穴盘苗整排顶苗机构的优化设计与仿真分析

李晓涛，马晓晓，周文静，邵小青，张洚宇

（新疆科技学院信息科学与工程学院，新疆 库尔勒 841000）

0 引言

新疆是番茄、辣椒、甜菜和棉花等经济作物的主产区，近年来，随着育苗移栽技术的应用与推广，番茄、辣椒等经济作物育苗移栽种植规模不断扩大，但目前移栽过程主要以人工取苗、投苗，机械栽植为主，存在自动化程度低、劳动强度大和作业效率低等问题[1-2]。因此，研发能够实现自动取投苗作业功能的移栽机成为必然趋势。

欧美农业发达国家生产的全自动移栽机多为适用于大地块裸地移栽作业的大型农业机械，配备复杂的机电液气系统，取苗机构多采用整排取苗，整机价格昂贵，维修困难，未在国内得到推广[3-4]。日本、韩国研发的移栽机以纯机械系统为主，整机体积小，适用于小地块作业，取苗机构采用苗针插钵的方式取苗，一次只取一株苗，速度较慢且价格昂贵，也未在国内得到推广[5]。

国内各高校与科研院所已经研发出多种穴盘苗取苗机构，但目前相关技术尚不成熟，未推广至农业生产。按照取苗方式可分为夹取式取苗、顶出式取苗以及顶出—夹钵式取苗[6-9]。夹取式取苗时苗针通过插入钵体夹钵取苗或者从穴盘苗茎秆两侧夹茎取苗；顶出式取苗利用顶杆顶出或气流使穴盘苗实现钵盘分离；顶出—夹钵式取苗方法结合了顶杆顶出取苗与苗针夹钵取苗的方式。

顶杆顶出式取苗只需顶杆作往复直线运动即可将穴盘苗顶出，具有动作简单、取苗效率高、伤苗率低的特点。因此本文基于偏心圆盘曲柄滑块机构设计了一种整排自动顶苗机构。

1 结构组成及工作原理

1.1 设计要求

顶杆顶出式取苗利用穴盘苗根系由上向下逐渐稠密的特性，顶杆直接作用在根系密集的钵体底部[10]。因此对穴盘苗钵体盘根性和顶杆直径有一定要求，如果钵体不紧实或顶杆过细，则在顶苗时顶杆易插入钵体，造成钵体损伤或取苗失败。

顶苗机构适用苗盘为128穴（8×16）倒四棱台形穴孔苗盘，采用聚苯乙烯材料经注塑加工制成，可折弯较大弧度而不出现破损，苗盘高度为40 mm，相邻穴孔中心距为32mm，穴孔底部圆形漏水孔直径为8mm。顶苗机构设计为整排顶出，要求结构紧凑，在保证苗盘输送及顶苗位置精度的前提下，要求相邻顶杆间距为32 mm，顶杆直径为6mm，顶杆长度应能保证将穴盘苗从穴孔中完全顶出[11]。顶出的穴盘苗在档杆及自身重力作用下迅速调整姿态，沿滑道落入接苗杯，图1为顶杆顶苗示意。

1.2 结构组成及工作原理

图2所示为顶苗机构，主要由步进电机、联轴器、偏心圆盘、花键轴、整体式连杆、顶杆架、顶杆、滑道和机架等组成。顶杆安装在顶杆架上，与顶杆架同步运动；顶杆架安装在滑道内，在滑道内做往复直线运动；滑道内侧加工有梯形凹槽，焊接在机架上，起导向和支撑顶杆架的作用；整体式连杆一端与顶杆架采用销轴连接，另一端为圆环状，内面开有凹槽；偏心圆盘安装在花键轴上，外圆面开有凹槽，与连杆之间采用滚子进行传动，工作时可使零件的磨损程度大大降低；花键轴安装在机架上通过轴承支撑，采用联轴器与步进电机动力输出轴连接；固定板用于安装步进电机，与机架采用螺栓连接。

顶苗机构工作时，步进电机驱动安装在花键轴上的偏心圆盘转动，偏心圆盘驱动整体式连杆动作，在滑道共同作用下使安装在顶杆架上的顶杆做往复直线运动，从而完成顶苗动作，待钵苗沿导苗管落入栽植机构后，顶杆向下移动，准备下一排幼苗的顶出。

2 顶苗机构运动学模型

顶苗机构为偏心圆盘曲柄滑块机构，偏心圆盘偏心距为曲柄长，偏心圆盘转动中心与滑块运动方向共线。整排顶苗方式工作效率高，顶苗机构工作原理简单，结构紧凑，可很大程度减少所占的空间位置且生产制造成本较低。如图3，以O点为坐标原点，建立直角坐标系。

要保证顶苗机构具有确定的运动，其原动件数目应该等于该机构的自由度的数目。顶苗机构其原动件为电机，共有3个活动构件，即偏心圆盘、整体式连杆与顶杆架，4个低副，即偏心圆盘的转动副、整体式连杆与顶杆架之间的转动副、顶杆架与机架之间的移动副、偏心圆盘与整体式连杆之间的转动副，不存在高副，故顶苗机构的自由度为：

