全自動(dòng)移栽機(jī)送取分裝置空間協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

徐 飛 ，毛罕平，胡建平，韓綠化

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

移栽可使得蔬菜有效避開育苗期凍害、干旱等自然災(zāi)害，并充分利用光熱資源，具有對(duì)氣候補(bǔ)償和幫助作物提早成熟及增產(chǎn)的作用。近年來(lái)，隨著全自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展，移栽帶來(lái)的巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益日益突出[1-2]。目前，我國(guó)全自動(dòng)移栽多為自主研制的移栽樣機(jī)和根據(jù)國(guó)外移栽方案改進(jìn)設(shè)計(jì)的移栽樣機(jī)，大部分全自動(dòng)移栽機(jī)都還不成熟，仍存在這樣或那樣一些問(wèn)題。其中，一部分主要體現(xiàn)為移栽各環(huán)節(jié)空間關(guān)系不協(xié)調(diào)造成的各移栽環(huán)節(jié)移栽成功率低，從而導(dǎo)致整體移栽質(zhì)量差，不能投入生產(chǎn)供廣大農(nóng)戶使用[3-6]；而要保證移栽各環(huán)節(jié)的移栽成功率，關(guān)鍵是如何找出影響相互接觸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵因素，并確定其最佳值。

針對(duì)本課題組研制的乘坐式全自動(dòng)移栽機(jī)的送苗、取苗、分苗3個(gè)關(guān)鍵移栽環(huán)節(jié)進(jìn)行空間關(guān)系協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。通過(guò)分析找出影響取苗及投苗成功率的關(guān)鍵影響因素，并通過(guò)試驗(yàn)的方法確定關(guān)鍵影響因素在最佳移栽成功下的最佳值，從而實(shí)現(xiàn)移栽送取分環(huán)節(jié)間的空間關(guān)系協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，保證本乘坐式全自動(dòng)移栽機(jī)的移栽質(zhì)量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

乘坐式全自動(dòng)移栽機(jī)主要由動(dòng)力底盤、送苗裝置、取苗裝置、分苗裝置、導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)、栽植裝置、覆土裝置、升降機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和氣源裝置等功能部件組成，如圖1所示。

1.動(dòng)力底盤 2.送苗裝置 3.取苗裝置 4.分苗裝置 5.導(dǎo)苗機(jī)構(gòu) 6.栽植裝置 7.覆土裝置 8.升降機(jī)構(gòu) 9.控制系統(tǒng) 10.氣源裝置

1.2 工作原理

移栽作業(yè)時(shí)，放秧人員將穴盤苗放置在送苗裝置上，啟動(dòng)車載觸摸屏，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)控制送苗裝置上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)苗盤至指定取苗位置；取苗裝置會(huì)沿固定滑槽軌跡運(yùn)動(dòng)至指定取苗位置，在此過(guò)程中，取苗爪會(huì)按設(shè)定的時(shí)序動(dòng)作取出缽苗，并沿著滑槽軌跡返回分苗裝置上方準(zhǔn)備投苗；當(dāng)分苗裝置上的傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，反饋信息，此時(shí)第1個(gè)取苗爪開始投苗，并依此間隔投苗，直至6個(gè)取苗爪全部投完；落入苗杯中的穴盤苗在輸送鏈的輸送下，旋轉(zhuǎn)至導(dǎo)苗筒上方，此時(shí)苗杯底蓋打開，穴盤苗落入導(dǎo)苗筒中，經(jīng)導(dǎo)苗筒喂入栽植器中，由栽植裝置完成栽植工作，并經(jīng)覆土和鎮(zhèn)壓，依次重復(fù)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)兩行穴盤苗的送苗、取苗、分苗、導(dǎo)苗和栽植的連續(xù)作業(yè)過(guò)程。

2 送取分裝置空間關(guān)系協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

2.1 空間協(xié)調(diào)基本要求

1)根據(jù)送苗裝置與取苗裝置的工作原理關(guān)系，本文認(rèn)為兩者空間協(xié)調(diào)配合應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求：

