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    行星輪栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試驗

    2018-12-04 09:03:30胡建平張晨迪張思偉費(fèi)衛(wèi)征潘浩然
    關(guān)鍵詞:穴盤苗鴨嘴坐標(biāo)值

    胡建平 潘 杰 張晨迪 張思偉 費(fèi)衛(wèi)征 潘浩然

    (江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室, 鎮(zhèn)江 212013)

    0 引言

    蔬菜生產(chǎn)是一項勞動密集型產(chǎn)業(yè),人工勞動強(qiáng)度大,制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。蔬菜育苗移栽是蔬菜生產(chǎn)的主要方式,實現(xiàn)蔬菜自動化移栽已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需求和未來發(fā)展的必然趨勢[1-2]。栽植機(jī)構(gòu)是自動移栽機(jī)的核心工作部件之一,不論是由人工將苗缽?fù)度朐灾沧爝M(jìn)行移栽作業(yè)的半自動移栽機(jī)械,還是能同時自動完成取苗和植苗動作的全自動移栽機(jī)械,均需要一套栽植機(jī)構(gòu)來完成最終的植苗動作。作為將穴盤苗植入大田的直接作業(yè)機(jī)構(gòu),栽植機(jī)構(gòu)的性能直接決定著穴盤苗的移栽立苗率和移栽機(jī)整機(jī)性能[3-4]。

    常見的栽植機(jī)構(gòu)有鉗夾式、撓性圓盤式、導(dǎo)苗管式、吊籃式、鴨嘴式等。鉗夾式、撓性圓盤式、導(dǎo)苗管式需配合開溝器使用,與我國蔬菜起壟種植的農(nóng)藝要求不符[5]。吊籃式和鴨嘴式可直接進(jìn)行壟上打穴移栽,但吊籃式栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,多用于國外大型農(nóng)場[6]。

    日本的洋馬公司最早研制出行星輪-滑道式栽植機(jī)構(gòu),作業(yè)時鴨嘴在行星輪系和滑道的共同作用下,按照設(shè)計的軌跡和姿態(tài)打穴移栽,將缽苗植入土中。該栽植機(jī)構(gòu)受滑道限制,只能安裝一個栽植器,且行星輪的轉(zhuǎn)速不能過快,限制了該栽植機(jī)構(gòu)的作業(yè)效率[7]。胡建平等[8-9]提出一種行星輪多轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu),以行星輪單轉(zhuǎn)臂為對象,仿真分析了在不同特征參數(shù)λ下的前、后鴨嘴末端運(yùn)動軌跡及缽苗栽植狀態(tài),得到了缽苗直立度較好的λ值,但未對栽植機(jī)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。金鑫等[10]以缽苗栽植過程中位于栽植器內(nèi)的運(yùn)動階段為優(yōu)化目標(biāo),對缽苗運(yùn)動過程動力學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化,得出了栽植器最佳初始位置及結(jié)構(gòu)參數(shù),但未對栽植軌跡進(jìn)行優(yōu)化。俞高紅等[11]設(shè)計了行星輪系旋轉(zhuǎn)式栽植機(jī)構(gòu),構(gòu)建了一種能夠滿足大株距移栽作業(yè)軌跡的非圓齒輪傳動比函數(shù),通過人機(jī)交互方法優(yōu)化出一組符合要求的較優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù),但其僅針對單一株距。

    針對不同作物移栽時的不同株距問題,本文在前期研究基礎(chǔ)上,以行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)為研究對象,建立栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型。通過對栽植機(jī)構(gòu)前后栽植點(diǎn)軌跡的理論研究,由計算機(jī)輔助分析進(jìn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,得出一組能夠適用于自走式多行移栽機(jī)、滿足多株距移栽要求的栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)。并進(jìn)行田間植苗驗證試驗,以改善行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)栽植性能,提高其適用性及通用性。

    1 移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

    圖1 栽植部件傳動方案Fig.1 Transmission method of planting device1.栽植單體 2.鏈傳動機(jī)構(gòu) 3.T型減速機(jī) 4.底盤動力輸出軸 5.液壓提升裝置 6.底盤架 7.栽植支架

