穴盤苗自動移栽機(jī)苗盤輸送裝置的設(shè)計研究

劉凱強(qiáng)，曹衛(wèi)彬，連國黨，李　華，趙宏政

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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穴盤苗自動移栽機(jī)苗盤輸送裝置的設(shè)計研究

劉凱強(qiáng)，曹衛(wèi)彬，連國黨，李華，趙宏政

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：針對國內(nèi)大田移栽中多數(shù)采用半自動移栽，主要由人工完成投苗工作及機(jī)械完成栽植工作，存在勞動強(qiáng)度大、效率低、移栽質(zhì)量差等問題，對自動移栽機(jī)的苗盤輸送裝置進(jìn)行了設(shè)計與研究。同時，設(shè)計了橫向和縱向進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)，確定了關(guān)鍵部件應(yīng)該滿足的技術(shù)參數(shù)，并進(jìn)行了三維實(shí)體建模分析，驗(yàn)證設(shè)計的合理性。結(jié)果表明，該裝置可滿足移栽機(jī)苗盤自動輸送的要求。

關(guān)鍵詞：自動移栽機(jī)；苗盤輸送裝置；取苗機(jī)構(gòu)

0引言

穴盤苗移栽是近年才逐漸興起的種植新技術(shù)，具有縮短生育期、提早成熟及提高經(jīng)濟(jì)作物單產(chǎn)等特點(diǎn)，推廣前景廣闊。目前，國內(nèi)廣泛使用的旱地移栽機(jī)主要有5種形式：鉗夾式、鏈夾式、導(dǎo)苗管式、撓性圓盤式和吊杯式[1-2]。這些都是半自動化移栽機(jī)，需要人工投苗，栽植由機(jī)械來完成。人工投苗勞動強(qiáng)度大、效率低、移栽質(zhì)量差，嚴(yán)重制約穴盤苗移栽技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。一些國家已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)全自動化移栽作業(yè)，移栽效率較高，節(jié)省勞動力；但部分移栽機(jī)存在著價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需對用戶進(jìn)行長時間的技術(shù)培訓(xùn)等問題。

根據(jù)查閱國內(nèi)外研制的自動化移栽機(jī)的相關(guān)文獻(xiàn)和資料顯示：現(xiàn)有的多種取苗機(jī)構(gòu)[3-7]大多已經(jīng)投入實(shí)際使用中。其中，效果較好的是夾取式取苗機(jī)構(gòu)；但是要實(shí)現(xiàn)移栽秧苗全程自動化，在自動取苗過程中，必須要有苗盤輸送裝置，在縱向和橫向?qū)崿F(xiàn)苗盤自動輸送，以便很好地與取苗機(jī)構(gòu)配合完成秧苗的自動輸送過程。因此，苗盤輸送裝置的是自動移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，對實(shí)現(xiàn)穴盤苗自動移栽具有很大的意義。

1苗盤輸送裝置設(shè)計要求分析

穴盤苗自動移栽機(jī)苗盤輸送裝置的作用是將缽苗分別沿著縱向和橫向精準(zhǔn)、適時地送到取苗機(jī)構(gòu)的取苗位置。在本研究中，選擇的穴苗盤規(guī)格為橫向8穴、縱向16穴，穴口大小為30mm×30 mm，穴深42 mm，橫向穴孔間中心距32 mm，縱向穴孔間中心距32mm。苗盤示意圖如圖1所示。

圖1　穴苗盤

取苗機(jī)構(gòu)選擇一種曲柄旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)用兩根夾針插入穴孔夾取基質(zhì)進(jìn)行取苗，每旋轉(zhuǎn)1周完成1次取苗。具體的結(jié)構(gòu)簡圖及取苗針尖點(diǎn)的軌跡如圖2所示。

