振动盘式精密播种机调水平并联机构精度研究

龚智强，陈　进，李耀明，赵　湛

(1.巢湖学院 机械与电子工程学院，合肥　238000；2.江苏大学 a.机械工程学院；b.农业装备工程学院，江苏 镇江　212013)



振动盘式精密播种机调水平并联机构精度研究

龚智强1，陈进2a，李耀明2b，赵湛2b

(1.巢湖学院 机械与电子工程学院，合肥238000；2.江苏大学 a.机械工程学院；b.农业装备工程学院，江苏 镇江212013)

摘要：为满足气吸振动盘式播种机精密播种的需求，运用离散元分析软件EDEM模拟种盘倾斜状况下种群运动，研究水平度对种群运动的影响程度，得出田间育苗过程中播种机调水平机构的调节精度要求，使用调水平并联机构实现播种机振动种盘调水平操作。同时，通过对机构运动学关系式进行全微分求解，获得机构精度模型，绘制机构精度与驱动副的运动误差、构件结构参数误差的关系曲线，为该调水平机构设计与误差补偿提供理论依据。

关键词：播种机；水平调节；并联机构；精度分析

0引言

田间育苗气吸振动盘式精密播种机利用种盘振动使种子群形成“准流体”,减少种子相互内摩擦力，以便气力吸种部件完成精密播种[1-3]。针对播种机在田间行走导轨上工作可能出现振动种盘有一定倾斜角度的问题，基于并联机构，设计了一种调水平机构[4]。通过水平调节使得播种机振动种盘在播种过程中保持近水平状态下振动，以满足振动种盘中种群均匀分布的要求。播种机调水平并联机构的调节精度是一个重要指标[5-6]，机械零部件加工制造和装配过程中产生的机械结构参数误差、运动副误差等都与机构输出精度相关，它将影响精密播种机的整体工作性能。

为满足播种机精密播种的需求，运用离散元分析软件EDEM模拟种盘倾斜状况下种群运动[7-8]，研究水平度对种群运动的影响程度，得出田间育苗过程中播种机调水平机构的调节精度要求。采用调水平并联机构实现播种机振动种盘水平度调水平的操作，实现两个方向角度调节的要求[4]。根据机构学理论得到机构位置关系，通过对机构位置关系式进行全微分推导机构精度模型，绘制机构精度与驱动副的运动误差、构件结构参数误差的关系曲线，为该调水平机构设计与误差补偿提供依据。

1设计原理及种群离散元仿真

气吸振动盘式精密播种机如图1所示。

1.机架　2.振动种盘系统　3.吸种盘

调水平并联机构由静平台、动平台，以及三支链AB、EDC、HGF组成，具体结构参数如图2所示。并联机构的静平台与行走底盘相固连，动平台与播种机机架下底板相固连。

根据研究，该并联机构的自由度为3，动平台的自由运动为沿z轴的移动、绕与x轴平行轴线的转动和绕BC轴线的转动，具有3个自由度。

种盘做上下振动，种子被上下抛郑，种子群做“沸腾”运动[1-3]。为研究种盘水平度对种群运动的影响程度，应用离散元软件EDEM仿真模拟种盘倾斜角度状态种群空间均匀分布规律，得出田间育苗过程中播种机调水平机构的调节精度要求。播种时，种盘做简谐运动，振幅A=4mm，振动频率f=11Hz，运动方程为S=Asinwt。种盘基础物理特性参数为泊松比0.28、剪切模量80GPa、密度7 850kg/m3、种盘与种子间恢复系数0.5、静摩擦因数0.34、滚动摩擦因数0.01。模拟种盘倾斜角度0°、0.2°、0.5°、0.8°、1.1°状态下种群运动规律，得出100s时种群分布画面，如图3所示。

图2　调水平并联机构结构图

图3　种盘倾斜状态种群运动仿真

由图3可知：随着种盘倾斜角度的增加，种群发生聚集偏移的程度越严重。当种盘倾斜角度大于0.8°时，种群聚集偏移致吸种盘高位处吸孔正下方位置无种子的时间变短，种群聚集偏移运动将导致吸种盘盘面种群分布集聚，导致播种空穴率的增加，使播种精度无法保证。

2并联机构运动学及解耦性分析

2.1　并联机构运动学

根据机构学理论求解，得出并联机构输入与输出的位置关系表达式[6,9]为

Zd=P1

(1)

(2)

(3)

2.2　机构解耦性分析

机构控制解耦性程度越高，运动学与动力学复杂程度越低，也越利于控制。根据机构运动输出—输入之间的控制解耦性原理[6,10]，机构运动学关系式为Zd=f1(P1)，α=f2(P1,P2)，β=f3(P1,P3)，动平台输出量Zd、α、β为部分输入的函数，得出该机构是部分控制解耦机构，选择P1、P2、P3为驱动副。

3并联机构精度分析

对机构运动学关系式(1)～式(3)进行全微分，可得

dZd=dP1

(4)

={[(P2-P1)-lBCsinα]dP1+

[lBCsinα+(P1-P2)]dP2)-

(5)

(6)

写成矩阵表达形式，则

(7)

雅可比矩阵为

(lBCsinα+P1-P2)[2P3-2P1-

(9)

机构奇异位姿与机构的位姿及结构参数有关，与其运动参数无关[6,9]。为避免发生奇异，并联机构设计时保证关系式(9)不成立。

从全微分方程式(4)～式(6)可以看出：3个驱动副P1~P3的误差及各构件结构参数的误差都将影响动平台的输出精度。动平台Z轴方向移动误差dZd只取决于驱动副P1的移动误差dP1。动平台绕x轴转动角度误差dα与驱动副误差dP1、dP2和构件结构参数误差dK、dlBC、dlDC有关。动平台绕y轴转动角度误差dβ与驱动副误差dP1、dP3和动平台绕x轴转动角度误差dα及构件结构参数误差dm、dlBC、dlFG有关。

