穴盤苗整排頂苗機構的優化設計與仿真分析

李曉濤，馬曉曉，周文靜，邵小青，張洚宇

（新疆科技學院信息科學與工程學院，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

新疆是番茄、辣椒、甜菜和棉花等經濟作物的主產區，近年來，隨著育苗移栽技術的應用與推廣，番茄、辣椒等經濟作物育苗移栽種植規模不斷擴大，但目前移栽過程主要以人工取苗、投苗，機械栽植為主，存在自動化程度低、勞動強度大和作業效率低等問題[1-2]。因此，研發能夠實現自動取投苗作業功能的移栽機成為必然趨勢。

歐美農業發達國家生產的全自動移栽機多為適用于大地塊裸地移栽作業的大型農業機械，配備復雜的機電液氣系統，取苗機構多采用整排取苗，整機價格昂貴，維修困難，未在國內得到推廣[3-4]。日本、韓國研發的移栽機以純機械系統為主，整機體積小，適用于小地塊作業，取苗機構采用苗針插缽的方式取苗，一次只取一株苗，速度較慢且價格昂貴，也未在國內得到推廣[5]。

國內各高校與科研院所已經研發出多種穴盤苗取苗機構，但目前相關技術尚不成熟，未推廣至農業生產。按照取苗方式可分為夾取式取苗、頂出式取苗以及頂出—夾缽式取苗[6-9]。夾取式取苗時苗針通過插入缽體夾缽取苗或者從穴盤苗莖稈兩側夾莖取苗；頂出式取苗利用頂桿頂出或氣流使穴盤苗實現缽盤分離；頂出—夾缽式取苗方法結合了頂桿頂出取苗與苗針夾缽取苗的方式。

頂桿頂出式取苗只需頂桿作往復直線運動即可將穴盤苗頂出，具有動作簡單、取苗效率高、傷苗率低的特點。因此本文基于偏心圓盤曲柄滑塊機構設計了一種整排自動頂苗機構。

1 結構組成及工作原理

1.1 設計要求

頂桿頂出式取苗利用穴盤苗根系由上向下逐漸稠密的特性，頂桿直接作用在根系密集的缽體底部[10]。因此對穴盤苗缽體盤根性和頂桿直徑有一定要求，如果缽體不緊實或頂桿過細，則在頂苗時頂桿易插入缽體，造成缽體損傷或取苗失敗。

頂苗機構適用苗盤為128穴（8×16）倒四棱臺形穴孔苗盤，采用聚苯乙烯材料經注塑加工制成，可折彎較大弧度而不出現破損，苗盤高度為40 mm，相鄰穴孔中心距為32mm，穴孔底部圓形漏水孔直徑為8mm。頂苗機構設計為整排頂出，要求結構緊湊，在保證苗盤輸送及頂苗位置精度的前提下，要求相鄰頂桿間距為32 mm，頂桿直徑為6mm，頂桿長度應能保證將穴盤苗從穴孔中完全頂出[11]。頂出的穴盤苗在檔桿及自身重力作用下迅速調整姿態，沿滑道落入接苗杯，圖1為頂桿頂苗示意。

1.2 結構組成及工作原理

圖2所示為頂苗機構，主要由步進電機、聯軸器、偏心圓盤、花鍵軸、整體式連桿、頂桿架、頂桿、滑道和機架等組成。頂桿安裝在頂桿架上，與頂桿架同步運動；頂桿架安裝在滑道內，在滑道內做往復直線運動；滑道內側加工有梯形凹槽，焊接在機架上，起導向和支撐頂桿架的作用；整體式連桿一端與頂桿架采用銷軸連接，另一端為圓環狀，內面開有凹槽；偏心圓盤安裝在花鍵軸上，外圓面開有凹槽，與連桿之間采用滾子進行傳動，工作時可使零件的磨損程度大大降低；花鍵軸安裝在機架上通過軸承支撐，采用聯軸器與步進電機動力輸出軸連接；固定板用于安裝步進電機，與機架采用螺栓連接。

頂苗機構工作時，步進電機驅動安裝在花鍵軸上的偏心圓盤轉動，偏心圓盤驅動整體式連桿動作，在滑道共同作用下使安裝在頂桿架上的頂桿做往復直線運動，從而完成頂苗動作，待缽苗沿導苗管落入栽植機構后，頂桿向下移動，準備下一排幼苗的頂出。

2 頂苗機構運動學模型

頂苗機構為偏心圓盤曲柄滑塊機構，偏心圓盤偏心距為曲柄長，偏心圓盤轉動中心與滑塊運動方向共線。整排頂苗方式工作效率高，頂苗機構工作原理簡單，結構緊湊，可很大程度減少所占的空間位置且生產制造成本較低。如圖3，以O點為坐標原點，建立直角坐標系。

要保證頂苗機構具有確定的運動，其原動件數目應該等于該機構的自由度的數目。頂苗機構其原動件為電機，共有3個活動構件，即偏心圓盤、整體式連桿與頂桿架，4個低副，即偏心圓盤的轉動副、整體式連桿與頂桿架之間的轉動副、頂桿架與機架之間的移動副、偏心圓盤與整體式連桿之間的轉動副，不存在高副，故頂苗機構的自由度為：

