蔬菜移栽機(jī)凸輪-連桿組合式取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗

賈畢清，葉夢蝶，翟曉南，韓綠化,呂建強

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 淮安生物工程分院，江蘇 淮安 223001；2.江蘇大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.淮陰工學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，江蘇 淮安223003)

0 引言

近年來，蔬菜集約化育苗技術(shù)快速發(fā)展[1]，年產(chǎn)商品苗達(dá)800億株以上；但我國蔬菜苗移栽主要采用傳統(tǒng)手工勞作方式，用工多，勞動強度大，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低，不能及時、快速地實現(xiàn)種苗大面積田間定植，蔬菜生產(chǎn)成本居高不下。雖然已研發(fā)出吊杯式、導(dǎo)苗管式等各型半自動移栽機(jī)，解決了栽插作業(yè)，但仍需配備相當(dāng)人力進(jìn)行取苗、分苗、投苗等操作。當(dāng)栽植頻率較高且連續(xù)作業(yè)時，人工取苗等操作難以適應(yīng)[2]。

取苗機(jī)構(gòu)能代替人工勞動，實現(xiàn)穴盤苗自動夾取和釋放，是蔬菜穴盤苗全自動移栽機(jī)研究熱點之一，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了深入研究，并提出了多種形式的取苗方案[3-10]。Choi等人[3]設(shè)計了一種由固定滑道-連桿-滑塊組合而成的取苗機(jī)構(gòu)，驅(qū)動連桿推動滑塊在特定滑道上移位，產(chǎn)生要求的工作軌跡。通過仿真分析該機(jī)構(gòu)的運動和動力學(xué)特性，并經(jīng)試驗測試表明：使用苗齡23天的生菜苗在取苗頻率為30株/分鐘時，取苗成功率達(dá)到97%。崔巍等人[4]報道了一種齒輪-五桿取苗機(jī)構(gòu)，運用仿真分析手段優(yōu)化了工作軌跡和結(jié)構(gòu)參數(shù)。俞亞新、趙雄、葉秉良等人[7, 9-10]圍繞非圓齒輪行星系缽苗取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)分析與試驗研究，為蔬菜移栽機(jī)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。我國蔬菜穴盤育苗廣泛使用聚苯乙烯塑料盤，要求穴盤平直輸送，需要取苗機(jī)構(gòu)垂直穴盤進(jìn)行取苗作業(yè)[11]。此外，穴盤苗是有生命的柔性體，采用機(jī)器取苗時應(yīng)保證取苗時不傷苗、不傷缽[11]，為機(jī)械定植提供極盡完整的缽體苗，旨在有效提高蔬菜苗后期的生長力。

本文基于我國蔬菜生產(chǎn)實踐，設(shè)計一種凸輪-連桿組合式取苗機(jī)構(gòu)，通過仿真分析驗證了機(jī)構(gòu)可行性，并進(jìn)行樣機(jī)試驗，考察其工作效能。

1 取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計

旱地移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的功能是從生長穴盤里自動夾取幼苗，轉(zhuǎn)移并釋放到栽植單元里，最后由栽植器栽入土壤里。為了產(chǎn)生合適的取苗軌跡，所設(shè)計的取苗機(jī)構(gòu)需滿足以下要求：

1)在提取幼苗時，取苗機(jī)構(gòu)應(yīng)驅(qū)動取苗末端執(zhí)行器的夾取針垂直于穴孔接近苗缽。這樣，夾取針能以最大深度刺入缽體，保證對苗缽最大的抓取量。

2)當(dāng)取苗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移取出的幼苗時，從取苗點到投苗點的距離應(yīng)大于穴盤平直輸送的距離。

