可調(diào)節(jié)式甘藍缽苗取苗末端執(zhí)行器設計與試驗

韓 豹 申大帥 郭 暢 劉 俏 王 欣 宋春波

(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

甘藍是我國主要蔬菜品種之一，其播種面積已超過25.3萬hm2，在我國蔬菜種植面積中位列第3位[1]。而我國蔬菜機械化水平較低，嚴重影響著蔬菜種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。當前，育苗移栽依然是蔬菜產(chǎn)業(yè)的主要種植方式，應用于全球約60%的蔬菜種類[3]，但移栽機械的用苗要求與缽苗育苗工藝之間的結合尚不完善。甘藍以穴盤育苗為主要育苗方式，文獻[4-5]針對不同穴盤規(guī)格與基質(zhì)對甘藍育苗的影響進行了研究，但目前針對甘藍缽苗配套的自動移栽機械及其末端執(zhí)行器的研究報道較少。

取苗末端執(zhí)行器是育苗移栽機械的關鍵部件，是實現(xiàn)缽苗全自動移栽的重要組成部分[6-7]。美國、日本、荷蘭等國家缽苗移栽裝備較為成熟[8]。文獻[9-12]開發(fā)了應用于不同蔬菜及花卉移栽的取苗末端執(zhí)行器。國內(nèi)學者近年來也進行了針對性的研究[13-17]。以上取苗末端執(zhí)行器主要針對某種特定穴盤規(guī)格進行應用。當前我國甘藍育苗常用秧盤有72穴、128穴和200穴3種規(guī)格，其缽苗栽植主要應用半自動移栽機械完成，即通過人工將缽苗由育秧盤內(nèi)逐個取出并投放到移栽機栽植器內(nèi)，然后再由機械完成后續(xù)栽植和鎮(zhèn)壓等工作，人工喂苗勞動強度大，作業(yè)環(huán)境差。為此，本文結合甘藍穴盤苗的結構特點，設計一種插入針間距可調(diào)的針式缽苗末端執(zhí)行器，對甘藍育苗常用的3種規(guī)格穴盤所育缽苗開展取苗試驗研究，以期提升甘藍缽苗半自動移栽機技術水平，解決人工喂苗勞動強度大問題。

1 取苗末端執(zhí)行器總體結構與工作原理

取苗末端執(zhí)行器的機械結構如圖1所示，該執(zhí)行器主要由電動推桿、安裝架、調(diào)節(jié)滑塊、針座、彈簧、取苗針和推板等組成。其中，安裝架可在固定板四角的矩形管中豎直上下移動，根據(jù)缽苗的高度調(diào)節(jié)機構的取苗空間，然后通過緊定螺釘進行限位固定，以適應不同苗高的取苗要求。調(diào)節(jié)滑塊也可在安裝架下端傾斜部分沿傾斜角度上下移動，通過改變調(diào)節(jié)滑塊與推板之間距離，對彈簧進行預緊，保證投苗時取苗針在根缽中能夠順利拔出。同時，針座安裝在調(diào)節(jié)滑塊的卡槽中，并可沿卡槽方向移動，實現(xiàn)對入土寬度的調(diào)節(jié)，以滿足大、中、小根缽取苗要求。該末端執(zhí)行器取苗工作原理是通過電動推桿的伸出，帶動推板下壓，彈簧壓縮，軸承在滑軌中滑移，使4根取苗針傾斜插入根缽，在取苗機構的帶動下取出缽苗，電動推桿回縮，取苗針在彈簧的作用下回縮直至脫離根缽，完成取苗放苗的過程。

圖1 甘藍缽苗取苗末端執(zhí)行器結構圖Fig.1 Structure diagram of end-effector of cabbage seedlings1.電動推桿 2.固定板 3.緊定螺釘 4.推板 5.滑軌 6.轉(zhuǎn)向軸承 7.彈簧 8.安裝架 9.螺栓 10.調(diào)節(jié)滑塊 11.針座 12.取苗針 13.擋苗板 14.卡槽

該執(zhí)行器用于甘藍缽苗的稀植作業(yè)，取苗過程如圖2所示，具體操作過程如下：

(1)在一個取苗過程的起始點(圖2a)，為了減少末端執(zhí)行器對缽苗莖葉的損傷，從缽苗的一側(cè)沿垂直穴盤的方向進給，到達取苗高度后，穴盤在進給機構的控制下把缽苗送到取苗點(圖2b)。

