取苗机械手双气缸三位置的驱动及优化

韩长杰，郭 辉，杨宛章，张 静

( 新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052)



取苗机械手双气缸三位置的驱动及优化

韩长杰，郭 辉，杨宛章，张 静

( 新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐 830052)

自动移栽机取苗机械手是实现自动移栽机的关键，而取苗机械手的驱动是实现自动移栽的前提。为实现平行夹式取苗机械手的自动驱动，参考穴盘苗茎秆所能承受的夹持力，设计了基于双气缸驱动的摆臂3位置控制结构，使摆臂能在居中位置准确停止进行对穴取苗和放苗，在夹苗行程开始时运动迅速，还能在摆臂摆动到夹苗位时以适当的夹持力分别夹持对应位置的穴盘苗。通过计算分析，确定了l为130mm、h为130mm与长度为60mm的摆臂形成的Y字型结构，使平行夹在夹苗时具有不大于23N的夹持力，保障能够夹持取苗且不伤苗。

自动移栽；取苗机械手；平行夹；穴盘苗

0 引言

取苗机械手是自动移栽机的核心工作部件，国外先后研制出多种适用于移栽机的穴盘苗自动取苗装置，如日本研制出了基于双针扎入基质的单取苗机械手，按照扎苗、取苗、放苗动作顺序，每次能够取出一株苗[1]。澳大利亚生产的采用4个针扎入取苗的自动移栽机，相比日本的取苗可靠性提高，对育苗基质要求降低。意大利与美国分别开发了采用推杆将苗从穴盘中推出的取苗装置，此种方式主要针对硬质穴盘。以色列生产的履带式全自动移栽机，采用负压将整盘苗吸出，其取苗装置结构庞大，可靠性不高[2]。国内相继开展了多种自动取苗装置的研究：东北农业大学陈海涛等研究了甜菜链式钵苗分离装置，吉林大学孙廷琮等研究了真空投苗装置，江苏大学毛罕平等对研究了一种由齿轮连杆与槽型凸轮控制轨迹的自动取苗机构，南京农业大学汪小旵等对穴盘苗移栽机取苗末端执行器进行虚拟样机分析，尹文庆等对滑针式取苗手进行了研究，沈阳农业大学田素博等对温室花木单自动移栽机械手的控制进行了研究。国内研究的取苗方式虽有不同，但均为对单株穴盘苗操作，效率不高[3-6]。

新疆移栽种植面积较大，人工移栽成本高、周期长，需要高速的自动移栽机械，快速完成辣椒、番茄等作物的移栽。为了有效地提高移栽效率，必须采用取苗机械手代替人工取苗，本文以手工取苗动作为基础，设计制作了基于平行移动夹片取苗的机械手[7]，能够同时取出穴盘中的多株苗，并对取苗机械手的驱动原理和夹持力控制进行详细分析，以获得较优的驱动结构。

1 取苗机械手结构

平行夹取苗机械手结构如图1所示。

1.摆臂 2.后滑杆 3.前滑杆 4.长夹片 5.短夹片 6.支座

其中，前滑杆和后滑杆安装在两端的支座上，并能够在支座里滑动，滑杆间距d为56mm；摇杆转动中心O相对支座固定不动，摇杆上的2个长孔分别与前滑杆与后滑杆铰接，长夹片固定安装在后滑杆上，短夹片安装在前滑杆上，每个滑杆上相邻的2个夹片中心距2b为64mm，夹片夹苗部位宽度15mm。当摆臂与滑杆垂直时，任意相邻两个夹片间距b为32mm(同穴盘的苗穴间距)；当摆臂向右摆动时，长夹片随后滑杆向右移动，短夹片随前滑杆向左移动，相邻长夹片与短夹片间的穴盘苗被夹持，此时可取出穴盘一排中相互间隔的穴盘苗；当摆臂向左摆动时，长夹片随后滑杆向左移动，短夹片随前滑杆向右移动，相邻长夹片与短夹片间的穴盘苗被夹持，此时可取出穴盘一排中其余相互间隔的穴盘苗，摆臂从两侧向中间回位时夹片打开进行放苗。

参照图1，假定相邻2个夹片闭合时摇杆向一侧摆动的最大角度为θmax，根据机械手结构有

(1)

将b=32mm、d=56mm带入得θmax=±29.74°，即摆臂单侧摆动范围为不大于29.74°。

2 取苗机械手的驱动

为实现由机械手高效自动夹苗、放苗，设计由互成角度安装的2个相同气缸驱动摆臂摆动，使摆臂在3个不同位置变换，实现机械手取苗的自动操作。如图2所示：C1和C2为2个型号相同的气缸(MAL20X70)，气缸杆与摆臂铰接，两气缸座的位置相互对称；当气缸C1与气缸C2的气缸杆都收回时，由于2个气缸在摆臂垂直方向的分力大小相等、方向相反，故摆臂在中间位置能够准确停止。当气缸C1推出且气缸C2收回时，摆臂向右摆动；当气缸C1收回且气缸C2推出时，摆臂向左摆动。气缸的控制策略如表1所示。

图2 气缸摆动位置简图

3 夹持力分析计算

从取苗机械手结构可知：摆臂越长，气缸驱动摆臂使夹片间的夹持力越大，如图3所示。

图3 气缸驱动力作用图

随着摆臂摆动到不同角度，气缸作用力在垂直于摆臂方向的合力大小及方向都在变化：摆臂从中间位置开始摆动时，受2个气缸作用合力较大，启动迅速；随着摆动角度增大，合力逐渐减小；当气缸C2与摆臂同轴线时，摆臂摆动角度为θs，此时有

