全自動(dòng)單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)研制

劉念聰，楊程文，劉保林，蔣 浩，吳圣紅，黃 浩

（成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610059）

0 引 言

蔬菜穴盤育苗可以提高幼苗成活率，從而達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)定、提高土地利用率等綜合效益[1-3]。中國(guó)蔬菜種植面積僅次于糧食作物，是世界第一大蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，蔬菜生產(chǎn)需要消耗大量勞動(dòng)力，勞動(dòng)成本可占到蔬菜總生產(chǎn)成本的 50%以上，因而移栽機(jī)的機(jī)械化、自動(dòng)化是蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[4]。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)旱地蔬菜移栽機(jī)主要以半自動(dòng)移栽機(jī)為主，自動(dòng)化程度低，需人工喂苗，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低[5-7]。實(shí)現(xiàn)取喂苗自動(dòng)化是推動(dòng)半自動(dòng)移栽機(jī)向全自動(dòng)移栽機(jī)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，能夠消除人工作業(yè)帶來的問題，提高機(jī)具移栽效率[8]。因此，研制全自動(dòng)移栽機(jī)取喂苗系統(tǒng)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)取喂苗系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛研究，并提出了插入夾取式[9-12]、頂出式[13]、頂出夾取式[14-16]、氣力式[17-19]等形式多樣的取喂苗系統(tǒng)。Choi等[20]提出了一種曲柄滑道導(dǎo)桿取苗機(jī)構(gòu)，取苗成功率約為 80%～90%，機(jī)構(gòu)振動(dòng)及沖擊較大，當(dāng)增加曲柄轉(zhuǎn)速以提高取苗效率時(shí)，會(huì)增加苗株基質(zhì)的損傷，進(jìn)而增加傷苗率。意大利Ferrari公司研制的Futura全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)采用頂出夾取式機(jī)構(gòu)，傷苗率低，取苗效率高，但整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴[21]。Rahul等[22]設(shè)計(jì)了一種5R二自由度并聯(lián)機(jī)械手應(yīng)用于蔬菜移栽，采用機(jī)電一體化方法減少了機(jī)構(gòu)重量，能適應(yīng)不同的姿態(tài)要求。胡敏娟等[23]提出了一種可成排取苗的插入夾取式取喂苗裝置，取苗效率約為80株/min，但該裝置對(duì)苗株夾緊力不夠，運(yùn)動(dòng)過程中振動(dòng)明顯，取苗成功率較低。金利達(dá)機(jī)械制造有限公司對(duì)苗夾進(jìn)行了改進(jìn)，克服了夾緊力不足和運(yùn)動(dòng)過程中存在振動(dòng)明顯的問題，但對(duì)穴苗適應(yīng)性差，傷苗率較高。謝守勇等[24]研制了一種斜插夾缽式取喂苗系統(tǒng)，提高了苗株夾取適應(yīng)性，但由于主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速限制，取苗效率較低。王蒙蒙等[25]設(shè)計(jì)了一種曲柄擺桿式夾苗機(jī)構(gòu)，可適應(yīng)于多種不同尺寸穴盤苗的取苗工作，取苗成功率較高，但需要將苗株頂出后再進(jìn)行夾取。趙勻等[26]提出了一種探入式番茄缽苗移栽機(jī)構(gòu)，秧夾沿秧盤內(nèi)壁探入缽穴并完成取苗動(dòng)作，能夠避免對(duì)土缽和根系的損傷，但該裝置對(duì)秧苗夾緊力不夠，在輸送過程中遇振動(dòng)易導(dǎo)致秧苗脫落。

