顶出—夹取式自动取苗机构运动学分析

来源 :江苏农业科学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jizhe1983621
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要:为了降低自动取苗装置取苗过程中对钵体的损伤,提高取苗成功率,对顶出-夹取式自动取苗装置的各个执行机构建立运动学模型,并对模型进行仿真分析。在Visual Studio环境下,根据模型编写可视化蔬菜穴盘苗自动取苗装置时序分析程序,并对各个机构进行参数优化,得到一组最佳参数:曲柄长度a=78 mm,连杆长度b=112 mm,偏心距e=20 mm,顶苗机构的初始相位角φd=108°,横移机构的位移为h1=36.5 mm,纵移机构的初始相位角φz=185°,苗爪翻转机构的初始相位角φf=15°。样机试验结果表明,在取苗速度为140株/min时的成功率为98.44%,基质损失率为36.67%,验证了该取苗机构的可行性。
  关键词:顶出-夹取式;运动学模型;仿真分析;参数优化;样机试验
  中图分类号: S223.92 文献标志码: A 文章编号:1002-1302(2016)07-0385-04
  自动取苗装置是全自动移栽机的核心部件之一,如今已成为阻碍我国移栽过程全自动化发展的主要障碍。国外对取苗装置的研究[1-5]起步较早,已有成熟的机型,但因其价格昂贵、结构复杂、与我国的农艺不相符等而并未在我国得到大面积的推广应用。为了提高我国移栽过程的自动化水平,国内一些高校及科研院所对取苗装置开展了研究,如田昆鹏等研究开发了一种门形取苗装置[6];周梅芳等对椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗取苗机构进行了研究[7];俞高红等研究开发了一种椭圆-不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构[8];赵雄等对棉花移栽机旋转式取苗机构进行了运动学分析及虚拟试验[9];中国农业机械化科学研究院对齿轮—五杆取苗装置进行了研究[10];俞高红等研制了一种旋转式穴盘苗取苗机构[11];南京农业大学开展了穴盘苗移栽机自动取喂系统的研究[12];胡敏娟研制了取苗器的试验系统[13];杨传华开展了蔬菜穴盘苗自动输送技术与机构的研究[14]等。然而,由于各种各样的原因如取苗成功率低、稳定性差等,所研究的一些取苗机构并未能在实际中得到应用。因此,为了降低取苗过程对钵体的损伤及提高取苗成功率,对顶出-夹取式取苗装置的取苗过程进行分析,并对各执行机构进行运动学分析及参数优化,得出该取苗机构最佳的一组参数组合,对样机的可行性进行试验验证。
  1 基本结构及工作原理
  自动取苗装置主要包括顶苗机构、横移机构、纵移机构和苗爪翻转机构,其中顶苗机构为一曲柄滑块机构驱动推苗杆作周期性直线往复动作,将基质苗从穴盘中推出;苗盘的纵移为槽轮间歇机构,槽轮间歇转动,主动轴带动苗盘纵移链轮转动,链条中穿有可固定苗盘的横连杆,使苗盘纵向间歇进给,凸轮带动苗架在顶苗的间隙完成横移,其装置结构如图1所示。
  移栽机工作时,动力由地轮提供,传动到各个机构,一个动力源可以保持送苗、顶苗、取苗等机构的同步动作。苗盘横向放置,每排16株,顶苗机构每转动1周,顶出8株。苗盘横移1次,横移凸轮从近休位置到达远休位置,顶苗机构顶出剩下8株。纵移机构带动苗盘进给1个穴距,顶苗机构顶出下一排的8株,横移凸轮从远休位置回到近休位置,再顶出剩下8株,完成1个循环,取苗过程如图2所示。
  2 关键部件运动学模型建立
  2.1 顶苗机构
  装置工作时,链传动部件将动力传递到曲柄滑块机构(图1-a),由滑块推动顶苗杆作周期性直线往复动作,将基质苗从穴盘中顶出。因此,以O点为坐标原点,建立顶苗机构运动学模型。
  式中:H代表苗瓜翻转凸轮的位移;hp代表苗爪翻转凸轮的行程,mm;φ代表苗瓜翻转凸轮的转角;m代表齿轮齿条机构的模数;Zp代表齿轮的齿数,mm;γ代表苗盘放置角度与水平面夹角。
  3 运动学仿真
  3.1 顶苗机构运动学仿真
  利用运动学仿真软件对顶苗机构的顶杆进行运动学仿真分析,得到顶杆的位移、速度和加速度曲线,如图4所示。曲线显示,在到达顶苗位置时,速度逐渐降低,在顶苗结束后,加速度增大,减少空程时间。当取苗速度为240株/min时,曲柄转速为30 r/min,最大速度出现在顶杆到达顶苗位置之前,最大线速度vmax=305.64 mm/s,加速度最大值出现在顶苗结束后,amax=1 789 mm/s2,所以在頂苗过程中顶杆对基质苗无明显冲击。