    自走式移栽機(jī)行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)的動力傳輸如圖1所示。主要由底盤動力輸出軸、T型減速機(jī)、鏈傳動機(jī)構(gòu)等組成;作業(yè)時,栽植機(jī)構(gòu)隨移栽機(jī)整體向前運(yùn)動,底盤發(fā)動機(jī)動力由動力輸出軸經(jīng)T型減速機(jī)由鏈傳動機(jī)構(gòu)傳遞至栽植單體帶動栽植機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動,帶動栽植鴨嘴在土里打穴移栽,將穴盤苗植入田中。

    每組栽植單體可實現(xiàn)兩行蔬菜移栽,通過組合栽植單體可實現(xiàn)多行作業(yè);底盤液壓提升裝置可以實現(xiàn)栽植部件升降,可根據(jù)壟高調(diào)節(jié)栽植部件整體高度以保證移栽深度,使移栽機(jī)能夠適應(yīng)不同壟高及平地移栽。

    行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由行星輪轉(zhuǎn)臂平動機(jī)構(gòu)和鴨嘴開合機(jī)構(gòu)2部分組成。行星輪轉(zhuǎn)臂平動機(jī)構(gòu)主要包括行星輪驅(qū)動部件、行星架和栽植臂,其中行星輪驅(qū)動部件由一個中心輪、兩組對稱的惰輪和行星輪組成;鴨嘴開合機(jī)構(gòu)主要包括鴨嘴式栽植器、凸輪、頂桿、滑槽、后轉(zhuǎn)板和前轉(zhuǎn)板,其中鴨嘴式栽植器由前鴨嘴、后鴨嘴、前鴨嘴固定板、后鴨嘴固定板、接苗斗和拉簧組成。

    圖2 栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of planting mechanism1.前轉(zhuǎn)板 2.后轉(zhuǎn)板 3.頂桿 4.滑槽 5.行星輪 6.惰輪 7.中心輪 8.拉簧 9.接苗斗 10.行星架 11.凸輪 12.栽植臂 13.后鴨嘴固定板 14.前鴨嘴固定板 15.前鴨嘴 16.后鴨嘴 17.中心輪軸 18.固定架

    圖3 栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)過程Fig.3 Working process of planting mechanism

    作業(yè)時,栽植機(jī)構(gòu)隨移栽機(jī)整體向前運(yùn)動,底盤動力經(jīng)分動箱由鏈傳動傳遞至從動鏈輪的中心輪軸帶動行星架轉(zhuǎn)動,帶動惰輪和行星輪嚙合轉(zhuǎn)動,惰輪與中心輪軸同向轉(zhuǎn)動,行星輪反向轉(zhuǎn)動。作業(yè)過程如圖3所示,由于齒輪嚙合作用,行星輪帶動安裝在其轉(zhuǎn)軸上的栽植臂一起繞中心輪中心轉(zhuǎn)動,且栽植臂始終保持水平;行星架帶動凸輪繞其旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動,與頂桿擠壓碰撞推動頂桿按一定運(yùn)動規(guī)律移動,進(jìn)而推動后轉(zhuǎn)板帶動后鴨嘴轉(zhuǎn)動,后轉(zhuǎn)板推動前轉(zhuǎn)板帶動前鴨嘴轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)鴨嘴的打開動作,且鴨嘴打開時,前后鴨嘴末端應(yīng)位于同一水平線,拉簧的彈力保證頂桿和凸輪始終接觸,實現(xiàn)鴨嘴的閉合回位。如此循環(huán)動作,實現(xiàn)鴨嘴的循環(huán)開合,完成鴨嘴栽植器打穴、移栽作業(yè)。

    2 行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型

    2.1 理論模型

    由于栽植機(jī)構(gòu)兩組轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動規(guī)律相同,因此取其中一組轉(zhuǎn)臂進(jìn)行建模分析。由栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理可知,其由行星輪轉(zhuǎn)臂平動機(jī)構(gòu)和鴨嘴開合機(jī)構(gòu)兩部分組成,其機(jī)構(gòu)簡圖如圖4所示。

    圖4 栽植機(jī)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematics of planting mechanism

