自動頂-夾式蔬菜穴盤苗取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王東洋，金　鑫，姬江濤，賀智濤，顏　華

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽　471003；2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 　100083)

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自動頂-夾式蔬菜穴盤苗取苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王東洋1，金鑫1，姬江濤1，賀智濤1，顏華2

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽471003；2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083)

摘要：為了提高蔬菜穴盤苗移栽機(jī)的作業(yè)效率，設(shè)計(jì)了一種缽苗體底部先頂出后夾取式自動取苗裝置。根據(jù)該裝置工作特點(diǎn)及取苗農(nóng)藝要求，對其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，并建立了運(yùn)動學(xué)模型。以理論模型為基礎(chǔ)，采用Visual Studio 軟件開發(fā)了取苗裝置動作時序分析程序，完成了參數(shù)優(yōu)化。室內(nèi)試驗(yàn)表明：針對3種不同基質(zhì)含水率的番茄穴盤苗，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)140株/min的取苗速度，成功率超過95%；基質(zhì)含水率在32.79%時，取苗成功率較高。

關(guān)鍵詞：蔬菜；穴盤苗；自動頂夾式；取苗裝置

0引言

穴盤自動取苗技術(shù)是蔬菜穴盤苗全自動移栽技術(shù)中的核心部分，取苗質(zhì)量的好壞直接影響到缽苗移栽的成功率[1-5]。國外自動取苗技術(shù)發(fā)展早，技術(shù)較為成熟，得到了廣泛的推廣；但其取苗機(jī)構(gòu)多采用電控裝置，輔助機(jī)構(gòu)多，機(jī)具體積龐大，動力匹配要求高，使用成本高[6]。國內(nèi)對自動取苗技術(shù)研究起步較晚，近幾年，國內(nèi)學(xué)者對自動取苗機(jī)構(gòu)做了大量研究；但多偏重于插-取式取苗機(jī)構(gòu)的研究，設(shè)計(jì)出的取苗機(jī)構(gòu)取苗速度和成功率較低[7-15]。針對以上問題，本文提出一種從缽苗底部先頂出后夾取式全自動穴盤苗取苗裝置，對關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析和優(yōu)化，并對樣機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

1總體結(jié)構(gòu)和工作原理

全自動穴盤苗移栽裝置由苗盤輸送機(jī)構(gòu)、縱移機(jī)構(gòu)、頂苗機(jī)構(gòu)、機(jī)架、橫移機(jī)構(gòu)、導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)構(gòu)和壓苗板8部分組成，如圖1所示。

機(jī)構(gòu)工作原理圖如圖2所示。機(jī)器工作時，移栽機(jī)地輪為各裝置提供動力，人工將穴盤苗放在輸送結(jié)構(gòu)上；穴盤苗在縱向輸送機(jī)構(gòu)的作用下做步進(jìn)運(yùn)動，運(yùn)動到頂桿位置時，苗盤停止，頂桿機(jī)構(gòu)將缽苗頂出一定距離；頂桿將苗頂出后，取苗裝置夾住基質(zhì)苗，然后擺動到導(dǎo)苗管上方，對準(zhǔn)導(dǎo)苗管后，基質(zhì)苗落入導(dǎo)苗管中，栽植器完成栽植。

1.苗盤輸送機(jī)構(gòu)　2.縱移機(jī)構(gòu)　3.頂苗機(jī)構(gòu)　4.機(jī)架

1.苗盤輸送動作　2.頂出動作　3.苗爪翻轉(zhuǎn)動作　4.放苗動作

2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與參數(shù)的確定

輸送、取苗和頂苗是取苗裝置的核心部件，在作業(yè)的過程中，三者的運(yùn)動參數(shù)和運(yùn)動關(guān)系影響取苗的成功率。

2.1　橫移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

橫移機(jī)構(gòu)的主要作用是將缽苗從穴盤中頂出。由于缽苗間隙小，頂桿需要穿過穴盤底部的穴孔將苗頂出，所以使用單排兩次頂出，即1次頂出1排苗的1/2，然后苗盤橫移1次，在頂出其余的基質(zhì)苗。因此，橫移動作要求在頂苗時苗盤靜止不動，在頂苗間隙完成橫移動作。其工作原理簡圖如圖3所示。

