穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與運動仿真

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1、穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與運動仿真　　0引言　　為解決人工移栽費工費時、生產(chǎn)效率低、難以實現(xiàn)大面積作業(yè)的弊端,研發(fā)全自動移栽機(jī)以替代傳統(tǒng)作業(yè)方式將成為趨勢[1].現(xiàn)有的移栽機(jī)基本為半自動化的栽植機(jī)械,另需配套人工完成喂苗[2];當(dāng)人工勞作遇到大面積作業(yè)時,必會產(chǎn)生煩躁情緒,從而影響作業(yè)質(zhì)量和效率.為此,設(shè)計了一種能從穴盤格中將穴盤苗夾取出并進(jìn)行有效投放的執(zhí)行機(jī)構(gòu),利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對其模型進(jìn)行運動仿真分析,同時通過樣機(jī)試驗驗證了該設(shè)計的可行性.　　1取苗機(jī)構(gòu)　　取苗機(jī)構(gòu)[3-5]是將穴盤苗苗缽缽體夾取出穴格并最終釋放至栽植機(jī)構(gòu)的工作部件,由取苗器及其驅(qū)動機(jī)構(gòu)等組成.工作時,取苗

2、器插入苗盤穴格直接與苗缽體接觸進(jìn)行夾取和投放.為保證取苗器以一定的位姿完成定點取苗、帶苗輸送和準(zhǔn)確投苗動作,其運動軌跡和姿態(tài)必須進(jìn)行合理規(guī)劃.圖1所示的5個點乃是軌跡規(guī)劃的關(guān)鍵:①A點落苗.當(dāng)取苗器移動至該點時,必須將穴盤苗投放入即位的栽植機(jī)構(gòu),該點的設(shè)計主要考慮實現(xiàn)穴盤苗的零速[6]投遞.②B1為穴盤苗頂點,一般取穴盤苗的平均高度.③B為穴盤表面點.④C為穴盤底部點.取苗軌跡滿足取苗器插入苗缽缽體并夾持苗缽必須經(jīng)過穴盤表面點B,并以垂直于穴盤表面的直線或近似直線軌跡向點C(穴盤底部)插進(jìn),但軌跡線顯然不能超過點C,否則塑料穴盤將會被捅穿造成破壞且影響機(jī)構(gòu)的正常運行.⑤

3、O為拔苗行程終止點.夾持住苗缽后,取苗器有個拉拔動作,實現(xiàn)將苗缽拔離穴盤穴格,拔苗行程終止點O即為保證取苗器將穴盤苗完全從穴格中拔出后繼而轉(zhuǎn)向而設(shè),由此可得取苗器整體后移距離B1O必須大于等于距離BC.　　為滿足取苗軌跡和姿態(tài)要求,設(shè)計了如圖2所示的取苗機(jī)構(gòu).其中,取苗器由針座、取苗滑針、針管座、取苗針管、取苗彈簧和取苗桿等組成[7-8].針座用于安裝取苗滑針插入針管滑動,取苗針管安裝于針管座上,取苗彈簧套接于針座與針管座之間.驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要包括取苗滑塊和擺動導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu),取苗器整體套裝在擺動導(dǎo)桿上,將針管座固定,而針座能隨著取苗彈簧的受力不同往復(fù)滑動,彈簧的伸縮受取苗滑

4、塊的口字形滑道(ABCDEA)控制,實現(xiàn)取苗滑針伸出與縮回針管的動作.首先,取苗器在取苗滑塊受到F力作用后,沿滑塊導(dǎo)軌AB⌒圓弧段順時針轉(zhuǎn)動90°角至待取苗狀態(tài),該過程中彈簧受拉,取苗滑針縮于針管內(nèi);BC直線段時,取苗滑塊運動停歇,壓縮彈簧所受約束被解除,取苗滑針在彈力驅(qū)動下伸出,遇到取苗彎管后變向,實現(xiàn)傾斜插入并夾持住苗缽;取苗器在持苗輸送過程CA段中受到滑塊的反向F力作用,逆時針轉(zhuǎn)至初始位置,主要由圓弧CD⌒和線段DA構(gòu)成;取苗器在CD⌒圓弧段時被逆時針轉(zhuǎn)動∠COD,取苗滑針保持原夾持狀態(tài)將穴盤苗移送至點D,隨后進(jìn)入線段DA,即刻起針座的轉(zhuǎn)向半徑逐漸