    圖4a為行星輪轉(zhuǎn)臂平動機(jī)構(gòu)簡圖,A為以中心輪中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系,其固連在固定架上,隨底盤向前運(yùn)動;B為以行星輪中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系,其整體繞A旋轉(zhuǎn),行星架AB為原動件。圖4b為鴨嘴開合機(jī)構(gòu)簡圖,即B坐標(biāo)系圖,凸輪固接于行星架上隨其轉(zhuǎn)動;C點(diǎn)為后鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心,D點(diǎn)為前鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心;E、F為前、后兩轉(zhuǎn)板鉸接點(diǎn)位置,將其與后鴨嘴轉(zhuǎn)軸C點(diǎn)間關(guān)系簡化為桿CE、CF,P、Q為前后鴨嘴栽植點(diǎn)[12-13]。

    當(dāng)移栽機(jī)向前行駛時,底盤動力由鏈傳動帶動行星架AB順時針轉(zhuǎn)動,帶動鴨嘴開合機(jī)構(gòu)即B坐標(biāo)系整體繞A坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動;凸輪隨行星架AB轉(zhuǎn)動角度φ后產(chǎn)生推程推動頂桿FG平動,從而推動后鴨嘴部件ECFQ繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動,進(jìn)而在E點(diǎn)滑槽作用下帶動前鴨嘴部件EDP繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動,使前后鴨嘴兩栽植點(diǎn)P、Q作開合運(yùn)動,完成栽植動作。

    2.2 運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

    如圖4,以中心輪中心為原點(diǎn)建立A坐標(biāo)系,以行星輪中心為原點(diǎn)建立B坐標(biāo)系,移栽機(jī)前進(jìn)方向與x軸正向相同。令xB表示參數(shù)在B坐標(biāo)系中的x方向分量表達(dá)式,yB表示參數(shù)在B坐標(biāo)系中的y方向分量表達(dá)式,通過建立栽植器前后鴨嘴栽植點(diǎn)P、Q運(yùn)動數(shù)學(xué)模型,來優(yōu)化栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在B坐標(biāo)系中,當(dāng)前后鴨嘴CQ、DP位于初始位置時,Q、P重合,可求得

    (1)

    式中θo1——初始位置后鴨嘴CQ與豎直線夾角,(°)

    θo2——初始位置前鴨嘴DP與豎直線夾角,(°)

    xBH——前后鴨嘴閉合時的重合點(diǎn)H位于xB軸上的坐標(biāo)值

    xBC——C點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

    xBD——D點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

    L4——后鴨嘴末端點(diǎn)至后鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心的距離,mm

    L5——前鴨嘴末端點(diǎn)至前鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心的距離,mm

    為使栽植點(diǎn)位于栽植器中間,則XBH為XBCXBD中點(diǎn),可求得

    (2)

    可求得

    (3)

    當(dāng)行星架AB轉(zhuǎn)動使凸輪頂桿推動ECFQ轉(zhuǎn)動θ1角至E′CF′Q′位置、EDP轉(zhuǎn)動θ2角至E′DP′位置時,由

    (4)

    式中α——初始位置CF與水平線夾角,(°)

    s(φ)——滾子G的運(yùn)動規(guī)律與某時刻行星架轉(zhuǎn)過的角位移φ的關(guān)系函數(shù)

    L1——FG的長度,mm

    L2——CF的長度,mm

    可求得

    (5)

    由LCE=LCE′=L3(LCE、LCE′表示CE、CE′的長度),可求得

    (6)

    式中LEE′——EE′的長度,mm

    E點(diǎn)的位移坐標(biāo)方程為

    (7)

    式中xBE——E點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

    yBE——E點(diǎn)位于yB軸上的坐標(biāo)值

    β——初始位置CE與水平線夾角,(°)

    E′點(diǎn)的位移坐標(biāo)方程為

    (8)

    式中xBE′——E′點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

    yBE′——E′點(diǎn)位于yB軸上的坐標(biāo)值

    由式(7)、(8)可求得EE′的長度,由D點(diǎn)坐標(biāo)(xBD,yBD)可求得DE、DE′的長度LDE、LDE′。

    由公式

    (9)

    可求得

    (10)

