移栽機(jī)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

趙英杰，馬 振，陳 永，周 鵬，羅 昕

(1.重慶三峽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，重慶萬(wàn)州 404000； 2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，鄭州 450046)

0 引言

國(guó)內(nèi)自主研制移栽機(jī)種類眾多，根據(jù)工作情況可分為半自動(dòng)和全自動(dòng)型。目前，新疆團(tuán)場(chǎng)地區(qū)使用的番茄苗移栽機(jī)，大多采用的是首先人工取苗、投苗，然后通過(guò)栽植器進(jìn)行栽植，穴盤苗的放置及穴盤的步進(jìn)動(dòng)作還未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，導(dǎo)致移栽效率低下,難以實(shí)現(xiàn)大田機(jī)械化，制約了新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。因此，實(shí)現(xiàn)送盤動(dòng)作和進(jìn)給動(dòng)作的自動(dòng)化，是我國(guó)移栽機(jī)全自動(dòng)化進(jìn)程中急需解決的問(wèn)題[1-4]。

進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究是實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)全自動(dòng)的關(guān)鍵，其目的是實(shí)現(xiàn)穴盤的不斷進(jìn)給，連續(xù)進(jìn)行取苗。進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精確性直接影響取苗動(dòng)作、栽植動(dòng)作能否順利完成，因此自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究將促進(jìn)移栽機(jī)械化進(jìn)程的加快，進(jìn)而提高作業(yè)效率和降低勞動(dòng)成本[5-8]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于移栽機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的研究還處于初級(jí)階段，番茄移栽大多是由半自動(dòng)化機(jī)械工作，未能實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化。為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種移栽機(jī)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工作原理

根據(jù)移栽機(jī)的工作需求，自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要包括同步帶，以及用于支撐、定位的推桿等。同步帶上膠接有推桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)推桿的作用支撐、定位穴盤。裝載穴盤時(shí)，只需將穴盤放置于穴盤層上，通過(guò)自動(dòng)送盤機(jī)構(gòu)的工作將穴盤自動(dòng)有序送至進(jìn)給機(jī)構(gòu)入口處。當(dāng)穴盤進(jìn)入自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)入口端時(shí)，同步帶代用推桿運(yùn)動(dòng)，本文設(shè)計(jì)了導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)；當(dāng)推桿進(jìn)入穴盤底部?jī)裳ㄖg時(shí)，導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)限制穴盤沿著垂直于穴盤平面的方向竄動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確楔入推桿。

1.2 結(jié)構(gòu)布局

如圖1所示：該裝置的結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、同步帶、推桿、導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸及支撐梁組成。

1.軸承座 2.推桿 3.從動(dòng)軸 4.主動(dòng)軸 5.支撐梁B 6.導(dǎo)槽 7.底盤 8.穴盤 9.同步帶 10.膠接套 11.支撐梁A

2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

2.1 同步帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)同步帶類型選擇。本文選用弧形齒同步帶，其傳遞功率大，并可以防止干涉。此外，弧齒同步帶耐磨性能好，不需潤(rùn)滑，適合于農(nóng)業(yè)機(jī)械。因此，本設(shè)計(jì)選用弧形齒同步帶。

根據(jù)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，用于支撐、固定的推桿需要固定在同步帶上，采用膠結(jié)的方式進(jìn)行固定；在滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的前提下，需使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，因此選用型號(hào)為8M的同步帶，即該同步帶的節(jié)距為8mm,所選型號(hào)為HTD8mm。

2)帶輪的選擇。根據(jù)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，穴盤裝載于導(dǎo)槽內(nèi)，并通過(guò)膠結(jié)在同步帶上的推桿進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。設(shè)同步帶輪的直徑為D，帶輪軸的直徑為d，該種結(jié)構(gòu)布局不存在帶輪軸與穴盤的干涉現(xiàn)象,故帶輪的直徑D不受穴盤缽苗底部到同步帶邊緣以及到同步帶軸的影響。在設(shè)計(jì)中，帶輪軸的直徑d=30mm，選擇D>100mm，確定選用40-8M型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)帶輪。

3)同步帶的設(shè)計(jì)。同步帶的布局如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)穴盤自動(dòng)連續(xù)工作，在同步帶的緊邊上至少設(shè)計(jì)2個(gè)裝載穴盤的工位，穴盤位于導(dǎo)槽內(nèi)，沿著進(jìn)給方向輸送；同時(shí)，考慮帶還有其他因素影響穴盤的進(jìn)給動(dòng)作，進(jìn)給同步帶的中心距先設(shè)置為900mm，可得同步帶的周長(zhǎng)大小為

