柔性取苗機械手仿真分析與試驗

王東洋+姬江濤+金鑫

摘要：為了探究取苗機械手結構參數和缽苗基質物理特性在取苗過程中對缽苗變形和損傷程度的影響，對2種不同的取苗機構進行了討論，通過對比分析，選取柔性取苗機械手為研究對象，建立了該機械手的運動學模型，根據所建立方程對該裝置關鍵部位進行有限元分析。以凸輪寬度為試驗因素、基質變形率和基質損失量為試驗指標，選取3種不同含水率的缽苗進行夾取試驗。結果表明，3種不同含水率下，凸輪寬度對基質損失量影響很小，最大平均值為 1.14 g，并且含水率和凸輪寬度對基質損失量沒有明顯的影響；基質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，在含水率為51.81%、凸輪寬度為37 mm時，擠壓變形率為12.66%，對應的壓縮量為6.08 mm。

關鍵詞：柔性取苗機構；仿真分析；試驗分析；基質變形率；基質損失量

中圖分類號： S223.1+4 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0350-04

取苗機械手關鍵部位的機構參數和缽苗基質的物理特性直接影響到缽苗基質在取苗過程中出現變形和損傷的程度，進而影響栽植效率[1]。

目前，國內外學者對自動取苗機構做了大量的研究，但多偏重于對取苗機構的設計[2-19]，而對取苗機構參數和缽苗基質物理性質對取苗效率影響的研究較少。本研究通過對比2種常見的取苗機構，選取柔性取苗機構為研究對象，對該機構建立數學模型，對關鍵部位進行有限元分析，通過試驗探究了取苗機構凸輪參數和基質含水率在取苗過程中對缽苗基質體的影響。

1 2種不同取苗機構的對比

1.1 曲柄式機械手

曲柄滑塊式取苗機械手的原理簡單，滑塊的直線運動轉化成取苗機械手的擺動，其結構如圖1所示。工作時滑塊向下移動夾住基質苗，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苗。齒輪齒條機構實現苗爪的翻轉，苗爪開合凸輪轉動到近休位置，滑塊上移，苗爪打開，基質苗靠重力自由下落到導苗筒中，完成1次取苗。

1.2 柔性機械手

柔性取苗機械手的結構如圖2所示，其結構相對簡單，只有2個取苗爪和1個鉸鏈，可以看作是2個杠桿相對放置，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，凸輪將苗爪上端撐開，苗爪末端夾住基質苗，苗爪翻轉到落苗位置，凸輪脫離苗爪上端，回位彈簧將苗爪末端撐開，基質苗脫落。苗爪采用柔性材料，在撐開力和基質苗缽體抗壓力的作用下，苗爪會產生變形，而基質體也會產生一定的壓縮變形。要求苗爪材料有一定的彈性，在保證夾持力的同時，不至使基質變形或損壞。

曲柄滑塊式取苗機械手屬于剛性部件，很難保證在夾持力足夠的情況下不對苗造成損傷，需要基質苗有較好的蠕變特性，并且其機構有5個構件6個鉸鏈，結構相對復雜。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，容易出現卡死的情況。柔性取苗機械手結構簡單，其柔性特點可以使基質苗對苗爪夾持力有一定的適應范圍，減少對基質的損傷。所以，本研究將采用柔性取苗爪進行建模分析和取苗試驗研究。

2 柔性取苗機械手數學模型的建立

柔性取苗機械手為對稱結構，為方便建模與分析，取一半為研究對象，苗爪為彈性材料，在彈性限度內，苗爪的變形滿足胡克定律。可將苗爪夾苗的動作看成是基質受到的兩側彈簧力，回位彈簧的位置距離鉸鏈較近，且勁度系數較小，忽略不計，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制位移、苗爪末端的勁度系數、撐開點與鉸鏈固定點的距離、夾苗點與鉸鏈固定點的距離等有關。

3 取苗機械手有限元分析

取苗機械手夾取苗的過程，可以分為2段，第1段是苗爪與基質苗接觸前，第2段是苗爪與基質苗接觸后。第1段可以看做是杠桿的動作，第2段可以看做是苗爪的靜力學強度分析，即苗爪在撐開力和基質苗的抗壓力作用下產生變形。

根據公式（6）中的影響因素選取強制位移為變量，對取苗機械手進行有限元分析。

3.1 取苗機械手的有限元分析

對取苗機械手進行幾何建模，將模型導入到ANSYS Workbench環境。取苗機械手末端的執行機構苗爪采用柔性材料，因剛性材料在夾持過程中容易對基質造成損傷，使用柔性材料的苗爪夾持基質時，苗爪會因為基質的抗壓力產生變形，減小對基質的擠壓力。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行求解計算，通過計算得到苗爪在凸輪強制位移s分別為2、3、4 mm時各點的位移云圖和von-mises應力云圖，見圖5-a至圖5-f。

苗爪在凸輪強制位移s為2、3、4 mm時，各點位移和 von-mises應力的計算結果見表1。

根據計算結果和位移與應力云圖，可以得到以下結論：

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

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

4 試驗驗證

為驗證柔性取苗爪工作時，在不同凸輪撐開位移的情況下，對基質苗產生擠壓變形的大小，選取3種不同含水率的基質缽苗進行夾取試驗。

4.1 試驗設備

柔性苗爪；游標卡尺；型號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，缽苗基質主要成分及比例為泥炭70%、珍珠巖15%、蛭石15%。

4.2 試驗方法和評價指標

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

試驗前后測量基質苗的質量m1和m2，以及試驗前后基質體的上棱邊和下棱邊寬度a1、b1和a2、b2?；|苗的含水率用干濕質量法測得。

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

4.3 試驗結果與分析

根據試驗測定結果，計算出平均值（表2），分析比較3種不同含水率下，基質損失量和擠壓變形率（圖6）與凸輪寬度的關系，如圖7和圖8所示。

針對3種不同含水率，不同凸輪寬度下基質損失量都很小，最大平均值也只有1.14 g，并且含水率和凸輪寬度對基質損失量也沒有明顯影響，分析其原因在于此次育苗基質填充得較為緊實，并且試驗所用的基質苗苗齡為55 d左右，根系生長發達，缽體盤根情況較好，不易松散，所以試驗時基質的損失量很小。而基質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，在含水率為51.81%、凸輪寬度為37 mm時的平均值為12.66%，對應的壓縮量為6.08 mm。

5 結論

對取苗機械手結構參數和缽苗基質物理特性在取苗過程中對缽苗變形和損傷程度的影響進行了探究，對比分析2種不同的取苗機構，通過對比，選取柔性取苗機構為研究對象進行分析。對柔性取苗機構建立數學模型，分析了取苗過程中強制位移與缽苗基質變形量之間的關系。

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

對樣機進行了試驗，結果表明：含水率為33.14%、48.33%和51.81%的番茄基質苗在凸輪寬度分別為33、35、37 mm時，基質損失量的最大平均值為1.14 g，含水率和凸輪寬度對基質損失量沒有明顯影響；基質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，在含水率為51.81%、凸輪寬度為37 mm時，擠壓變形率的平均值為12.66%，對應的壓縮量為6.08 mm。

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