植点速度加速度、曲柄半径、机架杆长度、主副曲柄相位角差等主要结构参数之间的变化关系，并获得一组最优解。从而为后期机构的研制、秧苗移栽直立度和薄膜刮伤试验提供了理论依据。

【关键词】钵苗移栽；多目标优化；运动学仿真

中图分类号： S223 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0072-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.031

0 引言

移栽技术在提高作物生长的抗灾抗逆能力、保证作物稳产增产和提高产品品质等方面起着很大作用。然而进行膜上移栽作业时存在栽植器鸭嘴末端容易刮伤地膜、直立度低等问题，影响了移栽技术在农业生产中的广泛应用[1-2]。故本文以平面多杆机构鸭嘴式栽植器为例对一种双曲柄五杆移栽机构进行优化设计和仿真分析，从而为实际机构的试验研制提供理论支撑。

1 双曲柄五杆移栽机构运动学模型及工作原理

双曲柄五杆移栽机构示意图如图1所示，该移栽机构由双曲柄五杆机构及鸭嘴器组成，机构自由度为2。其中机架为OE，曲柄OB、ED为输入构件，输出构件为连杆CD，鸭嘴器Lf固定在CD一端。移栽进行时曲柄OB、ED以相同角速度同向匀速运动。当鸭嘴器在最高位置时钵苗落入鸭嘴中进行喂苗。当鸭嘴到达最低位置时，鸭嘴器在凸轮控制系统作用下张开。钵苗落入打好的穴口中，完成一次栽植过程。

图1 双曲柄五杆栽植机构示意图

2 双曲柄五杆栽植机构运动学模型建立

如图1所示，以O为原点建立直角坐标系，各杆角位移以X轴正方向为基准，逆时针为正，机组前进方向为X轴负方向[3]。设机构中各杆件OB、AB、AD、DE、AC、OE、CF 长度分别为L0、L1、L2、L3、L4、L5，鸭嘴器长度为Lf，两曲柄初始相位角分别为ψ0、ψ3，连杆DE、CF角位移分别为ψ2、ψ4。CF与连杆CD初始夹角为β。建立如图1所示运动学模型。

根据建立运动学模型可得封闭矢量方程

LOB+LBA=LOE+LED+LDA（1）

LOB+LBA+LAD=LOE+LED（2）

X0=0，Y0=0

可得E点位移方程X =X +L cosαY =X +L sinα（3）

B点位移方程为：X =X +L0cos（φ0+φ）YB=Y +L0sin（φ0+φ）（4）

D点位移方程为：X =XE+L3cos（φ3+φ）YD=YE+L3sin（φ3+φ）（5）

根据封闭矢量方程得出A点位移方程：

X =L cos（φ +φ）+L cosφ =L cosα+L cos（φ +φ）+L cosφ Y =L sin（φ +φ）+L sinφ =L sinα+L sin（φ +φ）+L sinφ （6）

C点位移方程为

X =XD+（L2+L4）cosφ2Yc=YD+（L2+L4）sinφ2（7）

F点位移方程为