唐海洋，曹衛(wèi)彬，趙宏政，馬　瑞，李　華，劉嬌娣

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832003)

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“8形”凸輪整排取苗機構運動學分析與仿真

唐海洋，曹衛(wèi)彬，趙宏政，馬瑞，李華，劉嬌娣

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832003)

摘要：針對目前國內旱地移栽機存在取苗效率和自動化程度低等問題，設計了一種“8形”凸輪整排取苗機械手，并進行了運動學分析。同時，通過建立數(shù)學模型，推導出機械手各個關節(jié)速度與加速度方程，以“8形”凸輪整排取苗機械手的設計結構為出發(fā)點，建立取苗機械手的樣機模型，使用MatLab和ADAMS求解苗針位移方程進行對比，并在ADAMS下進行了仿真，驗證了數(shù)學模型的正確性，且對數(shù)學模型進行了優(yōu)化。

關鍵詞：移栽機；取苗機構；“8形”凸輪；MatLab；ADAMS

0引言

取苗機構是缽苗自動移栽機的核心工作部件，決定著移栽的效率和質量[1-2]。目前，國內推廣使用移栽機為人工投苗的半自動移栽機， 投苗轉杯在軌道上移動速度較快，需人工快速取苗并準確投苗，長時間重復以上動作，精神高度緊張、眼睛容易疲勞、勞動強度大，而且容易出現(xiàn)漏苗及缺苗現(xiàn)象。由于受到人工投苗速度的限制，一般國內移栽機作業(yè)效率只相當于人工的5～15倍，而且1臺2行移栽機作業(yè)需要司機1名、2名人員投苗及1～2名輔助人員跟蹤補苗、覆土，增加了移栽成本，因此機械化作業(yè)綜合效益不明顯。為此，提出了一種“8形”凸輪整排取苗機構，可以實現(xiàn)自動取苗放苗作業(yè)。1臺移栽機可以安裝多套取苗機構，提高了單位時間內的取苗效率；機構簡單，機械故障少，制造成本低。

1基本結構及工作原理

取苗手機構三維模型如圖1所示，機構簡圖如圖2所示。當取苗機械手處于圖2所示的狀態(tài)時，壓板彈簧夾“8型”凸輪處于水平；在此“8型”凸輪的力的作用下，使壓板彈簧夾克服上拉彈簧的作用力下保持水平狀態(tài)，保證壓板彈簧夾的壓板水平壓在楔形滑道彈簧夾的楔形面上，使楔形滑道彈簧夾張開固定的角度。同時，安裝在上絲杠的取苗叉“8型”凸輪處于垂直狀態(tài)，取苗針頂桿在取苗針“8型”凸輪力的作用下克服頂桿取苗針復位彈簧作用力，把取苗針插入基質；苗針在楔形滑到彈簧夾復位彈簧的彈簧力作用下對基質由壓縮加固作用；完成以上動作后，即可將機械手提升使苗脫離苗盤進行移栽操作。

2取苗手機構的數(shù)學模型分析

2.1　運動學分析

8形”凸輪固定安裝在上絲杠上，在絲杠的旋轉驅動下，“8形”凸輪轉過特定角度，左右兩個“8形”凸輪旋轉到垂直狀態(tài)；苗針在“8形”凸輪長半徑作用下，受到向下的推力作用，使苗針插入基質；放苗的時候，中間“8形”凸輪長半徑旋轉到垂直狀態(tài)，楔形彈簧夾在中間“8形”凸輪垂直作用力的推動下，繞著各自的旋轉副轉動，使其張開一定的角度并且左右“8形”凸輪長半徑旋轉水平狀態(tài)，苗針在復位彈簧作用力下從基質中抽出，苗可以從苗針脫落。在取苗和放苗的過程中，機構運動是間歇的運動。為了研究取苗機構的運動規(guī)律，在此采用曲柄滑塊機構替代“8形”凸輪的工作過程，曲柄轉角為π/2時和3π/2時與連桿的尺寸來模擬“8形”凸輪的工作過程中長半徑和短半徑。同時，把整個取苗和放苗過程變?yōu)檫B續(xù)過程，替換后的取苗機構示意圖如圖3所示。

1. 取苗針　2.楔形彈簧夾　3.下絲杠　4.上絲杠

1.壓板彈簧夾　2.壓板彈簧夾“8型”凸輪　3.取苗針“8型”凸輪

圖3　取苗手機構示意圖

2.2　建立矢量方程

根據圖3，建立矢量方程為

(1)

(2)

2.3　求解速度方程

將矢量方程(1)轉化為解析形式，求解A、B、C、E、F速度方程和曲柄OA、CD桿、EF桿分別與X軸正方向的夾角為α2、α3、α4。

由C點位移方程可得

(3)

(4)

