韓振浩，顏 華，陳 科，王海峰，徐 盼，何亞凱

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083;2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份公司，北京 100083)

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基于MatLab的頂苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

韓振浩1，顏 華2，陳 科2，王海峰2，徐 盼2，何亞凱1

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083;2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份公司，北京 100083)

針對全自動(dòng)移栽機(jī)頂夾結(jié)合的取苗方式設(shè)計(jì)了一種簡單可靠的頂苗機(jī)構(gòu)。通過建立該機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，以頂苗桿理論設(shè)計(jì)行程為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用MatLabSQP算法對機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合解。通過對機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得到部分構(gòu)件的受力曲線，明確了機(jī)構(gòu)參數(shù)與構(gòu)件受力關(guān)系，為后續(xù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)。基于結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和力學(xué)分析，進(jìn)行了樣機(jī)試制和試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)頂苗動(dòng)作穩(wěn)定，頂苗成功率大于95%,滿足設(shè)計(jì)需要。

移栽機(jī)；頂苗機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

育苗移栽技術(shù)作為一種大范圍推廣的栽培技術(shù)，相對直播具有充分利用光熱資源及搶占農(nóng)時(shí)等優(yōu)勢。目前，我國移栽作業(yè)基本以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、用工成本高、經(jīng)濟(jì)效益不明顯。近年來，市場出現(xiàn)的半自動(dòng)移栽機(jī)需要人工取投苗，效率提升有限，并不適用于大面積作物移栽。隨著土地集約化和蔬菜種植面積逐步擴(kuò)大，全自動(dòng)移栽機(jī)已成為栽植機(jī)械的發(fā)展方向[1-2]。歐美主要農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的全自動(dòng)移栽機(jī)多為適用于大地塊作業(yè)的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，配備復(fù)雜的機(jī)電液氣系統(tǒng)，造價(jià)昂貴，維修困難，未得以推廣[3-4]。純機(jī)械取苗機(jī)構(gòu)的全自動(dòng)移栽機(jī)以日本為代表，主要采用迎苗扎取的方式取苗，體積小，適用于小地塊作業(yè)；但單個(gè)機(jī)械手一次只取一株苗，速度較低且價(jià)格昂貴，也未得以推廣。因此，研發(fā)適合我國國情的高速高效旱地自動(dòng)移栽機(jī)日漸迫切。

本文涉及的自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)采用的是頂苗桿從穴盤底孔將苗頂出結(jié)合苗爪夾取的方式,如圖1所示。作業(yè)時(shí)，穴盤苗先自動(dòng)輸送至頂苗位置，幼苗經(jīng)頂苗機(jī)構(gòu)成排頂出后，由串聯(lián)苗爪單元夾取并回?cái)[至投苗位置進(jìn)行投苗[5-6]。頂苗機(jī)構(gòu)頂苗動(dòng)作的準(zhǔn)確性直接影響到取苗成功率和后續(xù)流程運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，有必要針對頂苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，尋求適合于全自動(dòng)移栽機(jī)頂苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和最優(yōu)的工作參數(shù)。建立頂苗機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，以頂苗機(jī)構(gòu)空間配置要求為關(guān)鍵約束條件，以頂苗桿理論設(shè)計(jì)行程為優(yōu)化目標(biāo)，采用MatLab SQP算法計(jì)算獲得機(jī)構(gòu)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合解[7-8]。基于頂苗機(jī)構(gòu)力學(xué)模型分析，得到部分構(gòu)件受力模擬曲線，為后續(xù)頂苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸選型提供理論依據(jù)。

