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1、一种移栽机栽植器凸轮摆杆机构设计与运动学分析 扈明璐 刘敏 汪照 于家翼 张明 张黔川 贵州省山地农业机械研究所 摘 要： 针对贵州丘陵山地小地块移栽作业特点和需要, 依托 2ZBZ-2A 型自走式半自动移栽机, 设计改进了一种通过凸轮摆杆机构结合拉线控制的鸭嘴栽植器结构。通过建立栽植器凸轮摆杆机构数学模型, 搭建了凸轮摆杆机构主要结构参数与鸭嘴开合规律间的关系。基于对栽植器栽植轨迹特点和投苗时序的分析, 采用盘式凸轮零部件生成器对所涉及的凸轮摆杆机构进行了三维虚拟设计, 并结合从动摆杆运动学特征曲线对鸭嘴开合特征进行了分析, 表明该机构能够满足设计功能要求。同时, 开展了栽植器凸轮摆杆机构的
2、样机试制和试验, 试验结果表明:移栽机正常作业过程中, 鸭嘴接苗准确, 鸭嘴开合振动量小, 工作较为平稳, 基本无带苗、夹苗现象。关键词： 移栽机; 栽植器; 凸轮摆杆; 运动学; 作者简介：扈明璐 (1974-) , 女, 贵阳人, 助理工程师, (E-mail) 。作者简介：刘敏 (1973-) , 女, 四川内江人, 高级工程师, (E-mail) 。收稿日期：2016-10-26基金：贵州省科技计划项目 (黔科合农 G 字20134017 号) Design and Kinematic Analysis of a Planting Mechanism with Cam and Comb
3、ined RockerHu Minglu Liu Min Wang Zhao Yu Jiayi Zhang Ming Zhang Qianchuan Guizhou Research Institute of Mountain Agricultural Machinery; Abstract： With the aim to relieve the needs of transplanting on small hilly land in Gui Zhou province which considers its terrain and planting characteristics, a
4、duckbill planting mechanism was designed and improved depended on 2ZBZ-2A self-propelled semi-automatic transplanter.The relationship between the main structural parameters of the cam and combined rocker and the opening and closing rules of duckbill is established by the mathematic model of the mech
5、anism.Through the analysis of the planting trajectory characteristics and the timing of throwing seedlings, a cam component generator which belongs to Autodesk Inventor/Pro was used to design the cam and combined rocker mechanism, and analyzed the kinematic characteristic of the rocker.The result of
6、 analysis shows that the mechanism can meet the functional requirements well.At the same time, the trial and debugging were carried out.The result showed the duckbill grafting was accurate during 2ZBZ-2A semi-automatic transplanter normal operation, the vibration of the duckbill opening and closing
7、was small, its work was stable, no clipping seedlings.In this paper, the transplanting performance of the planting mechanism which is based on the cam and combined rocker and control the duckbill opening and closing with a pull line basically can meet the work requirements.Keyword： transplanter; pla
8、nting mechanism; cam and combined rocker; kinematic analysis; Received： 2016-10-260 引言我国是世界上最大的蔬菜生产国和消费国, 蔬菜种植面积和产量分别约占世界总量的 40%和 50%以上。近年来, 随着蔬菜标准园和“菜篮子”基地建设的深入推进, 我国蔬菜产业呈现规模化种植模式。2015 年, 全国蔬菜 (不含西甜瓜) 播种面积 2 288.9 万 hm, 总产量达 81 575.14 万 t, 人均占有量约 600kg, 跃居世界第一位1-3。贵州属低纬度高海拔气候, 立体农业特征明显, 年平均气温 14.8,