由式(4)可以求解出α2，則B點方程為

(5)

B點沿著y軸運動，C點隨著B點以R為半徑繞著D點轉動，C點與B點y軸上位移相等，則

(6)

由式(5)、式(6)可得C點位移方程為

(7)

要得出F點的位移，需要先求出E點的位移，則

(8)

(9)

由幾何關系可得

α4=π-(2π-α3)+γ=γ+α3-π

(10)

(11)

同理，將矢量式(2)轉化為解析形式，求得H、I、J、K點位移方程為

(12)

(13)

(14)

(15)

在取苗機械手末端執(zhí)行器工作時，LFE桿與LXJ桿始終保持平行，則有

φ3=α4

(16)

(17)

(18)

2.4　求解加速度方程

楔形彈簧夾端點F點速度方程和苗針K點速度方程可由上面速度方程進行二次求導得出，即

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

3數(shù)值計算與運動仿真分析

3.1　計算實例

選擇“8形”凸輪整排取苗機參數(shù)，根據圖3，選擇曲柄LOA=8mm，LAB=23mm，LCD=40mm，LDE=23mm，LEF=60mm,xD=37mm,yD=-15mm,β=138°，γ=138°。使用MatLab按上面速度方程編程，進行積分數(shù)值計算，求得F點的位移軌跡方程，如圖4所示。

圖4　MatLab求解F點y軸坐標軌跡

3.2　仿真運動

按MatLab中“8形”凸輪整排取苗機參數(shù)，在SolidWorks軟件中建立取苗機構的三維數(shù)字模型，按Parasolid格式存儲；進入ADAMS機械動力學仿真軟件界面，導入數(shù)字樣機模型并定義模型屬性，約束關系和載荷類型。因此，可以測試出F點的y軸軌跡，如圖5所示。

圖5　ADAMS求解F點y軸坐標軌跡

3.3　比較分析

機械手末端點速度曲線與加速度曲線如圖6、圖7所示。

圖6　機械手末端點速度曲線

圖7　機械手末端點加速度曲線

從圖6、圖7可以看出：機械手末端取苗器的速度和加速度曲線在較小范圍浮動，機構運行過程平穩(wěn)。

4結論

1)對“8形”凸輪整排取苗機械手進行了運動學分析，建立了相應的數(shù)學模型；依據數(shù)學模型運用MatLab編程對速度方程進行積分運算，求解出機械手

末端F點的位移軌跡。同時，在ADAMS仿真軟件中求解出機械手末端點的位移軌跡，通過軌跡對比分析驗證了數(shù)學模型的正確性。在MatLab求解出的圖像上可以分析出數(shù)學模型中的缺陷，如α1=π/2及α1=3π/2，數(shù)學模型不能很好地描述實際運動軌跡。因此，可以選取α1=π/2，與α1=3π/2附近的區(qū)間內進行樣條曲線擬合替代函數(shù)模型在上面兩點的跳變情況，使數(shù)學模型得到優(yōu)化。

2)通過ADAMS分析了機構運動的可行性，求解出機械手末端F點的速度和加速度圖像。結果表明：速度和加速度在很小的范圍內波動，運動過程中機械手末端點變化平緩，無劇烈振動現(xiàn)象。

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Kinematics Analysis and Simulation of the 8 Shapes Cam Whole Row Picking Seedling Machinery

Tang Haiyang, Cao Weibin, Zhao Hongzheng, Ma Rui, Li Hua, Liu Jiaodi

(School of Mechanical Electrical Engineering of Shihezi University，Shihezi 832003,China)

Abstract：In order to solve the problem of the low efficiency of the pick-up mechanism in the process of seedling transplanting .The paper adopted a whole line automatic pick-up seedling mechanism ，which is designed on the basis of the “8”form cam mechanism.To simulate “8”form cam mechanism controlling seeding needle work attitude, The paper adopted the slider-crank mechanism to replace the “8”form cam mechanism working status .Through the kinematic analysis of the mechanism,and the corresponding mathematical model is established,built mechanical hand joint velocity and acceleration;Constrated the needls kinematic trajectory which solved by MatLab and ADAMS, verified the mathematical expression was validity,which also offered a way to optimize mathematical model.

Key words：pick-up mechanism; pick-up mechanism;“8”form cam mechanism; MatLab; ADAMS

中圖分類號：S223.92

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0070-05

作者簡介：唐海洋(1990-)，男，陜西安康人，碩士研究生，(E-mail)1026626238@qq.com。通訊作者：曹衛(wèi)彬(1959-)，男，湖北襄陽人，教授，博士生導師，博士。

基金項目：科技支疆計劃項目(2013AB013)；新疆兵團青年資金項目(2014CB012)；石河子大學重大攻關計劃項目(gxjs2012-ddgg07)

收稿日期：2015-11-13