基于以上分析，為滿足辣椒、番茄等蔬菜作物移栽的農(nóng)藝要求，本文提出一種全自動(dòng)單擺式取喂苗系統(tǒng)。通過分析苗穴的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合苗夾取時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到苗盤輸送機(jī)構(gòu)與夾苗機(jī)構(gòu)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，完成系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化，并結(jié)合樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)和相關(guān)分析，以期獲得一種結(jié)構(gòu)緊湊，取苗成功率高，傷苗率低，對(duì)苗株適應(yīng)性強(qiáng)的全自動(dòng)取喂苗系統(tǒng)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)構(gòu)整體呈左右對(duì)稱分布，由苗盤輸送機(jī)構(gòu)、縱移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、往復(fù)機(jī)構(gòu)、夾苗機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)6個(gè)部分組成。穴苗盤對(duì)稱傾斜放置，與水平面夾角 40°；A型機(jī)架安裝在固定機(jī)架上，使其可以繞階梯軸旋轉(zhuǎn)。每個(gè)A型機(jī)架上裝有2個(gè)直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌滑塊與夾苗機(jī)構(gòu)安裝板配合，安裝板上裝配3個(gè)夾苗機(jī)構(gòu)，可對(duì)3株穴苗成排一次取苗，固定機(jī)架下方為接苗筒。

圖1 單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of single pendulum vegetable pot seedling picking and feeding system

1.2 工作原理

該取喂苗系統(tǒng)工作原理如圖2所示。苗盤輸送機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余機(jī)構(gòu)均由往復(fù)式氣缸提供動(dòng)力。苗盤輸送機(jī)構(gòu)和縱移機(jī)構(gòu)將穴苗盤自動(dòng)輸送到待取苗位置；往復(fù)機(jī)構(gòu)工作，苗夾插入穴苗基質(zhì)，夾苗機(jī)構(gòu)氣缸工作，兩苗夾夾緊苗株，往復(fù)機(jī)構(gòu)工作，帶動(dòng)夾苗機(jī)構(gòu)從穴苗盤中取出穴苗，此時(shí)另一側(cè)夾苗機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)喂苗，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作，A型機(jī)架繞階梯軸旋轉(zhuǎn)40°，將穴苗輸送至苗筒正上方，隨后夾苗機(jī)構(gòu)苗夾松開，往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸工作，穴苗在夾苗機(jī)構(gòu)推力和重力共同作用下落入接苗筒中，完成喂苗。

圖2 取喂苗系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of seedling picking and feeding system

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 苗盤輸送機(jī)構(gòu)

為保證苗盤撥動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不會(huì)與穴苗盤相互干涉，對(duì)轉(zhuǎn)軸與苗穴的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 苗盤撥動(dòng)機(jī)構(gòu)與苗穴之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系Fig.3 Movement relationship between the seedling tray toggle mechanism and the plug seedlings

由圖3可知，由于轉(zhuǎn)軸1水平速度小于苗穴1，兩者不會(huì)發(fā)生干涉，而與苗穴 2不發(fā)生干涉，則需要滿足轉(zhuǎn)軸1到苗穴2外壁的垂直距離不小于轉(zhuǎn)軸1的半徑，根據(jù)圖3幾何關(guān)系有：

式中z為苗盤撥動(dòng)機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)軸個(gè)數(shù)；H為苗盤撥動(dòng)機(jī)構(gòu)圓心到苗穴頂部的垂直距離，mm；LBC為苗穴2與轉(zhuǎn)軸1的水平距離差，mm。

苗盤常規(guī)尺寸為L(zhǎng)'=42 mm，c=37 mm，α=80°，苗盤撥動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸選擇常規(guī)尺寸d'=10 mm。轉(zhuǎn)軸個(gè)數(shù)z太小會(huì)使得整體結(jié)構(gòu)偏大，機(jī)構(gòu)笨重；z太大又會(huì)增加成本，由式(1)可得z的取值范圍為7～9，本文取z=8，此時(shí)苗盤撥動(dòng)機(jī)構(gòu)半徑R為52 mm，且轉(zhuǎn)軸與苗盤不發(fā)生干涉。

2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)呈左右反對(duì)稱布置，主要由固定機(jī)架、A型機(jī)架、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸、軸承座等組成。2個(gè)往復(fù)式氣缸為機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，其中單個(gè)氣缸負(fù)載與翻轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 氣缸負(fù)載與A型機(jī)架翻轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between cylinder load and turning angle of A type frame