圖 3　頂苗機(jī)構(gòu)簡圖

2.2　縱移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

穴盤縱向步進(jìn)動作需要滿足如下要求：頂苗時，苗盤靜止不動，頂完1排，苗盤縱向移動1個穴距的距離，并保持動作穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確；其動作為間歇步進(jìn)動作。

2.3　頂苗機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)在完成頂苗動作時，要求用成排的頂桿將基質(zhì)苗從穴盤中頂出，在頂桿沒有進(jìn)入穴盤時，有一定時間是進(jìn)行穴盤的步進(jìn)縱向輸送，即苗盤的縱向步進(jìn)輸送動作與頂苗動作不能產(chǎn)生干涉。頂苗裝置機(jī)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4　頂苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖4中，A、B點(diǎn)的位移方程為

(1)

(2)

式中a—曲柄OA的長度(mm)；

b—連桿AB的長度(mm)。

α1=ω1t

asinα1=bsinα2+e

(3)

式中ω1—曲柄的角速度(rad/s)；

e—偏心距(mm)。

B點(diǎn)質(zhì)心運(yùn)動方程為

(4)

B點(diǎn)的速度方程為

(5)

B點(diǎn)的加速度方程為

(6)

曲柄滑塊頂苗機(jī)構(gòu)作為一種單移動副的四桿機(jī)構(gòu)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于運(yùn)動副之間的間隙和構(gòu)件制造的誤差等因素，裝配后會使從動件產(chǎn)生一定的輸出誤差；而頂苗機(jī)構(gòu)需要頂桿從苗盤底部的排水孔穿出，排水孔的直徑略大于頂桿直徑，頂桿如果和孔壁發(fā)生干涉將會影響整機(jī)的正常工作，所以需要曲柄滑塊頂苗機(jī)構(gòu)到達(dá)一定的精度。通過概率計(jì)算構(gòu)件制造尺度的隨機(jī)變化，保證頂苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動精度在排水孔允許的范圍之內(nèi)。利用數(shù)學(xué)軟件MatLab進(jìn)行編制計(jì)算，得出頂苗機(jī)構(gòu)曲柄長度a、b和允許最大偏差Δa、Δb。

2.4　夾取苗機(jī)構(gòu)

基質(zhì)苗從苗盤中頂出后，要經(jīng)由夾取苗機(jī)構(gòu)將基質(zhì)苗夾入到導(dǎo)苗裝置中，夾取苗機(jī)構(gòu)要完成苗爪的翻轉(zhuǎn)和開合兩個動作，如圖5所示。苗爪在夾持基質(zhì)苗時應(yīng)保證苗爪在開啟時不能對缽苗照成傷害，待缽苗翻轉(zhuǎn)時，應(yīng)保持夾緊穩(wěn)定，翻轉(zhuǎn)沖擊小，不至將苗甩脫。其機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖5所示。

1.頂桿　2.苗盤　3.基質(zhì)苗　4.苗爪　5.苗爪開合凸輪　6.回位彈簧

2.5　時序分析

移栽機(jī)工作時，動力由地輪提供，傳動到各個機(jī)構(gòu)，一個動力源可以保持送苗、頂苗、取苗等機(jī)構(gòu)的同步動作。為了保證在取苗過程中，頂桿與穴盤之間不會產(chǎn)生運(yùn)動干涉，必須滿足下列條件

(7)

設(shè)xBmax為xB的最大值，m為頂苗點(diǎn)位置，那么頂苗動作時的頂苗位移為xBmax-xB，建立方程為

(8)

其中，0≤α≤2π。根據(jù)曲柄滑塊的軌跡方程可知方程將會有兩個解α1和α2，那么2π-|α2-α1|為頂苗機(jī)構(gòu)到達(dá)頂苗點(diǎn)之后所對應(yīng)的相位角。