9、 降水较多, 为满足多层次、多样化、高品质的蔬菜产品需求提供了优越的生产条件。针对贵州丘陵山区蔬菜手工种植功效低、强度大、不利于规模化种植及综合经济效益不明显等现状, 引进了适用于丘陵山区作业的 2ZBZ-2A 型自走式半自动移栽机。该移栽机结构简单、设计小巧, 适用于小地块及设施内移栽作业4-6。本文基于 2ZBZ-2A 型自走式半自动移栽机机构设计原理, 建立了栽植器凸轮摆杆机构主要结构参数与其运动学关系模型, 并采用盘式凸轮零部件生成器对凸轮摆杆机构进行了虚拟设计, 分析了凸轮摆杆机构通过拉线控制下鸭嘴开合运动特征。该研究将为移栽机的安装调试提供理论参考, 同时为后续栽植器结构优化、改善
10、移栽机总体性能和提高移栽成功率提供支撑。1 栽植机构工作原理2ZBZ-2A 型自走式半自动移栽机栽植器机构主要由链传动系统、凸轮、摆杆、拉线、双曲柄机构及鸭嘴栽植器等组成, 如图 1 所示。图 1 2ZBZ-2A 移栽机栽植器实物图 Fig.1Planting apparatus of 2 ZBZ-2 A transplanter 下载原图1.双曲柄机构 2.传动系统 3.凸轮 4.摆杆 5.鸭嘴栽植器 6.拉线移栽机作业时, 先由人工将幼苗投入旋转的转杯中, 幼苗随转杯一起运动至投苗位置, 转杯下端盖打开, 幼苗落下。移栽部件由与主传动轴同步运转的链轮通过链传动带动, 驱动双曲柄机构旋转,
11、进而带动固连其上的鸭嘴栽植器动作;鸭嘴往复运动过程与机器的前进运动相复合, 能够保证鸭嘴垂直起落, 从而实现幼苗的垂直定植。栽植作业时, 鸭嘴栽植器运动至轨迹最高点时, 幼苗落入鸭嘴并随其运动;鸭嘴栽植器运行至定植位置时, 鸭嘴由闭合状态打开, 幼苗顺利落入土壤, 鸭嘴栽植器上升脱离土壤, 幼苗借助其周边土壤的回流作用定植于栽植位置。鸭嘴栽植器的开合通过凸轮摆杆机构的运动牵动拉线控制, 凸轮的转动通过与其转轴同轴固定的链轮驱动。鸭嘴栽植器的开合运动特征, 直接影响幼苗的定植成功率:鸭嘴开合过早, 幼苗将提早落至土壤导致倒伏;鸭嘴开合过晚, 鸭嘴栽植器在上升脱离土壤过程中可能带起幼苗, 同样可能
12、造成幼苗倒伏。因此, 结合栽植器栽植轨迹, 开展鸭嘴栽植器开合时序研究, 并对凸轮摆杆机构进行设计, 分析研究拉线控制下的鸭嘴栽植器开合运动规律, 改进和优化 2ZBZ-2A 型半自动移栽机栽植器机构, 以提高移栽作业成功率。2 栽植器凸轮摆杆机构数学模型本文涉及的栽植机构鸭嘴开合运动主要由凸轮摆杆机构控制拉线动作实现, 其运动特征本质是凸轮摆杆机构的从动摆杆的运动特征。为了简化机构分析, 研究凸轮摆杆机构运动学特性, 进而分析拉线控制下的鸭嘴栽植器开合规律, 并建立栽植器凸轮摆杆机构简图, 如图 2 所示。凸轮绕 O0为中心转动, 凸轮基圆半径用 r0表示, 摆杆棍子半径用 r 表示, 可绕
13、其中心 O 自由转动, 摆杆臂长用L 表示, 摆杆绕固定铰接点 B 转动。凸轮推程起始点, 即凸轮与棍子初始接触点位置, 用 K0表示。图 2 栽植器凸轮摆杆机构简图 Fig.2Cam and combined rocker mechanism of planting apparatus 下载原图栽植器凸轮摆杆动作时, 凸轮通过与其同轴的链轮驱动其绕 O0转动, 进而带动摆杆 AB 往复摆动。摆杆端部 A 点固定拉线一端, 拉线另一端固定于鸭嘴栽植器的闸盒处, 拉线的行程变化直接决定鸭嘴栽植器下端鸭嘴开合大小。鸭嘴结构简图如图 3 所示。栽植器主要结构参数含义如表 1 所示。图 3 鸭嘴结构简
14、图 Fig.3Structure diagram of duckbill apparatus 下载原图表 1 机构参数含义表 Table 1Meaning table of parameters and symbol 下载原表 以凸轮中心 O0和摆杆摆动中心 B 的连线为 X 轴, 以过 O0且垂直于 X 轴的直线为Y 轴, 建立笛卡尔直角坐标系, 以过凸轮中心 O0与棍子中心 O 的连线作为极轴, 如图 2 所示。根据栽植器凸轮摆杆机构简图, 数学解析摆动从动件盘形凸轮的运动规律7。假定凸轮回转中心 O0与摆杆回转中心 B 之间的距离用 表示。则在O 0OB中, 由余弦定理可将摆杆初始角 0
15、表示为极轴 与 X 轴之间夹角 0表示为凸轮转动时, 与摆杆棍子在任一点 K 接触, 假定凸轮此时速度瞬心为 P, 如图4 所示。图 4 栽植器凸轮摆杆机构运动简图 Fig.4 Motion diagram of Cam swing lever mechanism 下载原图由三心定理可知, P 点为过 K、O 点的直线 (即公法线 nn) 与 O0B 连线的交点, 则 P 点的速度为式中 vp速度瞬心 P 点的速度;w凸轮的转速;wAB摆杆的转速。当凸轮转过 角度时, 从动件摆杆转过 角度, 摆杆的转动角速度 wAB可以表示为公法线 nn与 X 轴的夹角 可以表示为凸轮与棍子任意一接触点 K
16、的相径 rk在坐标轴 X、Y 上的投影分别表示为由此, 可以进一步得到凸轮轮廓曲线方程, 用极坐标形式表示为式中 0凸轮的初始相位角。联立式 (1) 式 (7) , 可得到凸轮轮廓曲线与摆杆运动轨迹间的关系函数8,11。凸轮摆杆机构的运动与鸭嘴栽植器的开合运动通过拉线联结, 由此可以进一步建立二者间的关系。鸭嘴栽植器结构对称, 其下端开合最大距离为 b 时, 鸭嘴栽植器上端拉线长度的变化量为l, 表示为摆杆上端 A 点变化相等距离时, 摆杆转过的角度 近似表示为式中 lAB摆杆 AB 总长度。联立式 (8) 和式 (9) 得由以上各式, 便可建立凸轮摆杆机构与鸭嘴栽植器开合运动规律。3 凸轮摆杆机构虚拟设计与运动学分析移栽机栽植器的栽植轨迹特点与投苗时序间接决定凸轮摆杆机构的主要结构参数, 其机构的结构参数又影响鸭嘴开合运动规律。因
