柔性取苗機(jī)械手仿真分析與試驗(yàn)

王東洋+姬江濤+金鑫

摘要：為了探究取苗機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)和缽苗基質(zhì)物理特性在取苗過程中對(duì)缽苗變形和損傷程度的影響，對(duì)2種不同的取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了討論，通過對(duì)比分析，選取柔性取苗機(jī)械手為研究對(duì)象，建立了該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)所建立方程對(duì)該裝置關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析。以凸輪寬度為試驗(yàn)因素、基質(zhì)變形率和基質(zhì)損失量為試驗(yàn)指標(biāo)，選取3種不同含水率的缽苗進(jìn)行夾取試驗(yàn)。結(jié)果表明，3種不同含水率下，凸輪寬度對(duì)基質(zhì)損失量影響很小，最大平均值為 1.14 g，并且含水率和凸輪寬度對(duì)基質(zhì)損失量沒有明顯的影響；基質(zhì)的擠壓變形率隨著凸輪寬度和含水率的增加具有顯著上升的趨勢(shì)，在含水率為51.81%、凸輪寬度為37 mm時(shí)，擠壓變形率為12.66%，對(duì)應(yīng)的壓縮量為6.08 mm。

關(guān)鍵詞：柔性取苗機(jī)構(gòu)；仿真分析；試驗(yàn)分析；基質(zhì)變形率；基質(zhì)損失量

中圖分類號(hào)： S223.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0350-04

取苗機(jī)械手關(guān)鍵部位的機(jī)構(gòu)參數(shù)和缽苗基質(zhì)的物理特性直接影響到缽苗基質(zhì)在取苗過程中出現(xiàn)變形和損傷的程度，進(jìn)而影響栽植效率[1]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)做了大量的研究，但多偏重于對(duì)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[2-19]，而對(duì)取苗機(jī)構(gòu)參數(shù)和缽苗基質(zhì)物理性質(zhì)對(duì)取苗效率影響的研究較少。本研究通過對(duì)比2種常見的取苗機(jī)構(gòu)，選取柔性取苗機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)該機(jī)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析，通過試驗(yàn)探究了取苗機(jī)構(gòu)凸輪參數(shù)和基質(zhì)含水率在取苗過程中對(duì)缽苗基質(zhì)體的影響。

1 2種不同取苗機(jī)構(gòu)的對(duì)比

1.1 曲柄式機(jī)械手

曲柄滑塊式取苗機(jī)械手的原理簡(jiǎn)單，滑塊的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成取苗機(jī)械手的擺動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)滑塊向下移動(dòng)夾住基質(zhì)苗，并且滑塊在苗爪開合凸輪的作用下停留在下端位置以保證苗爪夾持住基質(zhì)苗。齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)苗爪的翻轉(zhuǎn)，苗爪開合凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到近休位置，滑塊上移，苗爪打開，基質(zhì)苗靠重力自由下落到導(dǎo)苗筒中，完成1次取苗。

1.2 柔性機(jī)械手

柔性取苗機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，只有2個(gè)取苗爪和1個(gè)鉸鏈，可以看作是2個(gè)杠桿相對(duì)放置，將苗爪上端較小的位移放大成苗爪末端較大的位移。工作時(shí)，凸輪將苗爪上端撐開，苗爪末端夾住基質(zhì)苗，苗爪翻轉(zhuǎn)到落苗位置，凸輪脫離苗爪上端，回位彈簧將苗爪末端撐開，基質(zhì)苗脫落。苗爪采用柔性材料，在撐開力和基質(zhì)苗缽體抗壓力的作用下，苗爪會(huì)產(chǎn)生變形，而基質(zhì)體也會(huì)產(chǎn)生一定的壓縮變形。要求苗爪材料有一定的彈性，在保證夾持力的同時(shí)，不至使基質(zhì)變形或損壞。

