穴盤苗斜楔塊片狀式取苗末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

胡　靜，毛罕平，胡圣堯，3，溫貽芳，于　霜，韓綠化，儲(chǔ)建華，高新浩

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州　215104；2.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013；3.常州工學(xué)院，江蘇 常州　213022)

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穴盤苗斜楔塊片狀式取苗末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

胡靜1，2，毛罕平2，胡圣堯2，3，溫貽芳1，于霜1，韓綠化2，儲(chǔ)建華1，高新浩1

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215104；2.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江212013；3.常州工學(xué)院，江蘇 常州213022)

摘要：取苗末端執(zhí)行器，是穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的核心工作部件。為此，依據(jù)我國穴盤苗生產(chǎn)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種斜楔塊片狀式取苗末端執(zhí)行器。選擇72穴西葫蘆穴盤苗作為試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象，通過初步試驗(yàn)對(duì)比分析了不同夾持手指的取苗效果，優(yōu)選出叉子形夾持手指取苗效果最好。同時(shí)，進(jìn)行全因素試驗(yàn)研究叉子形手指取苗特性，得出當(dāng)手指長度L為130mm、插入深度h為30mm、夾持角度β為12°時(shí)，取苗末端執(zhí)行器的成功率達(dá)到95%，秧苗傷苗率為5%，兼顧取苗質(zhì)量又減少了對(duì)秧苗的損傷。

關(guān)鍵詞：穴盤苗；移栽機(jī)；末端執(zhí)行器

0引言

穴盤苗技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期在歐美國家率先發(fā)展起來的一種適合工廠化種苗生產(chǎn)的育苗方式，80年代中期引入我國，近年來得到空前發(fā)展。穴盤育苗移栽不僅具有普通移栽種植的特點(diǎn)，還可以節(jié)省種子、便于規(guī)范化管理、培育壯苗且移栽后沒有緩苗期,非常適合機(jī)械化栽植作業(yè)，可有效減少勞動(dòng)力，提高作業(yè)效率。

目前，我國穴盤苗栽植機(jī)械處于半機(jī)械作業(yè)水平，移栽過程中需要人工取苗喂入栽植機(jī)，移栽效率低、用工量大[1]。而取苗末端執(zhí)行器作為穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的核心工作部件，直接和穴盤苗缽體接觸，在盡量不傷苗的情況下，將穴盤苗從穴盤孔穴中夾取出來。國內(nèi)學(xué)者對(duì)穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究主要集中在取苗機(jī)構(gòu)的研發(fā)上[2-6]，僅僅實(shí)現(xiàn)了取苗的軌跡要求，沒有有效合理地設(shè)計(jì)取苗末端執(zhí)行器。

本文依據(jù)我國穴盤育苗實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種斜楔塊片狀式取苗末端執(zhí)行器，通過初步試驗(yàn)對(duì)比分析不同型式夾持手指的取苗效果，優(yōu)選出適合我國穴盤育苗情況的最好夾持手指，再進(jìn)行全因素試驗(yàn)研究取苗特性，最終完成穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)取苗末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)。

1取苗末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

移栽機(jī)上的取苗末端執(zhí)行器，按夾持手指形狀，可分為片狀和針式。對(duì)針式取苗末端執(zhí)行器，按手指數(shù)量又可分為兩針式、三針式、四針式[7-8]。三針和四針式取苗可靠性優(yōu)于兩針式，但容易傷苗，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。兩針式不易傷苗，但要求秧苗盤根充分，這樣才能將秧苗夾取出來[9]。對(duì)兩針式夾持，通過研究發(fā)現(xiàn)對(duì)育苗質(zhì)量的要求很高，當(dāng)苗缽盤根不好時(shí)，兩針夾持容易把苗缽?qiáng)A碎，從而導(dǎo)致取苗失敗。

本文設(shè)計(jì)的取苗末端執(zhí)行器，采用片狀?yuàn)A持手指，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.蓋板　2.固定塊　3.拉桿　4.壓縮彈簧　5.U型折板

取苗末端執(zhí)行器，包括蓋板、固定塊、拉桿、壓縮彈簧、U型折板、彈性片及斜楔塊。其中，鋼絲繩和拉桿固定連接，拉桿末端和斜楔塊固定，在拉桿的拉動(dòng)下，斜楔塊沿拉桿方向滑動(dòng)，使彈性片開合，從而夾取和釋放缽體。

如圖2(a)所示，取苗末端執(zhí)行器在取苗工作時(shí)，以與豎直方向成γ角度來執(zhí)行取苗動(dòng)作，穴盤的受力如圖2(b)所示。取苗末端執(zhí)行器兩夾片以β角度夾緊缽體，將缽苗從穴盤中取出，這個(gè)過程缽體受到夾持手指方向摩擦力f1、f2，夾持手指法向載荷P1、P2，缽體所受拔苗力P，缽體側(cè)邊角度θ。力P的影響因素較多，包括缽體成分、含水率、缽體大小，與穴盤孔壁的粘附性等，P值可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定平均值[10]。摩擦力f1、f2只考慮土壤滑移摩擦力。