3)在釋放幼苗時，取苗機(jī)構(gòu)應(yīng)移動幼苗呈直立狀態(tài)，使幼苗能以最小的慣性落入到栽植單元里。

通過機(jī)構(gòu)組合與創(chuàng)新，設(shè)計出滿足垂直穴盤取苗、直立投苗軌跡要求的取苗機(jī)構(gòu)，如圖1所示。該機(jī)構(gòu)由凸輪擺桿機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)及擺桿滑塊機(jī)構(gòu)經(jīng)Ⅰ型串聯(lián)組合而成[12]。

1.驅(qū)動凸輪 2、4'、4.擺桿 3、5.連桿 6.滑塊 7.L型滑道 8.取苗末端執(zhí)行器

圖1中，擺桿滑塊機(jī)構(gòu)為后置子機(jī)構(gòu)，由L型滑道、擺桿、滑塊和連桿等組成。L型滑道為曲線導(dǎo)軌，取苗段垂直于穴孔，是直線段構(gòu)型，用于垂直穴盤取苗；投苗段直立于栽植單元正上方，也是直線段構(gòu)型，用于調(diào)整投苗姿態(tài)；中間過渡段為連接圓弧，實現(xiàn)取苗與投苗光順連通。凸輪擺桿機(jī)構(gòu)為前置子機(jī)構(gòu)，通過合理的凸輪輪廓曲線控制后置子機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律，實現(xiàn)取苗和投苗姿態(tài)按需調(diào)整、零速度工作的要求。中間子機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，將前置子機(jī)構(gòu)的控制規(guī)律轉(zhuǎn)換放大到后置子機(jī)構(gòu)上，增加取苗到投苗移位距離，讓出穴盤下落空間。

該取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于構(gòu)造L型滑道的輪廓形狀，以形成J→K→L工作軌跡?？紤]到滑道和滑塊之間的熱摩擦和磨損，1對連體的調(diào)心球軸承塊作為滑塊運行。由于采用夾取針插入缽體進(jìn)行取苗，整個滑塊在傾斜取苗段運動的尺寸應(yīng)大于穴孔的高度，還應(yīng)保證將幼苗從穴孔完整提取出來不碰到穴孔邊緣。在設(shè)計中，取苗段滑道為90mm，2倍于我國常用穴盤穴孔的高度[11]。我國常用穴盤的外廓尺寸為280mm 寬 × 540mm 長，假設(shè)穴盤以65°傾斜平直輸送，最大的水平進(jìn)給跨度為118mm (280mm × cos65°) 和 228mm (540mm × cos65°)，則從取苗到投苗設(shè)計的轉(zhuǎn)移距離為368mm，滿足穴盤平直輸送要求。確定好取苗和投苗兩個極限位置后，使用圓弧構(gòu)型光順連接，從而完成L型滑道的設(shè)計。同時，根據(jù)已定的取苗和投苗兩個極限位置，考慮取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)空間布局，能確定出四桿機(jī)構(gòu)桿組的基本尺寸。在給出凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的頂點位置，相應(yīng)地驅(qū)動凸輪的升程高度能確定。設(shè)計簡單的諧波運動作為凸輪的推程和回程規(guī)律，這樣沒有任何加速度和沖擊的突然變化。最后，使用SolidWorks凸輪插件設(shè)計出驅(qū)動凸輪的輪廓曲線。所設(shè)計的L型滑道和驅(qū)動凸輪的整體尺寸如圖2所示。

圖2 L型滑道和驅(qū)動凸輪的整體尺寸圖Fig.2 The overall dimension drawing of the L-type slot and the driving cam

2 虛擬仿真分析

使用SolidWorks軟件建立所設(shè)計取苗機(jī)構(gòu)的三維裝配模型，以中性文件格式Parasolid(.x-t)導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析。對仿真環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)后期加工制造的生產(chǎn)條件為零件添材料屬性。同時，在運動桿件之間添加轉(zhuǎn)動副、固定副等運動副和接近實際工作環(huán)境的摩擦因數(shù)。對于有接觸運動的滑道和滑塊，施加合理的接觸力進(jìn)行運動限位。設(shè)定驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)速為40 r/min(等同于取苗頻率)，仿真步數(shù)為200 步/s，進(jìn)行仿真計算。取苗機(jī)械仿真分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 取苗機(jī)構(gòu)仿真分析結(jié)果Fig.3 The virtual prototype analysis of the seedling pick-up device in motion

