基于MatLab的頂苗機構設計與參數優化

韓振浩，顏 華，陳 科，王海峰，徐 盼，何亞凱

(1.中國農業機械化科學研究院，北京 100083;2.現代農裝科技股份公司，北京 100083)

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基于MatLab的頂苗機構設計與參數優化

韓振浩1，顏 華2，陳 科2，王海峰2，徐 盼2，何亞凱1

(1.中國農業機械化科學研究院，北京 100083;2.現代農裝科技股份公司，北京 100083)

針對全自動移栽機頂夾結合的取苗方式設計了一種簡單可靠的頂苗機構。通過建立該機構的數學模型，以頂苗桿理論設計行程為優化目標，運用MatLabSQP算法對機構參數進行了優化，獲得了結構參數最優組合解。通過對機構進行受力分析，得到部分構件的受力曲線，明確了機構參數與構件受力關系，為后續機構設計和改進提供了理論依據。基于結構參數優化和力學分析，進行了樣機試制和試驗，結果表明：該機構頂苗動作穩定，頂苗成功率大于95%,滿足設計需要。

移栽機；頂苗機構；機構設計；參數優化

0 引言

育苗移栽技術作為一種大范圍推廣的栽培技術，相對直播具有充分利用光熱資源及搶占農時等優勢。目前，我國移栽作業基本以人工為主，勞動強度大、效率低、用工成本高、經濟效益不明顯。近年來，市場出現的半自動移栽機需要人工取投苗，效率提升有限，并不適用于大面積作物移栽。隨著土地集約化和蔬菜種植面積逐步擴大，全自動移栽機已成為栽植機械的發展方向[1-2]。歐美主要農業發達國家生產的全自動移栽機多為適用于大地塊作業的大型農業機械，配備復雜的機電液氣系統，造價昂貴，維修困難，未得以推廣[3-4]。純機械取苗機構的全自動移栽機以日本為代表，主要采用迎苗扎取的方式取苗，體積小，適用于小地塊作業；但單個機械手一次只取一株苗，速度較低且價格昂貴，也未得以推廣。因此，研發適合我國國情的高速高效旱地自動移栽機日漸迫切。

本文涉及的自動移栽機取苗機構采用的是頂苗桿從穴盤底孔將苗頂出結合苗爪夾取的方式,如圖1所示。作業時，穴盤苗先自動輸送至頂苗位置，幼苗經頂苗機構成排頂出后，由串聯苗爪單元夾取并回擺至投苗位置進行投苗[5-6]。頂苗機構頂苗動作的準確性直接影響到取苗成功率和后續流程運行的穩定性。因此，有必要針對頂苗機構進行結構優化，尋求適合于全自動移栽機頂苗機構的結構形式和最優的工作參數。建立頂苗機構的數學模型，以頂苗機構空間配置要求為關鍵約束條件，以頂苗桿理論設計行程為優化目標，采用MatLab SQP算法計算獲得機構最優結構參數組合解[7-8]。基于頂苗機構力學模型分析，得到部分構件受力模擬曲線，為后續頂苗機構驅動氣缸選型提供理論依據。

1.夾取裝置 2.頂苗機構 3.機架 4.苗盤輸送裝置

1 頂苗機構設計

頂苗機構的主要功能是穿過苗盤底孔成排頂出穴盤中的幼苗，為苗爪夾持機構實現供苗，設計時應考慮到整體空間配置需要。本文涉及的頂苗機構設計為單側氣缸驅動的曲柄滑塊機構。工作時，氣缸活塞桿伸出，推動扭轉桿繞固定轉軸轉動，通過連桿帶動頂苗架沿兩側平行滑軌向外頂出。頂苗桿單元通過固定座固定于頂苗架上，由于采用雙側平行滑軌對頂苗桿的頂出運動進行限位，保證了頂苗動作的準確度和穩定性。同時，為提高頂苗機構對不同規格苗盤的適應性，頂苗桿伸出長度頂苗桿單元相鄰間距可調。頂苗機構的結構示意圖如圖2所示。

1.頂苗單元 2.滑軌 3.連桿 4.扭轉桿 5.驅動氣缸 6.頂苗架

頂苗機構結構參數決定了頂苗運動軌跡，影響頂出動作可靠性。考慮到多參數試湊復雜，難度較大，并且難以準確滿足設計需要，本文基于建立取苗機構數學模型，使用數學解析方法構建目標優化函數，獲得該機構最優工作參數組合。

