取苗機械手雙氣缸三位置的驅動及優化

韓長杰，郭 輝，楊宛章，張 靜

( 新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052)

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取苗機械手雙氣缸三位置的驅動及優化

韓長杰，郭 輝，楊宛章，張 靜

( 新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊 830052)

自動移栽機取苗機械手是實現自動移栽機的關鍵，而取苗機械手的驅動是實現自動移栽的前提。為實現平行夾式取苗機械手的自動驅動，參考穴盤苗莖稈所能承受的夾持力，設計了基于雙氣缸驅動的擺臂3位置控制結構，使擺臂能在居中位置準確停止進行對穴取苗和放苗，在夾苗行程開始時運動迅速，還能在擺臂擺動到夾苗位時以適當的夾持力分別夾持對應位置的穴盤苗。通過計算分析，確定了l為130mm、h為130mm與長度為60mm的擺臂形成的Y字型結構，使平行夾在夾苗時具有不大于23N的夾持力，保障能夠夾持取苗且不傷苗。

自動移栽；取苗機械手；平行夾；穴盤苗

0 引言

取苗機械手是自動移栽機的核心工作部件，國外先后研制出多種適用于移栽機的穴盤苗自動取苗裝置，如日本研制出了基于雙針扎入基質的單取苗機械手，按照扎苗、取苗、放苗動作順序，每次能夠取出一株苗[1]。澳大利亞生產的采用4個針扎入取苗的自動移栽機，相比日本的取苗可靠性提高，對育苗基質要求降低。意大利與美國分別開發了采用推桿將苗從穴盤中推出的取苗裝置，此種方式主要針對硬質穴盤。以色列生產的履帶式全自動移栽機，采用負壓將整盤苗吸出，其取苗裝置結構龐大，可靠性不高[2]。國內相繼開展了多種自動取苗裝置的研究：東北農業大學陳海濤等研究了甜菜鏈式缽苗分離裝置，吉林大學孫廷琮等研究了真空投苗裝置，江蘇大學毛罕平等對研究了一種由齒輪連桿與槽型凸輪控制軌跡的自動取苗機構，南京農業大學汪小旵等對穴盤苗移栽機取苗末端執行器進行虛擬樣機分析，尹文慶等對滑針式取苗手進行了研究，沈陽農業大學田素博等對溫室花木單自動移栽機械手的控制進行了研究。國內研究的取苗方式雖有不同，但均為對單株穴盤苗操作，效率不高[3-6]。

新疆移栽種植面積較大，人工移栽成本高、周期長，需要高速的自動移栽機械，快速完成辣椒、番茄等作物的移栽。為了有效地提高移栽效率，必須采用取苗機械手代替人工取苗，本文以手工取苗動作為基礎，設計制作了基于平行移動夾片取苗的機械手[7]，能夠同時取出穴盤中的多株苗，并對取苗機械手的驅動原理和夾持力控制進行詳細分析，以獲得較優的驅動結構。

1 取苗機械手結構

平行夾取苗機械手結構如圖1所示。

1.擺臂 2.后滑桿 3.前滑桿 4.長夾片 5.短夾片 6.支座

其中，前滑桿和后滑桿安裝在兩端的支座上，并能夠在支座里滑動，滑桿間距d為56mm；搖桿轉動中心O相對支座固定不動，搖桿上的2個長孔分別與前滑桿與后滑桿鉸接，長夾片固定安裝在后滑桿上，短夾片安裝在前滑桿上，每個滑桿上相鄰的2個夾片中心距2b為64mm，夾片夾苗部位寬度15mm。當擺臂與滑桿垂直時，任意相鄰兩個夾片間距b為32mm(同穴盤的苗穴間距)；當擺臂向右擺動時，長夾片隨后滑桿向右移動，短夾片隨前滑桿向左移動，相鄰長夾片與短夾片間的穴盤苗被夾持，此時可取出穴盤一排中相互間隔的穴盤苗；當擺臂向左擺動時，長夾片隨后滑桿向左移動，短夾片隨前滑桿向右移動，相鄰長夾片與短夾片間的穴盤苗被夾持，此時可取出穴盤一排中其余相互間隔的穴盤苗，擺臂從兩側向中間回位時夾片打開進行放苗。

參照圖1，假定相鄰2個夾片閉合時搖桿向一側擺動的最大角度為θmax，根據機械手結構有

(1)

將b=32mm、d=56mm帶入得θmax=±29.74°，即擺臂單側擺動范圍為不大于29.74°。

2 取苗機械手的驅動

為實現由機械手高效自動夾苗、放苗，設計由互成角度安裝的2個相同氣缸驅動擺臂擺動，使擺臂在3個不同位置變換，實現機械手取苗的自動操作。如圖2所示：C1和C2為2個型號相同的氣缸(MAL20X70)，氣缸桿與擺臂鉸接，兩氣缸座的位置相互對稱；當氣缸C1與氣缸C2的氣缸桿都收回時，由于2個氣缸在擺臂垂直方向的分力大小相等、方向相反，故擺臂在中間位置能夠準確停止。當氣缸C1推出且氣缸C2收回時，擺臂向右擺動；當氣缸C1收回且氣缸C2推出時，擺臂向左擺動。氣缸的控制策略如表1所示。

圖2 氣缸擺動位置簡圖

3 夾持力分析計算

從取苗機械手結構可知：擺臂越長，氣缸驅動擺臂使夾片間的夾持力越大，如圖3所示。

圖3 氣缸驅動力作用圖

隨著擺臂擺動到不同角度，氣缸作用力在垂直于擺臂方向的合力大小及方向都在變化：擺臂從中間位置開始擺動時，受2個氣缸作用合力較大，啟動迅速；隨著擺動角度增大，合力逐漸減小；當氣缸C2與擺臂同軸線時，擺臂擺動角度為θs，此時有

