丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐高偉 劉宏新 FARMAN A C 方會(huì)敏 薦世春 何騰飛

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250100;3.信德農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 坦杜阿拉亞 70060)

0 引言

丹參植株中平均直徑為5 mm丹參根部的各活性成分平均含量是平均直徑為15 mm丹參根部的3倍[1]，因此在提取活性成分時(shí)，常選用側(cè)根較多、根部較細(xì)的丹參植株。針對(duì)以上情況，為培育活性成分含量較高的丹參植株，山東省農(nóng)業(yè)主推技術(shù)“丹參大壟雙行覆膜高效生產(chǎn)技術(shù)”根據(jù)植物根系向地性規(guī)律，采用膜上傾斜移栽的栽培模式，以丹參種苗傾斜地面45°的方式插入壟中，同時(shí)保證種苗根部與水平面夾角約為30°[2]。采用此種模式由于種苗根部與水平面夾角較小，在丹參的生長(zhǎng)期內(nèi)可使丹參植株的主根不致過(guò)粗，且在主根上形成數(shù)量較多、直徑較細(xì)的側(cè)根，以用于提取更多的活性成分[3]。然而，由于丹參移栽機(jī)械化配套工作起步較晚，針對(duì)上述種植模式的丹參移栽幾乎全部由人工完成，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且作業(yè)質(zhì)量難以保證[4-6]。

目前，市場(chǎng)上膜上移栽機(jī)構(gòu)主要以移栽蔬菜[7]、煙草[8]等作物的缽苗移栽為主，要求缽苗移栽后具有較高的直立度，不符合丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求、運(yùn)動(dòng)軌跡和栽植器姿態(tài)的要求。而采用傾斜移栽農(nóng)藝要求的作物有甘薯和甘草，國(guó)內(nèi)外甘薯斜栽機(jī)構(gòu)為帶夾式[9]和鏈夾式[10]，從作物的植株形態(tài)和農(nóng)藝要求等方面，甘薯傾斜移栽機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)丹參種苗的膜上斜栽。首先，帶夾式機(jī)構(gòu)的末端夾持裝置易對(duì)丹參種苗造成損傷；其次，鏈夾式機(jī)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行膜上移栽；甘草則采用一種甘草傾斜移栽開(kāi)溝器[11]，通過(guò)控制土壤顆粒回流實(shí)現(xiàn)了甘草苗的傾斜移栽，該種方法也無(wú)法進(jìn)行膜上傾斜移栽。農(nóng)藝要求的差異導(dǎo)致丹參膜上傾斜移栽運(yùn)動(dòng)軌跡和栽植器姿態(tài)與甘薯、甘草傾斜移栽不同。

對(duì)于丹參專用移栽機(jī)構(gòu)，課題組設(shè)計(jì)一種勻速雙曲柄五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)[12]用于垂直移栽丹參種苗，這種方式能提高丹參種苗扎根深度，栽培主莖長(zhǎng)度和粗度較大的丹參植株，以滿足制備丹參飲片的要求。關(guān)于五桿式移栽機(jī)構(gòu)，近幾年較多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，取得了較多的成果[13-18]，而適用于提取丹參活性成分、滿足丹參膜上傾斜移栽農(nóng)藝要求的專用移栽機(jī)構(gòu)尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

針對(duì)以上情況，本文結(jié)合“丹參大壟雙行覆膜高效生產(chǎn)技術(shù)”提出的丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，在借鑒前人對(duì)單變速曲柄非圓齒輪-五桿移栽機(jī)構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上，將勻速雙曲柄五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的雙曲柄變?yōu)樽兯匐p曲柄，設(shè)計(jì)一種變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，提高丹參膜上傾斜移栽的工作效率和作業(yè)質(zhì)量。

1 設(shè)計(jì)要求與工作原理

1.1 移栽農(nóng)藝要求分析

根據(jù)提取丹參活性成分藥用用途所配套的丹參膜上傾斜移栽農(nóng)藝要求，將丹參種苗傾斜地面45°的方式栽入覆蓋地膜的地壟中，同時(shí)保證種苗根部與水平面夾角約為30°，丹參種苗傾斜移栽深度為100 mm，株距為200 mm，示意圖如圖1所示。

