針式抓取裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析

曹麗芳 趙皓 張闖闖 姜楠 劉存祥 王同朝

摘要：穴盤(pán)苗移栽是育苗移栽的重要方法，根據(jù)育苗移栽中存在的問(wèn)題，利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一種新的穴盤(pán)育苗機(jī)械手指夾持裝置。該裝置通過(guò)凸輪分割器控制4個(gè)指針的旋轉(zhuǎn)和起停，以完成種苗的運(yùn)輸和交付;然后通過(guò)轉(zhuǎn)換接口將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS仿真軟件中，通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真，穴盤(pán)苗模塊的采集、運(yùn)輸和投放運(yùn)動(dòng)軌跡被清晰地模擬出來(lái)，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用可靠，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性得以保證，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期和成本。

關(guān)鍵詞：缽苗移栽;抓取裝置;運(yùn)動(dòng)仿真;受力分析

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.92文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）22-0218-04

作者簡(jiǎn)介：曹麗芳（1989—），女，河南商丘人，碩士，助教，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。E-mail：15038041749@139.com。

穴盤(pán)移栽是充分利用陽(yáng)光、爭(zhēng)取農(nóng)時(shí)、防止自然災(zāi)害、確保作物高產(chǎn)的重要措施[1-6]。但是，目前國(guó)內(nèi)移栽機(jī)械多以半自動(dòng)移栽機(jī)械為主。例如，旋轉(zhuǎn)吊籃送苗機(jī)構(gòu)、滑軌導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)等移栽機(jī)械，利用人手投苗、放苗，不僅浪費(fèi)人力，降低工作效率，還會(huì)為了附加人力裝置，使機(jī)器負(fù)重大大增加，帶來(lái)一連串附加裝置，自動(dòng)化效益低，不能完成高效率的種植移栽[7-14]。

傳統(tǒng)的移栽機(jī)械不僅生產(chǎn)效率低，而且難以實(shí)現(xiàn)大田自動(dòng)化生產(chǎn)，所以大田全自動(dòng)穴盤(pán)苗移栽是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化研究的趨勢(shì)。其中，可靠的取苗裝置是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)移栽的關(guān)鍵[15-18]?，F(xiàn)有的自動(dòng)抓取裝置局限較多，無(wú)法適應(yīng)全自動(dòng)化缽苗的大田移栽種植。因此，本研究通過(guò)三維建模軟件SolidWorks設(shè)計(jì)了一種穴盤(pán)苗取苗移栽機(jī)構(gòu)——分割器導(dǎo)向針式機(jī)械手種苗抓放機(jī)構(gòu)，并通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真軟件，對(duì)穴盤(pán)苗模塊的采集、運(yùn)輸和投放軌跡進(jìn)行模擬和運(yùn)動(dòng)分析，以保證該結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的可靠性。

1分割器導(dǎo)向針式機(jī)械手種苗抓放機(jī)構(gòu)

分割器導(dǎo)向針式機(jī)械手種苗抓放機(jī)構(gòu)的示意圖如圖1所示。該裝置主要由分割器、上盤(pán)、下盤(pán)、機(jī)械手指、指針、鎖緊裝置、擋塊等部分組成，由分割器和鎖緊裝置2個(gè)部分控制整個(gè)動(dòng)作。分割器控制機(jī)械手指向下抓苗、向上提苗、帶苗轉(zhuǎn)動(dòng)、到放苗筒位置向下放苗以及放苗后提升動(dòng)作;鎖緊裝置控制上下盤(pán)相對(duì)位置，以致指針鎖緊及松開(kāi)，即當(dāng)手指抓住秧苗時(shí)鎖緊，使秧苗在機(jī)械手指中不會(huì)脫落以便于秧苗運(yùn)輸;當(dāng)秧苗到達(dá)放苗處時(shí)，裝置松開(kāi)，使秧苗擺脫機(jī)械手，掉落至苗筒中。

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工作原理：以機(jī)械手指在秧苗上方準(zhǔn)備向下抓苗為初始位置，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)分割器開(kāi)始工作時(shí)，固定在分割器輸出軸上的上盤(pán)開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手指由下盤(pán)控制向中心轉(zhuǎn)動(dòng)，直至運(yùn)動(dòng)到行程最下端，機(jī)械手指達(dá)到最大傾斜角，抓緊秧苗。與此同時(shí)，固定在上盤(pán)上的鎖緊裝置隨上盤(pán)下降，到最下端，將下盤(pán)與上盤(pán)鎖緊在一起，完成抓苗動(dòng)作;抓緊秧苗以后，上盤(pán)和下盤(pán)隨分割器輸出軸上升至行程最上端，然后隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)至放苗筒上方，繼而下降至行程最下端，完成送苗動(dòng)作;待秧苗到達(dá)最下端，擋塊將鎖緊裝置按鈕頂開(kāi)，上盤(pán)和下盤(pán)脫離，上盤(pán)隨分割器輸出軸向上運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手指打開(kāi)，秧苗下落，完成放苗動(dòng)作。

