孙淼　赵凤芹

摘要：针对宽窄行分插机构建立尺寸优化模型；基于宽窄行分插机构的运动轨迹，反求分插机构的重要尺寸参数；解决约束条件多且复杂的问题，应用MATLAB中Fmincon函数对其求解；并将优化设计生成可视化设计系统，便于该方法的有效推广，提高设计效率。

关键词：分插机构；插秧机；优化设计；可视化界面

中图分类号：S223.91+2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）04-0040-03

分插机构是插秧机的核心工作部件，其性能的优劣直接影响插秧质量。交错轴斜齿行星轮系分插机构为水稻宽窄行种植的一种核心机构，其工作轨迹为复杂的空间海豚型轨迹，但是其优化方法尚不明确。为了优化宽窄行分插机构的尺寸，本文提出基于宽窄行分插机构的运动轨迹，建立分插机构的尺寸优化模型。

1 分插机构尺寸优化模型

1.1 设计参数

分插机构尺寸优化设计变量为：偏心距e、偏心齿轮半径R、中心距a、偏心齿轮螺旋角β、初始安装角φ0、行星架拐角δ0、栽植臂初始安装角α0和分插机构栽植臂S。模型的设计参数表述为：X=（e，R，a，α0，φ0，δ0，S，β）。

1.2 目标函数

水稻宽窄行栽培技术是指水稻秧苗在单位总行数不变、穴距适当增加、穴数适当减少的条件下，把原来单一等距的行距变成宽窄相间、合理搭配的栽培方式，即宽行距40 cm、窄行距20 cm，如图1所示。

传统水稻插秧的行距为30 cm，为了达到水稻宽窄行种植的目的，设水稻插秧机作业时在纵方向偏移量△S=50 mm，并确定纵方向偏移量为优化目标。同时，栽植臂需要完成摘取秧苗和推送秧苗的过程，其绝对运动时插秧穴口的宽度也影响着秧苗的直立性，因而插秧轨迹的高度差△y、插秧穴口宽度△x同样为优化目标。

1.3 约束条件

1.3.1 取秧点 水稻插秧机在取秧时栽植臂的秧针与水平面的夹角应该在-5～25°之间，栽植臂到达取秧点时如图2所示。

通过插秧轨迹的高度差来最大限度地限制插秧轨迹的高度差，设定上、下限的范围为偏差±10 mm内。

1.3.6 其他约束条件 其他线性约束A，b由Rbmin-Rb≤0及给定的e，R，a界限确定。

1.4 优化计算的实现

将上述约束条件中的非线性约束条件存于fxxystj.m中，利用MATLAB的MAX及MIN函数完成各参数极值的寻找。给定初始值x0=[R e a φ0 δ0 α0 S β]，调用目标函数及非线性约束条件语句为：[x，f]=fmincon （'myfunction'，x0，A，b，[]，[]，[]，[]，'fxxystj'），将上述程序存于yhjieguo.m文件中，以方便后续回调函数中文件的调用。

2 参数化设计界面

2.1 界面设计

利用MATLAB中可视化设计工具GUI完成系统编辑，实现分插机构尺寸优化的可视化设计。尺寸优化界面如图4所示。

运算需输入已知参数值，求得在满足条件范围的偏心齿轮半径等值。运算结束后，输出各参变量的值，显示水稻插秧机分插机构尺寸的最优解。最优化程序编辑完成并存于M文件中，实现优化需调用yhjieguo.m文件。偏心非圆齿齿轮的优化结果界面如图5所示。

2.2 程序设计

首先将运动规律输入到MATLAB中，非线性约束条件fxxystj.m文件中通过f=str2num （get（handles.edit1，'String'））函数获得运动参数值，通过set（handles.edit11，'string'，num2str（alpha））函数来显示优化结果。

3 优化结果

根据约束条件的描述，给定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°。确定优化变量初值：x0=[e R a φ0 δ0 α0 S β]=[4 19 38 5 80 -95 180 15]，根据选定的Fmincon函数进行运算，选定高度差为250 mm，绝对运动中插秧穴口宽度为23 mm，秧针在纵方向的位移偏移量为50 mm。优化结果与原数据见表1。

优化后分插机构的纵向运动范围△S=50 mm，通过数据对比可知，优化效果明显，实现了优化目的。应用MATLAB工具进行优化求解，具有简单易行、便于设计师使用的特点，可将设计师从繁重、重复的设计、计算中解放出来，从而提高了产品的设计效率。

参考文献

[1] 吕美巧.我国水稻种植机械化概况及发展方向[J].湖南农机，2010（3）：3-4.

[2] 原思聪.MATLAB语言及机械工程应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 俞高红.旋转式分插机构运动学多目标非劣解群自动寻求[J].农业机械学报，2009（6）：47-51.

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