圖1 丹參膜上傾斜移栽示意圖Fig.1 Schematic of tilted transplanting on Salvia miltiorrhiza

為滿足丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，移栽機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行裝置采用鴨嘴栽植器，通過(guò)在栽植過(guò)程中對(duì)鴨嘴栽植器傾斜姿態(tài)的控制使丹參種苗滿足上述角度要求，同時(shí)由于鴨嘴栽植器姿態(tài)傾斜，還需要丹參種苗能順利從鴨嘴栽植器栽入地壟中。

1.2 栽植器的姿態(tài)和端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析

由上述分析可知，影響丹參傾斜栽植的因素為鴨嘴栽植器的姿態(tài)。鴨嘴栽植器的姿態(tài)會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響：一方面，鴨嘴栽植器的姿態(tài)影響栽植器端點(diǎn)的行程軌跡，由于丹參種苗通過(guò)鴨嘴栽植器端點(diǎn)位置栽出，栽植器端點(diǎn)的形成軌跡對(duì)丹參種苗的傾斜角度會(huì)產(chǎn)生影響；另一方面，鴨嘴栽植器的傾斜方向應(yīng)與栽植器端點(diǎn)軌跡傾斜方向一致，同時(shí)傾斜的角度要能使丹參種苗克服自身與鴨嘴栽植器內(nèi)壁的摩擦力順利落入地壟，即鴨嘴栽植器的姿態(tài)傾斜角度要大于丹參種苗與鴨嘴栽植器內(nèi)表面材料的摩擦角。綜合各因素鴨嘴栽植器傾斜角度從栽植丹參種苗開(kāi)始到結(jié)束過(guò)程中的變化區(qū)間應(yīng)在50°～90°范圍內(nèi)。最后，為使膜上傾斜移栽所呈的穴口盡量小，栽植器在剛開(kāi)始插入地壟時(shí)至到達(dá)最低點(diǎn)的傾斜角度變化區(qū)間與栽植器在剛退出地壟時(shí)至最低點(diǎn)的傾斜角度變化區(qū)間要相近。

針對(duì)以上情況，應(yīng)保證鴨嘴栽植器在栽植過(guò)程中的栽植器端點(diǎn)形成軌跡要求、栽植器傾斜角度要求和其他農(nóng)藝要求：①鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡頂部段與壟面線的夾角α1在45°±5°范圍內(nèi)，且越接近45°越好。②鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1在30°±5°范圍內(nèi)，且越接近30°越好。③栽植器從插入地壟最低點(diǎn)至剛退出地壟時(shí)這一過(guò)程中與壟面線所呈夾角γ1～γ2變化區(qū)間在50°～90°范圍內(nèi)。④栽植器從最低點(diǎn)至剛開(kāi)始插入地壟時(shí)這一過(guò)程中與壟面線所呈夾角變化區(qū)間γ1～γ3與γ1～γ2相近。⑤栽植器傾斜方向與栽植器端點(diǎn)軌跡傾斜方向一致。⑥絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1，即移栽深度為100 mm。⑦絕對(duì)軌跡升程h不低于250 mm。⑧單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l，即入土、出土軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離越小越好。⑨絕對(duì)軌跡頂端的軌跡為接苗段軌跡，該段軌跡越平穩(wěn)，接苗成功率越高，接苗后丹參種苗在鴨嘴栽植器內(nèi)的位置越穩(wěn)定，即絕對(duì)軌跡頂端軌跡波動(dòng)行程h2越小越好。丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)的栽植器傾斜角度和端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。

圖2 鴨嘴栽植器姿態(tài)和端點(diǎn)軌跡分析Fig.2 End point trajectory analysis and gesture of duckbill planting apparatus