(2)缽苗到達取苗點后，4根取苗針下端針尖處與根缽四角相對，此時缽上植株部分處于機構內(nèi)部空間的中心位置，不會受到擠壓碰撞。并根據(jù)根缽規(guī)格對取苗針的入土寬度進行調(diào)節(jié)，以滿足根缽取苗要求。

(3)電動推桿伸出，帶動推板向下運動，在傾斜滑軌與轉(zhuǎn)向軸承的作用下，彈簧被壓縮，取苗針從根缽四角處以最大深度傾斜插入根缽內(nèi)(圖2c)。

(4)取苗末端執(zhí)行器在取苗裝置的帶動下沿垂直于穴盤方向上移，根缽在取苗針的作用下脫離穴盤，從而將缽苗從穴孔中取出(圖2d)。

(5)末端執(zhí)行器把取出的缽苗移送到放苗位置(圖2e)，電動推桿向上縮回，帶動推板上升，彈簧復位，取苗針回縮，在擋苗板的反推作用下，取苗針從根缽中拔出，完成投苗過程(圖2f、2g)。

圖2 甘藍缽苗取苗末端執(zhí)行器取苗投苗過程示意圖Fig.2 Schematics of seedling process of end-effector for cabbage seedlings

2 取苗末端執(zhí)行器結構設計與參數(shù)確定

取苗末端執(zhí)行器主要用于全自動蔬菜缽苗移栽機自動取苗投苗作業(yè)。常見的取苗末端執(zhí)行器按驅(qū)動方式可分為氣動驅(qū)動、電機驅(qū)動、電磁驅(qū)動3種形式[7]。氣動驅(qū)動末端執(zhí)行器結構簡單、便于控制，但控制方式單一，難以實現(xiàn)速度的準確控制和位置的精準定位，且不便于移動；電機驅(qū)動末端執(zhí)行器可以實現(xiàn)位置和速度的精確控制，但控制相對復雜；電磁驅(qū)動末端執(zhí)行器通過給線圈勵磁使鐵心做往復運動，其結構復雜，當前應用較少。本研究采用電機驅(qū)動的方式，以保證對取苗速度的準確控制。電機選用永磁直流電機驅(qū)動的電動推桿，額定功率30 W，額定推力150 N，行程100 mm，速度60 mm/s，自帶機鎖和限位開關，通過調(diào)節(jié)外部控制器來滿足行程要求的正負極轉(zhuǎn)換。

取苗針是末端執(zhí)行器關鍵的部件。一般有2針、3針、4針，針數(shù)越多取苗越穩(wěn)定[7, 13]，本研究選用4根取苗針。由于在取苗過程中根缽的四角阻力最大，則使取苗針采用向心式從根缽的四角插入，利用傾角取出缽苗。為確定取苗針的直徑，選取1～4 mm不同直徑的取苗針以0.5 mm為間隔分別對72穴、128穴、200穴缽苗進行探究試驗。試驗結果表明，1～2 mm的取苗針直徑較小，取苗針的剛性較差，易彎曲，且與基質(zhì)接觸受力面積較小，取苗穩(wěn)定性差；3.5 mm和4 mm的取苗針直徑較大，取苗針在插入根缽過程中缽體容易破裂且增大對根系的損傷。綜上所述，由于不同規(guī)格穴盤的缽苗質(zhì)量與體積不同，72穴缽苗選用直徑3 mm取苗針，128穴和200穴缽苗均選用直徑2.5 mm取苗針。取苗針材料為不銹鋼。

為減小末端執(zhí)行器的質(zhì)量，調(diào)節(jié)滑塊與針座選用尼龍材料，固定板、推板和安裝架均使用鋁合金材料，取苗末端執(zhí)行器的結構參數(shù)如圖3所示。

圖3 取苗末端執(zhí)行器結構簡圖Fig.3 Schematics of structure of end-effector1.伸縮桿 2.推板 3.滑軌 4.彈簧 5.安裝架 6.針座 7.調(diào)節(jié)滑塊 8.取苗針 9.甘藍幼苗 10.擋苗板 11.缽體