曲柄滑塊式取苗機(jī)械手屬于剛性部件，很難保證在夾持力足夠的情況下不對(duì)苗造成損傷，需要基質(zhì)苗有較好的蠕變特性，并且其機(jī)構(gòu)有5個(gè)構(gòu)件6個(gè)鉸鏈，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。由于加工和安裝誤差的存在，很難保證其精度，在工況較差時(shí)，容易出現(xiàn)卡死的情況。柔性取苗機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其柔性特點(diǎn)可以使基質(zhì)苗對(duì)苗爪夾持力有一定的適應(yīng)范圍，減少對(duì)基質(zhì)的損傷。所以，本研究將采用柔性取苗爪進(jìn)行建模分析和取苗試驗(yàn)研究。

2 柔性取苗機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型的建立

柔性取苗機(jī)械手為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為方便建模與分析，取一半為研究對(duì)象，苗爪為彈性材料，在彈性限度內(nèi)，苗爪的變形滿足胡克定律?？蓪⒚缱A苗的動(dòng)作看成是基質(zhì)受到的兩側(cè)彈簧力，回位彈簧的位置距離鉸鏈較近，且勁度系數(shù)較小，忽略不計(jì)，如圖3所示。

通過上式可以看出，苗爪的壓縮位移與苗爪上端的強(qiáng)制位移、苗爪末端的勁度系數(shù)、撐開點(diǎn)與鉸鏈固定點(diǎn)的距離、夾苗點(diǎn)與鉸鏈固定點(diǎn)的距離等有關(guān)。

3 取苗機(jī)械手有限元分析

取苗機(jī)械手夾取苗的過程，可以分為2段，第1段是苗爪與基質(zhì)苗接觸前，第2段是苗爪與基質(zhì)苗接觸后。第1段可以看做是杠桿的動(dòng)作，第2段可以看做是苗爪的靜力學(xué)強(qiáng)度分析，即苗爪在撐開力和基質(zhì)苗的抗壓力作用下產(chǎn)生變形。

根據(jù)公式（6）中的影響因素選取強(qiáng)制位移為變量，對(duì)取苗機(jī)械手進(jìn)行有限元分析。

3.1 取苗機(jī)械手的有限元分析

對(duì)取苗機(jī)械手進(jìn)行幾何建模，將模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench環(huán)境。取苗機(jī)械手末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)苗爪采用柔性材料，因剛性材料在夾持過程中容易對(duì)基質(zhì)造成損傷，使用柔性材料的苗爪夾持基質(zhì)時(shí)，苗爪會(huì)因?yàn)榛|(zhì)的抗壓力產(chǎn)生變形，減小對(duì)基質(zhì)的擠壓力。所建立的苗爪模型如圖4所示。

在完成了以上有限元模型的建立后開始進(jìn)行求解計(jì)算，通過計(jì)算得到苗爪在凸輪強(qiáng)制位移s分別為2、3、4 mm時(shí)各點(diǎn)的位移云圖和von-mises應(yīng)力云圖，見圖5-a至圖5-f。

苗爪在凸輪強(qiáng)制位移s為2、3、4 mm時(shí)，各點(diǎn)位移和 von-mises應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果見表1。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和位移與應(yīng)力云圖，可以得到以下結(jié)論：

（1）通過3張苗爪各點(diǎn)的位移云圖可以看到，最大位移出現(xiàn)在苗爪的末端，在3種強(qiáng)制位移下的最大位移變化不大，隨著強(qiáng)制位移的增大而微量減小，這說明強(qiáng)制位移增大將會(huì)使基質(zhì)苗產(chǎn)生少量的擠壓變形，但是變形量較小，僅為 0.82 mm。

（2）通過3張苗爪各點(diǎn)的von-mises應(yīng)力云圖可以看到，應(yīng)力集中主要發(fā)生在苗爪上端凸輪撐開面與鉸鏈的連接處，其他的區(qū)域顏色較淺。隨著強(qiáng)制位移的增大，最大等效應(yīng)力逐漸增大，在s=4 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力為3.88×108 Pa。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證柔性取苗爪工作時(shí)，在不同凸輪撐開位移的情況下，對(duì)基質(zhì)苗產(chǎn)生擠壓變形的大小，選取3種不同含水率的基質(zhì)缽苗進(jìn)行夾取試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