1.3 丹參種苗不回帶的臨界條件

鴨嘴栽植器到達(dá)地壟最低點(diǎn)之前，栽植器未打開(kāi)，丹參種苗與栽植器為一體，相對(duì)鴨嘴栽植器靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)鴨嘴栽植器到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)鴨嘴栽植器打開(kāi)，此時(shí)丹參種苗在栽植器中因受重力作用而能克服與鴨嘴栽植器的最大靜摩擦力落入地壟中，保證丹參種苗的栽植深度。當(dāng)?shù)⒎N苗有向下滑動(dòng)趨勢(shì)且達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，受力情況如圖3所示，建立力學(xué)平衡方程

(1)

式中θf(wàn)——丹參種苗與鴨嘴栽植器內(nèi)部材料的摩擦角，(°)，摩擦角通過(guò)將丹參種苗置于與鴨嘴栽植器內(nèi)表面材料相同(Q235)的自制斜面儀上，調(diào)節(jié)斜面儀的角度測(cè)得，約為47°

θ——鴨嘴栽植器傾斜角，(°)

fs——丹參種苗與鴨嘴栽植器內(nèi)部材料的摩擦因數(shù)

m——丹參種苗質(zhì)量，g

g——重力加速度，取9.8 m/s2

N——鴨嘴栽植器內(nèi)壁對(duì)丹參種苗的支持力，N

F1——丹參種苗重力在x方向上的分力，N

Fmax——丹參種苗相對(duì)于鴨嘴栽植器內(nèi)壁的最大靜摩擦力，N

由式(1)可得，θ=47°。因此，丹參種苗能向下滑動(dòng)的條件為θ>47°。

圖3 丹參種苗受力示意圖Fig.3 Schematic of stress bearing of Salvia miltiorrhiza seedlings

1.4 機(jī)構(gòu)方案的確定

根據(jù)栽植器的姿態(tài)和栽植端點(diǎn)軌跡分析，一方面，由于栽植丹參種苗過(guò)程中對(duì)栽植器傾斜角和栽植器端點(diǎn)軌跡角度均有要求且變化規(guī)律復(fù)雜，課題組在勻速雙曲柄五桿式丹參移栽機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的雙曲柄改為變速雙曲柄，進(jìn)一步控制鴨嘴栽植器的姿態(tài)；另一方面，丹參種苗長(zhǎng)度較長(zhǎng)，接苗時(shí)需要的時(shí)間也較多，為增加接苗時(shí)間，需要移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的接苗部分軌跡近似水平，在豎直方向上速度接近于0；而在栽植丹參種苗的過(guò)程中對(duì)于栽植器的加速度又有要求。因此，研究方案為以具有近似勻速運(yùn)動(dòng)特性[19]的變形橢圓齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)五桿機(jī)構(gòu)的雙曲柄，得到一種變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)，根據(jù)栽植器傾斜角和栽植器端點(diǎn)軌跡的要求，通過(guò)人機(jī)交互的方式得到機(jī)構(gòu)參數(shù)組合，最后分析栽植器的速度是否滿足設(shè)計(jì)條件。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示，該機(jī)構(gòu)主要由變形橢圓齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和五桿機(jī)構(gòu)組成。其中1、2、3為變形橢圓齒輪，組成變形橢圓齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力由變形橢圓齒輪2傳入，通過(guò)變形橢圓齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳到變形橢圓齒輪1、3，變形橢圓齒輪1、3將變形橢圓齒輪2的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽兯俎D(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)架AM、曲柄AB、曲柄MD、連桿BL、兩鉸接點(diǎn)DL組成五桿機(jī)構(gòu)，連桿DE與連桿CL以一定角度固聯(lián)，F(xiàn)G為末端執(zhí)行裝置固聯(lián)在連桿DE的E端。曲柄AB和曲柄MD分別與變形橢圓齒輪1和3固聯(lián)，隨變形橢圓齒輪1和3同向變速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿DE擺動(dòng)，栽植器FG在連桿DE帶動(dòng)下隨連桿DE做向左側(cè)傾斜的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，突破地膜后成穴并完成膜上傾斜移栽。

圖4 移栽機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of transplanting mechanism

2 機(jī)構(gòu)理論模型

2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

本節(jié)以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸、豎直方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系，如圖5所示。

圖5 移栽機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型Fig.5 Mathematical model of transplanting mechanism