(1)取苗針插入傾角α

取苗針從根缽四角插入，其在穴孔底面的投影與下口徑邊線的夾角呈45°，為避免插入傾角過小而刺到孔壁，應使α略大于穴孔4條棱線的傾角，即

(1)

式中b——穴孔上口徑邊長

c——穴孔下口徑邊長

h——穴孔高度

經(jīng)測量72穴、128穴和200穴3種規(guī)格穴盤穴孔棱線的傾角均約17.5°，故本文對取苗針插入傾角取18°。

(2)取苗針入土長度Lh

取苗針入土長度取決于伸縮桿伸出長度，即

(2)

其幾何約束條件為

(3)

式中Dp——伸縮桿伸出長度

ε——取苗針入土之前針尖與穴盤表面的初始距離，取10 mm

(3)伸縮桿行程[Dp]

伸縮桿的行程需滿足取苗針在作業(yè)過程中的最大伸縮長度，即

(4)

其中穴孔高度h為最大穴盤規(guī)格72穴盤尺寸，取45 mm。故伸縮桿行程取100 mm。

(4)調(diào)節(jié)滑塊卡槽長度D1

卡槽長度決定了取苗針間距調(diào)節(jié)范圍，需同時滿足3種規(guī)格穴盤的穴孔尺寸與插入邊距。

(5)

式中δ——取苗針插入點到穴孔上邊線的距離

Δb——不同穴盤規(guī)格之間最大與最小上口徑邊長之差，為15 mm

η——安裝架沿垂直方向調(diào)節(jié)安裝位置時所造成沿卡槽方向位置變化的極限誤差

(5)滑軌長度D2

伸縮桿下壓位移通過轉(zhuǎn)向軸承可分解為沿滑軌方向位移和沿取苗針方向位移，故

Lp=Dpsinα

(6)

D2≥Lp+D1+η

(7)

式中Lp——實際取苗過程中轉(zhuǎn)向軸承沿滑軌運動位移

(6)取苗針長度Lz

取苗針長度需同時滿足彈簧自由長度、針座長度、針座到擋苗板的長度與取苗針入土長度，即

(8)

為了減輕調(diào)節(jié)滑塊與針座對甘藍幼苗莖葉的碰撞損傷，針座與擋苗板之間的垂直高度應高于甘藍幼苗莖葉，即

D4≥Zh-ε

(9)

式中H0——彈簧自由長度，取140 mm

D3——針座長度

D4——針座與擋苗板之間的垂直高度

Zh——甘藍缽苗株高

(7)取苗末端執(zhí)行器內(nèi)部空間高度H

內(nèi)部空間高度H取決于取苗針的安放高度、伸縮桿實際工作長度以及甘藍缽苗株高，即

H=Lzcosα+D2sinα+D5

(10)

式中D5——滑軌末端高度

(8)推板寬度B

推板的寬度決定了取苗末端執(zhí)行器內(nèi)部空間的大小，需同時滿足取苗針、調(diào)節(jié)滑塊及針座的正常工作需求和取苗作業(yè)空間要求，故

B=Lb+2Lzsinαcos45°+εtanαcos45°

(11)

式中Lb——取苗針入土寬度

為了解取苗針對甘藍缽苗取苗時的受力情況，對缽苗剛要脫離穴盤的瞬間進行受力分析，如圖3b所示。G為根缽自身重力，F(xiàn)N為根缽對單根取苗針的正壓力，F(xiàn)N在空間上產(chǎn)生3個方向分力，其中2個水平方向分力為F1和F2，1個垂直方向分力為F3，F(xiàn)1和F2分別作用于相鄰取苗針之間，將根缽向中心擠壓，F(xiàn)3將根缽向上提升。Ff為取苗針與根缽之間的摩擦力，主要是由根缽與取苗針在提取瞬間的相對滑移趨勢所引起的，其大小由根缽與取苗針之間的粘附力和摩擦因數(shù)所決定，由于根缽與取苗針實際接觸受力面積很小，可以忽略不計[14]。F為取苗針對根缽產(chǎn)生的瞬間沖擊合力，由缽苗的質(zhì)量與取苗加速度所決定。f為穴孔壁對根缽的粘附力，其通常受穴盤與基質(zhì)材料、接觸面積、根缽含水率等因素影響[16]。當取苗針插入點到穴孔上邊線的距離δ較大時，4根取苗針包裹下的受力基質(zhì)區(qū)域的體積較小，應力集中較大。