圖3(a)記錄了取苗機(jī)構(gòu)3個工作姿態(tài)，整個取苗軌跡看似彎鐮刀狀。在鐮刀頭部，夾取針垂直于穴孔夾缽取苗，經(jīng)鐮刀柄部姿態(tài)變換后在尾部呈直立狀態(tài)投苗。從幼苗提取到釋放，工作軌跡平順，再次取苗時夾取針沿相同的工作軌跡返回。

圖3(b)和圖3(c)顯示了夾取針末端的運動速度和加速度變化曲線圖。在40r/min工作頻率下，最大取苗速度和加速度分別為1.61m/s 和65.57m/s2，而Choi等人[3]設(shè)計五桿取苗機(jī)構(gòu)的峰值加速度達(dá)到440 m/s2，可以看出本文所設(shè)計的取苗機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出較好的運動特性。此外，在取苗點和投苗點運動速度和加速度均為零速度，能平穩(wěn)夾缽取苗并釋放。在機(jī)構(gòu)設(shè)計中，構(gòu)造了20°驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)角量來夾缽和80°轉(zhuǎn)角量來釋放穴盤苗，這樣幼苗能被穩(wěn)健夾取和自由落體運動釋放，保證了自動取苗和投苗質(zhì)量。從幼苗提取到幼苗釋放有120°凸輪轉(zhuǎn)角量，而從幼苗釋放到幼苗再次提取有140°凸輪轉(zhuǎn)角量，于是該取苗機(jī)構(gòu)的取苗工作行程與非工作行程時間比為0.86，表明該取苗機(jī)構(gòu)能快速提取幼苗，慢速返回再次提取幼苗。

如圖3(d)中，通過測量得到在40r/min工作頻率下驅(qū)動凸輪峰值扭矩為3.40N·m。經(jīng)一步仿真,在50r/min工作頻率下驅(qū)動凸輪峰值扭矩為3.67 N·m。該驅(qū)動凸輪峰值扭矩的增大主要來自仿形滑槽直線段連接處的熱摩擦，在實際應(yīng)用中采用雙溝球軸承作滑塊滾子，并進(jìn)行油潤滑，能改善這一狀況。

取苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動功率計算公式為

(1)

其中，P為功率(kW)；T為扭矩(N·m)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)。

經(jīng)計算，該取苗機(jī)構(gòu)在40 r/min和50 r/min工作頻率下，所需要的峰值驅(qū)動功率分別為0.014kW和0.019kW。考慮工程因素，實際需要的驅(qū)動功率要大于理論設(shè)計，為取苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動動力分配提供了依據(jù)。整體來看，取苗機(jī)構(gòu)的仿真分析顯示該機(jī)構(gòu)能較好地完成取苗和投苗工作要求，論證了機(jī)構(gòu)方案的可行性。

3 取苗試驗與結(jié)果

3.1 試驗基本條件

根據(jù)所設(shè)計的取苗機(jī)構(gòu)，試制試驗樣機(jī)，加裝前期研發(fā)的T型開合槽型輔推機(jī)械式取苗末端執(zhí)行器[13]到取苗滑塊上，配置穴盤苗機(jī)電輸送裝置和控制系統(tǒng)，構(gòu)建出自動取苗試驗臺，用于開展自動取苗試驗研究，如圖4所示。