1.連桿　2.曲柄　3.滑塊　4、5.小行星齒輪

在確定苗盤輸送裝置總體設(shè)計方案時，固定取苗機(jī)構(gòu)的位置，苗盤橫向輸送機(jī)構(gòu)帶動苗盤橫向做往復(fù)間歇運(yùn)動，縱向輸送機(jī)構(gòu)帶動苗盤做縱向運(yùn)動，通過橫向和縱向二者運(yùn)動的結(jié)合完成苗盤的自動輸送功能，穴苗盤以8穴為橫向、16穴為縱向的樣式放置。通過以上分析，可以得出苗盤輸送裝置的設(shè)計要求主要如下：①苗盤橫向做直線往復(fù)運(yùn)動，以32 mm為間隔做間歇運(yùn)動，取苗針旋轉(zhuǎn)1周，苗盤橫向完成1次移動，到達(dá)取苗位置時停止運(yùn)動。這樣就可以達(dá)到取苗針進(jìn)入穴孔進(jìn)行取苗，確保不能發(fā)生干涉；靜止時間以取苗爪深入穴孔抓取缽苗的時間為依據(jù)。②待橫向1排8個穴的缽苗全部取完之后，穴苗盤縱向做間歇進(jìn)給運(yùn)動，等縱向進(jìn)給1次之后，橫向運(yùn)動轉(zhuǎn)換方向。③將苗盤橫向的8個穴孔與取苗機(jī)構(gòu)配合取苗的位置分別標(biāo)記為N=1、2、3、4、5、6、7、8。由此可以得出苗盤輸送裝置與取苗機(jī)構(gòu)的配合流程，如圖3所示。

圖3　苗盤輸送與取苗機(jī)構(gòu)配合的流程圖

2苗盤輸送裝置的總體結(jié)構(gòu)及其原理

穴盤苗自動移栽機(jī)苗盤輸送裝置主要由動力傳動裝置、橫向進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)、縱向進(jìn)給控制機(jī)構(gòu)、穴苗盤架及機(jī)架5部分組成，具體構(gòu)造如圖4所示。

1.機(jī)架　2.穴盤回收支架　3.穴盤箱　4.鏈輪

穴苗盤架主要由苗盤支架、苗盤板及一些附屬部件組成。穴盤苗架前后安裝4個滾動軸承，通過4個滾動軸承在滑軌上進(jìn)行橫向往復(fù)式移動；動力源由電機(jī)來驅(qū)動，通過皮帶將動力輸送到苗盤輸送裝置變速箱，再經(jīng)變速箱里面齒輪之間的相互配合達(dá)到苗盤的輸送。縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要由槽輪及鏈輪組成，槽輪與鏈輪同軸，鏈輪通過鏈條帶動苗盤完成縱向間歇移動。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要是通過雙螺旋絲杠完成苗盤的水平往復(fù)式移動，利用動力輸入軸旋轉(zhuǎn)帶動圓柱凸輪粘合與分開來完成橫向間歇停頓，與取苗機(jī)構(gòu)從取苗到投苗的時間上達(dá)到匹配；進(jìn)而通過縱向和橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的相互協(xié)調(diào)完成苗盤在橫向上往復(fù)式移動，縱向上間歇式移動，與取苗機(jī)構(gòu)完成匹配，達(dá)到自動化送苗的過程。

3關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究

3.1苗盤輸送裝置橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究

取苗機(jī)構(gòu)的取苗過程是一個往復(fù)式勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以苗盤的輸送需要橫向和縱向間歇移動。因此，將橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)確定為雙螺旋機(jī)構(gòu)，而雙螺旋機(jī)構(gòu)能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，然后通過間歇機(jī)構(gòu)控制雙螺旋機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)完成苗盤橫向周期性移動。假設(shè)圓柱凸輪間歇機(jī)構(gòu)的周期T(其中，粘合接觸時間為T1，分開時間為T2)，雙螺旋軸在時間T內(nèi)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)為k(k>1)，雙螺旋軸螺距為X(mm), 外徑為D(mm)，滑塊從螺旋軸的一端旋轉(zhuǎn)到另 外一端螺旋軸旋轉(zhuǎn)n(n為整數(shù))圈，k×X為苗盤在時間T內(nèi)的橫向位移量，取苗機(jī)構(gòu)取完1排缽苗之后苗盤進(jìn)行換向，在此過程中苗盤橫向停頓8次。假設(shè)從A→B→C→D→E→F為苗盤橫向換向移動階段，其運(yùn)動時間應(yīng)等于T1。