2.1.1位移模型

變形橢圓齒輪1相對(duì)于變形橢圓齒輪2的角位移[20]為

(2)

變形橢圓齒輪3相對(duì)于變形橢圓齒輪2的角位移為

(3)

式中e——變形橢圓齒輪偏心率

m1、m2——變形橢圓齒輪變形系數(shù)

φ——變形橢圓齒輪2的角位移，rad

φ23——變形橢圓齒輪3相對(duì)于變形橢圓齒輪2的角位移，rad

φ21——變形橢圓齒輪1相對(duì)于變形橢圓齒輪2的角位移，rad

為保證變形橢圓兩段節(jié)曲線封閉，m1和m2應(yīng)滿足

(4)

變形橢圓齒輪的節(jié)曲線方程為

(5)

r2=2a-r1

(6)

(7)

r4=2a-r3

(8)

式中a——變形橢圓齒輪長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度，mm

r1——變形橢圓齒輪2軸心到嚙合點(diǎn)P的距離，mm

r2——變形橢圓齒輪1軸心到嚙合點(diǎn)P的距離，mm

r3——變形橢圓齒輪2軸心到嚙合點(diǎn)Q的距離，mm

r4——變形橢圓齒輪3軸心到嚙合點(diǎn)Q的距離，mm

A點(diǎn)的位移方程為

(9)

M點(diǎn)的位移方程為

(10)

B點(diǎn)的位移方程為

(11)

D點(diǎn)的位移方程為

(12)

根據(jù)矢量方程lMA+lAB+lBL=lMD+lDL可得L點(diǎn)的位移方程為

(13)

令

(14)

求得

(15)

將θ4回代可求出θ3為

(16)

C點(diǎn)的位移方程為

(17)

L點(diǎn)的位移方程為

(18)

E點(diǎn)的位移方程為

(19)

F點(diǎn)的位移方程為

(20)

G點(diǎn)的位移方程為

(21)

式中XO、YO——變形橢圓齒輪2旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)值

l1——機(jī)架MA長(zhǎng)度，mm

l2——曲柄AB長(zhǎng)度，mm

l3——連桿BC長(zhǎng)度，mm

l4——連桿DC長(zhǎng)度，mm

l5——曲柄MD長(zhǎng)度，mm

l6——連桿CE長(zhǎng)度，mm

l7——栽植器下端EG長(zhǎng)度，mm

l8——栽植器上端FE長(zhǎng)度，mm

l9——連桿CL長(zhǎng)度，mm

l10——鉸接點(diǎn)D與L的距離，mm

θ1——機(jī)架MA初始安裝角，rad

θ2——曲柄AB初始安裝角，rad

θ3——連桿BL角位移，rad

θ4——鉸接點(diǎn)D和L角位移，rad

θ5——曲柄OD初始安裝角，rad

θ6——連桿CE角位移，rad

θ7——栽植器FG與連桿CE固聯(lián)角，rad

θ8——連桿CL與連桿DE固聯(lián)角，rad

θ9——直線DL與連桿DE夾角，rad

2.1.2速度模型

對(duì)L點(diǎn)位移方程求導(dǎo)，可得到L點(diǎn)的速度方程

(22)

將式(22)簡(jiǎn)化可得連桿DE和連桿BL的角速度

(23)

(24)

其中，由反轉(zhuǎn)法可得

(25)

(26)

則變形橢圓齒輪1、3相對(duì)于變形橢圓齒輪2的角速度分別為

(27)

(28)

對(duì)G點(diǎn)的位移方程進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到G點(diǎn)的速度方程為

(29)

2.2 機(jī)構(gòu)約束模型

設(shè)計(jì)的五桿機(jī)構(gòu)屬于雙曲柄型，雙曲柄為變速轉(zhuǎn)動(dòng)，為使機(jī)構(gòu)形成完整封閉的運(yùn)動(dòng)軌跡，五桿機(jī)構(gòu)各尺寸參數(shù)需要滿足雙曲柄存在的必要條件，必要條件是指兩原動(dòng)件按一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律作整周運(yùn)動(dòng)時(shí)，五桿機(jī)構(gòu)在每一時(shí)刻都滿足裝配條件[21-26]。