1.1分割器選型

為了滿(mǎn)足停位抓取-轉(zhuǎn)動(dòng)-停位投放的動(dòng)作，本研究選用出力軸上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)兼間歇旋轉(zhuǎn)左右搖擺運(yùn)動(dòng)為一體的升降搖擺式分割器（DH）。其動(dòng)作示意圖分別如圖2所示。

該分割器僅由1個(gè)凸輪和轉(zhuǎn)塔組合而成，適合左右搖擺，上下夾取系統(tǒng)緊密及高精密、高速度地夾取輸送，提供所需的各種形式間歇運(yùn)動(dòng)。出力軸最大升降行程為60mm，滿(mǎn)足穴盤(pán)缽?fù)恋母叨取?/p>

1.2模型仿真

1.2.1模型添加運(yùn)用Solidworks軟件進(jìn)行機(jī)械手部件的三維實(shí)體建模及參數(shù)計(jì)算。把模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，（+z軸為重力加速度方向）模型導(dǎo)入ADAMS/view后，為了使針式抓取裝置仿真時(shí)間縮短，提高仿真的成功率[19-20]，在添加針式抓取裝置仿真模型時(shí)簡(jiǎn)化裝置模型，省去對(duì)結(jié)果影響不大的零部件，通過(guò)添加一些約束如旋轉(zhuǎn)等代替省去的零部件的功用。

為了模擬的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地面（base）以支撐秧苗，使其固定在大地上，秧苗與其添加接觸約束，簡(jiǎn)化后的模型如圖3所示。

1.2.2添加驅(qū)動(dòng)上盤(pán)和下盤(pán)是連接間歇分割器與指針的關(guān)鍵部件，不僅要完成上升、下降、轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作，還要控制抓苗指針轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)指針的聚攏與打開(kāi)，即控制抓苗與放苗動(dòng)作的完成，所以對(duì)它們的驅(qū)動(dòng)尤為重要，這里以上下行程40mm為抓苗基準(zhǔn)。

1.3運(yùn)動(dòng)分析

指針隨上下盤(pán)的相對(duì)位移向圓盤(pán)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)θ角（上盤(pán)與各個(gè)指針的夾角，簡(jiǎn)稱(chēng)指夾角度）的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)秧苗的加緊與松開(kāi)，以完成取苗與放苗動(dòng)作（圖6）。

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通過(guò)對(duì)上下盤(pán)添加驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，指針整個(gè)過(guò)程角度θ變化如圖7所示。在0～0.2s，上盤(pán)沿z軸正方向運(yùn)動(dòng)，下盤(pán)不動(dòng)，指針向中心聚攏，這個(gè)過(guò)程θ由78.5°減小至71°。0.2～0.7s，上下盤(pán)處于鎖緊狀態(tài)，上下盤(pán)運(yùn)動(dòng)軌跡相同，θ變化為0，保持在71°。0.7s以后，上盤(pán)向z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，θ由71°恢復(fù)到78.5°。

通過(guò)上下盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，4個(gè)指針同步轉(zhuǎn)動(dòng)，秧苗依次被指針抓緊—隨指針上升—同指針轉(zhuǎn)動(dòng)—隨指針下降—指針打開(kāi)秧苗下落。秧苗的速度和位移曲線(xiàn)和曲線(xiàn)如圖8和圖9所示。秧苗質(zhì)心標(biāo)記點(diǎn)全過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡圖見(jiàn)圖10，圖中紅線(xiàn)即為秧苗運(yùn)動(dòng)軌跡。

秧苗的軌跡主要由2個(gè)部分組成，一是通過(guò)抓苗裝置帶動(dòng)其完成抓取投放運(yùn)動(dòng)，另一部分是在秧苗脫離機(jī)械手指后，由自身重力引起的運(yùn)動(dòng)。2個(gè)部分在z方向的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為

通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)分析，得到秧苗在z方向的位移速度函數(shù)曲線(xiàn)如圖11所示。

通過(guò)速度位移曲線(xiàn)，做位移函數(shù)的微分，得到紅色虛線(xiàn)（圖11），由此可見(jiàn)，紅色虛線(xiàn)與速度函數(shù)曲線(xiàn)基本重合，正好符合位移的導(dǎo)數(shù)即速度。

2結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ADAMS仿真軟件對(duì)針式抓取裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，指針式穴盤(pán)苗抓取裝置能夠準(zhǔn)確可靠地完成秧苗的抓取、移動(dòng)和投放等動(dòng)作;對(duì)抓取裝置參數(shù)的設(shè)計(jì)及仿真分析表明，在開(kāi)始制造樣機(jī)前，模型參數(shù)進(jìn)行了分析和多次優(yōu)化，大大節(jié)省了樣機(jī)試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)時(shí)間，提高了裝置的制造效率。

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