  3.2 苗盘输送机构运动学仿真
  顶杆在顶苗时,穴盘要保持静止状态,因此设α(0≤α≤2π)为顶苗机构到达顶苗点之后对应的相位角,为使顶苗机构与苗盘输送机构不产生干涉,则需要满足:
  式中:β1代表苗盘纵移的运动相位角;β2代表苗盘横移机构远休或近休相位角。
  根据顶苗机构和苗盘输送机构的运动学方程以及2个机构的相位角所满足的条件,对2个机构的位移进行仿真分析,其结果如图5所示。
  3.3 取苗机构运动学仿真
  在取苗速度为240株/min时,凸轮的转速为30 r/min,利用运动学仿真软件对苗爪翻转机构凸轮从动件进行运动学仿真分析,得到凸轮的位移、速度和加速度曲线(图6)。曲线显示最大加速度amax=182.198 mm/s2,出现在刚刚翻转时和夹持基质苗快要到竖直位置时,此时会出现冲击。
  4 参数优化分析
  4.1 优化目标
  取苗装置的运动情况对取苗成功率及取苗质量有至关重要的影响,因此在运动学模型的基础上结合装置所需要满足的农艺及农机的要求对运动学模型进行优化分析,其优化分析的目标有:(1)顶苗位移要小于200 mm;(2)曲柄所转的相位角必须要对应横移机构和纵移机构的远休相位角或近休相位角;(3)顶苗机构和苗盘横移、纵移机构各动作之间都有一定的预留时间;(4)苗盘每次的步进距离为36 mm。
  4.2 优化结果分析
  通过对取苗装置进行时序分析并根据分析结果及各机构数学模型,在Visual Studio开发环境下,建立机构的可视化时序分析程序,通过改变各个机构的参数,求得该机构的最佳参数组合为:曲柄长度a=78 mm,连杆长度b=112 mm,偏心距e=20 mm,顶苗机构的初始相位角φd=108°,横移机构的位移为h1=36.5 mm,纵移机构的初始相位角φz=185°,苗爪翻转机构的初始相位角φf=15°。   5 样机试验
  5.1 试验材料
  试验对象为番茄穴盘苗,品种为以色列1918,苗龄50 d。育苗质量较好,出苗率达到100%,且基质块紧实,盘根情况较好,达到了试验用苗的要求。
  5.2 仪器设备
  蔬菜穴盘苗自动取苗装置样机(动力源为变频调速电机,可通过变频器实现无极调速,速度变化范围6~240 r/min),i2000型电子天平,封口塑料袋,秒表。
  5.3 试验方法
  取3盘苗(出苗率均为100%,基质含水率为32.79%)进行3组试验,变频器的频率分别为2.5、3.5、4.5 Hz,对应的取苗速度约为80、110、140株/min。试验过程中观察顶苗和夹取过程中未顶出个数和未成功夹取个数,进行记录;在蔬菜穴盘苗自动取苗装置的底部放置紙板,用以收集各个机构掉落的基质,取苗完成后将各个部分的基质和取苗动作完成后基质苗进行收集和称质量,以此分别计算取苗成功率和基质损失率。取苗成功率(η1)的计算公式:
  η1=WW0×100%=W0-W1-W2W0×100%。
  (14)
  式中:W代表取苗成功个数;W0代表穴盘中基质苗总个数;W1代表顶苗阶段未顶出的苗数;W2代表夹取苗阶段未成功夹取到位的苗数。
  定义在取苗结束后基质块仍然残留在苗盘中的基质个数为顶苗阶段未顶出的苗W1;机械手未能夹取到或者在落苗动作前基质苗就从苗爪中脱落的基质苗数为夹取苗阶段未成功夹取到位的苗数W2,试验结果见表1。
  式中:m代表整个取苗过程中基质损失量,g;m0代表盘中基质苗总质量(不包括苗盘),g;m1代表顶苗过程中的基质损失量,g;m2代表夹取过程中的基质损失量,g;m3代表落苗过程的基质损失量,g。
  定义苗盘输送装置底部收集的基质和残留在穴盘中的基质为顶苗过程中的基质损失量m1;在取苗机械手运行轨迹下方收集的基质为夹取过程中的基质损失量m2;基质苗距离接苗板约280 mm,此过程是为了模仿全自动移栽机上基质苗落入导苗筒的过程,落苗完成后,将成块的基质苗收集称质量,接苗板上留下的就是落苗过程的基质损失量m3,整个取苗过程的基质损失量为m=m1 m2 m3,结果见表2。
  5.4 结果与分析