穴苗盤與水平面夾角40°，為保證夾苗機(jī)構(gòu)的苗夾較好的插入苗基質(zhì)中并完成取苗動(dòng)作，設(shè)計(jì)A型機(jī)架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)且機(jī)架左右兩臂夾角為40°。機(jī)架質(zhì)心在A型機(jī)架的中線上，與豎直方向的夾角為(θ-20°)。氣缸負(fù)載Fn隨機(jī)架旋轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律為

式中L為A型機(jī)架質(zhì)心到C'點(diǎn)的距離，mm；G為機(jī)架重力，N。

根據(jù)山東青州火絨機(jī)械制造有限公司的 ZBX-2型懸掛式半自動(dòng)移栽機(jī)的投苗器尺寸，初步設(shè)計(jì)A型機(jī)架單側(cè)臂長(zhǎng)400 mm，矩形截面，尺寸45×10(mm)，材質(zhì)為45#鋼。通過三維建模軟件求得機(jī)架的質(zhì)心坐標(biāo)，進(jìn)而求得L=175 mm，a1=317 mm，b1=169 mm，α'=41°，γ'=34°，G=225 N，由式(2)可得氣缸負(fù)載與機(jī)架旋轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，如圖5所示。在A型機(jī)架工作行程內(nèi)，當(dāng)θ=40°時(shí)，氣缸承受負(fù)載最大，為66.25 N。根據(jù)氣缸尺寸和氣缸理論出力表，缸徑25、32和40 mm均滿足要求。

圖5 氣缸負(fù)載隨θ的變化Fig.5 Variation of cylinder load with θ

2.3 往復(fù)機(jī)構(gòu)

往復(fù)機(jī)構(gòu)主要由基座、氣缸和夾苗機(jī)構(gòu)安裝板組成。每個(gè)基座上放置 3個(gè)夾苗機(jī)構(gòu)，夾苗機(jī)構(gòu)間隔取苗，相鄰?qiáng)A苗機(jī)構(gòu)之間的間距為苗穴寬度的 2倍。夾苗機(jī)構(gòu)可在基座的間隙槽里滑動(dòng)來調(diào)節(jié)其間距以適應(yīng)不用型號(hào)的穴苗盤。直線導(dǎo)軌的負(fù)載主要是基座、3個(gè)夾苗機(jī)構(gòu)和3個(gè)苗株的總質(zhì)量，計(jì)算可得直線導(dǎo)軌承受的最大負(fù)載約為 30 N，小于氣缸理論出力值?？紤]到往復(fù)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)滑塊的位移，選用HGH15CA方形滑塊和HGR15-200型直線導(dǎo)軌。本文試驗(yàn)選用規(guī)格為6×12的常規(guī)苗盤，苗穴深度為40 mm，需要保證氣缸行程≥40 mm?？紤]安全距離和偶發(fā)因素，選用MAL20×75型氣缸，缸徑20mm，行程75 mm，氣缸理論出力值75.4 N。

2.4 夾苗機(jī)構(gòu)

夾苗機(jī)構(gòu)如圖6所示。2個(gè)苗夾1穿過擋板2上的小孔，苗夾尾部有約20 mm的間距。氣缸伸長(zhǎng)時(shí)，2個(gè)苗夾頂端的間距須小于苗盤頂部的寬度，使用不同型號(hào)苗盤時(shí)可以通過調(diào)節(jié)浮動(dòng)接頭以適應(yīng)不同尺寸。取苗氣缸的活塞桿伸出時(shí)，苗夾擋板會(huì)受迫運(yùn)動(dòng)，2個(gè)苗夾尾部的間距增大。