頂苗機構原動件數目等于自由度數目，故機構具有確定的運動。

由圖3中的幾何關系可得偏心圓盤上A點坐標為：

式中α—偏心圓盤轉角；lOA值為偏心圓盤偏心距e。

連桿上C點坐標為：

式中lAC=R+lBC，R為偏心圓盤半徑。

3 頂苗機構參數優化

3.1 優化目標

為使頂苗機構具有良好的作業性能，滿足整排頂苗作業要求，頂苗機構的頂桿行程與機構參數優化是關鍵?；谘ūP苗穴盤結構尺寸與頂苗機構運動過程及結構特點，共確定如下3個優化目標為約束條件：

（1）苗盤高度為40 mm，為使穴盤苗能夠被頂桿從穴盤中完全頂出，則頂桿行程不小于40 mm；

（2）考慮到頂苗機構結構緊湊，偏心圓盤半徑不宜過大；

（3）為避免頂苗機構與載盤架運動干涉，結合載盤架底部厚度為5 mm，則頂桿長度最小為45 mm；

涉及的優化參數主要有偏心圓盤偏心距e、偏心圓盤半徑R、整體式連桿BC段長度lBC以及頂桿長度lDE。

3.2 參數優化過程與結果

基于建立的頂苗機構運動學模型，利用Matlab軟件開發頂苗機構輔助分析與優化軟件，如圖4。借助該軟件利用人機交互方式，通過調整各個參數值，對頂苗機構結構參數進行優化，獲得滿足頂苗要求的一組機構較優參數組合。表1為優化后頂苗機構結構參數及運動參數。

表1 優化后頂苗機構結構參數及運動參數

4 頂苗機構虛擬仿真試驗

4.1 建立虛擬樣機模型并導入ADAMS軟件

根據頂苗機構參數優化結果，結合穴盤苗穴盤結構尺寸等，在Solidworks軟件中建立各零件三維實體模型，注意建立模型單位設置為“MMKS”，并對頂苗機構進行虛擬樣機裝配，設置偏心圓盤初始轉角α=0°。

然后將建好的頂苗機構模型另存為Parasolid格式文件，打開ADAMS軟件，選擇“文件”→“導入”，在打開的“文件導入”對話框中設置“文件類型“為Parasolid(*.xmt_txt,*.x_t,*.xmt_bin,*.x_b)，選擇“讀取文件”為保存的Parasolid格式文件，“模型名稱”為“dingmiaojigou”，點擊“確定”按鈕，頂苗機構三維虛擬樣機模型即可導入ADAMS軟件。

在ADAMS軟件中進行頂苗機構零件的屬性更改，包括材質和重命名等，根據各零部件之間的相互運動關系添加約束類型。為便于對頂苗機構進行仿真分析，忽略對頂苗機構仿真結果無影響的零部件，各主要部件之間約束的添加如表2。

表2 仿真模型約束添加

4.2 頂苗機構虛擬仿真試驗

自動頂苗機構配套機器的栽植效率要求達到120株/min以上，即以120株/min進行仿真設計。頂苗機構共有8個頂桿，則每分鐘內頂出次數n=120/8=15次，即每個頂桿的運動周期T=4 s。在ADAMS軟件中設置偏心圓盤角速度函數為90 d*time，利用ADAMS軟件對頂苗機構運動過程進行虛擬仿真試驗，在頂桿端點處添加標記點進行追蹤，得到頂桿的位移—時間曲線和速度—時間曲線分別如圖5、圖6。

由頂桿位移—時間曲線可以看出，頂桿在1個運動周期內的運動規律為正弦三角函數曲線，與理論分析結果一致。t=1.0s時，偏心圓盤轉過90°，頂桿位移達到最大值237.0 mm；t=3.0s時，偏心圓盤轉過270°，頂桿位移達到最小值193.0 mm，則頂桿行程為44mm。

由頂桿速度—時間曲線可以看出，頂桿運動呈周期性變化，在t=0.1s與t=1.88s時，頂桿速度達到最大值35.26 mm/s，t=0.1 s時頂桿處在向上頂苗階段，t=1.88s時頂桿處在向下回程階段；在t=1.0s與t=3.0s時，頂桿速度為0，t=1.0s時頂桿頂苗結束，t=3.0s時頂桿向下回程結束。

5 結論

（1）本文設計了一種適用于整排式全自動移栽機的自動頂苗機構，該頂苗機構結構緊湊，可以在較小的空間內實現較大的頂苗行程，滿足把整排穴盤苗全部頂出的需要且運動平穩。

（2）依據機構原理構建了頂苗機構數學模型，確定了各機構參數間的關系，利用Matlab軟件通過人機交互方式得到了一組滿足頂苗作業要求的較優結構參數組合。

（3）構建了頂苗機構三維模型，通過ADAMS軟件進行了虛擬樣機仿真試驗，結果表明頂苗機構各部件尺寸參數滿足設計要求，仿真分析結果與理論分析結果一致，驗證了頂苗機構理論分析與結構設計的合理性。