  试验过程中的取苗效果如图7所示。由试验结果(表1、表2)可知,在取苗速度为80株/min时,取苗成功率为100%,基质损失率为36.24%;取苗速度为110株/min时,取苗成功率为98.44%,基质损失率为 34.64%;取苗速度为140株/min时,取苗成功率为98.44%,基质损失率为3667%,取苗成功率较高。在这3种取苗速度下的基质损失率均高于30%,其主要是因为在顶苗阶段基质块底部受力后,在秧苗直径方向产生了压缩变形,而后基质块两侧受到夹
  紧力,又发生了垂直于秧苗直径方向的压缩变形,在先后被施加2个方向的载荷之后,基质底部发生了坍塌和颗粒间的重新排列,但是在根系的包裹和缠联作用下并未脱落,最后基质块靠重力自由落体,基质块底部与接苗板撞击,基质在此过程中大量脱落。试验结果表明,该取苗机构在取苗速度为140株/min时仍具有较高的取苗成功率,且基质损失率在不同的取苗速度下相对稳定,满足了设计要求,说明该取苗机构可行。
  6 结论
  对顶出-夹取式取苗装置的取苗过程进行分析,通过取苗、苗盘输送和苗爪翻转等动作的执行机构建立动作匹配的数学模型,并对这些数学模型进行仿真分析。在Visual Studio 开发环境下编写可视化蔬菜穴盘苗自动取苗装置时序分析程序,对各个机构进行参数优化,得到一组最佳参数,即曲柄长度a=78 mm,连杆长度b=112 mm,偏心距e=20 mm,顶苗机构的初始相位角φd=108°,横移机构的位移为h1=36.5 mm,纵移机构的初始相位角φz=185°,苗爪翻转机构的初始相位角φf=15°。通过对取苗机构进行取苗成功率和基质损失率试验,得出在取苗速度为70、110、140株/min 时,取苗成功率分别为100%、98.44%、98.44%,基质损失率均在35%左右,验证了该取苗机构的可行性。
  参考文献:
  [1]Yang Y,Ting K C,Giacomelli G A. Factors affecting performance of sliding-needles gripper during robotic transplanting of seedlings[J]. ASAE,1991,7(4):493-498.
  [2]Ting K C. Robot workce Ⅱ for transplanting of seedlings. Ⅱ:end-effector development[J]. Transactions of the ASAE,1990,33(3):1013-1017.
  [3] Tomohiro T. Vegetable transplanter:Japan,JP 2003-76923 A[P]. 2003-03-20.
  [4]Choi W C,Kim D C,Ryu I H,et al. Development of seedling pick-up device for vegetable transplants[J]. ASAE,2002,45(1):13-19.
  [5]刘大庆. 顶出-夹取组合式蔬菜钵苗移栽机构的研究[D]. 杭州:浙江理工大学,2015.
  [6]田昆鹏,毛罕平,胡建平,等. 自动移栽机门形取苗装置设计与试验研究[J]. 农机化研究,2014(2):168-172.
  [7]周梅芳,俞高红,赵 匀,等. 椭圆齿轮行星轮系蔬菜钵苗取苗机构的参数优化与试验[J]. 农业工程学报,2014(18):13-21.
  [8]俞高红,陈志威,赵 匀,等. 椭圆-不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的研究[J]. 机械工程学报,2012,48(13):32-39.
  [9]赵 雄,沈 明,陈建能,等. 棉花移栽机旋转式取苗机构的运动学分析及虚拟试验[J]. 农业工程学报,2014(8):13-20.
  [10]崔 巍,方宪法,赵 亮,等. 齿轮-五杆取苗装置机构优化与试验验证[J]. 农业机械学报,2013,44(8):74-77.
  [11]俞高红,俞腾飞,叶秉良,等. 一种旋转式穴盘苗取苗机构的设计[J]. 机械工程学报,2015(7):67-76.
  [12]韩长杰,杨宛章,张学军,等. 穴盘苗移栽机自动取喂系统的设计与试验[J]. 农业工程学报,2013(8):51-61.
  [13]胡敏娟. 穴盘苗自动移栽关键技术的研究[D]. 南京:南京农业大学,2011.
  [14]杨传华. 蔬菜穴盘苗自动输送技术与机构研究[D]. 北京:中国农业机械化科学研究院,2014.
