基于CNC技術的插秧機運動學分析與研究

王沁軍

(山西機電職業技術學院，山西 長治 046011)

0 引言

隨著我國插秧技術的不斷發展，插秧機的設計與制造水平亦隨之優化，在原始插秧分格取秧、直接插秧的工作機理上，我國的水稻插秧機在結構與布局等方面取得很大突破。近年來，國內外學者相繼從提高插秧機的操作性能、實現插秧機的無級變速與控制、最大程度降低插秧機的漏插率等方面做出試驗與努力，如日本久保田系列注重插秧機輕量化技術發展等。為此，筆者在水稻插秧技術應用的基礎上，從CNC控制技術角度出發，結合當前的智能設計與制造理論，為更進一步掌握插秧機作業的運動學過程、不斷提升插秧機的工作效率與插秧機適用性程度展開分析。

1 插秧機工作原理

插秧機是集取苗與分插于一體的水稻栽植機械，主要包括動力驅動裝置、行走裝置、分插機構及送秧裝置等部件，如圖1所示。其工作原理可簡要概述為：根據插秧軌跡機構控制作用，模仿人工插秧，帶動秧箱橫縱向協調運動，將水稻秧苗植入土中，實現智能化栽植。插秧機相關技術參數如表1所示。由表1可知：插秧部件設定的行距、作業速度及插秧深度是影響插秧機高效插秧的核心因素。

圖1 插秧機外觀圖Fig.1 The appearance figure of the transplant machine

表1 插秧機相關技術參數Table 1 Related technical parameters of the transplant machine

圖2為插秧機的智能硬件配置與控制簡圖。由圖2可知：插秧機的整個作業過程融入SOPC嵌入導航控制，通過傳遞感應與圖像處理技術，驅動插秧機進行關鍵位置協調動作，實現插秧機運動機理控制下的一種可視化插秧動作。

圖2 插秧機智能控制裝置簡圖Fig.2 Schematic diagram of the intelligent control device of the transplant machine

2 插秧運動學分析

2.1 運動學模型

針對插秧部件，繪制由插秧臂、行星輪系構成的分插部件模型簡圖，如圖3所示。

1.插秧臂 2.中心輪 3.行星支架 4.中間傳動輪 5.插秧針 6.行星輪

根據插秧各部件動作原理，考慮分插部件插秧臂與其他相鄰部件的運動干涉及秧針與秧門的相對位置，建立插秧機分插部件秧針的位移運動學方程，即

(1)

(2)

同時，為保證插秧機合理科學的插秧軌跡，秧針的運動速度、加速度不可忽視。根據運動部件受力機理，給出插秧機移箱機構內部組件受力分析(見圖4)與能量守恒定律，得出插秧機移箱部件的位置與角度關系為

(3)

FN=Fμcosγ=μmgcosγ

(4)

(5)

(6)

(7)

圖4 插秧機移箱機構內部組件受力圖Fig.4 Stress analysis diagram of the internal component of the removal mechanism on the transplant machine

2.2 CNC控制分析

進行插秧機關鍵運動部件的參數確定與控制計算，圖5給出插秧機插秧運動的參數計算與控制流程圖。首先對關鍵參數進行當量化處理，并結合初始值多次對比計算，得出在誤差可控與允許范圍內的最優參數當量值，使得參數優化值符合插秧機的運動條件，滿足功能要求并利用CNC控制與設計加工需求的關聯度。建立線性回歸方程為

圖5 插秧機參數計算與控制流程框圖Fig.5 Flow diagram of the parameter calculation and control process of the transplant machine

依照插秧機CNC控制關鍵指標流程(見圖6)，通過CNC優先級尺度判定，建立數字智能控制矩陣方程，對插秧機運行過程中的關鍵參數指標進行有效識別與CNC制造重要度排序，并采用0～1目標規劃實現插秧機各部件參數運動的可控度。

圖6 插秧機CNC控制關鍵指標流程圖Fig.6 Flow chart of the CNC control key indicators of the transplant machine

2.3 核心部件優化

根據運動學模型，進行插秧機核心部件的參數設計優化，具體優化設計值如表2所示。橢圓齒輪的位置裝配選擇k值為0.985，優化后的行星架初始安裝角度設置為26.5°，且保證插秧臂的初始安裝角度與插秧針離地轉動中心距，插秧機運動部件的安裝位置符合設計與運動要求。針對機構內部的節曲線參數與行星輪系傳動比例的變化對應性，形成插秧機構與插秧軌跡、姿態相關聯的運動體，實時反映插秧運動，可知合理的參數給定決定插秧運動的協調性與平穩性。

表2 插秧機核心部件優化設計值Table 2 Core component optimization design value of the transplant machine

3 加工試驗

3.1 試驗條件

為驗證基于CNC技術的插秧機運行學分析的正確性與可行性，進行加工試驗。對插秧機各關鍵組件結構分析，利用CNC運動及優化參數，形成如表3所示的插秧機分插機構。其運動學分析函數取值閾作為試驗基礎條件之一，主要從各組件的性能與功能展開定義，保證各組件的權重關系，以柔性、操作友好性與耐用性為核心控制參數，在符合插秧機CNC建模與加工運動規律的原理上，給出符合數控要求的設計與加工程序，模擬各過程的組件運動關系，形成高精度的組件尺寸，并進行試驗。

表3 插秧機分插機構運動學分析函數取值閾Table 3 Function threshold of the kinematics analysis of the branch mechanism of the transplant machine

3.2 試驗分析

給定插秧機各功能部件間的相互結構與位置約束，通過MatLab生成軌跡與運動學理論模型軌跡相比較可知：兩者在X、Y方向上的位移速度曲線均符合插秧機的插秧軌跡與必要農藝要求，取秧苗動作慢，減小了對秧苗的損傷。其插秧動作迅速，保證了插秧準確；返回動作具有一定的平穩性，整體實現平穩有序地插秧，驗證了插秧機運動學分析理論的正確性。

利用CNC技術，在深入理解插秧機運動機理基礎上展開加工試驗，搭建插秧機CNC智能平臺，如圖7所示。

圖7 插秧機CNC智能平臺搭建圖Fig.7 CNC intelligent platform building chart of the transplant machine

CNC加工控制、智能維護與高精運行分系統在主控單元控制指令下實現；對數控加工過程中的關鍵參數建立時間最優控制、路徑最佳控制函數，設定系統初態，經定義初函數、網格離散化，得出函數最優解，效果明顯。插秧機關鍵部件實現智能加工(見圖8)，與常規加工方法相比，可在保證加工精度與要求的前提下迅速完成算法迭代，并且軌跡路徑完成較為符合實際。

圖8 插秧機核心組件CNC成型圖Fig.8 CNC shaping figure of the core component of the transplant machine

4 結論

1)在插秧原理與組件構成的基礎上，將CNC技術用于插秧動作的運動分析，建立了核心部件的運動學模型，并給出功能部件的參數優化。

2)從各組件的性能與功能展開定義，保證各組件的權重關系，在符合插秧機CNC建模與加工運動規律的原理上，給出符合數控要求的設計與加工程序，模擬各過程的組件運動關系。

3)通過加工試驗，在CNC加工控制、智能維護與高精運行分系統在主控單元控制指令下實現插秧機CNC智能平臺的搭建，并給出了基于CNC技術的插秧機核心組件成型與智能加工方式。