式中l(wèi)0—同步帶的周長(zhǎng)；

a0—同步帶中心距；

D1—小帶輪節(jié)圓直徑 ；

D2—大帶輪節(jié)圓直徑。

圖2 同步帶分布圖

大、小帶輪節(jié)圓直徑D1=101.86mm、D2=101.86mm，中心距a0=900mm，可得l0=2 119.84mm。因此，選擇lp=2 120mm，齒數(shù)為265齒，即同步帶型號(hào)為2120-8M。

2.2 穴盤定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在穴盤定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中，采用2條平行的同步帶上膠結(jié)推桿，用于支撐、定位穴盤，每個(gè)穴盤上與3個(gè)推桿相接,通過(guò)推桿定位、支撐及導(dǎo)槽的位置控制，使穴盤準(zhǔn)確固定于同步帶上，如圖3所示。

圖3 穴盤定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)布局圖

本設(shè)計(jì)方案中，由于穴盤底部的排水孔直徑為7.0mm，為了頂出缽苗，不出現(xiàn)頂偏現(xiàn)象，要求穴盤的進(jìn)給動(dòng)作誤差要小，即穴盤的定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)要精準(zhǔn)。穴盤的定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使用3個(gè)雙幾字形的推桿，從穴盤的下方與穴孔的側(cè)壁接觸托起穴盤。推桿的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 推桿結(jié)構(gòu)模型

設(shè)計(jì)中，為了控制穴盤橫向竄動(dòng)，將穴盤置于導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)中，穴盤的短邊C面與導(dǎo)槽的內(nèi)側(cè)D面平行，導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)的底盤為工字形結(jié)構(gòu)，推桿的頂端A面從下往上穿過(guò)工字形結(jié)構(gòu)的鏤空區(qū)域與穴盤下方的側(cè)壁B面接觸，B面的對(duì)稱面也與推桿A面接觸，即推桿A面位于穴盤兩排穴缽中間，對(duì)穴盤起到縱向定位支撐作用，導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)的兩端及中間部分對(duì)穴盤起到橫向定位支撐作用。穴盤模型如圖5所示；導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖5 穴盤模型

圖6 導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型

2.3 進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)選型

工作時(shí)，進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載主要是裝載在同步帶上的穴盤沿斜面向下的分力與啟動(dòng)及停止時(shí)的慣性力的合力產(chǎn)生的扭矩。因?yàn)楸咀詣?dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)給速度小，所以可以忽略不計(jì)慣性力。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)給同步帶與鉛垂方向呈大約為10°的夾角，其受力分析如圖7所示。

圖7 受力分析

穴盤自動(dòng)進(jìn)給過(guò)程中，按穴盤裝載數(shù)為n2=2盤計(jì)算，單株缽苗質(zhì)量m=0.05kg，單盤有n1=128株缽苗，同步帶傾角為10°，則

fp=mgn1n2cosa=118.9N

裝有缽苗的穴盤重力產(chǎn)生的阻力矩為

Mf=fp·D/2=6.06N·m

本文設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案中，進(jìn)給動(dòng)作是間歇式運(yùn)動(dòng)，每次進(jìn)給同步帶向下移動(dòng)32mm(兩橫向穴盤孔中心間距)，栽植速度設(shè)定為120株/min，通過(guò)氣嘴吹相鄰兩排缽苗的吹出時(shí)間間隔控制在6s內(nèi)。當(dāng)缽苗被吹出時(shí)，氣嘴頭部從穴盤孔中心穿過(guò)，只有當(dāng)氣嘴頭部退回時(shí)，才能進(jìn)行下一次進(jìn)給動(dòng)作，所以氣嘴頭部頂出和退回原點(diǎn)的時(shí)間與送盤時(shí)間總和應(yīng)在6s之內(nèi)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，氣嘴頭部頂出至退回的最長(zhǎng)時(shí)間為3s，設(shè)定其他影響因素的時(shí)間為1s，在2s內(nèi)完成穴盤步進(jìn)32mm的位移即可滿足工作要求，此時(shí)進(jìn)給線速度不超過(guò)20mm/s。

在滿足需要的基礎(chǔ)上考慮成本，本系統(tǒng)選用電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為：86BYG350CH-SAKSML-0301。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)中為了測(cè)量自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的步進(jìn)精度，在穴盤的前方固定一個(gè)方形定位塊并與底盤垂直，采用激光位移傳感器通過(guò)檢測(cè)方形定位塊與激光位移傳感器之間的位移變化即可得到穴盤進(jìn)給的實(shí)際距離，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算可得穴盤定位的精準(zhǔn)率。