(1)取苗時(shí)，取苗爪應(yīng)處于被取缽苗穴孔的中心位置，與穴孔邊緣上下居中，左右居中[8]，避免取苗時(shí)，取苗爪因靠近穴孔一側(cè)造成缽體損傷而降低取苗質(zhì)量。

(2)取苗工作過(guò)程中，取苗爪應(yīng)垂直插入被取缽苗孔穴中，避免取苗時(shí)，取苗爪因傾斜插入穴孔增大缽體損傷或者扎破穴盤。

(3)取苗爪應(yīng)能插入理想的夾苗深度以確保取苗成功率[8]。因?yàn)?，取苗時(shí)，取苗爪插入缽體過(guò)淺，會(huì)因夾取力小于脫盤力而造成缽苗損傷；取苗爪插入缽體過(guò)深，則會(huì)因缽體下端體積小而造成缽體下端在取苗爪夾持力下基質(zhì)松散或扎到穴盤。

(4)取苗爪取出缽苗后，帶苗至投苗位置這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，缽苗不能與其他部件發(fā)生碰撞，以免造成缽苗損傷。

2)根據(jù)取苗裝置與分苗裝置的工作原理關(guān)系，本文認(rèn)為兩者空間協(xié)調(diào)配合應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)基本要求：

(1)取苗機(jī)構(gòu)投苗時(shí)，為保證缽苗精準(zhǔn)落入分苗杯中，取苗爪應(yīng)垂直于分苗杯口以保證苗順利落入苗杯中，且前后居中；

(2)取苗機(jī)構(gòu)投苗時(shí)，取苗爪與分苗杯口之間應(yīng)有足夠的高度空間供取苗爪推苗，以免缽體底部與杯體碰撞，造成缽苗損傷；

(3)取苗裝置應(yīng)與分苗裝置前后應(yīng)有足夠的空間供分苗機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，以免分苗杯開合板與取苗裝置發(fā)生干涉。

2.2 空間關(guān)系分析

根據(jù)送苗、取苗、分苗裝置相互間的空間關(guān)系基本要求，合理調(diào)整送苗、取苗、分苗3裝置的相對(duì)空間位置關(guān)系，如圖2所示。

1.送盤機(jī)構(gòu) 2.取苗機(jī)構(gòu) 3.分苗杯 4.取苗爪推苗環(huán)

Fig.2 Spatial coordination diagram of plug conveyor，taking seeding mechanism and seedlings separation mechanism

圖2中：Ⅰ和Ⅱ?yàn)榫植糠糯髨D，b1為取苗爪推苗環(huán)下平面距取苗爪末端的垂直距離，b2為取苗爪末端距被取缽苗底部的垂直距離，b3為推苗環(huán)距被取缽苗底部的垂直距離，b4為被取缽苗底部距分苗杯上平面的垂直距離；c1為取苗裝置轉(zhuǎn)動(dòng)中心距取苗爪末端的垂直距離，c2為取苗爪末端距取苗點(diǎn)A的垂直距離，c3為取苗裝置轉(zhuǎn)動(dòng)中心距分苗杯中心的垂直距離，c4為取苗點(diǎn)A距分苗杯中心的垂直距離；d1為取苗裝置轉(zhuǎn)動(dòng)中心距安裝平臺(tái)的高度，d2為取苗爪末端距取苗裝置旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離，d3為分苗杯高度，d4為取苗爪取苗時(shí)，取苗末端距取苗裝置轉(zhuǎn)動(dòng)中心的垂直高度，d5為取苗爪取苗時(shí)，取苗末端距送苗裝置取苗點(diǎn)A的垂直高度，d6為送苗裝置取苗點(diǎn)A距安裝平臺(tái)的高度。

送苗裝置、取苗裝置和分苗裝置要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)配合應(yīng)滿足以下空間關(guān)系，即

d1=d3+b4-d2

(1)

c4=c1+c2+c3

(2)

d6=d1+d4-d5

(3)