顶苗机构原动件数目等于自由度数目，故机构具有确定的运动。

由图3中的几何关系可得偏心圆盘上A点坐标为：

式中α—偏心圆盘转角；lOA值为偏心圆盘偏心距e。

连杆上C点坐标为：

式中lAC=R+lBC，R为偏心圆盘半径。

3 顶苗机构参数优化

3.1 优化目标

为使顶苗机构具有良好的作业性能，满足整排顶苗作业要求，顶苗机构的顶杆行程与机构参数优化是关键。基于穴盘苗穴盘结构尺寸与顶苗机构运动过程及结构特点，共确定如下3个优化目标为约束条件：

（1）苗盘高度为40 mm，为使穴盘苗能够被顶杆从穴盘中完全顶出，则顶杆行程不小于40 mm；

（2）考虑到顶苗机构结构紧凑，偏心圆盘半径不宜过大；

（3）为避免顶苗机构与载盘架运动干涉，结合载盘架底部厚度为5 mm，则顶杆长度最小为45 mm；

涉及的优化参数主要有偏心圆盘偏心距e、偏心圆盘半径R、整体式连杆BC段长度lBC以及顶杆长度lDE。

3.2 参数优化过程与结果

基于建立的顶苗机构运动学模型，利用Matlab软件开发顶苗机构辅助分析与优化软件，如图4。借助该软件利用人机交互方式，通过调整各个参数值，对顶苗机构结构参数进行优化，获得满足顶苗要求的一组机构较优参数组合。表1为优化后顶苗机构结构参数及运动参数。

表1 优化后顶苗机构结构参数及运动参数

4 顶苗机构虚拟仿真试验

4.1 建立虚拟样机模型并导入ADAMS软件

根据顶苗机构参数优化结果，结合穴盘苗穴盘结构尺寸等，在Solidworks软件中建立各零件三维实体模型，注意建立模型单位设置为“MMKS”，并对顶苗机构进行虚拟样机装配，设置偏心圆盘初始转角α=0°。

然后将建好的顶苗机构模型另存为Parasolid格式文件，打开ADAMS软件，选择“文件”→“导入”，在打开的“文件导入”对话框中设置“文件类型“为Parasolid(*.xmt_txt,*.x_t,*.xmt_bin,*.x_b)，选择“读取文件”为保存的Parasolid格式文件，“模型名称”为“dingmiaojigou”，点击“确定”按钮，顶苗机构三维虚拟样机模型即可导入ADAMS软件。

在ADAMS软件中进行顶苗机构零件的属性更改，包括材质和重命名等，根据各零部件之间的相互运动关系添加约束类型。为便于对顶苗机构进行仿真分析，忽略对顶苗机构仿真结果无影响的零部件，各主要部件之间约束的添加如表2。

表2 仿真模型约束添加

4.2 顶苗机构虚拟仿真试验

自动顶苗机构配套机器的栽植效率要求达到120株/min以上，即以120株/min进行仿真设计。顶苗机构共有8个顶杆，则每分钟内顶出次数n=120/8=15次，即每个顶杆的运动周期T=4 s。在ADAMS软件中设置偏心圆盘角速度函数为90 d*time，利用ADAMS软件对顶苗机构运动过程进行虚拟仿真试验，在顶杆端点处添加标记点进行追踪，得到顶杆的位移—时间曲线和速度—时间曲线分别如图5、图6。

由顶杆位移—时间曲线可以看出，顶杆在1个运动周期内的运动规律为正弦三角函数曲线，与理论分析结果一致。t=1.0s时，偏心圆盘转过90°，顶杆位移达到最大值237.0 mm；t=3.0s时，偏心圆盘转过270°，顶杆位移达到最小值193.0 mm，则顶杆行程为44mm。

由顶杆速度—时间曲线可以看出，顶杆运动呈周期性变化，在t=0.1s与t=1.88s时，顶杆速度达到最大值35.26 mm/s，t=0.1 s时顶杆处在向上顶苗阶段，t=1.88s时顶杆处在向下回程阶段；在t=1.0s与t=3.0s时，顶杆速度为0，t=1.0s时顶杆顶苗结束，t=3.0s时顶杆向下回程结束。

5 结论

（1）本文设计了一种适用于整排式全自动移栽机的自动顶苗机构，该顶苗机构结构紧凑，可以在较小的空间内实现较大的顶苗行程，满足把整排穴盘苗全部顶出的需要且运动平稳。

（2）依据机构原理构建了顶苗机构数学模型，确定了各机构参数间的关系，利用Matlab软件通过人机交互方式得到了一组满足顶苗作业要求的较优结构参数组合。

（3）构建了顶苗机构三维模型，通过ADAMS软件进行了虚拟样机仿真试验，结果表明顶苗机构各部件尺寸参数满足设计要求，仿真分析结果与理论分析结果一致，验证了顶苗机构理论分析与结构设计的合理性。