穴盤苗移栽機(jī)凸輪間歇式取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計*

張寧寧，張振國*，李昊坤，白紫勛

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

穴盤苗移栽機(jī)凸輪間歇式取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計*

張寧寧，張振國*，李昊坤，白紫勛

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

針對目前新疆大面積種植模式，穴盤苗向大田移栽，人工移栽成本高、移栽周期長、成熟期不一致、不利于機(jī)械采收等問題，對新疆種植的番茄苗的物料特性進(jìn)行了測量。根據(jù)新疆種植番茄的物料特性，設(shè)計了一種凸輪間歇式取苗機(jī)械手。本文主要介紹了取苗機(jī)構(gòu)由凸輪間歇式取苗機(jī)械手完成苗的夾取和移栽的基本組成和其工作原理，及其關(guān)鍵部件凸輪、間歇輪、抓取部分及彈簧的結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)選取。所設(shè)計的凸輪間歇式取苗機(jī)構(gòu)對新疆番茄、辣椒和棉花等經(jīng)濟(jì)作物大面積機(jī)械移栽有良好的推動作用，有利于增加團(tuán)場職工的經(jīng)濟(jì)收入，對新疆的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。

番茄穴盤苗；CAD；凸輪間歇式；取苗機(jī)構(gòu)

1 引言

目前，我國移栽機(jī)械技術(shù)的研究和應(yīng)用中還有著許多問題等待解決，農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究與我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求相對脫節(jié)，不能滿足我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。當(dāng)前所使用的移栽機(jī)移栽質(zhì)量不穩(wěn)定，通用性差，自動化程度低，這些都限制了育苗栽植技術(shù)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，增產(chǎn)效果不佳[1-5]。移栽機(jī)械的取苗機(jī)構(gòu)非常關(guān)鍵，研究穴盤苗移栽機(jī)取苗裝置對實(shí)現(xiàn)蔬菜、花卉、棉花等穴盤苗移栽生產(chǎn)過程自動化，減輕穴盤苗移栽作業(yè)的勞動強(qiáng)度，提高作物移栽質(zhì)量，推進(jìn)我國農(nóng)作物生產(chǎn)機(jī)械化和自動化進(jìn)程具有積極的意義[5-8]。

新疆地處我國西北，寒冷干燥，無霜期短，不宜于早播。而通過育苗移栽可提前育苗，人為地延長開花結(jié)實(shí)期，有效地提高新疆經(jīng)濟(jì)作物棉花的產(chǎn)量，大幅度地增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入[9-12]。

本文主要是基于UG三維實(shí)體軟件以及CAD二維制圖軟件研究設(shè)計的番茄穴盤苗自動移栽機(jī)凸輪間歇式取苗機(jī)構(gòu)。主要介紹了取苗機(jī)構(gòu)由凸輪間歇式取苗機(jī)械手完成苗的夾取和移栽的基本組成和其工作原理，及其關(guān)鍵部件凸輪、間歇輪、抓取部分及彈簧的結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)選取。關(guān)于穴盤苗移栽機(jī)構(gòu)的研究對于新疆的農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著非常重要的意義。

2 番茄穴盤苗物料特性

根據(jù)新疆農(nóng)業(yè)的實(shí)際情況，選用新疆農(nóng)民普遍使用的倒金字塔型128穴的穴盤（如圖1），每個苗孔上端的長、寬度均為30mm，下端長、寬均為15mm，穴苗孔深度43mm，底部圓孔直徑為7mm，容積為19mL，厚度為1mm。以35d苗齡的“石番36”番茄穴盤苗為試驗(yàn)對象，對穴盤苗的株高、葉面展幅和莖粗等參數(shù)進(jìn)行了測量，穴盤苗壯苗的平均株高為181.2mm、葉面展幅79.4mm、莖粗3.3mm、真葉片數(shù)3～5片。以此對取苗機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖1 穴盤參數(shù)

3 取苗機(jī)構(gòu)中機(jī)械手的基本組成及工作原理

3.1 取苗機(jī)構(gòu)中機(jī)械手的基本組成

取苗機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)造如圖2所示。其主要是由凸輪、機(jī)架、頂桿、套管架、抓取部分、復(fù)位彈簧和間歇輪等機(jī)構(gòu)組成。