2.2.1五桿機(jī)構(gòu)裝配條件

移栽機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型見(jiàn)圖5，其裝配條件可表示為

(30)

令x=max(l3，l10)，y=min(l3，l10)，則有

(31)

化簡(jiǎn)式(30)、(31)可確定l3、l10取值范圍

(32)

2.2.2變形橢圓齒輪五桿機(jī)構(gòu)雙曲柄存在必要條件

由運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可得機(jī)構(gòu)B點(diǎn)和D點(diǎn)坐標(biāo)，曲柄AB和MD轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移分別為φ23和φ21，BD之間的距離平方為

(33)

(34)

根據(jù)勻速雙曲柄五桿式丹參膜上移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)[12]并結(jié)合機(jī)構(gòu)裝配條件以及丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，初定l1=290 mm、l2=95 mm、l3=122 mm、l4=225 mm、l5=60 mm、l9=45 mm、θ1=10°、θ2=90°、θ5=120°、a=l1/4=72.5 mm，根據(jù)式(32)和上述參數(shù)可得lBDmax和lBDmin取值范圍，再結(jié)合式(33)、(34)，初定變形橢圓齒輪參數(shù)值為：e=0.1、m1=1.3。

初定的變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)值為l1=290 mm、l2=95 mm、l3=122 mm、l4=225 mm、l5=60 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=10°、θ2=90°、θ5=120°、θ7=90°、θ8=90°、θ5-θ2=30°、a=72.5 mm、e=0.1、m1=1.3。

圖6 人機(jī)交互可視化輔助程序界面Fig.6 Visual auxiliary programs for human-computer interaction

2.3 人機(jī)交互可視化輔助程序及應(yīng)用

在上述建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上運(yùn)用Matlab編寫變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)人機(jī)交互可視化輔助程序，如圖6所示。

應(yīng)用輔助程序得到的相關(guān)機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)栽植器端點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)h1、α1、β1、l、h、h2以及栽植器傾斜角度區(qū)間γ1～γ2和γ1～γ3的影響規(guī)律，由于五桿機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)對(duì)栽植器端點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡和栽植器傾斜角度的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[12]給出的勻速雙曲柄五桿機(jī)構(gòu)基本一致，不再贅述，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1?，F(xiàn)分析變形橢圓齒輪參數(shù)對(duì)栽植器端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和栽植器傾斜角的影響規(guī)律。

表1 機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)栽植器傾斜角參數(shù)和端點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)的影響規(guī)律Tab.1 Influence rules of parameters for mechanism on tilted angle and endpoint absolute motion trajectory of planting apparatus

圖7 a與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between a and tilted angle and endpoint trajectory of planting apparatus

2.3.1a與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變變形橢圓齒輪長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度a，a與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，隨著a逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸向左傾斜且變寬，長(zhǎng)短軸比值逐漸增加；絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡頂部段與壟面線的夾角α1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1逐漸減小，栽植過(guò)程中栽植器與壟面線所呈夾角γ1、γ2、γ3逐漸增大且γ2<γ3，絕對(duì)軌跡頂端軌跡波動(dòng)行程h2逐漸增加，單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l逐漸減??；絕對(duì)軌跡升程h逐漸增大。

2.3.2e與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變變形橢圓齒輪偏移率e，e與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 e與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves between e and tilted angle and endpoint trajectory of planting apparatus

由圖8可知，隨著e逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡先逐漸向左側(cè)偏轉(zhuǎn)且變寬，同時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡右側(cè)逐漸向左側(cè)凹陷，長(zhǎng)短軸比值逐漸減??；絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡頂部段與壟面線的夾角α1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1逐漸減小，栽植過(guò)程中栽植器與壟面線所呈夾角γ1、γ2、γ3逐漸增大且γ2<γ3，絕對(duì)軌跡頂端軌跡波動(dòng)行程h2逐漸減小，單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l先減小后增大；絕對(duì)軌跡升程h先減小后增大。

2.3.3m1與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系

在初定的移栽機(jī)構(gòu)各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變變形橢圓齒輪變形系數(shù)m1，m1與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系如圖9所示。