1.取苗機(jī)構(gòu) 2.控制器 3.取苗末端執(zhí)行器 4.穴盤苗 5.栽植器 6.導(dǎo)苗筒 7.機(jī)架 8.張緊彈簧

以可移栽的番茄穴盤苗為自動取苗對象，育苗基質(zhì)為江蘇省淮安市中諾農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的精裝通用型有機(jī)基質(zhì)營養(yǎng)土，品種為“合作908”粉紅番茄，使用浙江省盛世金農(nóng)128孔穴盤育苗，育苗管理遵從我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《蔬菜穴盤育苗通則(NY/T2119-2012)》。試驗時，穴盤苗兩葉一心，缽體含水率為60%±2%。試驗進(jìn)行3次，每次試驗用3盤苗，記錄自動取苗過程中提取失敗、根土破碎、傷苗、投苗失敗等情況，統(tǒng)計分析成功取苗并投苗的比率。

3.2 試驗結(jié)果

自動取苗試驗結(jié)果如表1所示。從實際效果來看，當(dāng)取苗頻率為40株/min時，自動取苗和投苗的成功率最大值為92.35%，最小值為91.58%，平均值為92.03%，具有較好的取苗和投苗效果。

對取苗不成功的情況進(jìn)行分析，可以看出：雖然采用標(biāo)準(zhǔn)化方式育苗，待夾取的穴盤里仍然存在空苗，3次取苗的穴盤里分別有18、14、16株空穴，且機(jī)械機(jī)構(gòu)無法智能判斷，空穴存在影響了自動取苗效率。為此，保證育苗質(zhì)量，培育長勢均勻的齊苗，是提高自動取苗效果的有力保障。使用柱塞頂出提取失敗的穴盤苗，并對比察驗根土破碎的苗缽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：提取失敗及苗缽根土破壞較大等情況下穴盤苗缽體盤根不完全，所培育的穴盤苗根系未能緊密包裹基質(zhì)體，造成了機(jī)械化取苗時夾碎缽體，或者取出的苗缽不完整。為了提高自動取苗的質(zhì)量，要求待移栽的苗缽根系發(fā)達(dá)[11]。傷苗情況主要發(fā)生在幼苗提取過程中，當(dāng)取苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動末端執(zhí)行器沿直線段軌跡插入缽體夾取幼苗時，幼苗枝葉糾纏夾取針，夾取針對苗缽實施夾取作用就造成了斷葉、斷莖。對于大多數(shù)蔬菜穴盤苗而言，葉子掉了并不影響后期生長[3]，但幼苗莖干折斷不能成活，達(dá)不到育苗移栽的綜合效益。當(dāng)使用矮壯苗時，明顯改善了取苗末端執(zhí)行器夾缽提取時傷苗情況。在未成功投苗方面，試驗發(fā)現(xiàn)部分番茄苗植株冠幅較大，自動釋放時幼苗葉子會牽掛在夾取針上，難以依靠自重自由落體脫離，對所用取苗末端執(zhí)行器需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。整體來看，對于機(jī)器自動取苗而言，提供根系發(fā)達(dá)的矮壯苗有利于夾取和釋放作業(yè)[11]。

表1 取苗性能試驗結(jié)果Table 1 Experimental performance results of picking up seedlings from the tray cells

取苗成功率：夾取、轉(zhuǎn)移、釋放過程中缽體完整且幼苗無損傷的穴盤苗占進(jìn)給苗總數(shù)的百分比。

4 結(jié)論

根據(jù)我國穴盤育苗生產(chǎn)特點，設(shè)計了一種具有最短取苗路徑的凸輪-連桿組合式取苗機(jī)構(gòu)。該取苗機(jī)構(gòu)為Ⅰ型串聯(lián)組合式創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，工作軌跡如彎鐮刀狀，能垂直穴盤取苗，經(jīng)姿態(tài)變換后帶苗返回至投苗位置直立投苗。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)分析了取苗機(jī)構(gòu)的運動規(guī)律，在取苗點和投苗點運動速度和加速度均為零速度，能平穩(wěn)夾缽取苗并釋放。研制了物理樣機(jī)，進(jìn)行自動取苗性能測試。結(jié)果表明：當(dāng)取苗頻率為40株/min時，自動取苗成功率平均值為92.03%，較好地滿足了穴盤苗自動夾取和釋放要求。