4算例分析

水平调节机构参数：K=500mm，m=500mm，lBC=480mm，lDC=75mm，lFG=265mm。当驱动副的位置为P1=150 mm、P2=86.11 mm、P3=79.79mm时，动平台位姿为Zd=150mm、α=1°、β=0°。

1)当构件误差为dlBC=0.1mm、dlDC=0.1mm、dlFG=0.1mm、dk=0mm、dm=0mm，驱动误差dP1、dP2、dP3分别为-0.1～0.1mm时，机构的输出误差如图4所示。

2)当驱动误差为dP1=0.1mm、dP2=0.1mm、dP3=0.1mm，构件误差为dk=0、dm=0，dlBC、dlDC、dlFG分别为-0.1～0.1 mm时，得到的输出误差曲线如图5所示。

3)当驱动误差dP1、dP2、dP3同时在-0.1～0.1mm之间变化时，由关系式(4)～(6)可得输出误差的最大值为：dZd=0.1mm，dα=0.039°，dβ=0.071°。当驱动误差dlBC、dlDC、dlFG同时在-0.1～0.1mm之间变化时，可得输出误差的最大值为：dZd=0.1mm，dα=0.015°，dβ=0.070°。当驱动误差dP1、dP2、dP3、dlBC、dlDC、dlFG同时在-0.1～0.1mm之间变化时，由关系式(4)～式(6)可得输出误差的最大值为：dZd=0.1mm，dα=0.039°，dβ=0.099°

根据离散元分析种群运动对水平度要求和上述机构精度算例结果可知：驱动副的运动误差和构件结构参数误差在0.1mm的误差范围内时，水平度倾角误差的最大值为0.099°，可以满足精度要求下精密播种水平调节机构的驱动副的要求。

1.移动误差dZd　2.绕x轴转角误差dα　3.绕BC轴转角误差dβ

1.Z方向的误差dZd　2.绕x轴的转角误差dα　3.绕BC轴转角误差dβ

5结论

1)为使调水平机构调水平操作满足播种机精密播种的需求，运用了离散元分析软件EDEM模拟种盘倾斜状况下种群运动，研究水平度对种群运动的影响程度，结果表明：发现随着种盘倾斜角度的增加，种群发生聚集偏移的时间逐渐减少。根据仿真数据结果可知：倾斜角度越小，对振动种群运动的空间分布均匀性越有利。采用水平调节并联机构可实现排种装置振动种盘的水平度调节，从而满足其近水平振动的要求。

2)根据机构运动学关系式，分析机构输出—输入函数关系，结果表明：该并联机构为部分控制解耦，选择了P1~P3作为驱动副，得到了机构精度模型。同时，分析了机构输出精度的影响参数，绘制了输出精度与驱动副的运动误差、构件结构参数误差的关系曲线，得出驱动副的运动误差和构件结构参数误差的关系，为调水平机构设计与误差补偿提供理论依据。

参考文献：

[1]陈进,李耀明.气吸振动式播种试验台内种子运动规律的研究[J].农业机械学报,2002,33(1):47-50.

[2]李耀明,邱白晶,陈进.气吸振动式水稻播种试验台的振动分析[J].农业机械学报,1998,29(3):43-47.

[3]李耀明,赵湛,陈进.种群空间分布状态对排种器吸种性能的影响[J].江苏大学学报,2009,30(6):559-563.

[4]龚智强,陈进,李耀明,等.一种精密播种机调水平机构分析[J].机械设计与研究,2012,28(2):15-17.

[5]陈洪雷,郭为忠,高峰.一种新型组合驱动器的精度分析[J].机械设计与研究,2010,26 (2):25-27.

[6]黄真.高等空间机构学[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[7]王国强,郝万军,王继新.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,2010.

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[9]赵匀.机械数值分析与综合[M].北京:机械工业出版社, 2005.

[10]杨廷力.机器人机构拓扑结构学[M].北京:机械工业出版社, 2004.

Abstract ID:1003-188X(2016)10-0056-EA

Accuracy Research of a Vibration Tray Precision Seeder’s Horizontal Adjustment Parallel Mechanism

Gong Zhiqiang1， Chen Jin2a， Li Yaoming2b, Zhao Zhan2b

(1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Chaohu University, Hefei 238000, China; 2.Jiangsu University a.School of Mechanical Engineering; b.School of Agricultural Equipment Engineering, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：In order to meet the requirements of Vacuum-vibration Tray precision seeder, apply DEM software EDEM to simulate seeds movement under the state of inclining seed plate,study the impact of level degree to seeds movement and include regulation accuracy requirements of seeder adjustment mechanism in the process of field seeding.Achieve seeder’s vibration seed plate horizontal adjustment operation by adjustment parallel mechanism, get mechanism accuracy model by solving total differential to mechanism position relationship, and draw relation curve of mechanism accuracy about kinematic error of drive pair, parameter error of modular structure, which provide a theoretical basis to adjustment mechanism design and error compensation.

Key words：precision seeder；horizontal adjustment；parallel mechanism；accuracy analysis

中图分类号：S223.2+5；TH112

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0056-04

作者简介：龚智强(1983-),男，江西宜春人，讲师，博士，(E-mail) gzhq2008@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51305169)；安徽省高等学校自然科学研究重点项目(KJ2015A246);巢湖学院博士科研启动资金项目(KYQD—201403)；巢湖学院校级科研项目(XLY—201403)

收稿日期：2015-09-09