孫淼　趙鳳芹

摘要：針對寬窄行分插機構(gòu)建立尺寸優(yōu)化模型；基于寬窄行分插機構(gòu)的運動軌跡，反求分插機構(gòu)的重要尺寸參數(shù)；解決約束條件多且復(fù)雜的問題，應(yīng)用MATLAB中Fmincon函數(shù)對其求解；并將優(yōu)化設(shè)計生成可視化設(shè)計系統(tǒng)，便于該方法的有效推廣，提高設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞：分插機構(gòu)；插秧機；優(yōu)化設(shè)計；可視化界面

中圖分類號：S223.91+2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）04-0040-03

分插機構(gòu)是插秧機的核心工作部件，其性能的優(yōu)劣直接影響插秧質(zhì)量。交錯軸斜齒行星輪系分插機構(gòu)為水稻寬窄行種植的一種核心機構(gòu)，其工作軌跡為復(fù)雜的空間海豚型軌跡，但是其優(yōu)化方法尚不明確。為了優(yōu)化寬窄行分插機構(gòu)的尺寸，本文提出基于寬窄行分插機構(gòu)的運動軌跡，建立分插機構(gòu)的尺寸優(yōu)化模型。

1 分插機構(gòu)尺寸優(yōu)化模型

1.1 設(shè)計參數(shù)

分插機構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計變量為：偏心距e、偏心齒輪半徑R、中心距a、偏心齒輪螺旋角β、初始安裝角φ0、行星架拐角δ0、栽植臂初始安裝角α0和分插機構(gòu)栽植臂S。模型的設(shè)計參數(shù)表述為：X=（e，R，a，α0，φ0，δ0，S，β）。

1.2 目標函數(shù)

水稻寬窄行栽培技術(shù)是指水稻秧苗在單位總行數(shù)不變、穴距適當增加、穴數(shù)適當減少的條件下，把原來單一等距的行距變成寬窄相間、合理搭配的栽培方式，即寬行距40 cm、窄行距20 cm，如圖1所示。

傳統(tǒng)水稻插秧的行距為30 cm，為了達到水稻寬窄行種植的目的，設(shè)水稻插秧機作業(yè)時在縱方向偏移量△S=50 mm，并確定縱方向偏移量為優(yōu)化目標。同時，栽植臂需要完成摘取秧苗和推送秧苗的過程，其絕對運動時插秧穴口的寬度也影響著秧苗的直立性，因而插秧軌跡的高度差△y、插秧穴口寬度△x同樣為優(yōu)化目標。

1.3 約束條件

1.3.1 取秧點 水稻插秧機在取秧時栽植臂的秧針與水平面的夾角應(yīng)該在-5～25°之間，栽植臂到達取秧點時如圖2所示。

通過插秧軌跡的高度差來最大限度地限制插秧軌跡的高度差，設(shè)定上、下限的范圍為偏差±10 mm內(nèi)。

1.3.6 其他約束條件 其他線性約束A，b由Rbmin-Rb≤0及給定的e，R，a界限確定。

1.4 優(yōu)化計算的實現(xiàn)

將上述約束條件中的非線性約束條件存于fxxystj.m中，利用MATLAB的MAX及MIN函數(shù)完成各參數(shù)極值的尋找。給定初始值x0=[R e a φ0 δ0 α0 S β]，調(diào)用目標函數(shù)及非線性約束條件語句為：[x，f]=fmincon （'myfunction'，x0，A，b，[]，[]，[]，[]，'fxxystj'），將上述程序存于yhjieguo.m文件中，以方便后續(xù)回調(diào)函數(shù)中文件的調(diào)用。

2 參數(shù)化設(shè)計界面

2.1 界面設(shè)計

利用MATLAB中可視化設(shè)計工具GUI完成系統(tǒng)編輯，實現(xiàn)分插機構(gòu)尺寸優(yōu)化的可視化設(shè)計。尺寸優(yōu)化界面如圖4所示。

運算需輸入已知參數(shù)值，求得在滿足條件范圍的偏心齒輪半徑等值。運算結(jié)束后，輸出各參變量的值，顯示水稻插秧機分插機構(gòu)尺寸的最優(yōu)解。最優(yōu)化程序編輯完成并存于M文件中，實現(xiàn)優(yōu)化需調(diào)用yhjieguo.m文件。偏心非圓齒齒輪的優(yōu)化結(jié)果界面如圖5所示。

2.2 程序設(shè)計

首先將運動規(guī)律輸入到MATLAB中，非線性約束條件fxxystj.m文件中通過f=str2num （get（handles.edit1，'String'））函數(shù)獲得運動參數(shù)值，通過set（handles.edit11，'string'，num2str（alpha））函數(shù)來顯示優(yōu)化結(jié)果。

3 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)約束條件的描述，給定R，e，a，φ0，δ0，S，β的界限：18 mm≤R≤2 mm，3 mm≤e≤5 mm，36 mm≤a≤42 mm，4°≤φ0≤12°，70°≤δ0≤90°，-90°≤α0≤

-100°，170 mm≤S≤180 mm，8°≤β≤20°。確定優(yōu)化變量初值：x0=[e R a φ0 δ0 α0 S β]=[4 19 38 5 80 -95 180 15]，根據(jù)選定的Fmincon函數(shù)進行運算，選定高度差為250 mm，絕對運動中插秧穴口寬度為23 mm，秧針在縱方向的位移偏移量為50 mm。優(yōu)化結(jié)果與原數(shù)據(jù)見表1。

優(yōu)化后分插機構(gòu)的縱向運動范圍△S=50 mm，通過數(shù)據(jù)對比可知，優(yōu)化效果明顯，實現(xiàn)了優(yōu)化目的。應(yīng)用MATLAB工具進行優(yōu)化求解，具有簡單易行、便于設(shè)計師使用的特點，可將設(shè)計師從繁重、重復(fù)的設(shè)計、計算中解放出來，從而提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率。

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Abstract： In the article， it built the model of dimension optimization according to wide and narrow row separating planting mechanism； based on the motion path of wide and narrow row separating planting mechanism， reversed to seek the important dimension parameters of separating planting mechanism； the constraint conditions are a lot and complex， for solving it， it used Fmincon function of MATLAB to solve； and upgraded the optimization design to visual design system， it is easy to effectively extend for the method， and raised the design efficiency.

Key words： separating planting mechanism； transplanter； optimization design； visual interface