夾緊式番茄移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張開興,吳 昊,王文中,宋 超,劉賢喜

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018)

0 引言

我國是世界第一大番茄生產(chǎn)國,番茄已發(fā)展成為我國最重要的蔬菜品種之一[1]。在番茄等農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)過程中,育苗移栽是不可缺少的工序,可起到對氣候的補(bǔ)償作用,縮短農(nóng)作物的生長期,增加農(nóng)作物產(chǎn)量,提高抗蟲抗旱抗鹽堿能力[2],同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)移栽的機(jī)械化與自動化[3]。取苗是番茄移栽過程中關(guān)鍵的一步,取苗環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量體現(xiàn)在抓取幼苗的準(zhǔn)確性和對幼苗的損傷程度上,將直接影響移栽成功率和番茄幼苗的成活率。

目前,我國對番茄的移栽機(jī)械以半自動為主,相比人工移栽,半自動移栽機(jī)效率得到有效提升,但受限于人工取苗、喂苗速度,半自動移栽機(jī)的移栽效率受到限制,且存在傷苗、漏苗及人工成本高昂等問題[4]。陳大軍等就我國移栽機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,結(jié)論為:我國對于全自動番茄移栽機(jī)的研究起步較晚,目前全自動移栽機(jī)多以高校及科研機(jī)構(gòu)研發(fā)為主,且處于關(guān)鍵機(jī)構(gòu)研發(fā)及測試階段[5]。隨著我國番茄面積的進(jìn)一步擴(kuò)大,對機(jī)械化的要求變得更加迫切[6]。童俊華等研制出三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu),在兩臂回轉(zhuǎn)式的基礎(chǔ)增加取苗臂數(shù)量,使得取苗效率得到大幅度的提高[7]。嚴(yán)宵月等通過對取苗爪驅(qū)動凸輪的輪廓及作業(yè)時(shí)序進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對基質(zhì)苗的整排夾取和間隔投放[8]。韓長杰等研究并提出了依靠氣缸控制柔性取苗爪取苗與投苗時(shí)的姿態(tài)變換進(jìn)行取苗的方法[9]。以上設(shè)計(jì)方法為本文的研究提供了一定的借鑒,但存在取苗效率低、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致可靠性差、傷苗漏苗情況嚴(yán)重等問題。為此,筆者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)可靠、效率高、效果好的取苗機(jī)構(gòu)。

1 夾緊式取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

彈性指針夾緊式取苗機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1.取苗爪控制氣缸 2.取苗爪安裝塊 3.支撐擴(kuò)位板 4.取苗爪 5.無桿氣缸圖1 取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of seeding pick-up mechanism

本夾緊式取苗機(jī)構(gòu)主要由取苗爪控制氣缸、取苗爪安裝塊、支撐擴(kuò)位板、取苗爪及無桿氣缸等組成。其中,取苗爪由4根彈性取苗針組成。該彈性指針夾緊式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠,采用彈性取苗針的設(shè)計(jì)使取苗爪有合適的夾持力度,且對不同緊密度的苗基質(zhì)有較好的適應(yīng)性,減小了對苗基質(zhì)的破壞程度。

工作時(shí),取苗爪在控制氣缸和無桿氣缸的協(xié)同控制下,完成取苗動作。取苗機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)如圖2所示。

圖2 取苗機(jī)構(gòu)工作過程示意圖Fig.2 Process of seeding pick-up mechanism

無桿氣缸底座固定,滑塊連接支撐擴(kuò)位板,支撐擴(kuò)位板固定控制氣缸的柱塞。無桿氣缸控制取苗爪的上下移動,控制氣缸配合支撐擴(kuò)位板控制取苗爪夾持角度。首先,兩氣缸都位于行程的上止點(diǎn),為取苗準(zhǔn)備狀態(tài);隨后,無桿氣缸滑塊下移直下止點(diǎn),控制氣缸下移至下止點(diǎn),取苗爪插入苗基質(zhì)同時(shí)夾持角減小,對苗基質(zhì)施加抓緊力;然后,無杠氣缸上升帶動取苗爪將苗基質(zhì)提起,在運(yùn)苗機(jī)構(gòu)的作用下完成傳送;最后,無杠氣缸再次下落使苗基質(zhì)靠近投放位置,控制氣缸下落使取苗爪夾持角增大釋放苗基質(zhì),完成取苗工作。