其他文献
贾宝玉说过,女儿都是水做的。  我曾经一直对这句话嗤之以鼻,毕竟我自己就是个大大咧咧的女汉子,活生生的反面例子。7岁以前,我一直留的板寸头,除了皮肤白了点,简直和班上的男孩子们一个模样儿。再打上一架,往地上滚两圈儿,就更加认不出里面是不是混着个女孩子了。  直到见过明忻,我方觉得宝哥哥的这句话,还是有些道理的。  明忻是我见过的最像水的女孩子了。她的手白皙又柔软,有些肉乎乎的,但又不是胖得那么明显
我想,许多孩子打小应该觉得自己是非凡的,否则面对抛来的“长大后想做什么”这个问题,大家争抢着想做科学家、宇航员、飞行员、大明星……直到后来认识几个“别人家的孩子”,邂逅一两尊“学神”,一颗心才会在虔诚的膜拜中重新审视自我。  至少,我就是如此。15岁之前也算是别的家长口中“别人家的孩子”,如愿考入本市一所省级重点高中,也是在这里,我的认知发生了变化。  在这所高手如云的学校,优秀者众多,学霸有一二
内蒙古大学:简称“内大”(IMU),是一个拥有着蒙古草原风情的国家“211工程”重点建设高校。在内大,你可以学蒙古语,可以看蒙古舞表演,可以听马头琴弹唱,还可以吃到地地道道的牛羊肉以及各种便宜的草原特色美食,惊喜简直是无处不在。  作为一个没骑过马、不会说蒙语、没住过蒙古包的土生土长的内蒙古人来说,选择一个没出省的大学实在是无奈之举了。可当我拖着行李箱在报到那天連着坐了17个小时的火车才到学校的时
摘要:多室油菜具有多室多粒的特征,是提高油菜产量的一个有效途径。利用青海芥菜型多室油菜的BC4分离群体对油菜多室基因Bjln2进行初步定位,对分离群体的性状分离比进行卡方检测,检测结果符合1 ∶1,表明多室性状遗传稳定。利用扩增片段长度多态性(amplified fragment length polymorphism,AFLP)与分群分析法(bulk segregate analysis,BSA
摘要: 随着纳米科技的迅猛发展,多种纳米材料被广泛应用并逐步进入到周围的环境及生命体中,纳米材料的生物安全性和生态毒理学效应逐渐成为国内外关注的热点。纳米氧化铜(CuO)因具有良好的杀菌性、催化特性、热稳定性而被广泛应用于涂料、废水处理、杀菌、生物医用陶瓷材料等领域,因此它将不可避免地进入环境和生态系统中,并引起相应的环境毒理效应。本文从流行病学调查和试验研究2个方面出发,综述了纳米CuO对细胞(
摘要:通过分析辽宁省设施农业遭受风灾情况与辽宁省大风天气间的关系,确定农业设施受大风影响的致灾指标,为设施农业大风天气的预报预警提供依据,做好设施农业气象保障服务。统计分析表明,辽宁省设施农业主要分布于该省西部、中部地区,而此区域均为大风频发地区。风灾的发生与大风的气候特征存在一定相关性,春季大风日数增多,风灾发生频次随之增多,且风灾的发生与瞬时极大风速有较好的对应关系。风灾主要发生于每年4—8月
摘要 本文研究不同藥剂处理水稻种子对稻飞虱的防治效果,以期筛选出对稻飞虱防治效果好、持效期长的药剂及其配套使用技术,为稻飞虱的省力化防控提供科学依据。选择噻虫嗪、呋虫胺、吡虫啉、烯啶虫胺、噻虫胺和氟啶虫胺腈6种药剂分别按照有效药量2、4、6 g/kg进行拌种,测定不同处理对室内及田间稻飞虱的防治效果;同时将噻虫嗪与复合肥混合施用,验证药肥混施对稻飞虱的防治效果及时长。结果表明,室内条件下,以噻虫嗪
摘要:农业园区的发展需要大量人才的支撑,人才是农业园区发展的内生动力。淮安农业园区发展受到人才特别是高层次人才缺乏的制约。通过分析淮安农业园区人才现状,指出淮安农业园区人才集聚存在的问题:农业园区大多处于规划和建设期,集聚人才的磁场效应尚未显现;农业园区缺少有竞争力的大型龙头企业,集聚自主研发人才的实力有待加强;农业园区入驻企业大多属于生产型企业,集聚高层次人才的动力尚显不足;农业园区所处区域优势
7月1日,习近平总书记在香港会展中心庆祝回归20周年大会上发表重要讲话。整篇讲话铿锵有力,充满历史感、民族正义观和国家法治观。总书记侧重回溯历史、重申法理,为未来的中央治港与香港本地管治提供必要的监督和指引。对于澄清长期以来關于“一国两制”与基本法的诸多误解和偏见,对于强化中央主导的基本法法理学及形成对香港自治与法治的有效监督体系,保障“一国两制”在港实践不变形不走样,具有重要的战略指导意义。  
2017年,为贯彻落实中央政策和财政部《关于开展田园综合体建设试点工作的通知》要求, 由财政部支持的河北、山东等18 个省份启动了田园综合体建设试点。2017年11月,财政部国家农发办调研小组赴广西自治区南宁市西乡塘区,开展“美丽南方”田园综合体试点项目专题调研,并针对一些问题提出了解决思路和建议。“美丽南方”田园综合体概况  毗邻都市近郊,区位优势突出。“美丽南方”田园综合体地处南宁郊区,区位优