3 試驗材料與分析

在育苗過程中不同的穴盤規(guī)格與苗齡對甘藍幼苗的生長和生理狀況有很大的影響[5]，進而影響取苗效果。本文所用甘藍品種為京豐一號，3種育苗穴盤分別為72穴、128穴、200穴，穴盤外形尺寸均為540 mm×280 mm，穴孔橫截面呈正方形，尺寸如表1所示。育苗選用無土栽培育苗基質(zhì)，主要成分為草炭、蛭石、珍珠巖、腐熟中藥渣、腐熟蘑菇渣、酒渣等，其中草炭、蛭石、珍珠巖的配比為6∶3∶1，N、P、K總質(zhì)量比大于等于12 g/kg，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)大于等于40%，硅質(zhì)量比大于等于0.3 g/kg。

表1 3種穴盤規(guī)格穴孔尺寸Tab.1 Hole size of three types of plugs

為觀察甘藍種苗的大苗、中苗、小苗的幾何參數(shù)，分別用72穴、128穴、200穴塑料穴盤進行育苗，并在苗齡20、30、40 d時分別抽取3盤隨機取樣研究，甘藍穴盤育苗如圖4a所示。根缽是一種根系-基質(zhì)結合體，缽苗的根系對缽體有聚攏作用，其覆蓋程度對取苗效果有較大影響[13,16]，本文通過根缽側(cè)面根系覆蓋面積與側(cè)面總面積的比值計算根系覆蓋率[13]，覆蓋率超過80%以上定義為根缽形成，如圖4b所示。

如圖5所示，各個穴盤規(guī)格的幼苗隨著苗齡的增長，株高、莖粗均增大，根缽也是逐漸形成。對于20 d小苗，200穴盤幼苗與其他穴盤幼苗相比，株高相差不大，莖粗較小，形成根缽；對于30 d中苗，128穴盤與200穴盤幼苗均形成根缽，在株高與莖粗上差異不大，但與72穴盤幼苗差異較大；對于40 d大苗，各穴盤幼苗均已形成根缽，72穴盤幼苗在株高與莖粗上遠大于其他穴盤幼苗。由此可知，穴孔規(guī)格對幼苗生長有明顯的限制作用，對根缽的形成程度也有很大的影響，大穴孔小苗齡不易形成根缽，小穴孔大苗齡根缽形成較好，但易出現(xiàn)盤外盤根現(xiàn)象而影響取苗效果[18]，且株高、莖粗較小。綜上，本文選用試驗用苗為72穴盤幼苗，苗齡40 d；128穴盤幼苗，苗齡30 d；200穴盤幼苗，苗齡20 d，在均已形成根缽的前提下進行取苗試驗研究。

圖4 甘藍缽苗Fig.4 Cabbage seedlings

圖5 甘藍幼苗生長趨勢Fig.5 Growth trend of cabbage seedlings

4 試驗指標與因素的確定

4.1 試驗指標

甘藍缽苗取苗試驗從根缽完整率和取苗失敗率兩方面考察取苗效果[16,19]。

取苗針在提取出甘藍根缽的過程中，會出現(xiàn)部分基質(zhì)從根缽上脫落現(xiàn)象，脫落質(zhì)量過多對甘藍缽苗栽植效果和栽植成活率均有較大影響[16]，結合前期試驗和參考文獻[20]，根缽完整率小于50%時就會嚴重降低缽苗栽植的直立度與栽植成活率。故將從穴盤中取出的甘藍缽苗的根缽完整率小于50%視為取苗失敗。其計算公式為

(12)

式中Rs——根缽完整率，%

mr——取出根缽的質(zhì)量，g

md——遺留和脫落的根缽質(zhì)量，g

取苗結束后，剪去甘藍幼苗，把遺留在穴孔和脫落在外的根缽收集后使用JD1000-2型電子天平進行稱量。

取苗針在提取出甘藍缽苗的過程中，將缽苗未被取出、中途掉落以及取出后的缽苗根缽完整率小于50%均視為取苗失敗，取苗失敗率Sf計算公式為

(13)

