李樹峰，麻 平，曹衛(wèi)彬,楊 萌，趙宏政，劉嬌娣

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.新疆生產(chǎn)建設兵團農(nóng)機技術推廣總站，新疆 石河子 832000)

0 引言

栽植機構工作的好壞直接影響到田間的移栽質(zhì)量，其工作機構要滿足農(nóng)機、農(nóng)藝相結合的要求。在保證栽植效果前提下，移栽機的栽植機構應滿足以下條件[1]：一是零速栽植。即在栽植過程中鴨嘴入土張開放苗的時候，鴨嘴水平方向的合速度接近零或等于零，能很好地保證栽植的直立度；二是不掛膜。我國新疆地區(qū)為了提高產(chǎn)量都采用鋪膜移栽，鴨嘴入土過程中要先扎破地膜才能把秧苗移栽到地里，由此帶來對地膜的破損。假設鴨嘴沒有水平方向的速度，不會造成地膜撕裂過大，地膜的完整性和保溫性得到很大的提高。三是栽植深度。要滿足農(nóng)作物農(nóng)藝要求的栽植深度，才能有效地保證幼苗的成活率和移栽后的農(nóng)作物的產(chǎn)量。

目前，很多學者對栽植機構進行了多方面的研究。劉明峰等人研究移栽機雙五桿栽植機構[2]；俞高紅等人研究了大株距栽植的行星輪系蔬菜缽苗栽植機構[3]，尤其是對栽植機構的運動軌跡的研究取得了較大的進展，對鉗夾式、柔性圓盤及導苗管式和鴨嘴式的栽植機構進行了較多研究[4]。在各種栽植機構中鴨嘴式栽植機構比較適合旱地移栽，尤其是膜上覆土移栽。本文研究的是一種膜上行星齒輪多連桿式單鴨嘴栽植機構，該機構具有栽植深度深、質(zhì)量小及不掛膜等優(yōu)點。本文對栽植機構進行了參數(shù)化設計與仿真，驗證了設計的合理性。

1 栽植機構設計

本文設計了一種行星齒輪連桿式的栽植機構，每個栽植單體只有1個鴨嘴，一次只能栽植1株幼苗，如圖1所示。

圖1 栽植機構簡圖

在行星齒輪連桿式栽植機構的簡圖中，該栽植機構主要由行星齒輪、連桿、鴨嘴構成[5]。行星齒輪由中心齒輪Z1、中間齒輪Z2、行星齒輪軸Z3及行星架H 構成。工作時，中心齒輪固定不動，中間齒輪在行星架的轉動下繞中心齒輪旋轉，同時也繞行星架自轉。同樣，行星齒輪軸在繞中間齒輪轉動的過程中也繞行星架自轉，整個運動過程中齒輪都是以外嚙合的方式進行傳動。

行星齒輪軸的輸出端與連桿AB固定，連桿AB與鴨嘴相連，連桿主要帶動鴨嘴上下運動并開啟鴨嘴；連桿KC、FD一端與鴨嘴鉸接，另一端與圓盤鉸接；圓盤共有4個鉸接點，另兩個鉸接點與連桿PJ、QE鉸接，連桿PJ、QE的另一端與支架鉸接。行星架的轉動帶動齒輪輪轉動，齒輪帶動連桿的轉動，連桿帶動鴨嘴上下運動，最終實現(xiàn)一個栽植過程。