    則P點(diǎn)在B坐標(biāo)系中的位移坐標(biāo)方程為

    (11)

    式中xBP——P點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

    yBP——P點(diǎn)位于yB軸上的坐標(biāo)值

    Q點(diǎn)在B坐標(biāo)系中的位移坐標(biāo)方程為

    (12)

    式中xBQ——Q點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

    yBQ——Q點(diǎn)位于yB軸上的坐標(biāo)值

    若移栽機(jī)前進(jìn)速度為ve,行星架旋轉(zhuǎn)角速度為ωd,則B點(diǎn)的絕對運(yùn)動軌跡方程為

    (13)

    式中xB——B點(diǎn)位于x軸上的坐標(biāo)值

    yB——B點(diǎn)位于y軸上的坐標(biāo)值

    Rd——行星架旋轉(zhuǎn)半徑,即行星輪與中心輪旋轉(zhuǎn)中心的距離,mm

    則前后鴨嘴栽植點(diǎn)P、Q的絕對運(yùn)動軌跡方程為

    (14)

    (15)

    根據(jù)以上幾何關(guān)系及P、Q點(diǎn)軌跡方程,利用Matlab對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程,建立其分析程序模型,將一個運(yùn)動周期分解為若干個時刻點(diǎn),求解出前后鴨嘴栽植點(diǎn)(P、Q)在每個時刻點(diǎn)的坐標(biāo)值,擬合為運(yùn)動軌跡曲線輸出,并用圖形表示出來。

    3 主要參數(shù)對栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性影響分析

    根據(jù)所建立數(shù)學(xué)模型,基于Matlab GUI設(shè)計了計算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計人機(jī)交互界面,如圖5所示。該界面主要包括凸輪滾子運(yùn)動規(guī)律調(diào)入?yún)^(qū)、參數(shù)初值輸入?yún)^(qū)、軌跡分析區(qū)、運(yùn)動軌跡區(qū)、軌跡對比區(qū)、實時參數(shù)返回區(qū)和參數(shù)組合寄存區(qū)等。該優(yōu)化設(shè)計界面通過可視化設(shè)計,將行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)前后鴨嘴栽植點(diǎn)的運(yùn)動軌跡實時展現(xiàn)在設(shè)計者面前[14-16],綜合考慮幾何關(guān)系及布置空間,以栽植機(jī)構(gòu)Rd、L3、β、L4為變量參數(shù)。結(jié)合缽苗葉冠直徑及實際作業(yè)工況,初選一組結(jié)構(gòu)參數(shù)L1=83 mm,L2=22 mm,L3=38 mm,L4=145 mm,Rd=120 mm,α=82°,β=8°,C(105,-22),D(165,-17),分別在3個適應(yīng)于大多數(shù)蔬菜的株距下,分析變量參數(shù)對栽植軌跡的影響趨勢,由此通過人機(jī)交互逐步調(diào)節(jié)設(shè)計參數(shù),使栽植軌跡達(dá)到作業(yè)要求[17-18]。

    圖5 輔助優(yōu)化工具人機(jī)交互界面Fig.5 Human-computer interaction interface

    3.1 行星架旋轉(zhuǎn)半徑Rd對栽植軌跡的影響

    對比圖6中的栽植軌跡可以看出,特征參數(shù)λ一定時,隨著行星架旋轉(zhuǎn)半徑Rd的增大,后鴨嘴形成的環(huán)扣形狀變大,后鴨嘴避苗空間變大,且前鴨嘴軌跡向環(huán)扣靠攏,前鴨嘴的避苗空間減小;前后鴨嘴軌跡與壟面交點(diǎn)尺寸變化不大,對軌跡形成的穴口影響不大;隨著Rd的增大,栽植軌跡逐漸向下向右偏移,栽植深度逐漸增大。在保證栽植深度一定時,Rd越小則軌跡輪廓高度越小,且實際作業(yè)時支架距壟面過低會在壟面上推土。綜上分析,行星架旋轉(zhuǎn)半徑Rd尺寸的選取需要充分考慮栽植鴨嘴尺寸、前后避苗空間和實際作業(yè)安裝位置的需求。