1.夾取裝置 2.頂苗機(jī)構(gòu) 3.機(jī)架 4.苗盤輸送裝置

1 頂苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

頂苗機(jī)構(gòu)的主要功能是穿過苗盤底孔成排頂出穴盤中的幼苗，為苗爪夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)供苗，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到整體空間配置需要。本文涉及的頂苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為單側(cè)氣缸驅(qū)動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，氣缸活塞桿伸出，推動(dòng)扭轉(zhuǎn)桿繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過連桿帶動(dòng)頂苗架沿兩側(cè)平行滑軌向外頂出。頂苗桿單元通過固定座固定于頂苗架上，由于采用雙側(cè)平行滑軌對頂苗桿的頂出運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限位，保證了頂苗動(dòng)作的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。同時(shí)，為提高頂苗機(jī)構(gòu)對不同規(guī)格苗盤的適應(yīng)性，頂苗桿伸出長度頂苗桿單元相鄰間距可調(diào)。頂苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.頂苗單元 2.滑軌 3.連桿 4.扭轉(zhuǎn)桿 5.驅(qū)動(dòng)氣缸 6.頂苗架

頂苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了頂苗運(yùn)動(dòng)軌跡，影響頂出動(dòng)作可靠性?？紤]到多參數(shù)試湊復(fù)雜，難度較大，并且難以準(zhǔn)確滿足設(shè)計(jì)需要，本文基于建立取苗機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，使用數(shù)學(xué)解析方法構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，獲得該機(jī)構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)組合。

2 建立數(shù)學(xué)模型

頂苗機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示。其中，l4為驅(qū)動(dòng)氣缸所在桿長度；鉸接點(diǎn)為D；BAC為連桿，其兩側(cè)長度分別為l2與l3，夾角為θ；A為連桿固定鉸接點(diǎn)；l4與水平面之間的夾角為θ1；連桿BAC與頂苗架之間的連桿為CE,長度用l1表示。A點(diǎn)與頂桿之間的垂直距離為d；頂桿所在平面與水平面之間的夾角為α。各參數(shù)含義詳見表1。以A為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系(見圖3)，運(yùn)用數(shù)學(xué)解析法計(jì)算各點(diǎn)位置坐標(biāo)。

圖3 頂苗機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

符號含義符號含義l1/mm連桿CE長度l2/mm連桿BA長度l3/mm連桿CA長度l4/mm連桿BD長度l5/mmA點(diǎn)至D點(diǎn)距離θ/°連桿BA與AC夾角θ1/°連桿AC與x軸夾角α/°滑軌與水平夾角d/mmA點(diǎn)至滑軌距離δ/mmC點(diǎn)至滑軌距離

B點(diǎn)的坐標(biāo)為

(1)

C點(diǎn)的坐標(biāo)為

(2)

鉸接點(diǎn)C與頂桿運(yùn)動(dòng)所在平面間的垂直距離用δ表示，由幾何關(guān)系可得

δ=d-l3cos(90°-α-θ1)

(3)

E點(diǎn)的坐標(biāo)為

(4)

連接AD，在△BAD中，由余弦定理，空間距離|AD|可以表示為

(5)

連桿AB與AD間的夾角可以表示為

(6)

AD與水平面的夾角可以表示為

(7)

則AC與水平方向的夾角θ1可以表示為

θ1=π-[θ-(∠DAB-∠DAT)]

(8)

通過θ1變化，可以間接求出鉸接點(diǎn)E的坐標(biāo)變化，即頂苗作業(yè)時(shí)，頂桿的實(shí)際作業(yè)行程，用ΔsE表示為

(9)

3 MatLab參數(shù)優(yōu)化

基于建立的頂苗機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，以頂苗桿理論設(shè)計(jì)行程為目標(biāo)，以機(jī)構(gòu)空間配置要求為約束條件，對頂苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 約束條件與優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)建立

頂苗氣缸形式選用單桿單作用氣缸，通氣時(shí)，氣缸活塞桿伸出，驅(qū)動(dòng)頂桿將幼苗頂出；斷氣時(shí)，氣缸活塞桿回縮，帶動(dòng)頂桿從穴盤底孔退出。氣缸行程固定，對于具有單自由度的頂苗機(jī)構(gòu)，當(dāng)各連桿參數(shù)確定后，頂桿行程隨之確定?；诒平枷?，頂桿計(jì)算行程無限逼近設(shè)計(jì)行程時(shí)，連桿最優(yōu)參數(shù)組合也將隨之取得。因此，目標(biāo)函數(shù)可以描述為