1.2 取苗爪的設(shè)計(jì)

取苗爪是全自動移栽機(jī)的核心部件,其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響到對基質(zhì)產(chǎn)生的形變、損傷程度,進(jìn)而影響移栽機(jī)的移栽質(zhì)量[10]。1個(gè)取苗爪包含4根取苗針,在研究了多種金屬材料的屬性后,最終選用強(qiáng)度較高、具有一定的柔韌性和可塑性的65Mn高彈性錳鋼制作取苗針,其許用應(yīng)力如表1所示。

取苗爪的各幾何參數(shù)的設(shè)定,主要考慮取苗爪運(yùn)動軌跡對苗基質(zhì)的作用影響,使設(shè)計(jì)的取苗爪在盡量減小對苗基質(zhì)傷害的前提下成功抓取基質(zhì)苗[11]。取相隔180°的兩取苗針作為研究對象,取苗爪形變模型與基質(zhì)受力分析分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 取苗爪和基質(zhì)的受力分析Fig.3 Geometric model of seedling harvester and matrix force

取苗針位移參數(shù)方程為

Δb=Lsin(θ+α)-Lsinα

(1)

Δa=Lcosα-Lcos(α+θ)

(2)

L2=L1-2×Lsinα

(3)

式中L—取苗針折彎處至頂點(diǎn)的距離(mm);

α—抓取苗時(shí)取苗針與垂直方向的夾角(rad);

θ—自由狀態(tài)下與抓取狀態(tài)下取苗針間夾角(rad);

Δa—取苗針自由狀態(tài)下與取苗狀態(tài)下垂直方向的距離(mm);

Δb—取苗針自由狀態(tài)下與取苗狀態(tài)下水平方向的距離(mm) ;

L1—取苗機(jī)構(gòu)支撐擴(kuò)位板的寬度(mm);

L2—取苗針取苗狀態(tài)頂點(diǎn)的距離(mm)。

取苗針形變與受力滿足胡克定律,則

(4)

式中β—苗盤壁的傾斜角度(rad)。

向上取苗的瞬間,取苗針與基質(zhì)間的作用力平衡方程為

(5)

式中F1—苗基質(zhì)受與穴盤存在粘著力(N);

F2—取苗針法向載荷(N);

F3—穴盤孔的反作用力(N);

f—取苗針與苗基質(zhì)間的摩擦力(N)。

由式(5)可知:苗基質(zhì)的受力影響因素主要有穴盤穴孔傾斜角、取苗針與基質(zhì)的初始角度、基質(zhì)與取苗手間的摩擦因數(shù)等。根據(jù)所提幾何參數(shù)進(jìn)行物理特性計(jì)算分析,提出1組較優(yōu)的取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù):L=167mm,L1=42mm,θ=7°～9°。通過最后的取苗試驗(yàn)角度θ選為8°,取苗針安裝塊至取苗針折彎處的距離為20mm,支撐擴(kuò)位塊相對兩取苗針卡槽間距為42mm。支撐擴(kuò)位塊如圖4所示。

1.3 控制氣缸伸長量的計(jì)算分析

取苗機(jī)構(gòu)的取苗爪插入苗基質(zhì)可分為兩個(gè)階段:①為取苗爪下移至苗基質(zhì)表面,此時(shí)氣缸的伸長量為L3;②取苗爪插入苗基質(zhì)中,此時(shí)氣缸的運(yùn)動伸長量為L4。氣缸的總伸長量為Lt,其運(yùn)動軌跡如圖5所示[12]。

