頂夾組合式全自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)研究

張振國(guó)，張寧寧，呂全貴※，韓長(zhǎng)杰，許紅軍，李昊坤，白紫勛

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院）

頂夾組合式全自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)研究

張振國(guó)1，張寧寧1，呂全貴1※，韓長(zhǎng)杰1，許紅軍2，李昊坤1，白紫勛1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院）

針對(duì)目前穴盤苗向大田移栽，人工移栽成本高、移栽周期長(zhǎng)、成熟期不一致、不利于機(jī)械化收獲等問題，對(duì)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)大面積種植的辣椒穴盤苗物料特性進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)種植的辣椒苗物料特性，設(shè)計(jì)了一種頂夾組合式穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)。文中主要介紹了全自動(dòng)移栽機(jī)的取苗、運(yùn)苗和投苗的過程，全自動(dòng)移栽機(jī)的組成和工作原理及其關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)移栽機(jī)對(duì)新疆棉花、番茄和辣椒等大面積種植的經(jīng)濟(jì)作物機(jī)械式移栽有良好的推動(dòng)作用，大大減少了農(nóng)業(yè)對(duì)勞動(dòng)力的需求，增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，對(duì)新疆的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。

頂夾組合式；全自動(dòng)；UG；取苗機(jī)構(gòu)；移栽機(jī)

0 引言

新疆地處我國(guó)西北，寒冷干燥、無霜期短，不宜于早播。育苗移栽是解決這一問題的有效途徑，提前育苗，人為地控制并延長(zhǎng)植株開花結(jié)果的時(shí)期，可以有效地提高新疆的經(jīng)濟(jì)作物棉花、番茄和辣椒等農(nóng)作物的產(chǎn)量，大幅度地增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。

目前所使用的大部分全自動(dòng)移栽機(jī)的移栽質(zhì)量不穩(wěn)定，通用性較差，自動(dòng)化程度低，限制了育苗移栽技術(shù)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，無法達(dá)到預(yù)期的增產(chǎn)目標(biāo)。

穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)能實(shí)現(xiàn)棉花、番茄和辣椒等穴盤苗移栽生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度，減輕穴盤苗全自動(dòng)移栽作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作物移栽質(zhì)量和移栽成活率，進(jìn)而推進(jìn)我國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的進(jìn)程[1～12]。

本文以新疆種植的辣椒苗為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種頂夾組合式穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)。

根據(jù)疆農(nóng)業(yè)的實(shí)際情況，選用新疆農(nóng)民普遍使用的128（16×8）穴盤。所用約40天苗齡的辣椒穴盤苗為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)穴盤苗的基本形態(tài)特征株高、葉面展幅和莖粗等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，以此對(duì)取苗機(jī)構(gòu)中機(jī)械手的尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。通過多組辣椒穴盤苗的測(cè)定，穴盤苗壯苗的平均株高為187.6 mm，葉面展幅97.3 mm，莖粗2.55 mm，其葉片數(shù)一般為5～8片。

1 基本組成

基本結(jié)構(gòu)如圖1，由穴盤傳送帶（1）、壓盤器（2）、頂桿（3）、機(jī)械爪（4）、送苗裝置（5）、支撐桿支架（6）、動(dòng)力桿（7）、抬升機(jī)構(gòu)（8）、收盤盒（9）、穴盤苗運(yùn)輸帶（10）、穴盤放置架（11）、控制系統(tǒng)（12）、動(dòng)力系統(tǒng)（13）、覆土輪（14）、放苗器（15）、開溝器（16）、導(dǎo)苗漏斗（17）等組成。

圖1 全自動(dòng)移栽機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2 工作原理

全自動(dòng)移栽機(jī)的工作原理如下：將穴盤從穴盤放置架中取出，由人工放置于穴盤傳送帶上，運(yùn)送穴盤至機(jī)械爪下方，由壓盤器固定穴盤，經(jīng)頂桿頂起穴盤中的苗，再由機(jī)械爪抓取被頂出穴盤的苗，由抬升機(jī)構(gòu)抬升送苗裝置將苗從穴盤中完全取出后，經(jīng)過送苗裝置將苗送至穴盤苗運(yùn)輸帶上方。松開機(jī)械爪夾苗下落至穴盤苗運(yùn)輸帶，由穴盤苗運(yùn)輸帶運(yùn)送至導(dǎo)苗漏斗并將苗導(dǎo)入放苗器中，經(jīng)開溝器開溝，由放苗器將苗放入已開好的溝中，最后由覆土輪覆土，完成最終動(dòng)作。空穴盤回收至收盤盒內(nèi)。整機(jī)動(dòng)力來源由動(dòng)力系統(tǒng)提供，并且整機(jī)可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以應(yīng)對(duì)不同環(huán)境，從而完成整個(gè)全自動(dòng)移栽的過程。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