(2)

受活塞桿截面積影響，氣缸伸出行程作用力與收回行程的作用力大小不同。設氣缸桿伸出時的推力為F，氣缸桿收回時拉力為T，壓縮空氣壓強P壓為0.6MPa，則有

(3)

(4)

將氣缸MAL20X70 的參數φ=0.008m、Φ=0.02m帶入計算得：F=188.4N，T=158.336N。

XP=r·sinθ

(5)

YP=r·cosθ

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

將式(5)～式(9)帶入式(10)和式(11)，得

(12)

(13)

由式(12)、式(13)可以看出：α1與α2隨著擺臂擺動角度θ、l、h的變化而變化。由各角之間的關系可知

(14)

β2=π-α2

(15)

Ft=F·cosβ1

(16)

Fn=F·sinβ1

(17)

Tt=T·sinβ2

(18)

Tn=T·cosβ2

(19)

根據力矩平衡原理有

(20)

(21)

即

(22)

(23)

假定在擺臂擺動過程中任意相鄰2個夾片間具有相同的夾持力fG，則

(24)

將式(14)～式(23)帶入式(24)可得

(θ≤θs)

(25)

(θ>θs)

(26)

由式(26)可以看出：夾持力大小fG與α1、α2有關，而α1、α2是θ、h、l的函數。為獲得較優的夾片夾持力，使夾片間既有足夠的力夾持取苗，又在閉合夾苗時不損傷穴盤苗莖稈，還需根據莖稈所能承受的夾持力來確定l、h的距離。

4 莖稈夾持力測定

利用電子萬能試驗機(RGM-X010)對穴盤苗莖稈進行擠壓試驗，選擇與機械手夾片寬度相同的15mm的擠壓頭對苗齡為58天的辣椒莖稈進行試驗，得到曲線如圖4所示。

圖4 擠壓-變形曲線

實驗表明:當夾持力小于25N時，辣椒莖稈處在彈性變形階段;當夾持力大于25N時，辣椒莖稈開始發生組織破碎;為保障莖稈夾持取苗不受傷害，應控制夾片夾苗時的夾持力小于25N。

5 優化計算

考慮到機械手的結構不易過大，擬定擺臂長度r為60mm，在MatLab中按照式(12)、式(13)、式(25)、式(26)進行編程，計算出當h、l取不同長度時，夾持力fG隨擺臂擺動角度θ的變化情況如圖5所示。從圖5中可以看出：擺臂處在居中位置時(θ=0°)，夾持力fG大小隨著氣缸支座間距l逐漸增大而增大；當擺臂長度l相同時，fG隨著擺臂擺動角度θ增大而減小；若h增大，夾持力隨擺動角度θ、l變化相對平緩。

圖5 夾持力變化圖

由于機械手的擺臂最大擺動角度θmax為29.74°(夾片閉合角度)，在θ=29.74°的截面上通過試選來確定較優的l、h值。若l取值太小時，兩個氣缸之間的夾角太小，受摩擦阻力影響，擺臂在中間位置停止時不準確，故l取值不宜太小；為方便機械手運動靈活，驅動結構又不宜過大，且質量要輕，故在滿足夾持力與擺動位置準確的情況下，選定l=130mm、h=130mm。此時，夾持力fG的變化曲線如圖6所示。

圖6 fG-θ圖

當擺臂擺動到接近29.74°時，夾持力約為23N。考慮到機械手在工作過程時前、后滑桿與支座之間有摩擦，且在夾片上有附膠緩沖，故認為此驅動結構設計是可行的。

6 結論

1) 通過采用互成角度的兩個氣缸驅動擺臂完成3個位置的變換，實現了機械手取苗動作的自動操作，達到啟動迅速、夾苗力適當的目的。

2)利用擠壓實驗獲得了穴盤苗莖稈能夠承受的擠壓力極限為25N，為設計夾持取苗機械手提供了設計依據。

3)通過分析計算，確定夾持取苗驅動結構中l=130mm、h=130mm時為較優的長度，此時夾持力約為23N，不傷害穴盤苗莖稈。

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The Driving and Optimization for Double-cylinders Three-position Pick Seedlings Manipulator

Han Changjie, Guo Hui, Yang Wanzhang, Zhang Jing

Pick seedling manipulator is the key part of automatic transplanter, and the drive method of pick seedling manipulator is the premise for automatic transplanter. A double-cylinder 3-position driving structure is designed to let the parallel-grip-type pick seedling manipulator automatically work, the gripping force base on the plug seedlings stem withstand test, the press is no more than 25N. The manipulator arm can be controlled to stop in the middle position accurately for pick and drop the seedling, and it is fast move to other side at the beginning of moving derived by double cylinders, seedlings were moderately griped at the end of moving , the gripping force is corresponding to the position of cylinders’ base position. it is determine that the length oflis 130mm andhis 130mm after calculation and analysis,l,hand the arm (60mm length) formed a Y-shape structure, in this condition the gripping force is no more than 23N between the parallel Clamps, so this type of pick seedlings manipulator can be use to pick seedlings and do not hurt the seedlings.

automatic transplanting; take seedling manipulator; parallel clamps; plug seedlings

2016-01-20

國家自然科學基金項目(51565059，50905153)；新疆維吾爾族自治區高技術發展研究計劃項目(201211117)

韓長杰(1980-)，男，河南遂平人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)hcj_627@163.com。

S223.92

A

1003-188X(2017)02-0017-05