圖5 取苗爪運(yùn)動軌跡圖Fig.5 Trajectory diagram of seedling needle movement

分析圖5中3種狀態(tài),可得到取苗爪初始狀態(tài)到插入苗基質(zhì)時(shí)的氣缸行程,數(shù)學(xué)模型為

(6)

式中S—折彎處至頂點(diǎn)總長度(mm);

h0—折彎處至插入基質(zhì)頂點(diǎn)的垂直距離(mm);

h1—折彎處至苗基質(zhì)表面的垂直距離(mm);

d0—苗基質(zhì)頂面長(mm) ;

d1—苗基質(zhì)底面長(mm) ;

d2—折彎處至基質(zhì)中心的距離(mm) ;

d3—插入基質(zhì)頂點(diǎn)處與基質(zhì)中心的距離(mm);

α—取苗爪加持角(rad)。

取苗爪插入穴孔后,為保證不傷根系,d3的數(shù)值應(yīng)盡可能大,取苗爪的最大夾持角選擇范圍為

(7)

綜合以上方程分析確定:穴苗盤高為45mm,設(shè)計(jì)為插入基質(zhì)距離為35mm,插入苗基質(zhì)前苗針距穴盤表面距離選擇20mm。此外,考慮到施加彈性力行程取為5mm,本設(shè)計(jì)選用筆形氣缸行程為50mm,選擇的行程滿足設(shè)計(jì)要求。

2 基于ADAMS的取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真分析

在取苗過程中,取苗爪的移動速度將直接影響取苗的效率和質(zhì)量,本文基于ADAMS對取苗機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真分析,通過動力學(xué)仿真結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

2.1 運(yùn)動學(xué)仿真條件

將取苗機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中,在取苗機(jī)構(gòu)的模型中,大部分構(gòu)件材料為鋼,可延續(xù)默認(rèn)設(shè)置;然后,將氣缸的材料定義為鋁材,取苗針設(shè)置為65Mn鋼。

在ADAMS中添加各結(jié)構(gòu)間的約束關(guān)系,取苗機(jī)構(gòu)各部件之間的約束關(guān)系如表2所示。

表2 各構(gòu)件間的約束關(guān)系Table 2 Constraints among components

2.2 運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果分析

為了研究取苗爪及無桿氣缸運(yùn)動過程,選取取苗爪及支撐擴(kuò)位板為研究對象,并導(dǎo)出其速度、位置曲線。圖6為取苗爪速度、位置變化曲線,圖7為支撐擴(kuò)位塊的速度、位置變化曲線。

圖6 取苗爪速度與位置變化曲線Fig.6 Variation curves of speed and position a of seedling acupuncture needle

圖7 支撐擴(kuò)位塊速度與位置變化曲線Fig.7 Change curves of speed and position of installation expansion plate

圖6中,取苗爪的運(yùn)動可分為5個(gè)階段:①無桿氣缸下移階段。0～0.3s時(shí),無桿氣缸帶動取苗機(jī)構(gòu)整體下移,下移距離為100mm,此時(shí)取苗爪的速度時(shí)先增加后減小至0,無桿氣缸從上止點(diǎn)運(yùn)動到下止點(diǎn)的時(shí)間為0.3s。②氣缸下移階段。0.3s后,取苗爪氣缸開始插入苗基質(zhì),氣缸從上止點(diǎn)至下止點(diǎn)運(yùn)動時(shí)間為0.15s;此時(shí)取苗爪末端的行程為150mm,取苗爪插入苗基質(zhì)。③無桿氣缸帶動整體上移階段。無桿氣缸帶動取苗機(jī)構(gòu)及抓取的番茄苗整體上移至其上止點(diǎn),此時(shí)需要0.3s,行程100mm;0.75～0.85s為預(yù)留伺服電機(jī)帶動取苗機(jī)構(gòu)水平方向移動。④0.85～1.15s時(shí)無桿氣缸下移帶動取苗機(jī)構(gòu)整體下移,重復(fù)第1階段過程。⑤1.15～1.3s時(shí),無桿氣缸上移至上止點(diǎn),完成對基質(zhì)苗的投放。

