插秧機分插機構尺寸參數優化設計

孫淼　趙鳳芹

摘要：針對寬窄行分插機構建立尺寸優化模型；基于寬窄行分插機構的運動軌跡，反求分插機構的重要尺寸參數；解決約束條件多且復雜的問題，應用MATLAB中Fmincon函數對其求解；并將優化設計生成可視化設計系統，便于該方法的有效推廣，提高設計效率。

關鍵詞：分插機構；插秧機；優化設計；可視化界面

中圖分類號：S223.91+2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）04-0040-03

分插機構是插秧機的核心工作部件，其性能的優劣直接影響插秧質量。交錯軸斜齒行星輪系分插機構為水稻寬窄行種植的一種核心機構，其工作軌跡為復雜的空間海豚型軌跡，但是其優化方法尚不明確。為了優化寬窄行分插機構的尺寸，本文提出基于寬窄行分插機構的運動軌跡，建立分插機構的尺寸優化模型。

1 分插機構尺寸優化模型

1.1 設計參數

分插機構尺寸優化設計變量為：偏心距e、偏心齒輪半徑R、中心距a、偏心齒輪螺旋角β、初始安裝角φ0、行星架拐角δ0、栽植臂初始安裝角α0和分插機構栽植臂S。模型的設計參數表述為：X=（e，R，a，α0，φ0，δ0，S，β）。

1.2 目標函數

水稻寬窄行栽培技術是指水稻秧苗在單位總行數不變、穴距適當增加、穴數適當減少的條件下，把原來單一等距的行距變成寬窄相間、合理搭配的栽培方式，即寬行距40 cm、窄行距20 cm，如圖1所示。

傳統水稻插秧的行距為30 cm，為了達到水稻寬窄行種植的目的，設水稻插秧機作業時在縱方向偏移量△S=50 mm，并確定縱方向偏移量為優化目標。同時，栽植臂需要完成摘取秧苗和推送秧苗的過程，其絕對運動時插秧穴口的寬度也影響著秧苗的直立性，因而插秧軌跡的高度差△y、插秧穴口寬度△x同樣為優化目標。

1.3 約束條件

1.3.1 取秧點 水稻插秧機在取秧時栽植臂的秧針與水平面的夾角應該在-5～25°之間，栽植臂到達取秧點時如圖2所示。

通過插秧軌跡的高度差來最大限度地限制插秧軌跡的高度差，設定上、下限的范圍為偏差±10 mm內。

1.3.6 其他約束條件 其他線性約束A，b由Rbmin-Rb≤0及給定的e，R，a界限確定。

1.4 優化計算的實現

將上述約束條件中的非線性約束條件存于fxxystj.m中，利用MATLAB的MAX及MIN函數完成各參數極值的尋找。給定初始值x0=[R e a φ0 δ0 α0 S β]，調用目標函數及非線性約束條件語句為：[x，f]=fmincon （'myfunction'，x0，A，b，[]，[]，[]，[]，'fxxystj'），將上述程序存于yhjieguo.m文件中，以方便后續回調函數中文件的調用。

2 參數化設計界面

2.1 界面設計

利用MATLAB中可視化設計工具GUI完成系統編輯，實現分插機構尺寸優化的可視化設計。尺寸優化界面如圖4所示。

運算需輸入已知參數值，求得在滿足條件范圍的偏心齒輪半徑等值。運算結束后，輸出各參變量的值，顯示水稻插秧機分插機構尺寸的最優解。最優化程序編輯完成并存于M文件中，實現優化需調用yhjieguo.m文件。偏心非圓齒齒輪的優化結果界面如圖5所示。

2.2 程序設計

首先將運動規律輸入到MATLAB中，非線性約束條件fxxystj.m文件中通過f=str2num （get（handles.edit1，'String'））函數獲得運動參數值，通過set（handles.edit11，'string'，num2str（alpha））函數來顯示優化結果。

3 優化結果

根據約束條件的描述，給定R，e，a，φ0，δ0，S，β的界限：18 mm≤R≤2 mm，3 mm≤e≤5 mm，36 mm≤a≤42 mm，4°≤φ0≤12°，70°≤δ0≤90°，-90°≤α0≤

-100°，170 mm≤S≤180 mm，8°≤β≤20°。確定優化變量初值：x0=[e R a φ0 δ0 α0 S β]=[4 19 38 5 80 -95 180 15]，根據選定的Fmincon函數進行運算，選定高度差為250 mm，絕對運動中插秧穴口寬度為23 mm，秧針在縱方向的位移偏移量為50 mm。優化結果與原數據見表1。

優化后分插機構的縱向運動范圍△S=50 mm，通過數據對比可知，優化效果明顯，實現了優化目的。應用MATLAB工具進行優化求解，具有簡單易行、便于設計師使用的特點，可將設計師從繁重、重復的設計、計算中解放出來，從而提高了產品的設計效率。

參考文獻

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Abstract： In the article， it built the model of dimension optimization according to wide and narrow row separating planting mechanism； based on the motion path of wide and narrow row separating planting mechanism， reversed to seek the important dimension parameters of separating planting mechanism； the constraint conditions are a lot and complex， for solving it， it used Fmincon function of MATLAB to solve； and upgraded the optimization design to visual design system， it is easy to effectively extend for the method， and raised the design efficiency.

Key words： separating planting mechanism； transplanter； optimization design； visual interface