圖2 移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)中機(jī)械手

3.2 機(jī)械手的工作原理

機(jī)械手中間歇輪是由電動機(jī)帶著轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)1次的角度為90°，轉(zhuǎn)360°為1個周期，將凸輪機(jī)構(gòu)連接在間歇輪的從動輪上，將凸輪的最頂端和最底端的連線與間歇輪主動輪平行，由此鏈接在間歇輪從動輪上的凸輪每1次轉(zhuǎn)動同樣為90°，凸輪就由最低點(diǎn)經(jīng)過2次轉(zhuǎn)動到最高點(diǎn)，由此凸輪將頂桿頂?shù)阶罡唿c(diǎn)，頂桿連接的抓取部分被頂開，隨著整個機(jī)架移動使抓取部分的外端點(diǎn)移動到已經(jīng)被頂出穴盤的苗的相應(yīng)位置，當(dāng)間歇輪再次轉(zhuǎn)動時帶動凸輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)過90°的轉(zhuǎn)動就不再作用頂桿，頂桿在復(fù)位彈簧的作用力下被拉回，抓取部分隨之合并，夾住被液壓頂桿頂出的苗從而將苗從穴盤里取出來，再跟隨整個機(jī)架的移動，將苗帶到指定的位置，隨著間歇輪的轉(zhuǎn)動，抓取部分被頂開將苗進(jìn)行投放，完成整個移栽周期。

4 取苗機(jī)構(gòu)中機(jī)械手的設(shè)計

4.1 抓取裝置的設(shè)計

圖3 移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)中機(jī)械手抓取裝置局部

抓取裝置是由頂桿、抓取部分、復(fù)位彈簧3個機(jī)構(gòu)組成。該抓取裝置的主要作用是將由液壓頂桿頂出穴盤中的苗進(jìn)行抓取。其抓取部分的長度為60mm，2個抓取部分根部的中心距為90mm。經(jīng)過測量穴盤苗中苗基質(zhì)上底面的邊長為30mm左右，所以抓取部分張開時頂端之間的距離必須在30mm以上。抓取部分是由頂桿被凸輪頂起從而打開抓取部分對苗進(jìn)行抓取，再由整個機(jī)架帶動從而對苗進(jìn)行移栽。抓取裝置張開時如圖3所示（圖中b=30mm）。

由于考慮到移栽時對苗基質(zhì)和苗莖和葉的損傷，所以張開時抓取部分的頂端之間的距離必須要大于30mm。但是張角不宜過大，必須要在支架兩端的延長線之間，可以有效的防止彈簧對抓取部分做無用功。在安裝彈簧時可以不使用垂直的方向也可以向抓取部分的垂向傾斜，有利于提高彈簧對抓取部分作用力的利用效率，同時也增加了彈簧的使用壽命。

4.1.1 對于抓取部分張角和頂桿的設(shè)計

對于張角大小的設(shè)計就必須要提到頂桿的長度問題，頂桿不能過長但是也不可以過短。抓取部分根部的中心距為90mm，2個抓取邊的長度為60mm，由于抓取部分頂部張開時間距長度必須 ＞30mm（圖4先按間距為b=30mm計算）。

圖4 機(jī)械手抓取部分（閉合時）

如圖4所示，設(shè)底角的大小為x。

解得：x=41°

通過計算，頂端閉合時底角大小為41°，頂角的大小為，當(dāng)張開時頂部距離為30mm時，底角的大小也隨之改變：

圖5 機(jī)械手抓取部分（張開時）

如圖5所示，設(shè)改變后的底角的大小為y。

可得：y=60°

由上式的計算可以得到機(jī)械手抓取部分的張角大小，抓取部分張開時，頂端之間的距離由頂桿平移的長度所決定，對于頂桿的設(shè)計不能過長，但是如果頂桿過短，在機(jī)械手作業(yè)當(dāng)中，由于苗的長度是182mm左右，本設(shè)計是以一定的傾角去抓取被頂出來的苗，由此頂桿上半部的分支長度可以相對較短，因?yàn)檫@段頂桿的長度多少直接影響凸輪的設(shè)計。在抓取部分頂端未張開之前，頂桿頂端之間的距離為45mm，張開之后頂桿頂端之間的長度為60mm，最后將長度設(shè)定為60mm。

4.1.2 彈簧部分的設(shè)計

在彈簧的設(shè)計當(dāng)中，由于基質(zhì)是由土壤和一定的水以及一定的營養(yǎng)物質(zhì)組成，由于之前所研究基質(zhì)含水量在30%左右時基質(zhì)的強(qiáng)度最強(qiáng)，在機(jī)械手對苗進(jìn)行抓取時對基質(zhì)的損傷降低。在這個基礎(chǔ)上認(rèn)為彈簧的拉力不應(yīng)當(dāng)過大，但是也不能太小。過大容易破壞基質(zhì)，過小基質(zhì)容易掉落。彈簧作為彈性元件，其性能的優(yōu)劣對機(jī)器設(shè)備的性能及安全性有直接影響，特別是彈簧的動態(tài)特性及可靠性對保證機(jī)器設(shè)備的穩(wěn)定工作具有十分重要的意義。在計算中可不考慮簧圈的振動，近似認(rèn)為彈簧中各簧圈在任意時刻t的速度沿彈簧軸向呈線性分布。

