萬 霖，車 剛

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)構(gòu)軌跡創(chuàng)新設(shè)計(jì)的應(yīng)用

萬 霖，車 剛

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志，農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新就成為必然趨勢(shì)。機(jī)構(gòu)學(xué)是機(jī)械設(shè)計(jì)所依據(jù)的重要理論基礎(chǔ)學(xué)科，要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新、發(fā)明、革新機(jī)構(gòu)。通過對(duì)機(jī)構(gòu)軌跡綜合的機(jī)構(gòu)優(yōu)化原理和方法的研究，以旱地蔬菜移栽機(jī)分插機(jī)構(gòu)為例，從機(jī)構(gòu)軌跡生成方法實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用計(jì)算機(jī)模擬，達(dá)到創(chuàng)新的目的。

機(jī)構(gòu)軌跡；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；應(yīng)用

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要和必然趨勢(shì)，是提升農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，提高種植效益的必要手段，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的不斷更新?lián)Q代意味著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)創(chuàng)新已成為必然趨勢(shì)。機(jī)構(gòu)學(xué)是機(jī)械設(shè)計(jì)所依據(jù)的重要理論基礎(chǔ)學(xué)科，其主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出性能良好的機(jī)構(gòu)，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上創(chuàng)新、發(fā)明、重要革新。因此，大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新，歸根結(jié)底是機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新。天津大學(xué)、北京理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等許多高校都對(duì)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新理論與方法進(jìn)行了深入的研究。浙江理工大學(xué)趙勻教授出版了《農(nóng)業(yè)機(jī)械分析與綜合》一書，對(duì)于農(nóng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)[1]。本文主要以蔬菜移栽機(jī)分插機(jī)構(gòu)為例，從機(jī)構(gòu)軌跡生成方法實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足給定要求的前提下，以盡可能低的成本實(shí)現(xiàn)這樣的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到創(chuàng)新的目的。

1 軌跡綜合的機(jī)構(gòu)優(yōu)化原理和方法

1.1 機(jī)構(gòu)綜合

在機(jī)構(gòu)學(xué)中，優(yōu)化與綜合緊密相連。按照設(shè)計(jì)準(zhǔn)則盡可能精確地規(guī)定所要完成的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)，根據(jù)預(yù)先決定采用機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)給定值，進(jìn)行型綜合，獲得機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，滿足運(yùn)動(dòng)區(qū)域、幾何要求。將優(yōu)化方法應(yīng)用于機(jī)構(gòu)綜合，在滿足約束條件的前提下，通過對(duì)變量的不同取值，使其得到能滿足所有要求的最優(yōu)解。

1.2 機(jī)構(gòu)軌跡綜合具體流程

以農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用較為廣泛的平面連桿機(jī)構(gòu)為例介紹機(jī)構(gòu)軌跡綜合。實(shí)現(xiàn)軌跡機(jī)構(gòu)是指能使連桿上某點(diǎn)沿著某給定軌跡運(yùn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)。通常，軌跡是以離散點(diǎn)的形式給出的，因而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軌跡機(jī)構(gòu)的任務(wù)，在于所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的連桿上某點(diǎn)能通過一系列給定的有序設(shè)計(jì)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中，機(jī)構(gòu)軌跡創(chuàng)新主要有直接實(shí)現(xiàn)預(yù)期軌跡的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以及針對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行的軌跡創(chuàng)新設(shè)計(jì)。兩類創(chuàng)新的相同之處在于，先通過軌跡分析找到目標(biāo)軌跡的幾何特征，建立設(shè)計(jì)方程和求解設(shè)計(jì)方程，給定設(shè)計(jì)點(diǎn)數(shù)目的選擇與采用的逼近準(zhǔn)則有關(guān)，將最優(yōu)者選為最終解，否則創(chuàng)新失敗。機(jī)構(gòu)綜合流程如圖1所示。

圖1 機(jī)構(gòu)綜合流程簡(jiǎn)化框圖

2 移栽機(jī)分插機(jī)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)與優(yōu)化

后插式分插機(jī)構(gòu)是改進(jìn)的蔬菜移栽機(jī)的核心工作部件，采用的是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。其性能決定著移栽質(zhì)量與工作可靠性，其參數(shù)的選擇既要滿足運(yùn)動(dòng)軌跡，又要保證旱地栽植的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和回程不推苗的要求，還要滿足栽植臂部不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的要求。設(shè)計(jì)時(shí)，通過模擬絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化出一組較佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，這組設(shè)計(jì)參數(shù)是經(jīng)過運(yùn)動(dòng)分析確定的最優(yōu)值[2]。為了保證分插機(jī)構(gòu)正常工作，使插秧機(jī)有較好的工作性能，進(jìn)行分插機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)輔助設(shè)計(jì)及優(yōu)化就顯得尤為重要。

2.1 分插機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)特點(diǎn)和優(yōu)化目標(biāo)

對(duì)分插機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，不僅是對(duì)其工作軌跡的優(yōu)化，還要考慮栽植臂的取苗、推苗位置[3]，同時(shí)還要考慮整個(gè)軌跡的形狀及動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果。根據(jù)農(nóng)藝要求，旱地栽植機(jī)的分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡必須達(dá)到以下目標(biāo)才能具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：

