PMS | 甘蔗种植机播种机构的逆向设计与分层结构精确优化

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刘姣娣1，陈庆立1，许洪振1*，华勇1，吴晓曼1

（1.广西高校先进制造与自动化技术重点实验室（桂林理工大学），桂林541006，广西，中国；

2.桂林理工大学机械与控制工程学院，桂林541004，广西，中国）

摘要：现有甘蔗种植机播种机构难以同时具备理想的蔗种播种运动轨迹与姿态，且在关键阶段速度难以满足要求导致稳定性差，最终无法确保蔗种按照农艺要求使蔗芽朝向种沟沟壁进行定姿态播种。

该研究针对二阶非圆齿轮行星轮系摆杆式播种机构，创新性地采用逆向设计与分层精确优化相结合的方法，解决目前甘蔗播种过程中尚且存在的姿态、速度、轨迹不满足定姿态播种要求的问题。

将二阶非圆齿轮行星轮系简化为三杆二自由度机构，通过主动预规划蔗种播种静轨迹，分析杆组件运动规律，逆向求解各非圆齿轮向径。以确定不同运动阶段蔗种位姿转角范围为第一层优化目标，微调静轨迹关键型值点位置以实现第一层优化。

以优化得到的非圆齿轮节曲线为基础，在二阶非圆齿轮行星轮系的各非圆齿轮节曲线上标记插值点，基于人机交互的参数优化方法，微调非圆齿轮节曲线插值点对应的向径值调节其节曲线，以满足甘蔗播种各阶段不同运动状态下的速度要求，同时使非圆齿轮的凸性符合齿轮啮合原则，完成第二层精确优化。

仿真验证结果表明，虚拟样机的运动轨迹姿态与理论模型基本一致，验证了机构设计的可行性。该研究为甘蔗种植机中播种机构实现定向播种提供了一种新的优化设计方法。

关键词：甘蔗种植；播种机构；逆向设计；分层结构优化

DOI：10.25165/

引用信息：LiuJD,ChenQL,XuHZ,HuaY,,2023;16(6):107–115.

JiaodiLiu1,QingliChen1,HongzhenXu1,2*,YongHua2,XiaomanWu1,2

(1.KeyLaboratoryofAdvancedManufacturingandAutomationTechnology(GuilinUniversityofTechnology),EducationDepartmentofGuangxiZhuangAutonomousRegion,Guilin541006,Guangxi,China;

2.CollegeofMechanicalandControlEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,Guangxi,China)

Abstract：Existingsugarcaneplantersaredifficulttohaveidealseedingtrajectoryandmotionattitudeatthesametime,andthespeedisdifficulttomeettherequirementsatthecriticalstage,resultinginpoorstability,whichultimatelymakesitimpossibletoensurethatthesugarcaneseedingiscarriedoutinaccordancewiththeagronomicrequirementstoeedingmechanismoftheplanter,thepaperinnovativelyadoptsthecombinationofinversedesignandmulti-objectivelayeredaccurateoptimizationtosolvetheproblemsofattitude,speedandtrajectorythatdonotmeettherequirementsoffixthree-rodtwo-degree-of-freedommechanism,andtheradiusofthepitchcurveofeachnon-circulargearissolvedinverselybyactivelypreplanningthestatictrajectosesasthefirstlayeroptimizationobjective,andfine-tuningthepositionofstati,theinterpolationpointsaremarkedoneachnon-circulargearpitchcurveofthesecond-ordernon-circularplanetarygearsystem,andbasedontheparameteroptimizationmethodofhuman-computerinteraction,theradiusvaluescorrespondingtotheinterpolationpointsofthenon-circulargearpitchcurvearefine-tunedtooptimizethepitchcurves,soastosatisfythespeedrequirementsofthecanespeciesineachstage,andatthesametimetomaketheconvexityofnon-circulargearsinlinewiththeprincipleofgearmesh,titudeofthevirtualprototypeisbasicallyconsistentwiththetheoreticalmodel,anismofsugarcaneplanterstoachievedirectionalseeding.

Keywords:sugarcaneplanting,seedingmechanism,inversedesign,layeredstructureoptimization

DOI:10.25165/

Citation:LiuJD,ChenQL,XuHZ,HuaY,,2023;16(6):107–115.