式中Ynf——缽苗未取出、中途掉落和根缽完整率小于50%的缽苗數(shù)量，個

Yni——主莖折斷數(shù)，個

Ynt——取苗穴孔總數(shù)，個

Ynh——空穴數(shù)，個

對于甘藍缽苗來說，苗葉的損傷或者單個苗葉折斷脫落對于甘藍的生長發(fā)育不會有明顯的影響，而主莖的折斷代表著甘藍生長發(fā)育的停止[19]，因此把主莖折斷數(shù)Yni作為取苗失敗的一個統(tǒng)計量?？昭〝?shù)Ynh是指穴盤中未生長甘藍幼苗的穴孔數(shù)量，其與育苗過程中出苗率相關，與末端執(zhí)行器作業(yè)性能無關，不作為取苗失敗的統(tǒng)計量。

4.2 試驗因素

4.2.1取苗加速度

在取苗過程中，從根缽的力學角度進行考慮，根據(jù)牛頓第二定律取苗針對根缽的沖擊合力F為

F=ma

(14)

式中m——缽苗的質(zhì)量，g

a——取苗加速度，m/s2

由缽苗取苗瞬間受力分析可知，在取苗針的帶動下，根缽剛要脫離穴孔的瞬間將會產(chǎn)生瞬時加速度，當缽苗的質(zhì)量不變時，瞬時加速度越大，取苗針對根缽的沖擊力也就越大。

4.2.2穴盤規(guī)格

不同規(guī)格穴盤的甘藍缽苗的質(zhì)量不同，體積不同，由受力分析可知根缽與穴孔接觸面積不同，則根缽與穴孔之間的粘附力不同。當取苗加速度一定時，因缽苗的質(zhì)量不同，所受沖擊合力F也有所不同。甘藍根系呈放射狀分布，對基質(zhì)塊具有聚攏作用，越靠近根源根系越密集，越向外放射根系密度越小，即穴盤規(guī)格不同的根缽根系分布密度不同，對基質(zhì)的聚攏效果也不一樣。選用穴盤3個水平為72穴、128穴、200穴。

4.2.3根缽含水率

水是基質(zhì)顆粒之間、根系與基質(zhì)顆粒之間的一種介質(zhì)，使根缽的內(nèi)部產(chǎn)生一種粘結力，同時含水率對根缽與穴孔壁之間粘附力有影響[16]。由于根缽含水率是通過鼓風干燥箱將根缽干燥后進行測試，不能即時所得，于是采用先試驗后測試的方法，提前把根缽澆透，然后控制間隔時間進行取苗試驗，取苗后剪去甘藍幼苗，只留根缽以干濕質(zhì)量法進行測量，計算公式為

(15)

式中θm——根缽含水率，%

m1——干燥前根缽質(zhì)量，g

m2——干燥后根缽質(zhì)量，g

以實際測量為準，對每種穴盤的缽苗分別測定根缽含水率取平均值，選取3個平均含水率水平為42.3%、56.2%、69.1%。

4.2.4插入邊距比λb

插入邊距比λb為插入點到穴孔上邊線的距離δ與穴孔上口徑邊長b的百分比，即

(16)

由圖3可知，為適應3種常用甘藍穴盤取苗需要，取苗針入土寬度設計成可調(diào)，即插入邊距δ可調(diào)節(jié)。而δ過大，4根取苗針所包裹的受力范圍內(nèi)的基質(zhì)體積過小，應力集中過大，且插入?yún)^(qū)域靠近根系密集區(qū)和甘藍幼苗莖葉區(qū)，易造成幼苗損傷；δ過小，取苗針離根缽邊緣太近，易破壞根缽邊緣區(qū)域，造成基質(zhì)脫落，并且易發(fā)生取苗針與根缽的錯位。

5 離散元模擬仿真

5.1 穴孔仿真模型

采用72穴、128穴、200穴盤尺寸數(shù)據(jù)，利用SolidWorks 2016對穴孔進行建模，并導入EDEM 2.7軟件內(nèi)，創(chuàng)建模塊的幾何體(Geometry)，如圖6所示，仿真參數(shù)如表2所示。

圖6 穴孔3D模型Fig.6 3D model of hole1.穴缽 2.取苗針 3.擋苗板

參數(shù)材料穴盤基質(zhì)取苗針泊松比0.380.40.3剪切模量/MPa8661075800密度/(kg·m-3)14007507910

5.2 缽體顆粒模型

為方便模擬和減少計算量，缽體基質(zhì)顆粒模型為球形，半徑為0.4～0.7 mm，根據(jù)不同的穴盤規(guī)格設置相適應的Total Mass，由Factory生成缽體顆粒并使其在重力作用下達到穩(wěn)定后，對模型進行壓縮，最終得到缽體顆粒模型如圖7所示。

