摇杆式桑叶采摘机拨枝与采摘时间的协调匹配分析

胡迎春 ，庄锦芳，闫　鑫，牟向伟，廖　伟

(1.广西师范大学 职业技术师范学院，广西 桂林　541004；2.广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州　545006)



摇杆式桑叶采摘机拨枝与采摘时间的协调匹配分析

胡迎春1，庄锦芳2，闫鑫2，牟向伟1，廖伟2

(1.广西师范大学 职业技术师范学院，广西 桂林541004；2.广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州545006)

摘要：以实现机械采摘桑叶为目的，设计一款能自动采摘桑叶的摇杆式桑叶采摘机，并通过对桑叶采摘装置和间歇拨动定位装置工作原理分析，建立曲柄滑块机构运动的几何模型。通过对称两端半圆环刀具的张闭动作时间与间歇拨动装置运动时间的匹配分析计算，确定了圆柱分度凸轮分度期转角和停歇期转角，使间歇拨动定位装置能及时将桑枝送到桑枝定位框，即对称两端半圆环刀具所在位置，使圆环刀具能对桑叶准确实现采摘动作。该研究可为实现桑叶采摘的机械化提供理论和应用依据。

关键词：曲柄滑块机构；间歇拨动；协调匹配；圆环刀具；桑叶采摘机

0引言

我国自古以来就是一个种桑养蚕的农业大国，尤其是随着东桑西移工程的实施，在南方很多地方桑蚕养殖达到鼎盛时期，对桑叶的需求量非常大。目前，我国的桑叶采摘方式仍然以手工采摘为主，不仅费时费力，而且效率低下[1-4]，因此急需一种桑叶采摘机，可以代替桑农的手工采摘，以降低桑农的劳动强度，提高桑叶采摘效率。为此，设计了摇杆式桑叶采摘机，主要由行走装置、底座装置、减速装置、间歇拨动定位装置和桑叶采摘装置等组成[5-7]。间歇拨动定位装置、桑叶采摘装置是整个摇杆式桑叶采摘机的重要组成部分。间歇拨动桑枝的时间与桑叶采摘装置中圆环刀具运动时间能否协调匹配是摇杆式桑叶采摘机能否顺利实现桑叶采摘的关键，本文将重点研究二者的时间协调匹配问题。

1工作原理与过程

1.1桑叶采摘装置工作原理

本研究的摇杆式桑叶采摘机的工作原理是基于曲柄滑块机构类型，通过曲柄滑块机构的循环往复运动带动桑叶采摘装置的上下往复运动。桑叶采摘装置采用的是对称结构，左右两边均由曲柄、连杆、勾型导轨、弹簧、导轮、导轨滑块、采桑杆、半圆环刀具及U型块等几个部分组成，如图1所示。

1.曲柄　2.连杆　3.勾型导轨　4.勾型导轨凹槽　5.导轨滑块

桑叶采摘装置需要通过圆环刀具闭合、向上运动、向下运动、张开等4个阶段动作来完成一次桑叶采摘。设采桑杆初始位置在勾型导轨下极限位置C2点处，采桑杆套在导轨滑块上且末端与U型块接触，在采桑杆末端处套有弹簧，U型块和导轮放置于勾型导轨凹槽中。发动机提供动力给曲柄滑块机构，连杆带动套在导轨滑块上的采桑杆向上运动；当采桑杆运动到勾型导轨的勾型颈部B点时，由于采桑杆横向距离的变窄使得位于两端勾型导轨的弹簧处于压缩状态，顶住采桑杆，使位于中轴线位置左右两边半圆环刀具实现闭合，开始向上采摘桑叶；采桑杆向上运动过程中，弹簧始终顶住U型块，从而压住采桑杆，保证两个半圆环刀具始终处于闭合状态，从而持续采摘桑叶。当导轨滑块运动到上极限位置C1点时，曲柄的圆周运动将使得连杆机构带动导轨滑块往回运动，从而带动采桑杆开始向下运动；当采桑杆回到勾型导轨颈部B点时，弹簧向凹槽位置弹开，处于自然状态，从而使采桑杆带动闭合的圆环刀具分开，桑叶采摘结束。分开的半圆环刀具随着采桑杆在导轨滑块的带动下继续向勾型导轨凹槽移动，直至运动到下极限位置C2点，又由曲柄的圆周运动使连杆机构带动导轨滑块再次向上运动，从而带动采桑杆向上运动和刀具闭合，又开始新一轮的桑叶采摘。

1.2间歇拨动定位装置工作原理

根据桑叶采摘规律，桑枝被拨动到定位框所在位置并实现采摘，采摘动作完成后再拨动另外一枝桑枝，因此为间歇式拨动。此间歇拨动定位装置由3个分度盘、3个圆柱分度凸轮和3个桑枝定位盘组成，如图2所示。