通過對彈簧的計算，對于彈簧距離支撐面的距離、活動機(jī)件在彈簧作用下的速度、整個彈簧的長度和彈簧的質(zhì)量進(jìn)行公式的推導(dǎo)得出

再對上式中的彈簧長度進(jìn)行積分，得

從上式可以看出，在計算時，考慮到彈簧自身質(zhì)量對整個機(jī)械手運(yùn)動的影響，在彈簧作用下機(jī)械手運(yùn)動的抓取部分質(zhì)量加上1/3的彈簧質(zhì)量，作為虛擬活動機(jī)件質(zhì)量，即認(rèn)為彈簧是沒有質(zhì)量的運(yùn)動體。當(dāng)彈性體產(chǎn)生的形變量由a變?yōu)閎時，彈力F對彈性體所做的變力功W為：

式中，為形變量由a變化到b時彈性勢能的變化量，整理后，上式可寫成：

也就是說，在忽略能量損耗的情況下，彈簧的彈力大小等于彈性勢能與形變量的變化率[13-16]。再加上考慮到抓取裝置的自重的情況下，將彈簧的彈力設(shè)定10N。

4.2 間歇輪和凸輪部分的設(shè)計

4.2.1 間歇輪部分的設(shè)計

圖6 移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)中機(jī)械手間歇輪

間歇輪的設(shè)計，其中b輪為主動輪，a輪為從動輪。其中主動輪與從動輪之間的作用是由主動輪上凸起的圓柱對應(yīng)卡在從動輪的凹槽內(nèi)，從而由主動輪帶動從動輪轉(zhuǎn)動，在間歇輪轉(zhuǎn)中主動輪轉(zhuǎn)動1周，從動輪相應(yīng)轉(zhuǎn)動90°，在主動輪轉(zhuǎn)動1周的時間內(nèi)只有1/4的時間是在對從動輪做功。在剩下的3/4的時間內(nèi)主動輪在空轉(zhuǎn)，也因此實(shí)現(xiàn)了由主動輪對從動輪的間歇控制。間歇輪時間的具體控制，那是由主動輪轉(zhuǎn)動的角速度來確定的。

4.2.2 凸輪部分的設(shè)計

頂桿部分的設(shè)計會涉及到凸輪的設(shè)計，頂桿將抓取部分頂開的這一過程中，頂桿的底端所移動的距離設(shè)為xmm。在頂桿的上端分支部分的單個長度為60mm（如圖7所示）。圖7中左圖為抓取裝置未被頂開時的運(yùn)動簡圖，右圖為抓取裝置被頂開30mm時的運(yùn)動簡圖。

圖7 移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)中抓取裝置

圖8 移栽機(jī)凸輪狀態(tài)

圖8對應(yīng)圖7抓取部分閉合與張開的狀態(tài)圖，頂桿定位于抓取部分的中點(diǎn)處，因此2個狀態(tài)時的抓取部分中點(diǎn)間的距離分別為45mm和60mm，抓取部分底端間的中心距為90mm。

設(shè)被頂開狀態(tài)時的頂桿分支部分的垂直高度為b；未被頂開是的頂桿分支部分的垂直高度為a；2個狀態(tài)時2個抓取部分中點(diǎn)連線的垂直距離為c；得：

由于基質(zhì)上端面的邊長為30mm，在設(shè)計時抓取部分頂端張開后的間距為30mm，在這樣的情況下對凸輪的行程進(jìn)行計算其結(jié)果是9.8mm。因?yàn)樵谟嬎銜r將抓取部分頂端張開后的間距設(shè)為30mm，在抓取苗的過程中會對苗造成不必要的損傷，所以將凸輪的行程由9.8mm改為10.0mm，以減少移栽過程中對苗所產(chǎn)生的不必要的損傷。

上述各式中，φ表示由推程起始點(diǎn)算起凸輪的轉(zhuǎn)角。

凸輪輪廓線影響從動件，所以輪廓線的設(shè)計至關(guān)重要，如果沒有設(shè)計好，會直接影響到從動件運(yùn)行的準(zhǔn)確性、有效性和耐久性。這其中的檢驗(yàn)指標(biāo)是壓力角和輪廓線的曲率半徑。