圖9 m1與栽植器傾斜角和端點(diǎn)軌跡之間的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curves between m1 and tilted angle and endpoint trajectory of planting apparatus

由圖9可知，隨著m1逐漸增加，栽植器端點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡底部逐漸向右側(cè)偏轉(zhuǎn)，同時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡右側(cè)逐漸向右凸顯，長(zhǎng)短軸比值基本不變；絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡頂部段與壟面線的夾角α1逐漸減小，但變化量較小，鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1逐漸減小，栽植過(guò)程中栽植器與壟面線所呈夾角γ1、γ2逐漸增大，γ3逐漸減小且γ2<γ3，絕對(duì)軌跡頂端軌跡波動(dòng)行程h2逐漸減小，但變化量較小，單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l先減小后增大；絕對(duì)軌跡升程h逐漸減小。

3 機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)和變量

要得到一組滿足變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上移栽機(jī)構(gòu)工作要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)時(shí)需考慮如下優(yōu)化目標(biāo)：

(1)鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡頂部段與壟面線的夾角α1在45°±5°范圍內(nèi)，且越接近45°越好。

(2)鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1在30°±5°范圍內(nèi)，且越接近30°越好。

(3)栽植器從插入地壟最低點(diǎn)到剛退出地壟這一過(guò)程中與壟面線所呈夾角γ1～γ2變化區(qū)間在50°～90°范圍內(nèi)。

(4)栽植器從插入地壟最低點(diǎn)到開(kāi)始插入地壟這一過(guò)程中與壟面線所呈夾角變化區(qū)間γ1～γ3與γ1～γ2相近。

(5)栽植器傾斜方向與栽植器端點(diǎn)軌跡傾斜方向一致。

(6)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡最低點(diǎn)與壟面線的垂直距離h1，即移栽深度為100 mm。

(7)絕對(duì)軌跡升程h不低于250 mm。

(8)單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡與壟面線的交點(diǎn)距離l越小越好。

(9)絕對(duì)軌跡頂端軌跡波動(dòng)行程h2越小越好。

優(yōu)化變量中，l2、l5、θ2、θ5、l3、l10、θ1、θ7為變速五桿機(jī)構(gòu)參數(shù)；a、e、m1為變形橢圓齒輪參數(shù)。

3.2 參數(shù)優(yōu)化步驟

根據(jù)俞高紅等[27]提出的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，優(yōu)化過(guò)程如下：

圖11 栽植器栽植過(guò)程中的姿態(tài)Fig.11 Gestures of planting apparatus in process of planting

(1)以機(jī)構(gòu)約束模型為基礎(chǔ)，初定參數(shù)各初始值，獲得參數(shù)初始工作軌跡和目標(biāo)值。

(2)根據(jù)移栽深度和絕對(duì)軌跡角度的優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)結(jié)合機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)栽植器傾斜角參數(shù)和端點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)的影響規(guī)律，調(diào)整五桿機(jī)構(gòu)各參數(shù)，不斷調(diào)整上述各參數(shù)值，使各個(gè)目標(biāo)值逐步符合優(yōu)化目標(biāo)要求。

(3)根據(jù)栽植器姿態(tài)的優(yōu)化目標(biāo)同時(shí)結(jié)合機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)栽植器傾斜角參數(shù)和端點(diǎn)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)的影響規(guī)律，微調(diào)變形橢圓齒輪各參數(shù)，使各個(gè)目標(biāo)值逐步符合鴨嘴栽植器端點(diǎn)軌跡和傾斜角度的要求。

3.3 優(yōu)化結(jié)果及分析

3.3.1栽植器端點(diǎn)軌跡和姿態(tài)分析

根據(jù)以上步驟，通過(guò)人機(jī)交互的方式，確定一組較優(yōu)的參數(shù)：l1=290 mm、l2=100 mm、l3=122 mm、l4=229 mm、l5=64 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=10°、θ2=95°、θ5=114°、θ7=90°、θ8=90°、a=72.5 mm、e=0.24、m1=1.1。輔助程序輸出的相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示，其對(duì)應(yīng)的絕對(duì)軌跡參數(shù)為：h1=100.8 mm、α1=42.6°、β1=33.7°、γ1～γ2取值范圍為54.3°～72.2°、γ1～γ3為54.3°～73.2°、l=3.2 mm、h=273.1 mm、h2為35.7 mm。