圖6 夾苗機(jī)構(gòu)Fig.6 Seedling clamping mechanism

夾苗機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示。

為保證苗夾能可靠插入苗株基質(zhì)，由氣缸與浮動(dòng)接頭的幾何關(guān)系可得：

由于穴苗盤深度較小，取苗氣缸無需較大行程，經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，氣缸行程為10 mm時(shí)，插入苗基質(zhì)深度為 35 mm，可實(shí)現(xiàn)有效取苗。本文中使用的苗盤底徑邊長(zhǎng)為 18×18(mm)，為減少苗夾對(duì)基質(zhì)的損傷，同時(shí)又要避免與苗盤內(nèi)壁發(fā)生干涉，故取L1為20 mm。夾苗機(jī)構(gòu)夾緊時(shí)，苗夾頂端的距離要合適，避免夾碎基質(zhì)或夾緊力過小，綜合考慮取L2=10 mm。苗夾基座到擋板的距離C1測(cè)得為38 mm，可得苗夾基座長(zhǎng)度j為50 mm，苗夾擋板長(zhǎng)度d為40 mm，苗夾長(zhǎng)度l為120 mm。夾苗機(jī)構(gòu)間隔取苗，相臨兩夾苗機(jī)構(gòu)的間距為 84 mm，且大于苗夾基座的長(zhǎng)度。苗夾受力模型如圖8所示。

圖7 夾苗機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of seedling clamping mechanism

圖8 夾苗機(jī)構(gòu)力學(xué)模型Fig.8 Mechanical model of seedling clamping mechanism

由于兩側(cè)苗夾對(duì)稱分布，對(duì)其中一側(cè)進(jìn)行受力分析。各力之間的關(guān)系如下：

為使苗夾順利插入苗基質(zhì)，需保證苗夾在運(yùn)動(dòng)過程中與穴苗盤內(nèi)壁平行，故取θ2=α=80°。試驗(yàn)苗株重力mg為2.6 N，l1為39 mm，l2為100 mm，靜摩擦系數(shù)μ為0.5。計(jì)算出氣缸所需的理論出力值為6.7 N，根據(jù)氣缸尺寸和氣缸理論出力表，缸徑為10 mm的氣缸在0.4 MPa氣壓下出力20 N，滿足實(shí)際要求。故選擇CDJPB10-10D微型針式氣缸，缸徑10 mm，行程10 mm，氣缸理論出力值20 N。

3 取喂苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

系統(tǒng)選用三菱FN2N-32MT型PLC控制。輸入信號(hào)6個(gè)，包含控制程序啟動(dòng)開關(guān)1個(gè)、定位開關(guān)1個(gè)、急停開關(guān)1個(gè)和常開光電傳感器3個(gè)。輸出信號(hào)13個(gè)由步進(jìn)電機(jī)和氣缸執(zhí)行。取喂苗系統(tǒng)選用3個(gè)E3F-DS30C4三線NPN常開光電傳感器，其中2個(gè)常開光電傳感器安裝在苗盤輸送機(jī)構(gòu)上用于保證苗夾與穴盤苗孔的精確定位，另一個(gè)光電傳感器用于檢測(cè)下方接苗筒是否到位。步進(jìn)電機(jī)由PLC通過M860H步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)控制。系統(tǒng)選用亞德客的氣缸和氣動(dòng)元件，共有 4種型號(hào)的往復(fù)式氣缸，氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖9所示，包括MAL25×100型旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸、MAL20×75型往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸、TN/TDA25×45-S型縱移機(jī)構(gòu)氣缸和 CDJPB10-10D型夾苗機(jī)構(gòu)氣缸。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸數(shù)量為2個(gè)，共用1個(gè)電磁換向閥；往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸數(shù)量為2個(gè)，共用1個(gè)電磁換向閥；2個(gè)縱移機(jī)構(gòu)氣缸共用1個(gè)電磁換向閥。夾苗機(jī)構(gòu)氣缸為微型氣缸，每側(cè)3個(gè)對(duì)稱排列，總共為6個(gè)，共用1個(gè)電磁換向閥。氣缸A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1～D6使用三位五通電磁換向閥。夾苗機(jī)構(gòu)氣缸的氣動(dòng)控制閥配有獨(dú)立減壓閥和壓力表，可以在移栽不同作物時(shí)實(shí)現(xiàn)夾苗壓力的調(diào)節(jié)。

圖9 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.9 Diagram of pneumatic control system