(a)　取苗示意圖

(b)　缽體受力分析

受力分析為

f1=f2

(1)

p1=p2

(2)

fi=upi(i=1,2)

(3)

(4)

聯(lián)立方程組解得

(5)

從式(5)可知：取苗末端執(zhí)行器夾持手指的夾持力，即夾持手指法向載荷P1、P2的大小，由P、β、μ3個(gè)因素決定，由于對(duì)同一種移栽對(duì)象拔苗力P、靜摩擦因數(shù)μ基本不變，所以夾持手指的夾持力主要由夾持角度β決定。

2取苗試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試制取苗末端執(zhí)行器樣機(jī)，將其安裝在導(dǎo)向槽取苗臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)穴取苗，如圖3所示。選擇72穴西葫蘆穴盤苗作為試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象，含水率為55%～60%。

圖3　取苗末端執(zhí)行器取苗試驗(yàn)臺(tái)

2.1夾持手指型式

取苗末端執(zhí)行器夾持手指的形狀直接影響取苗的成功率，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種夾持手指末端的形狀，如圖4所示。選用的材料是65錳鋼，1號(hào)和2號(hào)都是錐形手指，2號(hào)手指比1號(hào)手指寬，夾持力大于1號(hào)，3號(hào)手指為叉子形。

1號(hào)　　　　2號(hào)　　　　3號(hào)

2.2試驗(yàn)參數(shù)

通過取苗末端執(zhí)行器夾苗分析，得出對(duì)同一種移栽對(duì)象缽體所受的拔苗力P、靜摩擦因數(shù)μ基本不變，夾持力主要由夾持角度β決定。此外，取苗時(shí)，取苗末端執(zhí)行器插入缽體中的深度h影響夾持力度，夾持手指長度L的不同會(huì)影響夾持片的剛度。所以，最終確定出取苗試驗(yàn)的參數(shù)：夾持角度β，插入深度h，夾持手指長度L。取苗試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1　取苗試驗(yàn)參數(shù)

表中“—”內(nèi)容為空缺，表示數(shù)據(jù)量少或無法實(shí)現(xiàn)。

調(diào)整參數(shù)的方法是：試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)整斜楔塊在夾持手指中的位置來改變夾持角度β；通過調(diào)整移箱和取苗部件的相對(duì)位置來改變插入深度h；通過安裝不同長度的夾持手指來改變夾持手指長度L。

2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)取苗成功率。取苗末端執(zhí)行器將秧苗從穴盤中取出并成功投苗，作為取苗成功的標(biāo)準(zhǔn)，即

2)取苗傷苗率。取苗末端執(zhí)行器在進(jìn)行夾苗時(shí)，容易把缽體夾碎，在投苗過程中，滑塊推苗有可能會(huì)損傷苗莖或者葉子。由于現(xiàn)在還沒有傷苗標(biāo)準(zhǔn)，以把缽體破壞超過整體1/4、苗莖弄斷作為傷苗標(biāo)準(zhǔn)；而葉片的損傷不會(huì)太大程度影響秧苗的生長，可不作考慮。

計(jì)算式為

3取苗試驗(yàn)與結(jié)果

3.1初步試驗(yàn)

表2是不同型式夾持手指的取苗試驗(yàn)結(jié)果。從表2可以看出：取苗成功率最高的是3號(hào)取苗片，最差的是2號(hào)取苗片；傷苗率最低的是3號(hào)取苗片，最高的是2號(hào)取苗片。2號(hào)取苗片末端采用錐形，與3號(hào)的叉子形相比，插入缽體中的面積較大，而缽體基本被根系盤繞住；2號(hào)取苗片很難充分插入土中，反而會(huì)將缽體壓碎，將根須切斷，導(dǎo)致取苗成功率差，傷苗率高。1號(hào)取苗片由于插入缽?fù)林械拿娣e比2號(hào)小，取苗成功率比2號(hào)略高，但傷苗率也比較高。通過對(duì)比，采用3號(hào)叉子形夾持手指，取苗效果最好，因此選擇3號(hào)叉子形夾持手指作為最佳方案。

表2　不同夾持手指取苗試驗(yàn)記錄

3.2最優(yōu)試驗(yàn)

通過初步試驗(yàn)分析，選擇3號(hào)叉子形夾片作為取苗末端執(zhí)行器的夾持手指，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個(gè)參數(shù)：夾持手指長度L、插入深度h、夾持角度β，進(jìn)行全因素試驗(yàn)，每組取苗的株數(shù)為20株。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　取苗試驗(yàn)記錄