柔性苗爪；游標(biāo)卡尺；型號(hào)i2000電子秤（量程200 g）；DZG-6020型真空烘箱；番茄穴盤苗。

品種為以色列1918，苗齡50 d，缽苗基質(zhì)主要成分及比例為泥炭70%、珍珠巖15%、蛭石15%。

4.2 試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用人工供苗，將基質(zhì)苗放置于平臺(tái)上，在凸輪的作用下，使柔性苗爪夾住基質(zhì)苗，將基質(zhì)苗提高250 mm，然后苗爪打開，使基質(zhì)苗自由落體到平臺(tái)上（為了模擬移栽機(jī)工作時(shí)基質(zhì)苗由苗爪下落到導(dǎo)苗筒的過程）。以33、35、37 mm 3種不同寬度的凸輪（取苗機(jī)械手的上端與苗接觸時(shí)的寬度為29 mm），在不同含水率（低、中、高）下隨機(jī)取8株基質(zhì)苗試驗(yàn)。

試驗(yàn)前后測(cè)量基質(zhì)苗的質(zhì)量m1和m2，以及試驗(yàn)前后基質(zhì)體的上棱邊和下棱邊寬度a1、b1和a2、b2?；|(zhì)苗的含水率用干濕質(zhì)量法測(cè)得。

最后計(jì)算基質(zhì)損失量m0= m1-m2，以及擠壓變形率 η=a1+b1-（a2+b2）a1+b1×100%。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，計(jì)算出平均值（表2），分析比較3種不同含水率下，基質(zhì)損失量和擠壓變形率（圖6）與凸輪寬度的關(guān)系，如圖7和圖8所示。

針對(duì)3種不同含水率，不同凸輪寬度下基質(zhì)損失量都很小，最大平均值也只有1.14 g，并且含水率和凸輪寬度對(duì)基質(zhì)損失量也沒有明顯影響，分析其原因在于此次育苗基質(zhì)填充得較為緊實(shí)，并且試驗(yàn)所用的基質(zhì)苗苗齡為55 d左右，根系生長發(fā)達(dá)，缽體盤根情況較好，不易松散，所以試驗(yàn)時(shí)基質(zhì)的損失量很小。而基質(zhì)苗的擠壓變形率隨凸輪寬度和含水率的增大具有顯著的上升趨勢(shì)，在含水率為51.81%、凸輪寬度為37 mm時(shí)的平均值為12.66%，對(duì)應(yīng)的壓縮量為6.08 mm。

5 結(jié)論

對(duì)取苗機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)和缽苗基質(zhì)物理特性在取苗過程中對(duì)缽苗變形和損傷程度的影響進(jìn)行了探究，對(duì)比分析2種不同的取苗機(jī)構(gòu)，通過對(duì)比，選取柔性取苗機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象進(jìn)行分析。對(duì)柔性取苗機(jī)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型，分析了取苗過程中強(qiáng)制位移與缽苗基質(zhì)變形量之間的關(guān)系。

建立苗爪的三維模型，并進(jìn)行有限元仿真分析，分析結(jié)果表明：最大位移出現(xiàn)在苗爪的末端，在3種強(qiáng)制位移下，最大位移的變化不大，并且隨著強(qiáng)制位移的增大，最大位移微量減小，這說明強(qiáng)制位移增大會(huì)使基質(zhì)苗產(chǎn)生少量的擠壓變形，但變形量較小，僅為0.82 mm。應(yīng)力集中主要發(fā)生在苗爪上端凸輪撐開面與鉸鏈的連接處，隨著強(qiáng)制位移的增大，最大等效應(yīng)力逐漸增大，在s=4 mm時(shí)，最大等效應(yīng)力為 3.88×108 Pa。

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：含水率為33.14%、48.33%和51.81%的番茄基質(zhì)苗在凸輪寬度分別為33、35、37 mm時(shí)，基質(zhì)損失量的最大平均值為1.14 g，含水率和凸輪寬度對(duì)基質(zhì)損失量沒有明顯影響；基質(zhì)苗的擠壓變形率隨凸輪寬度和含水率的增大有顯著的上升趨勢(shì)，在含水率為51.81%、凸輪寬度為37 mm時(shí)，擠壓變形率的平均值為12.66%，對(duì)應(yīng)的壓縮量為6.08 mm。

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