(10)

其中，s表示頂桿理論設(shè)計(jì)作業(yè)行程；ΔsE表示氣缸活塞桿伸縮過程中，頂桿實(shí)際作業(yè)行程。

考慮到頂苗機(jī)構(gòu)空間配置要求，連桿長度在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊湊性。連桿AB與連桿AC以鉸接點(diǎn)A為中心構(gòu)成杠桿，在氣缸推程一定時(shí)，AB長度取得過大，AC端部C點(diǎn)位移量將減小，勢必引起頂桿作業(yè)行程減小，造成幼苗無法完全頂出；AC長度取得過大，其端點(diǎn)C位移量將增大，將造成頂桿作業(yè)行程增大，影響取苗穩(wěn)定性，同時(shí)造成結(jié)構(gòu)空間浪費(fèi)。所以，結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值應(yīng)選取在合適的取值范圍。

(11)

3.2 基于SQP算法的目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化

由目標(biāo)函數(shù)和約束條件可知，本文涉及的優(yōu)化類型屬于多元非線性函數(shù)優(yōu)化問題。SQP算法(序列二次規(guī)劃算法)是求解該類中小規(guī)劃約束最優(yōu)問題的一類有效算法，因此本文通過編制m文件，采用SQP算法求解目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)組合解。

根據(jù)頂苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求確定優(yōu)化初始條件，已知頂苗機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型中：①D點(diǎn)相對于A點(diǎn)的坐標(biāo)為(-143，192)；②氣缸行程為50mm，l4的長度初始值為195mm；③A點(diǎn)與頂桿滑軌的垂直距離d為168mm，頂苗時(shí)，頂苗桿與苗盤垂直，苗盤與水平夾角為60°；④∠BAC=150°。

因此，設(shè)計(jì)變量擬定初值(70,80,125)，設(shè)定算法迭代循環(huán)次數(shù)為1 000次，程序運(yùn)行后得到頂苗機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合解為

考慮到實(shí)際加工生產(chǎn)需要，對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行圓整，取x1=104mm、x2=146mm、x3=132mm,即連桿CE長度取104mm,連桿AB長度取146mm,連桿AC長度取132mm。

4 頂苗機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

頂苗機(jī)構(gòu)實(shí)際作業(yè)過程中，氣缸需要克服幼苗基質(zhì)塊脫離穴格粘附、導(dǎo)輪摩擦、系統(tǒng)內(nèi)部等產(chǎn)生的阻力。同時(shí)，單側(cè)氣缸驅(qū)動(dòng)頂苗架運(yùn)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)桿還需要克服氣缸推動(dòng)過程中對其產(chǎn)生的扭矩。為了保證作業(yè)時(shí)整個(gè)頂苗系統(tǒng)的穩(wěn)定性，頂苗機(jī)構(gòu)力學(xué)性能需要滿足一定要求。通過查閱參考文獻(xiàn)及實(shí)際試驗(yàn)，并考慮其余各處摩擦力影響，將每個(gè)穴盤苗基質(zhì)塊的最大頂出力設(shè)定為0.01kN[9-10]。建立頂苗機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析模型，對其進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)受力分析

假設(shè)該系統(tǒng)力系為靜力系，10個(gè)穴盤苗頂出力按最大100N計(jì)算，進(jìn)行力學(xué)分析推出如下公式。

各力公式推導(dǎo)得

(12)

FCAT=FEC×cosθ′

(13)

FBD=FBAT/sinθ2

(14)

(15)

可得氣缸頂出力FBD與頂桿長度l4關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 氣缸頂出力與頂桿長度關(guān)系曲線