表中“—”內(nèi)容為空缺，表示數(shù)據(jù)量少或無法實(shí)現(xiàn)。

通過全因素試驗(yàn)，當(dāng)取苗末端執(zhí)行器的夾持手指長度為100mm時(shí)，取苗成功率很低。這是因?yàn)楫?dāng)取苗末端執(zhí)行器取苗時(shí)夾持力不夠，難以夾缽脫盤。當(dāng)取苗末端執(zhí)行器的夾持手指長度為130mm，且插入深度為45mm時(shí)，取苗末端執(zhí)行器達(dá)到較高取苗成功率；但由于取苗末端執(zhí)行器插入較深，缽體容易被夾壞，并且隨著夾持角度β的增加，斜楔塊到取苗末端執(zhí)行器末端的距離越來越近，比較容易壓斷苗莖，導(dǎo)致傷苗率較高。當(dāng)取苗末端執(zhí)行器的夾持手指長度為130mm、插入深度為15mm時(shí)，傷苗率具有較低數(shù)值，取苗成功率也比較低。這是因?yàn)槿∶缒┒藞?zhí)行器插入缽體的深度較淺，往往取不出苗缽，在攜苗投遞過程中，容易將苗缽甩出，從而不能成功將取出的苗缽?fù)兜皆灾财鹘颖铮谑沁_(dá)不到理想的取苗移栽效果。

通過綜合對(duì)比，最佳的參數(shù)組合是夾持手指長度L為130mm、插入深度h為30mm、夾持角度β為12°，如圖5所示，在該參數(shù)組合下，取苗末端執(zhí)行器取出秧苗后苗的狀態(tài)，秧苗基本上無損傷。

圖5　完成取苗后苗的狀態(tài)

4結(jié)論

1)對(duì)于斜楔塊片狀式取苗末端執(zhí)行器，夾持手指的夾持力主要由夾持角度β決定，此外，取苗時(shí)，取苗末端執(zhí)行器插入缽體中的深度h影響夾持力度，夾持手指長度L的不同會(huì)影響夾持片的剛度。

2)通過試制樣機(jī)進(jìn)行初步取苗和最優(yōu)取苗試驗(yàn)，得出當(dāng)夾持手指長度L為130mm、插入深度h為30mm、夾持角度β為12°時(shí)，取苗末端執(zhí)行器的成功率達(dá)到95%，同時(shí)秧苗傷苗率最低，為5%。這一最優(yōu)組合兼顧取苗質(zhì)量又減少對(duì)秧苗的損傷。

3)所設(shè)計(jì)的取苗末端執(zhí)行器僅僅對(duì)西葫蘆穴盤苗做了取苗效果試驗(yàn)分析，達(dá)到了最優(yōu)取苗效果，滿足實(shí)際取苗要求，更多的試驗(yàn)對(duì)象只需在最優(yōu)組合條件下作進(jìn)一步研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0133-EA

Design of a Sheet-typed End-effector with Oblique Wedge for Picking up Plug Seedlings in Automatic transplanting

Hu Jing1,2, Mao Hanping2, Hu Shengyao2, 3, Wen Yifang1, Yu Shuang1,Han Lvhua2, Chu Jianhua1, Gao Xinghao1

(1.Suzhou Institute of Industrial Technology, Suzhou 215104,China；2.Key Laboratory of Modern Agriculture Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China；3.Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213022；China)

Abstract：End-effector for picking up seedlings is the core components of the automatic transplanters.A sheet-type picking seedlings end-effector by oblique wedge for plug seedlings was designed,which 72 zucchini plug seedlings was considered as testing subjects.Picking seedlings effect of different gripping fingers was analyzed by the initial tests, and then the best picking seedlings effect was with fork-shaped gripping fingers. By full factors’ picking seedlings testing for fork-shaped gripping fingers, when finger’s length is 130 mm, inserting depth is 30 mm, and gripping angle is 12 degree, the success rate of picking seedlings end-effector is up to 95% and injury rate of seedlings is 5%, which is good at both picking seedlings quality and less damage to plug seedlings. At last, picking seedlings end-effector for plug seedling automatic transplanting is designed.

Key words：plug seedlings; transplanter; end-effector

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0133-04

中圖分類號(hào)：S223.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：胡靜(1984-)，女，江蘇連云港人，博士，(E-mail)hujingyangran@126.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61233006、31201659、31401286)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B03)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXZZ11＿0581、CXLX13＿67)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(蘇財(cái)教[2014]37號(hào))；江蘇省高校自然科學(xué)基金(11KJB210001)；江蘇省高校自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(13KJD510001)；農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目(2004-Q1)

收稿日期：2015-07-04