圖10 滿足丹參膜上傾斜移栽農(nóng)藝要求栽植器端點(diǎn)軌跡Fig.10 Endpoint trajectories of planting apparatus to meet agronomic requirements of Salvia miltiorrhiza tilted transplanting on mulch-film

栽植器在栽植丹參種苗過(guò)程中的姿態(tài)如圖11所示。

3.3.2栽植器端點(diǎn)速度分析

根據(jù)輔助程序得到的參數(shù)對(duì)栽植器端點(diǎn)進(jìn)行速度分析，圖12為栽植器端點(diǎn)的速度變化曲線。

由圖12可知，在標(biāo)記f處栽植器達(dá)到最低點(diǎn)，之后栽植器向上運(yùn)動(dòng)，先變快后變慢，到達(dá)標(biāo)記g處，此時(shí)栽植器上升至軌跡上部左頂點(diǎn)，到達(dá)左頂點(diǎn)后栽植器近似水平運(yùn)動(dòng)，栽植器y方向速度接近于0 m/s，如標(biāo)記m處所示。

根據(jù)分析可得，標(biāo)記m處為栽植器接苗過(guò)程中的速度變化曲線，在這一過(guò)程中栽植器y方向速度接近于0 m/s，符合機(jī)構(gòu)方案中對(duì)栽植器速度的要求。

4 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

4.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)優(yōu)化出的參數(shù)對(duì)變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并建立三維模型。移栽機(jī)構(gòu)三維模型如圖13所示，由變形橢圓齒輪機(jī)構(gòu)、五桿機(jī)構(gòu)、鴨嘴栽植器和凸輪控制機(jī)構(gòu)組成。

圖12 栽植器端點(diǎn)速度變化曲線Fig.12 Velocity changing curves of transplanter endpoint

圖13 移栽機(jī)構(gòu)三維模型Fig.13 Three-dimensional model of transplanting mechanism1.變形橢圓齒輪機(jī)構(gòu) 2.五桿機(jī)構(gòu) 3.鴨嘴栽植器 4.凸輪控制機(jī)構(gòu)

將以上三維模型導(dǎo)入到虛擬仿真軟件中進(jìn)行仿真，得到栽植器端點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，仿真結(jié)果如圖14所示。將得到的栽植器端點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡與輔助程序所得到的栽植器端點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行比較，可以看出兩者的栽植器端點(diǎn)軌跡基本一致，檢驗(yàn)了三維機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析結(jié)果的一致性。

圖14 虛擬仿真相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.14 Relative motion trajectory of virtual simulation

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)量機(jī)構(gòu)栽植器端點(diǎn)形成的實(shí)際軌跡情況，來(lái)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性以及人機(jī)交互可視化輔助程序的可靠性。

采用3D打印技術(shù)完成移栽機(jī)構(gòu)中變形橢圓齒輪的實(shí)體成型，其余部件采用機(jī)械加工完成并對(duì)零部件進(jìn)行裝配，完成物理樣機(jī)的試制。變形橢圓齒輪和試驗(yàn)樣機(jī)如圖15所示。

圖15 變形橢圓齒輪與樣機(jī)Fig.15 Trial-manufacturing deformed elliptic gears and prototype

試驗(yàn)平臺(tái)由變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)、YSJ-750型調(diào)速電動(dòng)機(jī)(減速比1∶15)、JAC580N型變頻器(供電電壓380 V)、SJM12-10P1型霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器(最大檢測(cè)距離10 mm)、160K-C-8GB型高速攝像機(jī)(幀數(shù)2 000 f/s)、無(wú)頻閃LED光源(供電電壓220 V)組成，如圖16所示。

圖16 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.16 Test platform1.高速攝像機(jī) 2.計(jì)算機(jī) 3.無(wú)頻閃LED光源 4.變頻器 5.移栽機(jī)構(gòu) 6.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 7.調(diào)速電動(dòng)機(jī) 8.機(jī)架