3.1 取苗機(jī)械手的設(shè)計(jì)

3.1.1 機(jī)械手組成及工作原理

機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)如圖2，其主要結(jié)構(gòu)為爪夾（1）、機(jī)械爪支撐架（2）、連桿（3）、動(dòng)力分配塊（4）、氣缸（5）等機(jī)構(gòu)組成。在移栽機(jī)的整個(gè)移栽過程中對(duì)苗的抓取和投放由機(jī)械手來完成，當(dāng)頂桿將穴盤中的苗頂出一部分時(shí)，機(jī)械手中的氣缸工作，推動(dòng)動(dòng)力分配塊向前運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力分配塊再推動(dòng)與之相連的兩根連桿。由頂桿將類似曲柄搖桿的爪夾將苗抓緊。當(dāng)機(jī)械手帶動(dòng)苗移動(dòng)到投放苗的位置時(shí)，氣缸回程帶動(dòng)動(dòng)力分配塊向后移動(dòng)，動(dòng)力分配塊再帶動(dòng)連桿，最后連桿將爪夾回拉，使爪夾松開，從而完成投苗動(dòng)作。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

3.1.2 機(jī)械手氣缸行程計(jì)算

由穴盤苗參數(shù)可知穴盤苗基質(zhì)的尺寸為上底面和下底面分別為30×30 mm和15×15 mm的倒梯形結(jié)構(gòu)。機(jī)械手抓取位置為基質(zhì)中部位置23×23 mm的截面由此計(jì)算出氣缸的行程。由機(jī)械手抓取時(shí)狀態(tài)與初始狀態(tài)的抓取部分轉(zhuǎn)動(dòng)的角度差計(jì)算氣缸的行程。

圖3 機(jī)械手初始狀態(tài)和抓取狀態(tài)合圖

如圖3所示，實(shí)線為初始狀態(tài)圖，虛線為抓取狀態(tài)圖。圖中線段1和線段2的長(zhǎng)度為23.3 m。線段1與水平面的夾角為145°，線段2與水面的夾角為130°。線段1的水平長(zhǎng)度為19.1 m、垂直長(zhǎng)度為13.4 m。線段2的水平長(zhǎng)度為15 m、垂直長(zhǎng)度為17.3 m。

由上述數(shù)據(jù)計(jì)算氣缸的行程：

線段1與線段2的上端點(diǎn)的水平距離為：

線段1與線段2的上端點(diǎn)的垂直距離為：

由勾股定理可得：

由此可以推出氣缸的行程為5.24 mm。

3.2 取苗模塊的基本組成及工作原理

取苗模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖4，其主要結(jié)構(gòu)由抬升支撐氣缸（1）、支撐板（2）、取苗模塊支撐（3）、動(dòng)力桿（4）、支撐桿（5）、動(dòng)力輪（6）、取苗移動(dòng)模塊（7）、機(jī)械爪（8）等機(jī)構(gòu)組成。

取苗模塊上的機(jī)械手將苗抓緊，由支撐氣缸頂起整個(gè)取苗模塊，之前機(jī)械手抓緊已經(jīng)被頂出部分的穴盤中的苗，在整個(gè)模塊向斜右上方向移動(dòng)時(shí)，將苗從穴盤中完全取出，這時(shí)的機(jī)械手抓緊苗帶動(dòng)苗隨取苗模塊一起移動(dòng)。再由取苗模塊上的伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)力輪轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力輪轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)整個(gè)取苗模塊向左沿動(dòng)力桿的方向移動(dòng)到指定的位置后，機(jī)械手將苗投放，下方有傳送帶接住苗，進(jìn)行下一步移栽，然后伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力輪反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)整個(gè)取苗模塊沿動(dòng)力桿反向移動(dòng)回到取苗的位置，完成取苗模塊的整個(gè)周期的動(dòng)作。

圖4 取苗模塊結(jié)構(gòu)

3.3 夾頂組合式的取苗機(jī)構(gòu)

移栽時(shí)由傳送帶帶動(dòng)將穴盤苗傳送到機(jī)械手部位，頂桿頂出穴盤中的苗后，機(jī)械手由氣缸帶動(dòng)完成抓夾的張開與閉合，從而抓取穴盤中的苗，后由電機(jī)帶動(dòng)沿動(dòng)力桿移動(dòng)到輸送帶位置對(duì)苗進(jìn)行投放，輸送帶經(jīng)導(dǎo)苗管將苗投入鴨嘴中，最后由鴨嘴完成移栽。

圖5 全自動(dòng)移栽機(jī)夾頂組合式取苗機(jī)構(gòu)