根據(jù)圖5可以計(jì)算得到氣缸所受頂苗造成的力最大為150N。本數(shù)據(jù)可作為氣缸選型的參考依據(jù),最終選取氣缸型號為MAL25×50(缸徑25mm,行程50mm)的鋁合金迷你氣缸。由于系統(tǒng)工作壓力為0.6～0.8MPa，而系統(tǒng)壓力在0.5MPa時(shí)，氣缸理論輸出力可達(dá)176.4N，因此氣缸滿足頂出力要求。

通過公式計(jì)算得到計(jì)算力矩所需分力FCAT的值，運(yùn)用MatLab模擬可以得到圖6所示曲線。

圖6 FCAT與頂桿長度關(guān)系曲線

根據(jù)圖6所示，F(xiàn)CAT的最大值約為115.59N，單個(gè)連桿因頂苗所受最大垂直分力約為57.8N，故可以計(jì)算得出扭轉(zhuǎn)桿最大扭矩為7 629.6N·mm，可在試制過程中作為扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)校核、材料選取和直徑選取的參照。最終扭轉(zhuǎn)桿選取Q235-A的冷拔空心鋼管，其外徑為28mm、內(nèi)徑為24mm。

5 田間試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)組合和力學(xué)分析進(jìn)行了頂苗機(jī)構(gòu)試制并安裝于自動(dòng)移栽機(jī)上，于2015年8月進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：育苗盤根良好時(shí)，頂苗動(dòng)作穩(wěn)定，頂苗成功率大于95%，頂苗機(jī)構(gòu)作業(yè)性能優(yōu)良。

6 結(jié)論

1)針對自動(dòng)移栽機(jī)頂夾結(jié)合的自動(dòng)取苗方式設(shè)計(jì)了以單側(cè)氣缸驅(qū)動(dòng)的頂苗機(jī)構(gòu)。

2)對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，利用優(yōu)化工具得到符合功能和空間的結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合解。通過MatLab對頂苗部件當(dāng)中扭轉(zhuǎn)軸所受扭矩進(jìn)行仿真得到曲線，計(jì)算最大扭矩，用作扭轉(zhuǎn)桿扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核；并對氣缸受力進(jìn)行計(jì)算，得到氣缸受力曲線，作為氣缸選型參照。

3)進(jìn)行了樣機(jī)試制并完成了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)頂苗動(dòng)作穩(wěn)定，頂苗成功率大于95%，頂苗機(jī)構(gòu)作業(yè)性能優(yōu)良。

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Design and Parameter Optimization of Seedling Expeller Mechanism Based on Matlab

Han Zhenhao1, Yan Hua2, Chen Ke2, Wang Haifeng2, Xu Pan2, He Yakai1

(1.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science,Beijing 10083,China; 2.China Modern Agricultural Equipment Co., Ltd, Beijing 100083, China)

According to the characteristics of the seedling pick-up mechanism which could shove and clamp in the automatic transplanter,we have designed a kind of reliable and simple seedling expeller mechanism used for seedling pick-up mechanism in this paper.A simple and reliable mechanism was designed.Theoretic designed distance of seedling expeller trip is chosed as the optimization goal.Parameters of the structure are optimized through using the MatlabSQP algorithm and the optimal combination structure parameters are obtained.In this paper,we also obtained the simulative stress waveforms of parts in the mechanism through the analysis of stress,and found the relationship between structure parameters with the stress on parts in the mechanism.It is a good theory basis of the subsequent institutional design and improvement.Based on optimization of structural parameters and mechanical analysis,the prototype test is finished.Test showed that the movement is stable, seedling shove success rate is more than 93%, meet the design needs.

transplanter; seedling expeller mechanism; mechanical design; parameter optimization

2015-12-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA10A50 1)；國家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(創(chuàng)新方法工作)項(xiàng)目(2013IM030700)

韓振浩(1993-),男，河北滄州人，碩士研究生，(E-mail) 2335855527@qq.com。

顏 華(1973-)，女，貴州人，研究員，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)yanhua@caams.org.cn。

S223.9；S220.3

A

1003-188X(2017)01-0142-05