壓力角是實(shí)際的輪廓線上隨機(jī)的某一個點(diǎn)與其鏈接的從動件相接觸時，前提是不計摩擦力的條件下，在這個點(diǎn)的法線與從動輪的速度的方向上的線所形成的夾角（銳角）。壓力角是對凸輪與從動件之間力的傳遞特性好壞進(jìn)行衡量的重要參數(shù)。在從動件上所受的力可以分為2個相互垂直方向上的力，一個是沿速度方向上的分力，另一個是垂直與速度方向上的力，其中沿速度方向的為有效的分力，而與其垂直方向上的是無效的分力。由于壓力角的增大，從而使無效的分力增大，由此所產(chǎn)生的摩擦力也隨之增大，降低了整個凸輪機(jī)構(gòu)的工作效率，當(dāng)壓力角增大到一定的角度時，會使凸輪機(jī)構(gòu)發(fā)生自鎖現(xiàn)象。要使整個凸輪機(jī)構(gòu)正常工作，所以必須規(guī)定壓力角的許用值，許用值的值的大小是隨著凸輪類型的變化而產(chǎn)生變化[17]。

為了使壓力角的值減小，應(yīng)當(dāng)使凸輪的基圓半徑的值增大，只是這樣又會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的體積變大。機(jī)構(gòu)的尺寸特性和傳力特性相互制約，應(yīng)兩者兼顧，在滿足壓力角條件的前提下，基圓半徑取較小值。

4.3 間歇時間部分的設(shè)計

所設(shè)計的是一個凸輪間歇式取苗機(jī)構(gòu)，在移栽苗的這一個周期的時間內(nèi)要完成將苗從穴盤中頂出、抓取和投放這整個動作過程，所以時間的安排尤為重要。在抓取部分被凸輪頂開的這四分之一周期的時間內(nèi)，要將苗從穴盤苗中頂出，所以在這四分之一周期的時間內(nèi)要完成將苗頂出和機(jī)械手有機(jī)架帶動到抓取苗基質(zhì)的位置，其中機(jī)械手的抓取裝置應(yīng)處于張開的最大時刻。

圖9 移栽機(jī)機(jī)械手中抓取裝置（打開時）

隨后間歇輪帶動凸輪轉(zhuǎn)動抓取部分由復(fù)位彈簧的拉力拉緊，從而使抓取部分將苗抓取，在這剩下的3/4周期的時間內(nèi)，抓取部分將苗抓取，再由機(jī)架帶動將機(jī)械手移動到相應(yīng)的位置時，有1個空閑的鴨嘴對應(yīng)，在凸輪轉(zhuǎn)動1個周期回到最頂端時，將抓取部分頂開后接住機(jī)械手投放的苗，隨后再由整個機(jī)架帶動去抓取正在從穴盤苗中被頂出來的苗，在這一段時間內(nèi)，穴盤苗要完成從原來的位置下降一格，并且頂桿要再次將穴盤中的苗頂出的動作過程。完成整個循環(huán)過程的一次循環(huán)。

5 結(jié)論

當(dāng)前大部移栽機(jī)的機(jī)械手主要抓取的對象是穴盤苗的莖稈，但是夾取莖稈會對苗造成一定的損傷，從而降低移栽的質(zhì)量和苗的成活率。

本研究設(shè)計的機(jī)械手主要抓取的對象是穴盤苗的基質(zhì)，這樣可以進(jìn)一步減少移栽過程中對苗所產(chǎn)生的損傷程度，從而保證了一定的移栽質(zhì)量和苗的成活率；使用凸輪和間歇機(jī)構(gòu)在一定程度上保證了機(jī)械手的精度和耐久度；復(fù)位彈簧的選取也尤為重要，將保證其操作的精度和質(zhì)量。

目前新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)所面臨的問題是勞動力的缺失，由于大部分的人從事第二、三產(chǎn)業(yè)，致使從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力不足，再者人工移栽不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且成本也非常大，這樣導(dǎo)致收獲時農(nóng)作物的成熟期不一致，不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械的統(tǒng)一收獲。

本文通過對凸輪間歇式移栽機(jī)械手的設(shè)計，對新疆兵團(tuán)的番茄、辣椒和棉花等經(jīng)濟(jì)作物大面積機(jī)械移栽具有良好的推動作用，并且提高效率，同時對整個新疆的農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的促進(jìn)意義。

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2015—10—09

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校前期資助課題，項(xiàng)目編號：XJAU201409。

*通訊作者：張振國（1986-），男，山東滕州人，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械裝備創(chuàng)新與性能設(shè)計。E-mai：bigbearsun@163.com。