1)為保證移栽的缽苗直立度，取秧器取苗時(shí)與水平線的夾角(取苗角)β0應(yīng)在5°～20°之間；

2)栽植臂的軌跡形成的穴口在30～50mm之間，穴口過大會(huì)導(dǎo)致所移栽缽苗倒伏；

3)在切割式取苗器完成送苗后，推苗器要完成推苗動(dòng)作；

4)要求取苗軌跡線幾乎與苗箱垂直以減少傷苗現(xiàn)象；

5)推苗時(shí)與水平線的夾角(推苗角)β1應(yīng)在60°～75°之間；推苗角和取苗角的差值應(yīng)保證在δ0=55°～60°之間；

6)為使分插機(jī)構(gòu)能同時(shí)適應(yīng)移栽大苗和小苗，并保證移栽大苗時(shí)不會(huì)出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象，栽植臂的尖點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡必須達(dá)到一定高度，以290～330mm為宜。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

利用已建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，綜合考慮分插機(jī)構(gòu)取苗器的取苗角和推苗角、軌跡高度對(duì)蔬菜缽苗的影響,以及約束條件來選取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)；在計(jì)算機(jī)上調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，使機(jī)構(gòu)滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)要求和優(yōu)化目標(biāo)，獲得多種可能的方案；再通過相關(guān)的分析，評(píng)定優(yōu)劣，選取合理方案[4-7]。

用優(yōu)化得到的參數(shù)(β0，β1，δ0等)來完成裝配圖和各零件圖的設(shè)計(jì)。當(dāng)已知參數(shù)重新輸入時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡將立即重顯，各目標(biāo)數(shù)據(jù)亦將立即重新得到。后插式曲柄搖桿分插機(jī)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)與優(yōu)化軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

利用編寫的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件，對(duì)建立的模型進(jìn)行理論模擬，利用VB建立可視化界面，在計(jì)算機(jī)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，確定可行方案，使機(jī)構(gòu)滿足預(yù)訂的運(yùn)動(dòng)要求。再經(jīng)過必要的分析，進(jìn)一步評(píng)定優(yōu)劣，選取合理方案。設(shè)計(jì)的參數(shù)包括：曲柄的長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)速，機(jī)架的位置，搖桿的長(zhǎng)度，栽植臂的長(zhǎng)度，取苗器尖點(diǎn)到曲柄鉸鏈點(diǎn)的距離；目標(biāo)數(shù)據(jù)包括：運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)，結(jié)構(gòu)參數(shù)；顯示的圖形包括：取苗器尖點(diǎn)的相對(duì)、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，取苗及推苗時(shí)的姿態(tài)及位置等。最終確定優(yōu)化方案，檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)干涉情況等。

圖2 輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化軟件流程圖

經(jīng)過優(yōu)化后的軌跡不會(huì)產(chǎn)生壓苗現(xiàn)象。

同時(shí)，計(jì)算得取苗角β0=13.20°，推苗角β1=68.08°，兩角差值δ0=55.50°，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡高度達(dá)到300mm，可以滿足蔬菜缽苗移栽要求。

在設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，要始終注意取苗角、推苗角的大小，以保證移栽后缽苗的直立度。由于分插機(jī)構(gòu)的參數(shù)具有模糊性、交互性的特點(diǎn)，在某一范圍內(nèi)修改某一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)可能會(huì)對(duì)兩個(gè)甚至兩個(gè)以上的要求產(chǎn)生影響。所以有必要分析各個(gè)參數(shù)對(duì)移栽軌跡的影響。

3 結(jié)束語

隨著生產(chǎn)的發(fā)展以及機(jī)械化、自動(dòng)化程度的提高，對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力特性都提出了更高的要求，要充分利用其良好性能，改善不良特性，特別是利用人機(jī)對(duì)話，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，加快解決生產(chǎn)實(shí)際需要。要求設(shè)計(jì)者始終創(chuàng)造性地工作，積累豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)及約束條件找到最優(yōu)解。同時(shí)還要不斷的自我創(chuàng)新、自我提高，關(guān)注社會(huì)發(fā)展與市場(chǎng)需求，鉆研新技術(shù)。

[1] 趙勻. 農(nóng)業(yè)機(jī)械分析與綜合[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:135-156.

[2] 趙勻．農(nóng)業(yè)機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)[M]．北京:清華大學(xué)出版社，1998:89-97．

[3] 李革，趙勻，俞高紅．橢圓齒輪行星系分插機(jī)構(gòu)的機(jī)理分析和計(jì)算機(jī)優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000(4)：39-43．

[4] 張春林，曲繼方，張美鱗．機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：45-80．

[5] 俞高紅，陳志威，趙勻，等．橢圓—不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)的研究[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012(7)：32-39．

[6] 俞高紅，謝仁華，趙勻. 橢圓齒輪傳動(dòng)后插旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(5)：45-48，29.

[7]李革，陳孝明，俞高紅，等. 基于VB的旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉判別方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(11)：44-47.

Application on Agricultural Machinery Mechanism Path Creative Design

WAN Lin, CHE Gang

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Agricultural mechanization is an important symbol of modern agriculture development agricultural machinery of technology innovation the inevitable trend.Institutional learning is an important theoretical basis for the mechanical on the basis of the existing institutions, inventions, innovations of new institutions. Through the study of the principles and methods of institutional trajectory comprehensive institutions, with a mechanism to generate methods to achieve institutional trajectory optimization design, upland transplanting of vegetable transplanter transplanting mechanism been studied on a computer to achieve the purpose of innovation.

mechanism path；creative design; application

2014-04-21；修改日期: 2015-01-16

黑龍江省高等學(xué)校教改工程基金資助項(xiàng)目(JG2014010917)；黑龍江省高等教育教學(xué)改革基金資助項(xiàng)目；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)教研基金資助項(xiàng)目(KXJ08083)；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生教改基金資助項(xiàng)目(JGXM_BYND_201304)。

萬 霖(1971-),女，博士, 教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

TH

Bdoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.006