2 建立數學模型

頂苗機構機構簡圖如圖3所示。其中，l4為驅動氣缸所在桿長度；鉸接點為D；BAC為連桿，其兩側長度分別為l2與l3，夾角為θ；A為連桿固定鉸接點；l4與水平面之間的夾角為θ1；連桿BAC與頂苗架之間的連桿為CE,長度用l1表示。A點與頂桿之間的垂直距離為d；頂桿所在平面與水平面之間的夾角為α。各參數含義詳見表1。以A為坐標原點建立坐標系(見圖3)，運用數學解析法計算各點位置坐標。

圖3 頂苗機構數學模型

符號含義符號含義l1/mm連桿CE長度l2/mm連桿BA長度l3/mm連桿CA長度l4/mm連桿BD長度l5/mmA點至D點距離θ/°連桿BA與AC夾角θ1/°連桿AC與x軸夾角α/°滑軌與水平夾角d/mmA點至滑軌距離δ/mmC點至滑軌距離

B點的坐標為

(1)

C點的坐標為

(2)

鉸接點C與頂桿運動所在平面間的垂直距離用δ表示，由幾何關系可得

δ=d-l3cos(90°-α-θ1)

(3)

E點的坐標為

(4)

連接AD，在△BAD中，由余弦定理，空間距離|AD|可以表示為

(5)

連桿AB與AD間的夾角可以表示為

(6)

AD與水平面的夾角可以表示為

(7)

則AC與水平方向的夾角θ1可以表示為

θ1=π-[θ-(∠DAB-∠DAT)]

(8)

通過θ1變化，可以間接求出鉸接點E的坐標變化，即頂苗作業時，頂桿的實際作業行程，用ΔsE表示為

(9)

3 MatLab參數優化

基于建立的頂苗機構數學模型，以頂苗桿理論設計行程為目標，以機構空間配置要求為約束條件，對頂苗機構結構參數進行優化。

3.1 約束條件與優化目標函數建立

頂苗氣缸形式選用單桿單作用氣缸，通氣時，氣缸活塞桿伸出，驅動頂桿將幼苗頂出；斷氣時，氣缸活塞桿回縮，帶動頂桿從穴盤底孔退出。氣缸行程固定，對于具有單自由度的頂苗機構，當各連桿參數確定后，頂桿行程隨之確定。基于逼近思想，頂桿計算行程無限逼近設計行程時，連桿最優參數組合也將隨之取得。因此，目標函數可以描述為

(10)

其中，s表示頂桿理論設計作業行程；ΔsE表示氣缸活塞桿伸縮過程中，頂桿實際作業行程。

考慮到頂苗機構空間配置要求，連桿長度在滿足設計要求的前提下需要考慮結構設計的緊湊性。連桿AB與連桿AC以鉸接點A為中心構成杠桿，在氣缸推程一定時，AB長度取得過大，AC端部C點位移量將減小，勢必引起頂桿作業行程減小，造成幼苗無法完全頂出；AC長度取得過大，其端點C位移量將增大，將造成頂桿作業行程增大，影響取苗穩定性，同時造成結構空間浪費。所以，結構參數的取值應選取在合適的取值范圍。

(11)

3.2 基于SQP算法的目標函數優化

由目標函數和約束條件可知，本文涉及的優化類型屬于多元非線性函數優化問題。SQP算法(序列二次規劃算法)是求解該類中小規劃約束最優問題的一類有效算法，因此本文通過編制m文件，采用SQP算法求解目標函數最優組合解。

根據頂苗機構設計要求確定優化初始條件，已知頂苗機構數學模型中：①D點相對于A點的坐標為(-143，192)；②氣缸行程為50mm，l4的長度初始值為195mm；③A點與頂桿滑軌的垂直距離d為168mm，頂苗時，頂苗桿與苗盤垂直，苗盤與水平夾角為60°；④∠BAC=150°。

因此，設計變量擬定初值(70,80,125)，設定算法迭代循環次數為1 000次，程序運行后得到頂苗機構的最優參數組合解為

考慮到實際加工生產需要，對優化結果進行圓整，取x1=104mm、x2=146mm、x3=132mm,即連桿CE長度取104mm,連桿AB長度取146mm,連桿AC長度取132mm。