2 栽植機構運動學模型建立

2.1 栽植機構分析簡圖建立

為了方便理論分析，根據(jù)機械原理的相關知識對栽植機構進一步合理簡化，建立如圖2所示的行星輪系連桿式栽植機構坐標示意圖。其原動件是以角速度ω0轉動的行星架，簡化為連桿OA，在滿足機構具有確定運動的條件下與AB桿、BJ桿、JP桿進行運動組合，一起實現(xiàn)鴨嘴的上下移動和鴨嘴的張開與閉合。工作時，連桿AB、BJ、JP桿都在一個平面內(nèi)運動，從而確保栽植鴨嘴在一個平面內(nèi)運動。鴨嘴與連桿AB鉸接，連桿AB帶動鴨嘴以一定的運動軌跡實現(xiàn)鴨嘴的上下運動，即B點運動軌跡就是鴨嘴運動軌跡。當鴨嘴上升運動最高點時，取苗機構取出的缽苗投放入鴨嘴中，并隨鴨嘴一起向下運動，到栽植地面時，鴨嘴打孔；當?shù)竭_栽植深度后，由鴨嘴的平面凸輪帶動銷軸頂開鴨嘴，缽苗被植入土穴內(nèi)，隨后鴨嘴保持張開直到離開缽苗的頂端，然后閉合進行下一輪栽植作業(yè)。

圖2 栽植裝置簡圖

在運動分析時，OA桿為原動件，其余所有連桿和齒輪都為剛性零件，在運動過程中所有零件為不發(fā)生彈性變形、零件間的轉動副無轉動間隙的理想工作狀態(tài)[6-7]。以行星架的轉動中心(中心齒輪的固定中心)O點為坐標原點建立笛卡爾坐標系，水平方向為x軸，垂直方向為y軸，其余各零件以某一個工作狀態(tài)分布于坐標系里。為了便于分析，各個連桿和各個齒輪的相關參數(shù)初始值如表1所示。

表1 栽植機構相關參數(shù)

栽植機構為實現(xiàn)把轉動的運動轉化成上下的直線運動軌跡要求，設計連桿AB的長度與3個齒輪的中心距相等，轉動方向與行星架相反。行星齒輪始終滿足以下條件：太陽輪的齒數(shù)是中間齒輪和行星齒輪軸齒數(shù)的2倍，行星齒輪的傳動比為

2.2 栽植機構運動學方程建立

根據(jù)圖2，已知常量l1、l2、l3、l4分別為各連桿的長度，已知變量α1、α2、α3、α4為各連桿相對于x軸的轉角，建立該栽植機構的矢量方程[8]，即

將矢量方程轉化為解析形式，得A、B、J點的位移方程分別為

b=2l1l2cos(α1-α2)-2l1xPcosα1-

2l1yPsinα1-2l2cosα2xP-2l2yPsinα2

c=2xPl4-2l1l4cosα2-2l1l4cosα1

d=2yPl4-2l2l4sinα2+2l1l4sinα1

2.3 栽植機構速度與加速度求解

在理論分析中，通過矢量的方法求得A、B、J這3個主要鉸點的的位移方程，對位移方程求其一階導數(shù)和二階導數(shù)，可得栽植機構各鉸點的速度和加速度方程。通過對各鉸點分析可知：此結構中，鉸點B直接與鴨嘴相連，是實現(xiàn)栽植軌跡的重要節(jié)點，故在此只求解栽植機構中點B的速度與加速度方程。

B點的x方向與y方向速度為

B點的x方向與y方向加速度為

3 栽植機構VB6.0優(yōu)化設計

在對栽植機構完成了機構簡圖的繪制和確定各個運動鉸點的位移方程和加速度方程后，在傳統(tǒng)的設計方法中采用經(jīng)驗公式對機構進行基本運動條件進行測算，計算機構的自由度，以及機構能夠正常運動需要滿足的桿長條件和連桿機構不出現(xiàn)死點的位置關系等諸多條件。這樣對一個機構的分析是多目標的，傳統(tǒng)的方法費事費力，而且效果一般。本文借助VB6.0這個軟件平臺，先計算出該機構可以運動的桿長的初始值，然后把運動學方程進行VB語言編程[9]，并且桿長的變化可以通過VB6.0可視化的界面進行參數(shù)化驅(qū)動，通過生成軌跡的優(yōu)劣程度來評價各桿件的尺寸是否滿足工作要求。工作界面如圖3所示。

