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。
[FK(W11][TPCLF1.tif][
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)。
[FK(W9][TPCLF7.tif][
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。
參考文獻(xiàn):
[1]房駿,陳宏波.玉米育苗移栽機(jī)械化技術(shù)介紹[J].農(nóng)機(jī)市場(chǎng),2010(12):57-58.
[2]ZhangG,XuQ,PanY,etal.Influenceofmechanicaltransplantingpotseedlinguprightdegreequalificationrateofexperimentalresearch[J].JournalofHuazhongAgriculturalUniversity,2004,12(5):463-465.
[3]劉效亮,李其昀.育苗移栽機(jī)械化發(fā)展方向[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2003,13(3):108-110.
[4]于修剛,袁文勝,吳崇友.我國(guó)移栽機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀與鏈夾式移栽機(jī)的改進(jìn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,1(1):232-234.
[5]熊耐新,全臘珍,鄒運(yùn)梅,等.我國(guó)棉花移栽機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]湖南農(nóng)機(jī),2010,37(1):1-3
[6]夏俊芳,王樹(shù)才,許綺川.我國(guó)棉花營(yíng)養(yǎng)缽移栽機(jī)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2002(1):35-37.
[7]李其昀,魯善文,楊憲武.棉花移栽機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2006(1):14-17.
[8]韓占全,封俊.我國(guó)旱地栽植機(jī)械的現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].現(xiàn)代農(nóng)機(jī)化,2000(8):29-31.
[9]陳風(fēng),陳永成,王維新.旱地移栽機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005(3):24-26.
[10]李其昀,魯善文,楊憲武.吊籃式棉花移栽機(jī)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(4):164-166.
[11]封俊.大蔥移栽機(jī)[J].中國(guó)蔬菜,2001(5):57.
[12]DongF,BaiX,WangZ,etal.Studiesonseedlingseedlingtransplanterwithbeltconveyerfeedlingmechanism[C]//ProceedingsofInternationalConferenceonAgriculturalEngineering,1999:12-15.
[13]封俊.移栽機(jī)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與檢測(cè)方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1998,14(2):73-77
[14]王君玲,高玉芝,李成華.旱地缽苗移栽機(jī)械化生產(chǎn)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化與電氣化,2003(5):5-6.
[15]詹國(guó)祥.油菜移栽機(jī)械的研究與推廣[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2002(1):26-27.
[16]尹國(guó)洪,陳巧敏.旱地育苗移栽機(jī)械現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)與前景[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,1997(5):9-11.
[17]林菲.富來(lái)威2ZQ-4油菜移栽機(jī)入選補(bǔ)貼目錄[J].農(nóng)機(jī)科技推廣,2009(4):64-64.
[18]孫裕晶.2ZT型移栽機(jī)的研究設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,1999,2(1):53-54
[19]馬強(qiáng),陳志,張小超,等.基于ADAMS的果樹(shù)采摘機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(5):37-41.
[20]李紅勛,劉輝,徐更杰,等.挖掘機(jī)主要部件的虛擬樣機(jī)仿真分析[J].工程機(jī)械,2009,40(10):36-39.