為使頂苗機(jī)構(gòu)與苗盤輸送機(jī)構(gòu)不產(chǎn)生干涉，需要滿足的條件為

(9)

其中，β1為苗盤縱移的運(yùn)動相位角；β2為苗盤橫移機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)休或近休相位角。

根據(jù)頂苗優(yōu)化結(jié)果和時序條件，得到方程組為

(10)

根據(jù)所建立的方程，應(yīng)用Microsoft Visual Studio編寫可視化蔬菜穴盤苗自動取苗裝置時序分析程序，通過人機(jī)對話，改變各個機(jī)構(gòu)的參數(shù)；圖形區(qū)將會實(shí)時生成頂苗、橫移、縱移、苗爪翻轉(zhuǎn)和苗爪開合的位移曲線圖，進(jìn)行時序分析，如圖6所示。

通過對程序中的可視化圖形進(jìn)行分析，得出各機(jī)構(gòu)的參數(shù)，苗盤橫移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動周期最長，以其開始轉(zhuǎn)動的初始相位角為原點(diǎn)，確定各機(jī)構(gòu)的最佳參數(shù)。最佳參數(shù)為：橫移機(jī)構(gòu)的位移為h1=36.5mm，縱移機(jī)構(gòu)的初始相位角φz=185°，頂苗機(jī)構(gòu)的初始相位角φd=108°，曲柄長度a=78mm，連桿長度b=112mm，偏心距e=20mm，苗爪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的初始相位角φf=15°，苗爪開合機(jī)構(gòu)的初始相位角φk=135°。

圖 6　時序分析界面圖

3試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備：蔬菜穴盤苗自動取苗裝置樣機(jī)(動力源為變頻調(diào)速電機(jī)，可通過變頻器實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，速度變化范圍6~240rad/min)，i2000型電子天平，臺秤，DZG-6020型真空烘箱，封口塑料袋，游標(biāo)卡尺(量程200mm，精度0.02mm)，秒表。

試驗(yàn)對象為番茄穴盤苗，品種為以色列1918，苗齡50天(因?yàn)橛缛掌?月，北方氣溫較低，育苗期較長)。育苗基質(zhì)主要成分為泥炭70%、珍珠巖15%、蛭石15%。育苗質(zhì)量較好，出苗率達(dá)到100%，且基質(zhì)塊緊實(shí)，盤根情況較好，達(dá)到了試驗(yàn)用苗要求。

3.2　試驗(yàn)指標(biāo)和方法

選取取苗成功率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行樣機(jī)性能試驗(yàn)，如圖7所示。

圖 7　穴盤苗自動取苗裝置性能試驗(yàn)

具體試驗(yàn)方法：取9盤苗(出苗率均為100%)，在試驗(yàn)前1天晚間將所有基質(zhì)苗澆水至飽和(從排水孔底部滲水)；試驗(yàn)當(dāng)天每隔4h做一組含水率的試驗(yàn)，每個含水率進(jìn)行3組試驗(yàn)；變頻器的頻率分別為2.5、3.5、4.5Hz，對應(yīng)的取苗速度約為80株、110、140株/min(取苗速度大于140株/min時，機(jī)構(gòu)抖動比較厲害)。

取苗成功率的計(jì)算公式為

式中W—取苗成功個數(shù)；

W0—穴盤中基質(zhì)苗總個數(shù)；

W1—頂苗階段未頂出的苗數(shù)；

W2—夾取苗階段未成功夾取到位的苗數(shù)。

定義在取苗結(jié)束后基質(zhì)塊仍然殘留在苗盤中的基質(zhì)苗個數(shù)為頂苗階段未頂出的苗W1；機(jī)械手未能夾取到或者在落苗動作前基質(zhì)苗就從苗爪中脫落的基質(zhì)苗數(shù)為夾取苗階段未成功夾取到位的苗數(shù)W2。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表 1　取苗成功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表1可知：針對3種不同含水率的基質(zhì)苗試驗(yàn)，該取苗機(jī)構(gòu)最高取苗速度可達(dá)140株/min，在80～140株/min的取苗速度范圍內(nèi)，取苗成功率均超過95%。