圖7 缽體仿真模型Fig.7 Simulation model of bowl

在取苗過程中，會產(chǎn)生基質(zhì)部分脫落的現(xiàn)象，影響取苗效果。實際上是在取苗針的作用下基質(zhì)顆粒間的粘結產(chǎn)生破裂，發(fā)生相對位移，造成顆粒下落。而接觸模型Hertz-Mindlin with bonding用于模擬破碎、斷裂等問題，采用小顆粒粘結成大塊物料，外力作用下顆粒間粘結力會發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生破碎及斷裂效果[21]。

5.3 缽體模型提取仿真試驗

為了分析加速度、穴盤規(guī)格、邊距比對基質(zhì)顆粒脫落的影響，利用EDEM求解器對建立的缽體模型進行提取仿真，在基質(zhì)顆粒生成、壓縮后，使顆粒間產(chǎn)生粘結，并使取苗針以固定角度插入缽體模型中，且對取苗針施加向上的加速度，完成對缽體的提取，如圖8所示。在提取過程中伴隨著顆粒的脫落，為了計算缽體模型的完整率，利用EDEM后處理模塊中Grid Bin Group對脫落在穴孔內(nèi)的顆粒進行質(zhì)量統(tǒng)計，即

(17)

式中Rm——缽體模型完整率，%

mt——顆粒模型總質(zhì)量，g

ml——脫落顆粒質(zhì)量，g

圖9 各種試驗條件下的仿真試驗結果Fig.9 Simulation experiment results under various conditions

對穴盤規(guī)格128穴，插入邊距比15%，加速度0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 m/s2進行仿真模擬，試驗結果如圖9a所示，加速度0.1、0.3 m/s2模型完整率差異不大，但隨著加速度的逐漸增大，模型完整率迅速減小，最優(yōu)加速度范圍為0.1～0.5 m/s2。

圖8 模擬仿真試驗Fig.8 Simulation experiment

對加速度0.3 m/s2，插入邊距比15%，穴盤規(guī)格72、128、200穴進行仿真模擬，試驗結果如圖9b所示，模型完整率優(yōu)選順序為128、72、200穴，128穴最優(yōu)，但總體水平差異不大。

對加速度0.3 m/s2，穴盤規(guī)格128穴，插入邊距比5%、10%、15%、20%、25%進行仿真模擬，試驗結果如圖9c所示，隨著插入邊距比的增加，模型完整率先增大后減小，在邊距比15%時達到最高，最優(yōu)水平范圍為10%～20%。

6 試驗設計與結果分析

6.1 正交試驗設計

取苗試驗在東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)機實驗室內(nèi)進行，設計取苗試驗裝置如圖10所示，把取苗末端執(zhí)行器掛接于絲杠滑臺安裝架上進行取苗試驗，有效行程800 mm，通過外接電機控制器對作業(yè)位移和速度進行控制，以滿足對取苗加速度因素水平要求。

圖10 甘藍缽苗取苗末端執(zhí)行器試驗裝置Fig.10 Experiment device of end-effector picking up cabbage seedlings1.絲杠滑臺 2.安裝架 3.卡箍 4.取苗末端執(zhí)行器 5.缽苗 6.穴盤 7.針座 8.調(diào)節(jié)滑塊 9.取苗針 10.甘藍主莖 11.甘藍根缽

針對取苗效果，結合仿真分析結果，影響因素穴盤規(guī)格取72穴、128穴、200穴，加速度a取0.1、0.3、0.5 m/s2，取苗針插入邊距比λb取10%、15%、20%，根缽含水率取42.3%、56.2%、69.1%。試驗采用L9(34)正交表，對每個試驗組合取40株甘藍缽苗，試驗重復3次，計算其平均值作為每組試驗的數(shù)據(jù)，因素水平依次為A、B、C、D，試驗因素水平如表3所示。