    圖6 行星架旋轉(zhuǎn)半徑與栽植軌跡的關(guān)系Fig.6 Relationship between radius of rotation of planet frame (Rd) and planting trajectory

    3.2 后鴨嘴擺桿CE長度L3對栽植軌跡的影響

    在中間株距310 mm下分析CE長度L3對栽植軌跡的影響,如圖7所示。移栽頻率f為60株/min(即ωd=π rad/s)時,行走速度ve=310 mm/s,其他結(jié)構(gòu)及位置參數(shù)選定為:L1=83 mm,L2=22 mm,L4=145 mm,Rd=120 mm,α=82°,β=8°,C(105,-22),D(165,-17)。

    圖7 CE長度與栽植軌跡的關(guān)系Fig.7 Relationship between length of CE (L3) and planting trajectory

    對比圖7中的栽植軌跡可以看出,隨著L3的增大,前鴨嘴的運(yùn)動開合幅度增大,即前鴨嘴的避苗空間增大,可通過適當(dāng)增大L3來消除由前鴨嘴避苗空間不足導(dǎo)致前鴨嘴對苗缽的掛帶現(xiàn)象;但隨著L3的增大,前后鴨嘴軌跡在壟面處形成的穴口尺寸增大,因此在滿足前鴨嘴避苗空間的前提下,L3的取值應(yīng)盡量小。綜上分析,L3的變化主要影響前鴨嘴的運(yùn)動軌跡,對后鴨嘴運(yùn)動所形成的環(huán)扣形狀沒有影響,L3的選取應(yīng)充分考慮前鴨嘴避苗空間和穴口尺寸的大小。

    3.3 CE初始位置與水平線夾角β對栽植軌跡的影響

    在中間株距310 mm下分析CE初始位置與水平線夾角β對栽植軌跡的影響,如圖8所示。移栽頻率f為60株/min(即ωd=π rad/s)時,行走速度ve=310 mm/s,其他結(jié)構(gòu)及位置參數(shù)選定為:L1=83 mm,L2=22 mm,L3=38 mm,L4=145 mm,Rd=120 mm,α=82°,C(105,-22),D(165,-17)。

    圖8 β與栽植軌跡的關(guān)系Fig.8 Relationship between value of β and planting trajectory

    對比圖8中的栽植軌跡可以看出,β對栽植軌跡的影響與L3相反;隨著β的增大,前鴨嘴的運(yùn)動開合幅度減小,即前鴨嘴的避苗空間減小,可通過適當(dāng)減小β來消除由前鴨嘴避苗空間不足導(dǎo)致前鴨嘴對苗缽的掛帶現(xiàn)象;但隨著β的減小,前后鴨嘴軌跡在壟面處形成的穴口尺寸增大,因此在滿足前鴨嘴避苗空間的前提下,β的取值應(yīng)盡量大。綜上分析,β的變化主要影響前鴨嘴的運(yùn)動軌跡,對后鴨嘴運(yùn)動所形成的環(huán)扣形狀沒有影響,β的選取應(yīng)充分考慮前鴨嘴避苗空間和穴口尺寸的大小。

    3.4 后鴨嘴末端點(diǎn)至鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心距離L4對栽植軌跡的影響

    在中間株距310 mm下分析后鴨嘴末端點(diǎn)至鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心距離L4對栽植軌跡的影響,如圖9所示。移栽頻率f為60株/min(即ωd=π rad/s)時,行走速度ve=310 mm/s,其他結(jié)構(gòu)及位置參數(shù)選定為:L1=83 mm,L2=22 mm,L3=38 mm,Rd=120 mm,α=82°,β=8°,C(105,-22),D(165,-17),對比圖9中的栽植軌跡可以看出,隨著L4的增大,栽植軌跡相對旋轉(zhuǎn)中心安裝位置逐漸向下;前后鴨嘴的開合距離均變大,總的開合變大,且前后鴨嘴軌跡在壟面處形成的穴口尺寸增大;在行星架旋轉(zhuǎn)半徑Rd一定時,L4過大會使兩栽植鴨嘴干涉,L4過小會使鴨嘴末端點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心安裝架距離較小,作業(yè)時栽植支架與壟面距離過近會影響作業(yè)效果。L4尺寸的選取決定著栽植鴨嘴的尺寸,鴨嘴尺寸需滿足栽植深度要求,其取值應(yīng)充分考慮穴盤苗的尺寸、開合距離、栽植深度和實際作業(yè)安裝位置的需求。