由上式可知：d1在d3和d2高度不變時(shí)，其主要受b4的影響。理論上b4為取苗爪末端距缽體底面的距離，但實(shí)際上取苗爪夾取缽苗后，會(huì)因缽苗盤根性和重力問(wèn)題產(chǎn)生下滑，所以b4應(yīng)大于其理論值。因此，為保證取苗裝置與分苗裝置的空間關(guān)系協(xié)調(diào)是在最佳投苗成功率下，應(yīng)合理確定b4的高度。

由上式可知：在取苗裝置的旋轉(zhuǎn)中心距安裝平臺(tái)的高度d1確定的情況下，取苗爪取苗時(shí)，在d4不變的情況下，d6的高度主要受d5的影響；c1和c3的數(shù)值不變時(shí)，c4主要受c2的影響；而d5、c2的數(shù)值大小主要受取苗爪取苗時(shí)的取苗深度影響。因此，為保證送苗裝置與取苗裝置的空間關(guān)系協(xié)調(diào)是在最佳取苗成功率下，應(yīng)合理確定取苗深度的大小。

3 取苗深度和投苗高度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

3.1.1 試驗(yàn)條件

為確定在最佳取苗成功率和投苗成功率下送苗裝置、取苗裝置和分苗裝置的空間協(xié)調(diào)關(guān)系，以苗齡在20天左右、含水率在60%左右、整體生長(zhǎng)情況較好，以及無(wú)倒伏和缺苗現(xiàn)象的黃瓜苗為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行取苗深度試驗(yàn)和投苗高度試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，取苗頻率均在120株/min。

本課題組研制的乘坐式全自動(dòng)移栽機(jī)同時(shí)適應(yīng)128孔(8×16)和72孔(6×12)兩種規(guī)格穴盤苗，兩種穴盤規(guī)格參數(shù)如表1所示。故針對(duì)128孔和72孔兩種穴盤苗進(jìn)行不同夾取深度取苗試驗(yàn)，以確定最佳取苗成功率下的取苗深度大小，為送苗裝置與取苗裝置的空間關(guān)系協(xié)調(diào)提供參數(shù)依據(jù)。但因72孔穴盤苗缽體高度及體積均大于128孔穴盤缽苗，生長(zhǎng)周期同為20天的72孔穴黃瓜苗盤根包絡(luò)性相對(duì)較差，故投苗高度試驗(yàn)以72孔穴盤苗為試驗(yàn)對(duì)象。

表1 分體式小麥免耕播種機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果

3.1.2 試驗(yàn)方法

1)取苗深度試驗(yàn)方法。在進(jìn)行缽苗夾取深度試驗(yàn)時(shí)，為保證取苗成功率，參考兩種規(guī)格穴盤高度h，這里選取25、30、35mm3個(gè)夾取深度進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取苗64株，用數(shù)碼相機(jī)記錄試驗(yàn)情況，以取苗失敗率S1、傷苗率S2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-10]，取苗成功率公式表示為

(4)

(5)

S=1-S1-S2

(6)

其中，N為取苗總數(shù)；N1為未取出缽苗個(gè)數(shù)；N2為取苗機(jī)構(gòu)取出的缽苗苗斷折斷及缽體破損過(guò)半的個(gè)數(shù)；S位取苗成功率。

2)投苗高度試驗(yàn)方法。為確定乘坐式全自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的投苗點(diǎn)高度b4以保證投苗成功率，這里應(yīng)用高速攝像儀對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架取苗爪以最佳取苗深度30mm夾取缽苗時(shí)，對(duì)其缽苗待投位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定最佳投苗點(diǎn)高度。

試驗(yàn)開始后，用高速攝像(高速圖像采集系統(tǒng)OLYMPUS)監(jiān)拍一盤缽苗，用ispeed軟件處理已經(jīng)用高速攝像儀得到的hsv格式的文件，并進(jìn)行標(biāo)定(這里的像素值標(biāo)定在624.7pixel/mm)處理；這里用取苗爪氣缸寬度來(lái)標(biāo)定比例(實(shí)物與圖片中的尺寸比例)，取苗爪氣缸實(shí)際尺寸W0=32mm。如圖3所示：取苗爪氣缸寬度W1=4.23mm，并在高速攝影圖像中測(cè)量每個(gè)缽苗推苗環(huán)距缽體底部的高度b5。