(2)

受活塞杆截面积影响，气缸伸出行程作用力与收回行程的作用力大小不同。设气缸杆伸出时的推力为F，气缸杆收回时拉力为T，压缩空气压强P压为0.6MPa，则有

(3)

(4)

将气缸MAL20X70 的参数φ=0.008m、Φ=0.02m带入计算得：F=188.4N，T=158.336N。

XP=r·sinθ

(5)

YP=r·cosθ

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

将式(5)～式(9)带入式(10)和式(11)，得

(12)

(13)

由式(12)、式(13)可以看出：α1与α2随着摆臂摆动角度θ、l、h的变化而变化。由各角之间的关系可知

(14)

β2=π-α2

(15)

Ft=F·cosβ1

(16)

Fn=F·sinβ1

(17)

Tt=T·sinβ2

(18)

Tn=T·cosβ2

(19)

根据力矩平衡原理有

(20)

(21)

即

(22)

(23)

假定在摆臂摆动过程中任意相邻2个夹片间具有相同的夹持力fG，则

(24)

将式(14)～式(23)带入式(24)可得

(θ≤θs)

(25)

(θ>θs)

(26)

由式(26)可以看出：夹持力大小fG与α1、α2有关，而α1、α2是θ、h、l的函数。为获得较优的夹片夹持力，使夹片间既有足够的力夹持取苗，又在闭合夹苗时不损伤穴盘苗茎秆，还需根据茎秆所能承受的夹持力来确定l、h的距离。

4 茎秆夹持力测定

利用电子万能试验机(RGM-X010)对穴盘苗茎秆进行挤压试验，选择与机械手夹片宽度相同的15mm的挤压头对苗龄为58天的辣椒茎秆进行试验，得到曲线如图4所示。

图4 挤压-变形曲线

实验表明:当夹持力小于25N时，辣椒茎秆处在弹性变形阶段;当夹持力大于25N时，辣椒茎秆开始发生组织破碎;为保障茎秆夹持取苗不受伤害，应控制夹片夹苗时的夹持力小于25N。

5 优化计算

考虑到机械手的结构不易过大，拟定摆臂长度r为60mm，在MatLab中按照式(12)、式(13)、式(25)、式(26)进行编程，计算出当h、l取不同长度时，夹持力fG随摆臂摆动角度θ的变化情况如图5所示。从图5中可以看出：摆臂处在居中位置时(θ=0°)，夹持力fG大小随着气缸支座间距l逐渐增大而增大；当摆臂长度l相同时，fG随着摆臂摆动角度θ增大而减小；若h增大，夹持力随摆动角度θ、l变化相对平缓。

图5 夹持力变化图

由于机械手的摆臂最大摆动角度θmax为29.74°(夹片闭合角度)，在θ=29.74°的截面上通过试选来确定较优的l、h值。若l取值太小时，两个气缸之间的夹角太小，受摩擦阻力影响，摆臂在中间位置停止时不准确，故l取值不宜太小；为方便机械手运动灵活，驱动结构又不宜过大，且质量要轻，故在满足夹持力与摆动位置准确的情况下，选定l=130mm、h=130mm。此时，夹持力fG的变化曲线如图6所示。

图6 fG-θ图

当摆臂摆动到接近29.74°时，夹持力约为23N。考虑到机械手在工作过程时前、后滑杆与支座之间有摩擦，且在夹片上有附胶缓冲，故认为此驱动结构设计是可行的。

6 结论

1) 通过采用互成角度的两个气缸驱动摆臂完成3个位置的变换，实现了机械手取苗动作的自动操作，达到启动迅速、夹苗力适当的目的。

2)利用挤压实验获得了穴盘苗茎秆能够承受的挤压力极限为25N，为设计夹持取苗机械手提供了设计依据。

3)通过分析计算，确定夹持取苗驱动结构中l=130mm、h=130mm时为较优的长度，此时夹持力约为23N，不伤害穴盘苗茎秆。

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The Driving and Optimization for Double-cylinders Three-position Pick Seedlings Manipulator

Han Changjie, Guo Hui, Yang Wanzhang, Zhang Jing

Pick seedling manipulator is the key part of automatic transplanter, and the drive method of pick seedling manipulator is the premise for automatic transplanter. A double-cylinder 3-position driving structure is designed to let the parallel-grip-type pick seedling manipulator automatically work, the gripping force base on the plug seedlings stem withstand test, the press is no more than 25N. The manipulator arm can be controlled to stop in the middle position accurately for pick and drop the seedling, and it is fast move to other side at the beginning of moving derived by double cylinders, seedlings were moderately griped at the end of moving , the gripping force is corresponding to the position of cylinders’ base position. it is determine that the length oflis 130mm andhis 130mm after calculation and analysis,l,hand the arm (60mm length) formed a Y-shape structure, in this condition the gripping force is no more than 23N between the parallel Clamps, so this type of pick seedlings manipulator can be use to pick seedlings and do not hurt the seedlings.

automatic transplanting; take seedling manipulator; parallel clamps; plug seedlings

2016-01-20

国家自然科学基金项目(51565059，50905153)；新疆维吾尔族自治区高技术发展研究计划项目(201211117)

韩长杰(1980-)，男，河南遂平人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)hcj_627@163.com。

S223.92

A

1003-188X(2017)02-0017-05