4 頂苗機構力學分析

頂苗機構實際作業過程中，氣缸需要克服幼苗基質塊脫離穴格粘附、導輪摩擦、系統內部等產生的阻力。同時，單側氣缸驅動頂苗架運動，扭轉桿還需要克服氣缸推動過程中對其產生的扭矩。為了保證作業時整個頂苗系統的穩定性，頂苗機構力學性能需要滿足一定要求。通過查閱參考文獻及實際試驗，并考慮其余各處摩擦力影響，將每個穴盤苗基質塊的最大頂出力設定為0.01kN[9-10]。建立頂苗機構的力學分析模型，對其進行受力分析，如圖4所示。

圖4 機構受力分析

假設該系統力系為靜力系，10個穴盤苗頂出力按最大100N計算，進行力學分析推出如下公式。

各力公式推導得

(12)

FCAT=FEC×cosθ′

(13)

FBD=FBAT/sinθ2

(14)

(15)

可得氣缸頂出力FBD與頂桿長度l4關系曲線，如圖5所示。

圖5 氣缸頂出力與頂桿長度關系曲線

根據圖5可以計算得到氣缸所受頂苗造成的力最大為150N。本數據可作為氣缸選型的參考依據,最終選取氣缸型號為MAL25×50(缸徑25mm,行程50mm)的鋁合金迷你氣缸。由于系統工作壓力為0.6～0.8MPa，而系統壓力在0.5MPa時，氣缸理論輸出力可達176.4N，因此氣缸滿足頂出力要求。

通過公式計算得到計算力矩所需分力FCAT的值，運用MatLab模擬可以得到圖6所示曲線。

圖6 FCAT與頂桿長度關系曲線

根據圖6所示，FCAT的最大值約為115.59N，單個連桿因頂苗所受最大垂直分力約為57.8N，故可以計算得出扭轉桿最大扭矩為7 629.6N·mm，可在試制過程中作為扭轉桿扭轉校核、材料選取和直徑選取的參照。最終扭轉桿選取Q235-A的冷拔空心鋼管，其外徑為28mm、內徑為24mm。

5 田間試驗

根據優化機構參數組合和力學分析進行了頂苗機構試制并安裝于自動移栽機上，于2015年8月進行了樣機試驗，如圖7所示。試驗結果表明：育苗盤根良好時，頂苗動作穩定，頂苗成功率大于95%，頂苗機構作業性能優良。

6 結論

1)針對自動移栽機頂夾結合的自動取苗方式設計了以單側氣缸驅動的頂苗機構。

2)對該機構進行數學建模，利用優化工具得到符合功能和空間的結構參數最優組合解。通過MatLab對頂苗部件當中扭轉軸所受扭矩進行仿真得到曲線，計算最大扭矩，用作扭轉桿扭轉強度校核；并對氣缸受力進行計算，得到氣缸受力曲線，作為氣缸選型參照。

3)進行了樣機試制并完成了田間試驗，結果表明：該機構頂苗動作穩定，頂苗成功率大于95%，頂苗機構作業性能優良。

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Design and Parameter Optimization of Seedling Expeller Mechanism Based on Matlab

Han Zhenhao1, Yan Hua2, Chen Ke2, Wang Haifeng2, Xu Pan2, He Yakai1

(1.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science,Beijing 10083,China; 2.China Modern Agricultural Equipment Co., Ltd, Beijing 100083, China)

According to the characteristics of the seedling pick-up mechanism which could shove and clamp in the automatic transplanter,we have designed a kind of reliable and simple seedling expeller mechanism used for seedling pick-up mechanism in this paper.A simple and reliable mechanism was designed.Theoretic designed distance of seedling expeller trip is chosed as the optimization goal.Parameters of the structure are optimized through using the MatlabSQP algorithm and the optimal combination structure parameters are obtained.In this paper,we also obtained the simulative stress waveforms of parts in the mechanism through the analysis of stress,and found the relationship between structure parameters with the stress on parts in the mechanism.It is a good theory basis of the subsequent institutional design and improvement.Based on optimization of structural parameters and mechanical analysis,the prototype test is finished.Test showed that the movement is stable, seedling shove success rate is more than 93%, meet the design needs.

transplanter; seedling expeller mechanism; mechanical design; parameter optimization

2015-12-21

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA10A50 1)；國家科技基礎性工作專項(創新方法工作)項目(2013IM030700)

韓振浩(1993-),男，河北滄州人，碩士研究生，(E-mail) 2335855527@qq.com。

顏 華(1973-)，女，貴州人，研究員，碩士生導師，(E-mail)yanhua@caams.org.cn。

S223.9；S220.3

A

1003-188X(2017)01-0142-05