5、縮小,取苗滑針開始縮回針管;穴盤苗被由取苗針管頂住上表面逐漸從滑針上拔出直至最終落入栽植機(jī)構(gòu),實現(xiàn)穴盤苗的有效投放.　　2取苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動部分設(shè)計　　上述取苗器自穴盤穴格中取苗操作步驟歸納如下:①取苗器由原始位置移至待取苗位置;②取苗器伸出插入穴格抓取苗缽;③拉拔出穴盤苗使其脫離穴格;④取苗器移至投苗位置;⑤恢復(fù)至原始位置.圖2所示取苗機(jī)構(gòu)在滑道約束下能完成上述動作①、②、④、⑤;然而苗盤的位置是固定安裝,則要求取苗器必須有向后退縮將苗缽拔離穴盤穴格進(jìn)而轉(zhuǎn)向等的動作,即缺少動作流程③.因此,本文在此滑道基礎(chǔ)上設(shè)計了不完全齒輪齒條驅(qū)動機(jī)構(gòu).具體設(shè)計是由兩套模數(shù)、壓力角等參數(shù)相

6、同、齒數(shù)不同的齒輪副機(jī)構(gòu)并排動作,將兩個不完全齒輪安裝于同一驅(qū)動軸上,首個嚙合齒對齊,同時嚙合時取苗器完成拔苗動作,一個嚙合一個脫嚙合時驅(qū)動取苗器沿滑道動作,兩者都脫嚙合時取苗器插入并抓住苗缽.兩套動作時序如圖3所示.　　齒數(shù)少的齒輪副連接圖2所示整個取苗機(jī)構(gòu),齒數(shù)多的齒輪副單獨連接圖2所示滑塊.A過程:兩齒輪副嚙合,取苗機(jī)構(gòu)整體前移;B過程:一齒輪副脫離嚙合,另一嚙合齒輪副推動滑塊滑動,驅(qū)動擺桿繞其旋轉(zhuǎn)中心擺動,完成取苗器轉(zhuǎn)向;C過程:兩齒輪副均脫離嚙合,取苗器抓取苗;D過程:齒輪副再次嚙合,齒條反向直線移動,取苗機(jī)構(gòu)后移,完成拔取苗;E過程:一對齒輪副嚙合驅(qū)動擺桿逆

7、轉(zhuǎn),完成取苗器轉(zhuǎn)向,整體機(jī)構(gòu)回復(fù)至初始狀態(tài).　　3取苗機(jī)構(gòu)運動仿真分析　　3.1取苗機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)的建立　　根據(jù)設(shè)計的取苗機(jī)構(gòu),在三維建模軟件Pro/E中完成虛擬裝配[9-10],如圖4所示.完成在機(jī)構(gòu)環(huán)境中定義重力加速度9.8m/s2,方向為y軸負(fù)方向;直線移送與轉(zhuǎn)向動力均由齒輪齒條機(jī)構(gòu)提供,在齒輪連接軸處添加伺服電機(jī),轉(zhuǎn)速設(shè)為定值;兩個槽從動連接處分別添加執(zhí)行電機(jī);取苗器中針座與針管座間定義取苗彈簧.　　　　3.2取苗機(jī)構(gòu)的仿真與分析　　在完成對模型運動副、約束、驅(qū)動力及工作載荷的添加后,根據(jù)取苗速度要求,以一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真試驗.圖5即