圖7中,無桿氣缸的運(yùn)動過程大致分為4個(gè)階段:①無桿氣缸整體下移階段,為取苗爪完成抓取基質(zhì)苗階段。②整體上升階段,此時(shí)將抓取的番茄苗向上移動100mm,從而給直線模組運(yùn)動基質(zhì)苗預(yù)留一定空間。③整體下降階段,主要使取苗機(jī)構(gòu)最大限度接近送苗裝置,完成投苗后無桿氣缸上升重復(fù)各階段的運(yùn)動。

由仿真結(jié)果可以看出:去除直線模組橫向移動時(shí)間,抓取及投放番茄苗耗時(shí)1.3s,時(shí)間與運(yùn)動過程滿足移栽機(jī)設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該取苗機(jī)構(gòu)理論設(shè)計(jì)的有效性,根據(jù)設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型試制了移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)樣機(jī),并進(jìn)行了取苗試驗(yàn)。

3.1 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)采集按照GB/T5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測定方法的一般規(guī)定》,試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)在付強(qiáng)等人試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選擇了取苗成功率作為取苗機(jī)構(gòu)性能的評價(jià)指標(biāo)[13-14]。取苗成功率受傷苗率、苗基質(zhì)損壞率及漏苗率等3方面因素影響,計(jì)算公式為

αq=(1-α1)×(1-α2)×(1-α3)

(9)

式中αq—取苗成功率(%);

α1—苗基質(zhì)損壞率(%);

α2—傷苗率(%);

α3—漏苗率(%)。

3.2 試驗(yàn)條件

由于移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較小,故在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)試驗(yàn)站室內(nèi)進(jìn)行取苗試驗(yàn)。室內(nèi)溫度20℃,空氣濕度為60%。取苗試驗(yàn)對象選用適合取苗機(jī)構(gòu)移栽的苗齡40天的番茄苗,番茄苗基質(zhì)含水率在15%～25%之間。

試驗(yàn)采用6×12穴盤,其規(guī)格為長540mm×寬280mm×高45mm,橫向穴孔數(shù)為12,縱向穴孔數(shù)位6,穴孔垂角12°,穴孔口大小38mm×38mm,穴孔底大小19mm×19mm,橫向相鄰穴孔中心距42mm,縱向相鄰穴孔中心距41mm。所選苗盤如圖8所示。

圖8選用穴盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Selection of point disk structural diagram

取苗機(jī)構(gòu)固定在專門設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺上,采用氣泵為機(jī)構(gòu)提供動力,通過手動調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥調(diào)節(jié)其運(yùn)行速度。選取了7°、7.5°、8°、8.5°、9°等5組不同角度的取苗爪,分別進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

分別對取苗針角度為7°、7.5°、8°、8.5°和9°的取苗機(jī)構(gòu),進(jìn)行40株取苗試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算出取苗成功率,結(jié)果如表3所示。

表3 機(jī)械手取苗試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Seedling picking test results of manipulator

試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)取苗針與垂直方向夾角為8°時(shí),取苗成功率最高為97.5%,此時(shí)取苗機(jī)構(gòu)取苗成功率顯著高于其他角度,且該取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在傷苗率、漏苗率、基質(zhì)損壞率方面都控制在了5%(包含)以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過對我國移栽機(jī)現(xiàn)狀的研究與對現(xiàn)有取苗機(jī)構(gòu)類型的分析,設(shè)計(jì)了一種彈性指針夾緊式的取苗機(jī)構(gòu),闡述了其結(jié)構(gòu)組成及工作原理。使用SolidWorks建模軟件對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模,并借助ADAMS對機(jī)構(gòu)的工作效果進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果完成樣機(jī)試制并進(jìn)行取苗試驗(yàn),結(jié)果表明:取放苗過程控制在1.3s、取苗爪角度為8°時(shí),取苗效果顯著提高,設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求。