其誤差測(cè)量的公式為

式中Bp—穴盤進(jìn)給定位精準(zhǔn)率；

L—位移測(cè)量值；

L0—位移理論值。

1)試驗(yàn)方案。在試驗(yàn)中，共計(jì)裝載4次穴盤，每個(gè)穴盤有8排穴孔，設(shè)定第1排穴盤位于起始位置，穴盤每進(jìn)給1個(gè)固定距離(32mm)，激光位移傳感器就得到1個(gè)測(cè)量的數(shù)據(jù)，每個(gè)穴盤向下做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)7次，每次可得一個(gè)測(cè)量值，每個(gè)穴盤共計(jì)測(cè)試7次，因此本試驗(yàn)共需測(cè)量28次?，F(xiàn)對(duì)試驗(yàn)中涉及到的參數(shù)作如下定義：

L0為理論值(mm)；L為實(shí)際測(cè)量值(mm)； ΔL為步進(jìn)動(dòng)作累積誤差值(mm)，ΔL=L-L0，ΔL即為穴盤進(jìn)給的累積誤差值； Δp為同步帶進(jìn)給精度(mm)。Bp為穴盤進(jìn)給定位精準(zhǔn)率(%)。

2)試驗(yàn)結(jié)果與分析。穴盤進(jìn)給精準(zhǔn)率的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

表1 穴盤進(jìn)給精準(zhǔn)率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由表1可以得出：ΔL的最大值為0.33mm，穴盤進(jìn)給同步帶進(jìn)給固定距離產(chǎn)生的誤差Δp的最大值為0.28mm，進(jìn)給機(jī)構(gòu)穴盤進(jìn)給的精準(zhǔn)率為99.53%。

本文中，穴盤允許的誤差最大為0.5mm，本次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中，最大累積誤差在誤差允許范圍內(nèi)，穴盤進(jìn)給定位的精準(zhǔn)率滿足設(shè)計(jì)要求。

穴盤進(jìn)給Δp的最大值是0.28mm,在誤差允許范圍內(nèi)，是由于本文中的機(jī)構(gòu)采用了步進(jìn)電機(jī)與同步帶的組合方式，同時(shí)步進(jìn)的距離通過(guò)光電傳感器控制，精度高，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的合理性。

4 結(jié)論

1)介紹了移栽機(jī)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的工作原理以及結(jié)構(gòu)布局，完成了進(jìn)給機(jī)構(gòu)的輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證工作過(guò)程中穴盤進(jìn)給的精準(zhǔn)性。

2)設(shè)計(jì)了自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)方案，針對(duì)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的穴盤進(jìn)給精準(zhǔn)率這兩部分進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)表明：自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位精準(zhǔn)率可達(dá)到99%以上，精度高，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

本次設(shè)計(jì)的移栽機(jī)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，具有新穎性，通過(guò)自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)，找出了影響試驗(yàn)性能的不利因素，為提高移栽機(jī)自動(dòng)化性能提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡潔，蒲春玲．兵團(tuán)番茄產(chǎn)業(yè)化發(fā)展問(wèn)題思考[J]．新疆農(nóng)墾經(jīng)濟(jì)，2010(1)：52-56．

[2] Shaw LN. Automatic transplanter for vegetable [J]．Proc．Fla．State Hort．Soc，1997，110：262 -263．

[3] 馬振，胡斌，李俊虹. 移栽機(jī)自動(dòng)化送盤裝置的關(guān)鍵部件及送盤方法的設(shè)計(jì)分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(1):68-71.

[4] 劉磊，陳永成，張茜．兵團(tuán)移栽技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展概況[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(9)：240-243．

[5] 陳風(fēng)．旱地移栽機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2005(3)：24-26．

[6] 徐玉娟，吳明亮，向偉. 穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)送盤裝置現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)工程,2015(3):5-8.

[7] 吳儉敏，顏華，金鑫等. 移栽機(jī)送盤裝置與定位控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(S1):14-18.

[8] 宋小雨，張晉國(guó)，王學(xué)良等.玉米移栽機(jī)自動(dòng)送苗裝置的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35( 2) : 85-88．

[9] 裘利鋼,俞高紅. 蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)送苗裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29( 5) : 683-687．

[10] 符美軍，全臘珍，熊耐新等.棉花裸苗移栽機(jī)自動(dòng)送苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版. 2012，38(4) : 451-454．

[11] 楊傳華. 蔬菜穴盤缽苗自動(dòng)輸送技術(shù)與機(jī)構(gòu)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2014.

[12] 田素博，王榮華，邱立春.溫室穴盤苗自動(dòng)移栽輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40( 5) : 620-622．

[13] 馬振,胡斌,馬亞朋.移栽機(jī)穴盤苗定位取苗裝置的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(10):79-82.