在優(yōu)化初期，通過可視化的人機界面進行栽植機構變量調(diào)整。優(yōu)化過程中，采用坐標輪換法進行參數(shù)優(yōu)化，最后得到一個理想的栽植軌跡。根據(jù)VB6.0的參數(shù)化設計，得到了一組理想的栽植機構的主要零件的尺寸參數(shù)，即行星架的長度LOA=62mm,連桿AB的長度LAB=62mm，桿件BJ的長度LBJ=120mm，桿件JP的長度LJP=191mm。

4 栽植機構虛擬樣機建立

基于VB優(yōu)化后得到確定的機構尺寸，在三維設計軟件SolidWorks2014對栽植機構的關鍵零部件進行三維建模，得到如圖4所示的三維模型。

圖3 計算機輔助優(yōu)化程序界面Fig.3 Computer-aided optimization software interface

圖4 栽植裝置裝配圖

通過SolidWorks的數(shù)據(jù)轉換接口，將虛擬樣機模型通過格式間的轉換，輸入到ADMAS中，得到如圖5所示的ADMAS仿真模型。同時，簡化模型中不影響仿真結果的零部件，減輕計算機運算負擔，提高仿真效率[10]。

栽植機構導入ADMAS中，并不具備運動關系，運動關系要通過添加各種約束關系來建立運動間的配合。在添加約束時，要以部件的工作情況來確定，在旋轉部位添加旋轉副，在需要固定的地方添加鎖定，嚙合的齒輪添加接觸副，原動件添加驅(qū)動副來創(chuàng)建運動關系。驅(qū)動副可以設定部件的運動形式，由函數(shù)進行驅(qū)動來滿足各種工況。栽植機構的約束關系如圖6所示。

圖5 Adams/View中的栽植機構

圖6 運動副的添加

栽植機構在整個工作過程中必須保證行星齒輪能夠互相嚙合，連桿機構能在一個平面里實現(xiàn)上下運動。在仿真前，設定好重力方向和其他單位量的國際標準，然后設置栽植機構的運動仿真參數(shù)，End Time為20s，Steps為400步，進行仿真分析，該參數(shù)下栽植機構能夠完成3次栽植工作[11]。仿真前，在鴨嘴的頂尖建立一個測量用的點MAKER79，仿真完成后可測得栽植機構對地的靜軌跡如圖7(a)所示。但是，鴨嘴在工作的時候會以定的速度前進，其工作時可產(chǎn)生一個相對軌跡，如圖7(b)所示。相對軌跡的好壞可以評價鴨嘴式栽植機構的工作性能的好壞。

圖7 栽植機構仿真軌跡

由圖7(a)可看出：該栽植機構對地的靜軌跡是一個“梭”形軌跡，是一條閉合的曲線。在軌跡的最高點接苗，在軌跡的最低點實現(xiàn)破土栽苗。圖7(b)中，相對運動軌跡有交叉點，即鴨嘴栽植過程中存在零速點,其軌跡與VB編程中所求的理論軌跡相符，驗證了設計的合理性。

5 結論

1)設計了一種行星齒輪連桿式栽植機構，對栽植機構進行了運動學分析，并運用矢量法建立了的動力學方程，獲得了鴨嘴末端的速度、加速度和末端軌跡方程。

2)運用軟件VB6.0編程進行了多個變量參數(shù)化優(yōu)化，得到行星架的長度LOA=62mm，連桿AB的長度LAB=62mm, 桿件BJ的長度LBJ=120mm，桿件JP的長度LJP=191mm為最佳桿件尺寸。

3)把建立好的栽植機構的虛擬樣機模型導入到ADAMS中進生了仿真分析，獲得了栽植機構的栽植軌跡。栽植機構的靜軌跡是一個梭形軌跡，與理論設計的軌跡相符合，在水平方向存在零速點，滿足零速栽植要求。