其中，桑枝定位盘上装有桑枝定位杆。当第1圆柱分度凸轮分度段轮廓推动第1分度盘转位时，其转位将推动第1桑枝定位盘转动，桑枝定位盘的转动将使得其上的桑枝定位杆将桑枝往定位框方向输送，此时桑枝尚未到达定位框位置；紧接着第2、第3圆柱分度凸轮转动到分度凸轮的分度段轮廓，分别推动第2、第3分度盘转位从而带动第2、第3桑枝定位盘转动，被推转动的桑枝定位盘上的桑枝定位杆将由前面送来的桑枝拨动到定位框所在位置。当圆柱分度凸轮转动到停歇区转角时，分度盘上的两个相邻滚子跨夹在圆柱分度凸轮的圆环面凸脊上使分度盘停止转动，这时桑枝定位盘也停止转位，此时的定位杆将起到桑枝定位的作用。

2时间协调匹配分析计算

将采桑机推至桑园，启动采桑机，采桑杆在导轨滑块的带动下从C2点开始向上运动；采桑杆第1次经过勾型导轨颈部B点和导轨上极限C1点再回到B点时，这个阶段定位框内没有桑枝，闭合的圆环刀具没有采摘桑叶，这个过程圆柱分度凸轮恰好转过停歇期圆弧段。当采桑杆自B点开始带动圆环刀具张开，在导轨凹槽正好走一个来回再次回到B点时，刀具再次闭合，此阶段定义为圆环刀具的非工作时间，也是圆柱分度凸轮分度圆弧拨动桑枝进入定位框的时间，这二者时间必须匹配。刀具闭合，恰好框住送入定位框的桑枝，圆环刀具自B点开始向上运动至上极限位置C1点再次返回到B点，此时间定义为圆环刀具的工作时间，也是圆柱分度凸轮停歇区时间，这二者时间也必须匹配。

将桑枝拨动和定位时间与圆环刀具的非工作时间和工作时间相互协调匹配，才能保证物流畅通，顺利实现桑叶采摘。

2.1摇杆机构的几何模型分析

根据桑园桑枝生长状况，取圆环刀具上下运动完成切割动作的行程H=1 200mm，考虑桑叶采摘机的结构特性取勾型导轨的安装位置距离曲柄轴心e=300mm处，取滑块运动时快速行程与慢速行程的平均速度之比值，即行程速比系数K=1.3，从而可以确定曲柄长度[8-11]LAG=LAF=LAE=R=568mm，连杆长度为LBF=LBE=L=1 107mm。将摇杆式桑叶采摘机的摇杆式机构简化为曲柄滑块机构的几何模型如图3所示。图3中的B、C1、C2点与图1中的3个点对应。由几何关系可得滑块位移x为

(1)

其中，R为曲柄长度，θ为曲柄转角。

将位移x对时间求导得

(2)

其中，w为曲柄转动的角速度。

(3)

联立式(2)、式(3)得

(4)

其中，v为滑块运动的速度

曲柄滑块机构的滑块从C2点开始滑动，此时滑块初始速度为0，采桑杆作加速运动，从C2点运动到B点的距离H′达到切割桑叶的速度v1。有资料表明[12-16]，割刀切断禾杆的最小刀速为0.6m/s，由于桑叶叶柄比禾杆更容易切断，此处选取圆环刀具的最小切割速度v1为0.55m/s。此时，滑块的运动速度为

v=v1=0.55m/s

(5)

图3　曲柄滑块机构几何模型示意图

2.2圆环刀具运动时间分析

2.2.1圆环刀具非工作时间分析

圆环刀具从C2点运动到B点时，设圆环刀具所走的行程H′=200mm距离，而此时曲柄转过的角度为θ0。由图3可知

(6)

其中，s为曲柄转动中心到C2点竖直长度，R为曲柄长度，L为连杆长度，e为偏距长度。

由式(6)得s=1 648mm。

在△ABD中由勾股定理得

(7)

由式(7)得LAB=1 480mm。

在△AFB中由余弦定理得

L2BF=L2AB+L2AF-2LABLAFcosθ1

(8)

由式(8)得θ1=40°。

在△ABD中三角函数关系得

(9)

由式(9)得θ'=11.7°。

在△AC2C2'中，由三角函数关系得

(10)

由式(10)得θ3=10.3°。

所以∠BAC2=θ2=θ'-θ3=1.4°。

采桑杆从C2点运动到B点，曲柄转过角度θ0为

θ0=θ1+θ2=41.4°

(11)

取θ0=41°。图3中，有

θ6=θ0+θ3=51.3°

(12)

当滑块运动到B点时，有

θ=θ6=51.3°

(13)

由式(4)得

(14)