4 抓頂組合式取苗機(jī)構(gòu)中苗的力學(xué)分析

4.1 頂出苗時(shí)苗的力學(xué)分析

頂出設(shè)計(jì)是由于穴盤的底部有一個(gè)直徑為7 m的孔，因此設(shè)計(jì)的頂桿直徑為6 m，頂出時(shí)所需要力的大小由實(shí)驗(yàn)得出，見圖6：

圖6 頂桿頂出苗時(shí)所需的力

由圖6可知頂桿將穴盤中的苗頂出時(shí)所需力在2.51 N左右，然而在實(shí)際的頂苗過程中，頂出不同的苗時(shí)，所對(duì)應(yīng)的苗與穴盤的黏性是不同的，因此取最大頂出力，頂桿頂出力設(shè)計(jì)為5 N。

4.2 機(jī)械手抓取苗和基質(zhì)時(shí)的力學(xué)分析

在機(jī)械手抓取被頂出的苗時(shí)，對(duì)45天的辣椒苗進(jìn)行了基質(zhì)和植株的質(zhì)量測(cè)定，得出下表：

表1 苗的基質(zhì)與植株的質(zhì)量測(cè)量

由上表可以得出頂出的苗在水平情況下，基質(zhì)與植株整體的重心是在基質(zhì)當(dāng)中，是不會(huì)導(dǎo)致頂出的苗傾倒。

最后對(duì)基質(zhì)的受力進(jìn)行測(cè)量，在受力多大時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手對(duì)苗的基質(zhì)產(chǎn)生損傷，這里對(duì)基質(zhì)進(jìn)行了破壞性實(shí)驗(yàn)，在機(jī)械手所施加的力小于最小的基質(zhì)破壞力的情況下是不會(huì)對(duì)苗的移栽造成二次傷害，因此得出下圖：

圖7 苗的基質(zhì)破壞性實(shí)驗(yàn)所需的力

由圖7可知，苗的基質(zhì)在受力為7.2 N時(shí)，基質(zhì)會(huì)造成二次損傷，在實(shí)驗(yàn)時(shí)最小的破力的大小為5.64 N，因此將苗的最大受力設(shè)計(jì)為5 N，所以機(jī)械手的夾取力度最大為5 N。

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)穴盤苗移栽技術(shù)設(shè)計(jì)了全自動(dòng)移栽機(jī)，目前絕大多數(shù)的移栽機(jī)機(jī)械手的主要抓取對(duì)象為穴盤苗中苗的莖稈，但抓取莖稈時(shí)會(huì)對(duì)苗的莖桿造成一定的損傷，從而降低移栽的質(zhì)量和穴盤苗的成活率。本文中所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)械手抓取對(duì)象是穴盤中幼苗的基質(zhì)，會(huì)減少對(duì)苗的損傷，保證了移栽質(zhì)量和苗的成活率。

本文通過對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)新疆兵團(tuán)的棉花、番茄和辣椒等經(jīng)濟(jì)作物大面積機(jī)械移栽具有良好的推動(dòng)作用并且提高效率，從而大大的減少了對(duì)勞動(dòng)力的需求，同時(shí)對(duì)整個(gè)新疆的農(nóng)產(chǎn)品的發(fā)展具有重要的促進(jìn)意義和作用。

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Design and Research on the Automatic Transplanting Machine of the Top Pinch Combined Type Plug Seedling

ZHANG Zhen-guo1，ZHANG Ning-ning1，LV Quan-gui1※，HANChang-jie1，XUHong-jun2，LIHao-kun1，BAI Zi-xun1
（1.Mechanical and Traffic College,Xinjiang Agricultural University,Urumqi,830052,China；2.College of Forestry and Horticulture, Xinjiang Agricultural University）

According to the present situation of Xinjiang production and Construction Corps large area planting pattern, seedling transplanting to artificial transplanting,high cost,long period and mature period of transplanting at the same time,is not conducive to agricultural mechanization harvest,statistical measurement of the planting of Xinjiang production and Construction Corps material characteristics of the large area.According to the material characteristics of tomato seedlings,a kind of top pinch combined type plug seedling full automatic transplanting machine was designed.This paper mainly introduces the process of the whole automatic transplanting machine,the process of seedling and seedling,the composing and working principle of the automatic transplanting machine,and the design of the key parts.The design of automatic transplanting machine of Xinjiang cotton,tomato,pepper and other economic cropsin a large area of transplanting machine hasa good role in promoting,greatly reducing the agricultural labor to labor demand and to increase the economic income of each farm workers,of Xinjiang'sagricultural economic development hasa very important significance.

Top clamp combination;Full automatic;UG;Seedling transplanting mechanism;Transplanting machine

1007-7782（2016）06-0016-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.06.005

S223.92

A

2016-12-02

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校前期資助課題（XJAU201409）

呂全貴