從圖8中可以看出：基質(zhì)含水率在32.79%時，取苗成功率最高；在80～140株/min的取苗速度范圍內(nèi)，取苗成功率隨速度的增加而降低；取苗速度為140株/min時，取苗成功率最低，最低為95.31%。

這是由于頂苗機(jī)構(gòu)是從苗穴底部把苗缽頂出：含水率較低時，苗缽基質(zhì)體內(nèi)基質(zhì)之間的黏結(jié)力較小，在頂出時，受頂出力和夾取力的作用，苗缽容易松散，不能正常夾取缽苗，取苗成功率低；含水率較高時，基質(zhì)變形量大、黏性大，在頂出時，由于變形和基質(zhì)與穴盤壁的黏結(jié)力的作用使缽苗不能完全頂出穴盤，頂出結(jié)束后，一部分缽體仍留在穴盤中，取苗機(jī)構(gòu)在取苗后，基質(zhì)塊底部在隨取苗機(jī)械手翻轉(zhuǎn)時與穴盤剮蹭，使基質(zhì)損失嚴(yán)重，導(dǎo)致取苗成功率低。速度較高時，取苗裝置抖動比較嚴(yán)重，頂苗機(jī)構(gòu)頂桿與穴盤底部孔的配合間隙較小，裝置抖動嚴(yán)重時，會出現(xiàn)頂桿卡滯，頂苗成功率低；并且機(jī)架抖動嚴(yán)重時，取苗機(jī)械手在取苗時會抖動嚴(yán)重，取苗位置誤差變大，導(dǎo)致取苗成功率低。

圖 8　含水率對取苗速度規(guī)律影響圖

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種從缽苗體底部先頂出后夾取頂-夾式自動取苗裝置，由輸送機(jī)構(gòu)、縱移機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、頂出機(jī)構(gòu)和取苗機(jī)構(gòu)組成。樣機(jī)性能試驗(yàn)表明：該裝置能達(dá)到高速、高取苗成功率的取苗效果。

2)選取含水率分別為20.45%、32.79%和43.09%的番茄缽苗基質(zhì)進(jìn)行樣機(jī)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：對于3種不同含水率的缽苗基質(zhì)，取苗裝置最高取苗速度可達(dá)140株/min，在取苗速度范圍內(nèi)，取苗成功率均超過95%；分析了基質(zhì)含水率對取苗成功率的影響，缽苗基質(zhì)含水率在32.79%時，取苗成功率較高。

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Design and Experiment of Fully Automatic Ejection and Picking-up Seedlings Mechanism of Transplanter

Wang Dongyang1, Jin Xin1, Ji Jiangtao1, He Zhitao1, Yan Hua2

(1.College of Agricultural Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003, China;2.Modern Agricultural Science and Technology Co. LTD.,Beijing 100083, China)

Abstract：In order to improve the efficiency of hole tray seedling transplanter, an ejection-first from the bottom of the matrix and picking-up later mechanism was designed.The key components were analyzed and designed and the kinematic models of the key components were built based on operating feature and agriculture requests. According to the kinematic models and working sequence of the mechanism, a computer-aided operation process analysis system was developed by using the Visual Studio software and the key parameters were optimization designed by this system. Experiment was done on with three different moisture content seedlings. The results showed that the picking-up velocity of this mechanism can reach 140 plants per minute with three different moisture content matrix of tomato seedling,and the success rates of picking-up were above 95%, success rate of picking-up was relatively high when the moisture content was 32.79%.

Key words：vegetables; hole tray seeding; automatic ejection; picking-up mechanism

中圖分類號：S223.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0064-05

作者簡介：王東洋(1990-)，男，河南周口人，碩士，(E-mail) hkd_wdy@163.com。通訊作者：金鑫(1986-)，男，河南信陽人，講師，博士，(E-mail) jx.771@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505130)；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(122102210564)；河南教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(13A460234)

收稿日期：2015-09-19