圖5　雙螺旋軸結(jié)構(gòu)圖

對以上雙螺旋結(jié)構(gòu)圖及其苗盤輸送裝置應(yīng)滿足的要求分析，可以得出參數(shù)方程為

(1)

通過式(1)可以看出：k和X沒有確定值，但是k> 1，所以n的取值最小為9。則有

n= 9 ，得k= 1.125，X=28.4；

n= 10，得k= 1.25，X=25.6；

n= 11，得k=1.375，X=23.3；

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由以上分析可以看出：當(dāng)n= 9時，取苗機(jī)構(gòu)夾針插入穴孔進(jìn)行取苗，此時螺旋軸旋轉(zhuǎn)停頓位置比較靠近螺旋線交叉處，故而不考慮；當(dāng)n= 10時，在停頓位置要求上符合要求，此時螺旋軸旋轉(zhuǎn)1.25圈取苗機(jī)構(gòu)完成一次取苗；當(dāng)n大于10時，在同樣取苗的效率下，對螺旋軸的磨損情況要求較高，所以選取n=10，從理論上完全可以達(dá)到取苗機(jī)構(gòu)取苗的要求，這樣螺旋軸的螺距為25.6mm。

根據(jù)苗盤輸送裝置應(yīng)滿足的要求，初步取雙螺旋軸的軸徑大小為22mm,進(jìn)而驗(yàn)證螺旋線螺旋升角的合理性。通過查資料得出螺旋升角φ的計算公式為

φ=arctan(X/πD)

(2)

將以上分析得出的數(shù)值代入式(2)可得：

φ=arctan(25.6/22×3.14)≈20.32°。螺旋升角為20.32°，滿足雙螺旋軸的運(yùn)動要求。對橫向間歇機(jī)構(gòu)采用圓柱凸輪間的相互粘合與分開，與取苗機(jī)構(gòu)取苗放苗在時間上達(dá)到匹配。由取苗機(jī)構(gòu)的工作原理可以得出：取苗針從插入穴孔到把苗取出期間，取苗機(jī)構(gòu)主軸旋轉(zhuǎn)角度θ為45°左右，取苗機(jī)構(gòu)完成1次取苗到投苗整個過程主軸旋轉(zhuǎn)角度η為180°，所以取苗針取苗時在穴孔里面停留的時間為 t=(θ/η)×T=(45°/180°)×T≈0.25T。為了滿足苗盤輸送裝置與取苗機(jī)構(gòu)在時間上達(dá)到匹配，故間歇機(jī)構(gòu)的停歇時T2≥t。

3.2苗盤輸送裝置縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計與研究

圖5為縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。由于苗盤的規(guī)格是8×16，橫向8個穴孔，縱向16個穴孔，采用鏈輪與槽輪機(jī)構(gòu)的配合實(shí)現(xiàn)苗盤縱向間歇運(yùn)動，鏈輪與槽輪同軸同角速度，槽輪運(yùn)動帶動鏈輪通過鏈條實(shí)現(xiàn)苗盤縱向進(jìn)給。

具體的工作原理如下：在苗盤橫向移動取苗機(jī)構(gòu)取完1排秧苗之后，通過連接圓柱凸輪的凸輪軸與擋板的碰撞促使撥叉沿著凸輪曲面移動，使齒輪與圓柱凸輪粘合，齒輪、圓柱凸輪及聯(lián)有轉(zhuǎn)臂的圓盤同軸，驅(qū)動槽輪轉(zhuǎn)過1個齒，實(shí)現(xiàn)了苗盤的縱向進(jìn)給。