3.2 控制策略

為保證取喂苗系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平順性，減小因加速度曲線不連續(xù)而引起的系統(tǒng)振動(dòng)和沖擊[27-29]，對(duì)機(jī)構(gòu)中氣缸活塞桿的位移、速度和加速度的起始點(diǎn)和停止點(diǎn)進(jìn)行約束，共6個(gè)邊界條件，因而采用6個(gè)系數(shù)的五次多項(xiàng)式插值法來使時(shí)間位移曲線平滑連續(xù)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位移方程表達(dá)式為

將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位移方程對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，加入約束條件后可得

式中θ0為氣缸活塞桿起始時(shí)的伸長(zhǎng)量，mm；θf為活塞桿停止時(shí)的位移，mm；θ0′為活塞桿起始時(shí)的速度，mm/s；θf′為活塞桿停止時(shí)的速度，mm/s；θ0″為活塞桿起始時(shí)的加速度，mm/s2；θf″為活塞桿停止時(shí)的加速度，mm/s2；c0,c1,c2,c3,c4,c5分別為五階函數(shù)的系數(shù)；tf為活塞桿停止運(yùn)動(dòng)時(shí)的時(shí)間，s。

該方程組的通解為

將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸的位移、速度和加速度值作為方程組的初始條件。根據(jù)實(shí)際工況，開始移栽時(shí)，即t=0時(shí)，氣缸活塞桿伸長(zhǎng)量和速度均為0，為避免沖擊振動(dòng)，加速度為0；t=1 s時(shí)，活塞桿伸長(zhǎng)量為0.1 m，此時(shí)速度和加速度均為0；t=1～2 s時(shí)，氣缸保持靜止，t=2 s時(shí)，氣缸收縮，初始加速度為0；t=3 s時(shí)，氣缸收縮停止，為保證收縮完成沒有較大碰撞，速度和加速度為 0；t=3～4 s時(shí)，氣缸保持靜止，伸長(zhǎng)量為 0。代入式(7)可得：

同理可得往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸的控制策略為

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

田間性能試驗(yàn)于2020年6—7月間在山東青州火絨機(jī)械制造有限公司進(jìn)行。試驗(yàn)對(duì)象為辣椒苗和番茄苗，苗盤規(guī)格為6×12，苗齡50 d，平均苗高分別為156和174 mm，苗平均苗寬為102和113 mm，缽體口徑邊長(zhǎng)為37×37 (mm)，高度為 45 mm。苗基質(zhì)主要由泥炭、珍珠巖和蛭石按照體積比3∶1∶1混合，含水率分別為35%、55%、75%，出苗率100%，基質(zhì)緊實(shí)，達(dá)到試驗(yàn)用苗要求，樣機(jī)和田間試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 樣機(jī)和田間試驗(yàn)Fig.10 Prototype and field experiment

4.2 試驗(yàn)方法

移栽機(jī)與拖拉機(jī)掛接方式為三點(diǎn)懸掛，根據(jù)旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T10291—2013）中相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)[30]，自動(dòng)移栽機(jī)的移栽效率≥90株/min屬于高速移栽。為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的移栽機(jī)作業(yè)性能，在雙行移栽、取苗效率90株/min條件下進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)取喂苗系統(tǒng)取苗成功率和苗株完整率的影響。不同種類苗的根系與生長(zhǎng)狀況不同，夾苗機(jī)構(gòu)的取苗效果存在差異。不同基質(zhì)含水率會(huì)導(dǎo)致夾苗機(jī)構(gòu)與苗株之間的作用力不同從而影響取苗效果。在取苗深度及工作氣壓較小時(shí)，夾苗機(jī)構(gòu)不易取出苗株或在送苗過程中易掉落，反之則容易傷苗。所以選擇苗株種類z、基質(zhì)含水率w、取苗深度h與工作氣壓p作為試驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)確定每種試驗(yàn)參數(shù)的水平，如表1所示。

采用L9(12×33)正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)24次，每次取3株（即取完一整盤苗，共72株）。每完成1組試驗(yàn)，測(cè)量取苗成功率S1和苗株完整率S2，共9組216次試驗(yàn)。S1，S2計(jì)算方法如下：