    圖9 L4與栽植軌跡的關(guān)系Fig.9 Relationship between length of L4 and planting trajectory

    4 參數(shù)優(yōu)選

    通過以上分析,得到各變量參數(shù)對前后栽植點(diǎn)軌跡曲線的影響趨勢。為使栽植機(jī)構(gòu)能滿足3種株距下的較高直立度要求,保證穴盤苗的栽植質(zhì)量,在確定栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)時應(yīng)滿足以下優(yōu)化目標(biāo):

    (1)后鴨嘴軌跡在最低處應(yīng)形成環(huán)扣,且環(huán)扣高度應(yīng)大于苗缽高度。

    (2)后鴨嘴軌跡回程要有向上趨勢,避免太過向前與苗缽干涉使苗缽前傾。

    (3)前鴨嘴軌跡回程要有向前趨勢,避免向后推苗。

    (4)前后鴨嘴軌跡與壟面交點(diǎn)處形成的穴口尺寸較小。

    (5)軌跡整體高度要遠(yuǎn)大于穴盤苗高度,以防鴨嘴拖苗、壓苗,軌跡高度應(yīng)大于200 mm。

    (6)鴨嘴長度應(yīng)適當(dāng)大于穴盤苗的高度且兩轉(zhuǎn)臂鴨嘴間不能干涉[19]。

    通過以上分析,得到各參數(shù)對前后栽植點(diǎn)軌跡曲線的影響趨勢,并結(jié)合優(yōu)化目標(biāo),對栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先由經(jīng)驗初步設(shè)定各個參數(shù)的初始值,然后根據(jù)得到的各參數(shù)對栽植點(diǎn)軌跡的影響趨勢,不斷調(diào)整各參數(shù)數(shù)值,尋找符合優(yōu)化目標(biāo)要求的運(yùn)動軌跡。綜合考慮各組軌跡的優(yōu)劣,最終通過人機(jī)交互優(yōu)選出一組較優(yōu)參數(shù)組合為:L1=83 mm,L2=22 mm,L3=38 mm,L4=145 mm,Rd=120 mm,α=82°,β=8°,C(105,-22),D(165,-17)。

    在3種株距下由該組參數(shù)得到的栽植軌跡如圖10所示。圖中虛線為穴盤苗投苗時在豎直方向的位置,實線為植苗后穴盤苗定植的位置。由圖中可測出穴盤苗的栽植傾角。由圖可以看出,在3個栽植擋位下,前鴨嘴均不帶苗,在株距280 mm和株距310 mm下,后鴨嘴的運(yùn)動軌跡在植苗段形成環(huán)扣,且環(huán)扣高度大于苗缽高度。前后鴨嘴避苗空間充足,穴盤苗的栽植傾角為0°,滿足直立度要求。在株距345 mm時,后鴨嘴軌跡形成的環(huán)扣形狀減小,后鴨嘴軌跡回程與穴盤苗豎直位置發(fā)生輕微干涉,產(chǎn)生回帶苗現(xiàn)象使穴盤苗前傾。當(dāng)穴盤苗完全脫離后鴨嘴被定植時,由圖可測得穴盤苗栽植傾角為3°,可知該組結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠滿足3種株距下移栽作業(yè)的直立度要求。

    圖10 不同株距下的栽植軌跡Fig.10 Trajectory under different planting distances

    5 試驗結(jié)果與分析

    試制樣機(jī)實物及試驗效果如圖11所示,對栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間試驗,以進(jìn)一步驗證其實際栽植情況。田間試驗選擇沙壤土進(jìn)行,事先用拖拉機(jī)帶動旋耕裝置進(jìn)行松耕,松耕后土壤平均碎土率不小于60%,含水率不大于20%,松耕深度不低于200 mm。隨后用起壟機(jī)進(jìn)行開溝起壟,壟寬為1 100 mm,壟高為200 mm,溝寬為300 mm,起壟后壟面平整,無雜草及碎石等障礙物;田壟0~200 mm土層平均含水率為16.2%,平均緊實度為12.7 N/cm2。選用72孔穴盤培育的黃瓜苗為試驗對象,苗齡為35 d左右,穴盤苗平均高度126.42 mm,平均質(zhì)量20.58 g,苗缽含水率60%左右,育苗基質(zhì)配比為草炭、蛭石、珍珠巖體積比為3∶1∶1。