由式(5)、式(13)和已知数据代入式(14)得

w=1.1rad/s

(15)

所以转过角度θ0所用时间为

(16)

其中，t1是圆环刀具的第1部分非工作时间。

在△AEB中，由余弦定理得

L2BE=L2AB+L2AE-2LABLAEcosθ5

(17)

由式(17)得 θ5=40°。

圆环刀具从B点运动到C2点，曲柄转过的角度θ4为

θ4=θ5-θ2=38.6°

(18)

取θ4=39°。转过角度θ4所用时间为

(19)

其中，t4是圆环刀具的第2部分非工作时间。因此，圆环刀具的非工作时间为

t'=t1+t4=0.65+0.62=1.27s

(20)

2.2.2圆环刀具工作时间分析

在△AC1C2中，由余弦定理得

H2=L2AC1+L2AC2-2LAC1LAC2cos∠C1AC2

(21)

由式(21)得∠C1AC2=230。

圆环刀具从C2点经过B点运动到C1点曲柄转过的角度为180°+23°=203°。

记所用时间为t6，则有

(22)

其中，t6为两段时间之和，即圆环刀具由C2点运动到B点的时间t1和由B点运动到C1点的时t2之和，因此有

t2=t6-t1=3.22-0.65=2.57s

(23)

其中，t2是圆环刀具的第1部分工作时间。

圆环刀具从C1点经过B点运动到C2点曲柄转过的角度为360°-203°=157°。

记所用时间为t3，则

(24)

其中，t3亦为两段时间之和，即圆环刀具从C1点运动到B点的时间t5和从B点运动到C2点的时间t4之和，因此有

t5=t3-t4=2.49-0.62=1.87s

(25)

其中，t5是圆环刀具的第2部分工作时间。

综上可知，圆环刀具工作时间为

t=t2+t5=2.57+1.87=4.44s

(26)

2.3圆环分度凸轮角度计算

由于圆柱分度凸轮停歇期所用时间应等于圆环刀具工作时间，即

td=t

(27)

其中，td为圆柱分度凸轮停歇期的时间，而

(28)

联立式(15)、式(27)、式(28)得圆柱分度凸轮停歇期转角为

(29)

圆柱分度凸轮分度期所用时间应等于采桑杆圆环刀具非工作时间，即

tf=t'

(30)

其中，tf为圆柱分度凸轮分度期的时间，而

(31)

联立式(15)、式(30)、式(31)得圆柱分度凸轮分度期转角为

(32)

即圆柱分度凸轮停歇期转角应为280°，分度期转角应为80°。

3结论

在对摇杆式桑叶采摘机的关键装置进行工作原理分析基础上，再通过采桑杆圆环刀具的运动分析，建立了曲柄滑块机构运动的几何模型；结合桑叶采摘机的采摘特性，确定了曲柄滑块机构的曲柄合理角速度及其在特定位置处曲柄转过的角度所用的时间，从而确定了圆柱分度凸轮的分度期和停歇期所用时间。采桑杆在勾型导轨的勾型凹槽内上下行走的时间是圆环刀具的非工作时间，此时间与圆柱分度凸轮分度期的时间匹配，圆环刀具采摘工作时间与圆柱分度凸轮停歇期时间相匹配。最终，确定圆柱分度凸轮的结构设计，即分度期转角为80°和停歇期转角为280°。

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Research on a Rocker Type Machine about Matching Time Analysis of Stirring and Plucking Mulberry Leaves

Hu Yingchun1,Zhuang Jinfang2,Yan Xin2,Mou Xiangwei1,Liao Wei2

(1.Teachers College for Vocational and Technical Education, Guangxi Normal University, Guilin 541004，China；2.College of Mechanical Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

Abstract：On the purpose of picking mulberry leaves mechanically, a rocker-type mulberry leaves picking machine was designed. According to the analysis of the operational principle of device of mulberry leaves picking and intermittent slide switch positioning, the geometrical models of motional slider-crank mechanism were built.By means of calculating and matching the open and close time of symmetrical semicircular blades and the motional time of the intermittent slide switch, the angle of indexing phase and the dwell of the cylindrical indexing cam have been confirmed, which enabled the mulberry branches be in the baskets where lies the symmetrical semicircular blades by the intermittent slide switch positioning device.Thus the circular blades can pick mulberry leaves accurately.It has been provided of theoretical and practical proofs of picking mulberry leaves mechanization.

Key words：slider-crank mechanism; intermittent toggle; coordinate matching; circular blades; mulberry leaves pickingmachine

文章编号：1003-188X(2016)03-0144-05

中图分类号：S225.93

文献标识码：A

作者简介：胡迎春(1971-)，女，南京人，教授，博士，硕士生导师，(E-mail)hyc_leeds@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51205071)

收稿日期：2015-02-16