式中N為穴苗盤中苗株總數(shù)；S1為取苗成功率，%；N1為苗夾將苗株從穴苗盤中夾出并成功送入接苗筒的苗株數(shù)；S2為苗株完整率，%；N2為喂苗成功苗株中莖葉和基質(zhì)破損較小的苗株數(shù)[31]。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表3所示。根據(jù)方差分析結(jié)果計(jì)算出試驗(yàn)因素對(duì)取苗成功率和苗株完整率的貢獻(xiàn)率，如圖11所示?；|(zhì)含水率對(duì)取苗成功率及苗株完整率影響最大，貢獻(xiàn)率分別為 58.92%和 50.58%，其次是取苗深度，分別為28.97%和29.43%，苗株種類影響最小，分別為5.59%和6.31%。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Test plan and results

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

圖11 試驗(yàn)因素對(duì)取苗成功率與苗株完整率的貢獻(xiàn)率Fig.11 Contribution rate of experimental factors to the success rate and integrity rate of seedlings

4.3.2 苗株種類對(duì)取喂苗效果的影響

根據(jù)表2計(jì)算2種苗株的取苗成功率和苗株完整率可知，番茄苗的取苗成功率與苗株完整率均高于辣椒苗，番茄苗的平均取苗成功率為93.05%，辣椒苗為91.67%。這是由于番茄苗的根系較辣椒苗更發(fā)達(dá)，能承受更大的突變力與加速度，基質(zhì)不易潰散。在不同取喂苗工況下，2種苗株的取苗成功率均大于90%，苗株種類對(duì)取苗成功率和苗株完整率的貢獻(xiàn)率分別為5.59%和6.31%，說明單擺式取喂苗系統(tǒng)對(duì)不同苗株具有很好的適應(yīng)性。

4.3.3 含水率對(duì)取喂苗效果的影響

根據(jù)表2計(jì)算3種基質(zhì)含水率下的取苗成功率和苗株完整率可知，當(dāng)苗株的基質(zhì)含水率為 35%時(shí)，平均取苗成功率與苗株完整率最高，分別為96.29%和94.45%。適量的水分可增強(qiáng)基質(zhì)的黏合能力，但含水率繼續(xù)增加，會(huì)降低取苗效果。當(dāng)基質(zhì)含水率為 75%時(shí)，苗株根系與基質(zhì)破壞較嚴(yán)重，平均取苗成功率和苗株完整性較低，分別為89.35%和88.89%。

4.3.4 取苗深度對(duì)取喂苗效果的影響

根據(jù)表2計(jì)算3種取苗深度下的平均取苗成功率和苗株完整率可知，當(dāng)取苗深度為35 mm時(shí)，平均取苗成功率為89.81%，平均苗株完整率為88.89%，此時(shí)苗夾與基質(zhì)的接觸較小，基質(zhì)易被夾碎。當(dāng)取苗深度為 40 mm時(shí)，平均取苗成功率與苗株完整率最高，分別為94.91%與93.52%。當(dāng)取苗深度為45 mm時(shí)，由于苗夾易受苗盤影響，且苗株與苗夾間的摩擦力較大，不易落苗，降低了取苗成功率，平均苗株完整率為89.82%。

5 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)單擺式取喂苗系統(tǒng)。確定了苗盤輸送機(jī)構(gòu)與苗穴的運(yùn)動(dòng)軌跡，苗盤撥動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸負(fù)載隨旋轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律，優(yōu)化了氣動(dòng)夾苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)了其控制系統(tǒng)及控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)苗株的快速平順移栽。

2）針對(duì)全自動(dòng)取喂苗系統(tǒng)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。以苗株種類z、基質(zhì)含水率w、取苗深度h和工作氣壓p為試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到在不同因素水平下取苗成功率與苗株完整率均保持在 90%左右，滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)苗株種類為辣椒，基質(zhì)含水率為35%，取苗深度為40 mm，工作氣壓為0.6 MPa時(shí)，取苗成功率與苗株完整率最高，分別為98.61%與97.22%。