6.2 試驗結果與分析

6.2.1試驗因素對試驗指標的影響

正交試驗結果與極差分析如表4所示。

通過對試驗結果極差分析，得到影響根缽完整率的主次順序為B、C、D、A，各因素的最優(yōu)水平分別為A1、B1、C2、D2，則最優(yōu)組合為A1B1C2D2。同理，影響取苗失敗率因素的主次順序為A、B、D、C，各因素的最優(yōu)水平分別為A2、B1、C1、D2，則最優(yōu)組合為A2B1C1D2。

表3 正交試驗因素水平Tab.3 Orthogonal experiment factors and levels

通過方差分析，對各因素影響根缽完整率和取苗失敗率進行顯著性檢驗，結果如表5和表6所示。

注：** 代表極為顯著，*代表顯著，ns代表不顯著，下同。

表6 取苗失敗率方差分析Tab.6 Variance analysis of seedling failure rate

由表5、6可知，取苗加速度對根缽完整率和取苗失敗率影響均極為顯著；根缽含水率對根缽完整率影響極為顯著，而對取苗失敗率影響顯著；穴盤規(guī)格對根缽完整率影響不顯著，而對取苗失敗率影響極為顯著；取苗針插入邊距比對根缽完整率影響極為顯著，而對取苗失敗率影響不顯著，這與極差分析的主次因素結論一致。因此，對于根缽完整率和取苗失敗率而言，取苗加速度和根缽含水率的選擇至關重要。

6.2.2最優(yōu)組合確定與驗證

根據(jù)取苗末端執(zhí)行器作業(yè)性能要求，各試驗指標的優(yōu)水平組合各不相同，為了兼顧平衡各項指標，采用綜合加權評分法進行分析，盡可能選出令各項指標都能達到最優(yōu)的組合[22]?？紤]到4個因素對參數(shù)指標影響的重要程度，以100分作為總權重，根缽完整率與取苗失敗率各為50分，試驗的綜合加權結果如表7所示。

通過表7分析得出各試驗因素對試驗指標(根缽完整率、取苗失敗率)影響的最優(yōu)組合，各因素主次順序為B、D、A、C，各因素最佳水平組合為B1D2A2C2，即取苗加速度為0.1 m/s2，根缽含水率為56.2%，穴盤規(guī)格為128穴，插入邊距比為15%。采用最優(yōu)組合，對取苗末端執(zhí)行器進行驗證試驗，根缽完整率為97.93%，取苗失敗率為0.81%，且試驗驗證結果與正交試驗結果對比，取苗末端執(zhí)行器的作業(yè)性能最優(yōu)。并以末端執(zhí)行器取苗放苗為一個工作流程，對取苗效率進行測試，測試結果為12株/min。

表7 綜合加權結果Tab.7 Result of integrated weight

6.3 機構優(yōu)化

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在末端執(zhí)行器針對200穴規(guī)格缽苗取苗過程中，由于穴孔較小，位于安裝架下部的擋苗板結構偏大，出現(xiàn)相鄰甘藍缽苗受壓受損情況。為滿足對多規(guī)格穴盤的適應性，避免擋苗板損傷幼苗，對機構進行優(yōu)化設計，把安裝架易對相鄰缽苗碰撞區(qū)域進行折彎處理，以減少對作業(yè)空間的占用，優(yōu)化結果如圖11所示。

7 結論

(1)針對甘藍缽苗的生理特性和3種常用穴盤結構，設計了一種可調(diào)節(jié)式四針取苗末端執(zhí)行器，適用于72穴、128穴、200穴3種規(guī)格穴盤，通過調(diào)整安裝架、調(diào)節(jié)滑塊、針座的位置，可實現(xiàn)取苗針插入根缽邊距的調(diào)節(jié)，以適應3種規(guī)格穴盤的取苗需要。

圖11 機構優(yōu)化Fig.11 Mechanism optimization

(2)在甘藍缽苗根缽均形成的前提下，利用裝置的可調(diào)節(jié)性提取相關試驗因素，并運用EDEM對缽體提取進行單因素仿真模擬。采用L9(34)正交表進行取苗試驗，通過極差分析、方差分析和綜合加權法得到影響取苗效果因素的主次順序為：取苗加速度、根缽含水率、穴盤規(guī)格、插入邊距比；最優(yōu)組合：取苗加速度為0.1 m/s2，根缽含水率為56.2%，穴盤規(guī)格為128穴，插入邊距比為15%，此時根缽完整率為97.93%，取苗失敗率為0.81%。