1.凸輪　2.凸輪軸　3.撥叉

因苗盤縱向有16個穴孔，為了確?？v向苗盤進(jìn)給的準(zhǔn)確性，在縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計過程中主要考慮的是槽輪與鏈輪的參數(shù)問題。苗盤縱向穴孔的間距λ=32 mm，Z為槽輪徑向槽的數(shù)目，R為鏈輪分度圓半徑。通過分析苗盤縱向進(jìn)給應(yīng)該滿足的條件，得出槽輪徑向槽的數(shù)目與鏈輪半徑需滿足的關(guān)系為

(3)

本文選取槽輪的槽數(shù)為6，可以得出R≈30.6。當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)過1個徑向槽時，苗盤完成1次縱向進(jìn)給。

4苗盤輸送裝置的實(shí)體建模分析

本文利用SolidWorks三維軟件對各關(guān)鍵零部件進(jìn)行了建模和裝配，如圖7所示。檢查該設(shè)計有沒有干涉，可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在設(shè)計過程存在的問題并做出相應(yīng)的修改，初步驗(yàn)證該設(shè)計方案的合理性，干涉檢查如圖8所示。檢查發(fā)現(xiàn)：干涉的地方比較多，通過逐一查看單擊干涉58處(見圖9)。由圖8可以看出：干涉并非設(shè)計問題，而是螺紋引起的干涉。這在具體的加工過程中可以校核，故此干涉可以忽略。

圖7　總體裝配圖

圖8　苗盤輸送裝置裝配體干涉檢查

圖9　干涉58處

5結(jié)論

1)完成了對穴盤苗自動移栽機(jī)苗盤輸送裝置的設(shè)計，選擇與曲柄旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)相互配合。該機(jī)構(gòu)用2根夾針插入穴孔夾取基質(zhì)進(jìn)行取苗，每旋轉(zhuǎn)1周完成1次取苗，苗盤完成1次橫向進(jìn)給，取完1排苗完成1次縱向進(jìn)給。

2)對該設(shè)計在SolidWorks三維軟件環(huán)境下進(jìn)行建模并進(jìn)行虛擬裝配分析，結(jié)果表明：該設(shè)計在預(yù)期范圍內(nèi)可以完成與曲柄旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)相互配合，達(dá)到自動取苗、投苗的效果，驗(yàn)證了本設(shè)計的合理性。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0126-EA

Design Study of Plug Seedlings Automatic Transplanting Machine Seedling Tray Delivery Device

Liu Kaiqiang, Cao Weibin, Lian Guodang, Li Hua, Zhao Hongzheng

(College of Mechanical and Electronical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：In view of the Situation about semi-Automatic transplanting is used in domestic product to breed seedlings in greenhouse transplanting, seedling is mainly completed by manual, mechanical completion of planting work, has large labor intensity, low efficiency, poor quality of transplanting seedlings, seriously restrict the further application of planting technology transfer. In this paper,the automatic transplanter seedling disk conveying device is designed and researched, the transverse and longitudinal feed control mechanism was put forward, the key components of the technical parameters should satisfy are determined, and analyzed the three dimensional entity modeling, verify the rationality of the design, to meet the transplanter seedling tray automatic delivery requirements.

Key words：automatic transplanting machine; seedling tray conveyor system; the mechanism of seedings

文章編號：1003-188X(2016)04-0126-04

中圖分類號：S223.94

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：劉凱強(qiáng)(1991-)，男，吉林白山人，碩士研究生，(E-mail)619710256@qq.com。通訊作者：曹衛(wèi)彬(1959-)，男，湖北襄樊人，教授，博士，(E-mail)wbc828@163.com。

基金項(xiàng)目：兵團(tuán)科技支疆項(xiàng)目(2013AB024)；新疆兵團(tuán)青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2014CB012)；新疆研究生創(chuàng)新項(xiàng)目 (XJGR2013058)

收稿日期：2015-06-01