穴盘苗取苗机构设计与运动仿真

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穴盘苗取苗机构设计与运动仿真

0 引言

为解决人工移栽费工费时、生产效率低、难以实现大面积作业的弊端,研发全自动移栽机以替代

传统作业方式将成为趋势[1].现有的移栽机基本为半自动化的栽植机械,另需配套人工完成喂苗

[2]; 当人工劳作遇到大面积作业时,必会产生烦躁情绪,从而影响作业质量和效率.为此,设计了一

种能从穴盘格中将穴盘苗夹取出并进行有效投放的执行机构,利用虚拟样机技术对其模型进行运

动仿真分析,同时通过样机试验验证了该设计的可行性.

1 取苗机构

取苗机构[3 -5]是将穴盘苗苗钵钵体夹取出穴格并最终释放至栽植机构的工作部件,由取苗器及

其驱动机构等组成.工作时,取苗器插入苗盘穴格直接与苗钵体接触进行夹取和投放.为保证取苗

器以一定的位姿完成定点取苗、带苗输送和准确投苗动作,其运动轨迹和姿态必须进行合理规

划. 图1 所示的 5 个点乃是轨迹规划的关键: A ①点落苗.当取苗器移动至该点时,必须将穴盘苗投

放入即位的栽植机构,该点的设计主要考虑实现穴盘苗的零速[6]投递. B1②为穴盘苗顶点,一般

取穴盘苗的平均高度. B ③为穴盘表面点. C ④为穴盘底部点.取苗轨迹满足取苗器插入苗钵钵体

并夹持苗钵必须经过穴盘表面点 B, 并以垂直于穴盘表面的直线或近似直线轨迹向点 C( 穴盘底

部) 插进, 但轨迹线显然不能超过点 C,否则塑料穴盘将会被捅穿造成破坏且影响机构的正常运

行. O ⑤为拔苗行程终止点.夹持住苗钵后,取苗器有个拉拔动作,实现将苗钵拔离穴盘穴格,拔苗行

程终止点 O 即为保证取苗器将穴盘苗完全从穴格中拔出后继而转向而设,由此可得取苗器整体

后移距离 B1O 必须大于等于距离 BC.

为满足取苗轨迹和姿态要求, 设计了如图 2 所示的取苗机构.其中,取苗器由针座、取苗滑针、针

管座、取苗针管、取苗弹簧和取苗杆等组成[7 -8].针座用于安装取苗滑针插入针管滑动,取苗针

管安装于针管座上,取苗弹簧套接于针座与针管座之间.驱动机构主要包括取苗滑块和摆动导杆

滑块机构,取苗器整体套装在摆动导杆上,将针管座固定,而针座能随着取苗弹簧的受力不同往复

滑动,弹簧的伸缩受取苗滑块的"口"字形滑道( ABCDEA) 控制,实现取苗滑针伸出与缩回针管的

动作.首先,取苗器在取苗滑块受到 F 力作用后,沿滑块导轨 AB⌒ 圆弧段顺时针转动 90°角至待取

苗状态,该过程中弹簧受拉,取苗滑针缩于针管内; BC 直线段时,取苗滑块运动停歇,压缩弹簧所受

约束被解除,取苗滑针在弹力驱动下伸出,遇到取苗弯管后变向,实现倾斜插入并夹持住苗钵; 取

苗器在持苗输送过程 CA 段中受到滑块的反向F 力作用,逆时针转至初始位置,主要由圆弧 CD⌒

和线段DA 构成; 取苗器在 CD⌒圆弧段时被逆时针转动∠COD,取苗滑针保持原夹持状态将穴盘

苗移送至点 D, 随后进入线段DA,即刻起针座的转向半径逐渐缩小,取苗滑针开始缩回针管; 穴盘

苗被由取苗针管顶住上表面逐渐从滑针上拔出直至最终落入栽植机构,实现穴盘苗的有效投放.

2 取苗机构驱动部分设计

上述取苗器自穴盘穴格中取苗操作步骤归纳如下: 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钵; ③拉拔出穴盘苗使其脱离穴格; ④取苗器移至投苗位置; ⑤恢复至

原始位置. 图2所示取苗机构在滑道约束下能完成上述动作①、②、④、⑤; 然而苗盘的位置是

固定安装,则要求取苗器必须有向后退缩将苗钵拔离穴盘穴格进而转向等的动作,即缺少动作流

程③.因此,本文在此滑道基础上设计了不完全齿轮齿条驱动机构.具体设计是由两套模数、压力

角等参数相同、齿数不同的齿轮副机构并排动作,将两个不完全齿轮安装于同一驱动轴上,首个

啮合齿对齐,同时啮合时取苗器完成拔苗动作,一个啮合一个脱啮合时驱动取苗器沿滑道动作,两

者都脱啮合时取苗器插入并抓住苗钵. 两套动作时序如图 3 所示.

齿数少的齿轮副连接图 2 所示整个取苗机构, 齿数多的齿轮副单独连接图 2 所示滑块.A 过程: 两

齿轮副啮合,取苗机构整体前移; B 过程: 一齿轮副脱离啮合,另一啮合齿轮副推动滑块滑动,驱动

摆杆绕其旋转中心摆动,完成取苗器转向; C 过程: 两齿轮副均脱离啮合,取苗器抓取苗; D 过程:

齿轮副再次啮合,齿条反向直线移动,取苗机构后移,完成拔取苗; E 过程: 一对齿轮副啮合驱动摆

杆逆转,完成取苗器转向,整体机构回复至初始状态.

3 取苗机构运动仿真分析

3. 1 取苗机构虚拟样机的建立

根据设计的取苗机构, 在三维建模软件Pro/E 中完成虚拟装配[9 - 10], 如图 4 所示.完成在"机

构" 环境中定义重力加速度 9. 8m/s2, 方向为 y 轴负方向; 直线移送与转向动力均由齿轮齿条机构

提供,在齿轮连接轴处添加伺服电机,转速设为定值; 两个槽从动连接处分别添加执行电机; 取苗

器中针座与针管座间定义取苗弹簧.

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标签： #设计 #运动仿真 #仿真

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穴盘苗取苗机构设计与运动仿真0引言为解决人工移栽费工费时、生产效率低、难以实现大面积作业的弊端,研发全自动移栽机以替代传统作业方式将成为趋势[1].现有的移栽机基本为半自动化的栽植机械,另需配套人工完成喂苗[2];当人工劳作遇到大面积作业时,必会产生烦躁情绪,从而影响作业质量和效率.为此,设计了一种能从穴盘格中将穴盘苗夹取出并进行有效投放的执行机构,利用虚拟样机技术对其模型进行运动仿真分析,同时通过样机试验验证了该设计的可行性.1取苗机构取苗机构[3-5]是将穴盘苗苗钵钵体夹取出穴格并最终释放至栽植机构的工作部件,由取苗器及其驱动机构等组成.工作时,取苗器插入苗盘穴格直接与苗钵体接触进行夹取和...

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