則實(shí)物取苗爪氣缸寬度W0與圖片中寬度尺寸W1比例λ為

(7)

圖3 標(biāo)定測(cè)量圖

由圖2知：取苗爪推苗環(huán)下平面距取苗爪末端的垂直距離b1與推苗環(huán)距被取缽苗底部的垂直距離b3和取苗爪末端距被取缽苗底部的垂直距離b2存在以下關(guān)系，即

b2=b3-b1

(8)

根據(jù)高速攝影圖像中測(cè)量的缽苗推苗環(huán)距缽體底部的高度b5和式(4)得到的參數(shù)λ知，實(shí)際中缽苗底部距取苗爪末端距離b2應(yīng)為

b2=b5×λ-b1

(9)

其中，取苗爪推苗環(huán)下平面距取苗爪末端的垂直距離b1，由穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)氣動(dòng)取苗裝置可知, 取b1=45mm[11]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 取苗深度試驗(yàn)結(jié)果與分析

查看數(shù)碼像機(jī)取苗質(zhì)量，并統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，取苗深度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同取苗深度下取苗試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)不同夾苗深度下取苗爪對(duì)72孔穴盤進(jìn)行取苗時(shí)，取苗深度為30mm和35mm兩種取苗成功率較高且比較接近，造成這種現(xiàn)象的原因：取苗深度為30mm和35mm時(shí)，夾持針夾持部分占缽體高度比重大，且距穴孔底部距離相對(duì)遠(yuǎn)，缽體容易取出。而128孔穴盤與72孔穴盤相比，較突出的是當(dāng)夾持深度為35mm時(shí)，取苗成功率相對(duì)夾持深度為30mm時(shí)的取苗成功率相差比較明顯，造成這種現(xiàn)象的原因是：夾持針距離穴孔底部較近，且128穴孔底面積較小，容易造成缽體損傷。綜合對(duì)比兩種穴盤在不同夾持深度下的取苗成功率，128孔穴盤取苗成功率相比72孔穴盤取苗成功率偏高，主要原因是本取苗機(jī)構(gòu)夾持針角度是以128孔穴盤苗為參考對(duì)象設(shè)計(jì)的；另外，相同天數(shù)的缽苗，72孔穴盤穴孔大，則盤根性相對(duì)較差等。因此，綜合考慮兩種穴盤的取苗成功率，取苗爪夾取深度選定為30mm。

3.2.2 投苗高度試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表1可知：72孔穴盤孔深為45mm，在最佳取苗深度30mm下，缽苗底部距取苗爪末端距離b2理論值為15mm，故對(duì)缽苗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，為方便分析，這里僅列出取苗爪末端與缽苗底部距離b2大于15mm的缽苗的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

綜合圖4可知：取苗爪末端距被取缽苗底部的垂直距離b2因缽苗盤根性和重力問(wèn)題產(chǎn)生的最大下滑垂直距離為29.7mm，為保證缽苗等待投苗時(shí)，分苗杯不碰撞到缽苗，b4應(yīng)適當(dāng)大于b2，故這里將取苗爪末端與分苗杯上平面的垂直距離b4，即投苗高度定為35mm。

圖4 取苗爪末端與缽苗底部距離變化范圍

4 結(jié)論

1)對(duì)乘坐式全自動(dòng)移栽機(jī)的送、取、分裝置間的空間關(guān)系協(xié)調(diào)配合進(jìn)行了分析，確定了取苗深度和投苗高度是分別影響送取環(huán)節(jié)和取分環(huán)節(jié)空間協(xié)調(diào)的關(guān)鍵影響因素，可為提高送、取、分裝置的移栽成功率提供參數(shù)依據(jù)。

2)對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)的送、取、分裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在取苗時(shí)缽苗夾取深度為30mm時(shí)，送苗裝置與取苗裝置可進(jìn)行空間協(xié)調(diào)配合；投苗高度為35mm時(shí)，取苗裝置與分苗裝置進(jìn)行空間協(xié)調(diào)配合。