通過(guò)高速攝像機(jī)測(cè)量移栽機(jī)構(gòu)實(shí)際相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，并運(yùn)用Photron FASTCAM Analysis軟件進(jìn)行處理，得到的結(jié)果如圖17所示。理論相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡(圖10a)與實(shí)際相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡相比基本一致，驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。

圖17 移栽機(jī)構(gòu)實(shí)際測(cè)量的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.17 Actual measurement relative motion of transplanting mechanism

4.3 樣機(jī)田間試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證移栽機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能，試制了搭載變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)的移栽機(jī)樣機(jī)。該機(jī)采用25 kW輪式拖拉機(jī)牽引，其作業(yè)速度為0.25 m/s，根據(jù)上述作業(yè)條件對(duì)移栽機(jī)進(jìn)行重復(fù)性田間試驗(yàn)，試驗(yàn)在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院藥用植物研究中心實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，如圖18所示。

4.3.2試驗(yàn)方法與設(shè)備

采用育苗基地培育的紫花丹參種苗進(jìn)行大壟膜上移栽試驗(yàn)，按照我國(guó)旱地移栽機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 10291—2013)進(jìn)行，每次重復(fù)試驗(yàn)移栽200株丹參種苗，重復(fù)3次。丹參種苗平均總長(zhǎng)度約為200 mm，主莖部分的平均長(zhǎng)度約為150 mm，記錄并測(cè)定旱地移栽機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的主要性能指標(biāo)，其中丹參種苗與壟平面的夾角通過(guò)將丹參種苗挖開(kāi)后使用數(shù)顯角尺測(cè)量，所測(cè)量的丹參種苗角度均在±5°范圍內(nèi)為立苗角度合格，立苗角度合格率應(yīng)不低于90%[9]。

圖18 田間移栽試驗(yàn)Fig.18 Field transplanting experiment

試驗(yàn)設(shè)備包括：187-101型數(shù)顯角尺(量程0～360°)、卷尺(量程1～3 m)、標(biāo)桿和計(jì)時(shí)器等。

4.3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

主要移栽性能測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。立苗角度合格率平均值為90.7%，滿足丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，但合格率偏低，其原因是3D打印齒輪質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)較大，影響了立苗角度合格率；漏栽率平均值為2.7%，造成漏栽的原因是部分丹參種苗長(zhǎng)有較多須根，在回程過(guò)程中鴨嘴栽植器閉合時(shí)夾住須根回帶丹參種苗而引起了漏苗；株距變異系數(shù)平均值為5.6%，是由于機(jī)器作業(yè)速度發(fā)生波動(dòng)而引起的；栽植深度合格率平均值為93.7%，究其原因是移栽試驗(yàn)田地形起伏以及機(jī)構(gòu)振動(dòng)造成。

表2 主要移栽性能測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of main transplanting performance

5 結(jié)論

(1)根據(jù)丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，基于變形橢圓齒輪設(shè)計(jì)了一種雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)，并建立了機(jī)構(gòu)的理論模型。結(jié)合機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型采用Matlab開(kāi)發(fā)了人機(jī)交互可視化輔助程序，并獲得了機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)鴨嘴栽植器傾斜角、端點(diǎn)相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡特性的影響規(guī)律。

(2)借助輔助程序通過(guò)人機(jī)交互的方式得到一組滿足丹參膜上傾斜移栽農(nóng)藝要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)組合：l1=290 mm、l2=100 mm、l3=122 mm、l4=229 mm、l5=64 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=10°、θ2=95°、θ5=114°、θ7=90°、θ8=90°、a=72.5 mm、e=0.24、m1=1.1。

(3)研制樣機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架和田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機(jī)構(gòu)理論模型正確，機(jī)構(gòu)能在滿足丹參膜上傾斜移栽的同時(shí)保證作業(yè)質(zhì)量，移栽機(jī)構(gòu)立苗角度合格率為90.7%、漏栽率為2.7%、株距變異系數(shù)為5.6%、栽植深度合格率為93.7%。