    圖11 試驗樣機(jī)Fig.11 Prototypes for testing

    整機(jī)田間試驗時,自走式移栽機(jī)的行走輪在溝底行走,栽植機(jī)構(gòu)在壟面上作業(yè),控制栽植鴨嘴的栽植深度為80 mm;根據(jù)實際壟長,每組移栽2盤共144株蔬菜苗。測試不同栽植頻率時3個擋位株距下的栽植性能,統(tǒng)計田間數(shù)據(jù)時將前后24株蔬菜苗去除,測量中間120株區(qū)域的栽植狀態(tài),結(jié)果如表2所示。

    試驗時測量穴盤苗間的株距,計算其標(biāo)準(zhǔn)差和平均值

    得株距變異系數(shù)

    SX——株距標(biāo)準(zhǔn)差,mm

    CX——株距變異系數(shù),%

    試驗時測量穴盤苗與地面夾角A,將植株與地面夾角A≤30°判定為倒伏,30°70°視為優(yōu)良[20]。

    結(jié)果分析:

    (1)栽植機(jī)構(gòu)在3個擋位株距下作業(yè)時,蔬菜苗栽植直立度優(yōu)良率均能達(dá)到81%以上,總的優(yōu)良合格率達(dá)94.8%以上,能夠較好地滿足栽植要求;由表2中趨勢可看出,直立度優(yōu)良率隨著栽植頻率的增加而減小,主要原因是隨著栽植頻率增加,栽植時投苗時間過短,蔬菜苗與鴨嘴脫離時間過短有被鴨嘴往上帶的趨勢,從而影響栽植狀態(tài),導(dǎo)致栽植優(yōu)良率有所下降。

    (2)每組株距變異系數(shù)均較小,且不同株距及栽植頻率下變化差異不大,原因是栽植機(jī)構(gòu)由底盤動力以一定傳動比輸入,栽植機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速隨底盤前進(jìn)速度的變化而相應(yīng)改變,因此株距不受栽植頻率的影響,具有較好的株距穩(wěn)定性。

    (3)表2中有效測定株數(shù)指實測有效株數(shù),小于理論測定值的情況是因為存在一定的漏栽數(shù),這是由于作業(yè)時機(jī)器震動較大,苗缽由導(dǎo)苗筒落入鴨嘴時狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致苗缽落至鴨嘴外側(cè)。

    6 結(jié)論

    (1)針對不同作物有不同株距栽植要求,以自制行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)為研究對象,構(gòu)建栽植機(jī)構(gòu)理論模型,分析建立了栽植機(jī)構(gòu)前、后鴨嘴栽植點(diǎn)的運(yùn)動軌跡數(shù)學(xué)模型,并基于該模型建立Matlab仿真分析輔助程序。

    (2)基于Matlab GUI設(shè)計了計算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計人機(jī)交互界面,分析各主要參數(shù)對前后栽植點(diǎn)運(yùn)動軌跡的影響規(guī)律,對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,由人機(jī)交互優(yōu)化得出一組滿足優(yōu)化要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)組合:L1=83 mm,L2=22 mm,L3=38 mm,L4=145 mm,Rd=120 mm,α=82°,β=8°,C(105,-22),D(165,-17)。

    (3)以72孔黃瓜穴盤苗為試驗對象,直立度和株距變異系數(shù)為評價指標(biāo),對研制的移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間植苗試驗。結(jié)果表明:在3個株距下作業(yè)時,蔬菜苗栽植直立度優(yōu)良率均能達(dá)到81%以上,總優(yōu)良合格率94.8%以上,能夠較好滿足直立度和多株距移栽要求,驗證了理論建模和優(yōu)化方法的正確性和可行性。

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