基于圓柱凸輪的株距可調(diào)式取苗末端執(zhí)行器設(shè)計與試驗

崔永杰 衛(wèi)詠哲 丁辛亭 崔功佩 何 智,3 王明輝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室， 陜西楊凌 712100；3.陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

為了便于蔬菜的大規(guī)模培育管理，我國約有60%蔬菜在設(shè)施農(nóng)業(yè)中采用穴盤育苗移栽的方式進行種植培育[1]。在對蔬菜進行穴盤育苗的過程中，通常采用疏植移栽技術(shù)，即將蔬菜幼苗從高密度穴盤移栽至低密度穴盤[2-3]，從而為蔬菜幼苗提供進一步的生長條件。然而現(xiàn)階段疏植移栽以人工為主，效率低下且易損苗傷苗，因此，研究自動化疏植移栽技術(shù)，對于實現(xiàn)蔬菜幼苗精準移栽的作業(yè)自動化以及提高移栽生產(chǎn)作業(yè)效率具有重要意義。

為了實現(xiàn)疏植移栽的自動化，研究有關(guān)疏植移栽的關(guān)鍵機構(gòu)很有必要，而移栽末端執(zhí)行器作為自動移栽的關(guān)鍵部件，其工作性能將會對移栽成功率造成較大影響[4]。因此，國內(nèi)外研究學(xué)者針對移栽末端執(zhí)行器開展了大量研究工作。盡管對移栽末端的相關(guān)研究[5-12]均通過優(yōu)化設(shè)計及實物試制，實現(xiàn)了對幼苗的低損高效自動移栽作業(yè)，但多以單株幼苗移栽作業(yè)研究為主，并未考慮對多株幼苗的并行自動移栽作業(yè)，難以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)疏植移栽的要求。而針對多移栽末端的疏植移栽，國內(nèi)學(xué)者已有相關(guān)研究[2,13]，但所研究試制的多幼苗移栽末端機構(gòu)復(fù)雜，只能應(yīng)用于某種特定規(guī)格穴盤的移栽作業(yè)，其普適性并不高。另外，美國、澳大利亞等國已研制出相關(guān)移栽裝置[14-15]，但其成本較高，難以適應(yīng)國內(nèi)市場。

因此，針對上述問題，并基于設(shè)施農(nóng)業(yè)育苗的機理特點和有關(guān)移栽技術(shù)指標，本文設(shè)計一種株距可調(diào)式的圓柱凸輪結(jié)構(gòu)取苗末端執(zhí)行器，通過開展相應(yīng)理論分析和對末端機構(gòu)的仿真計算，獲得有關(guān)該取苗末端執(zhí)行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作性能參數(shù)，并通過實物試制，利用該末端執(zhí)行器對幼苗進行移栽試驗，對其作業(yè)性能進行試驗驗證分析。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 取苗末端執(zhí)行器總體結(jié)構(gòu)

作為移栽系統(tǒng)[16]的重要部件，取苗末端執(zhí)行器主要由步進電機、機架、圓柱凸輪、萬向球軸承、固定板、直線導(dǎo)軌副和筆形氣缸等組成，如圖1所示。其中，圓柱凸輪與安裝于機架之上的菱形軸承座共同構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，通過控制機架一側(cè)的電機帶動凸輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對缽苗間距的調(diào)整。萬向球軸承固接于固定板上方，作為凸輪從動件，安裝于凸輪輪槽內(nèi)。直線導(dǎo)軌副由直線導(dǎo)軌與滑塊組成，直線導(dǎo)軌安裝于機架之上，滑塊與固定板相連接。取苗手指位于機架下方，安裝于固定板上，由筆形氣缸、擋苗板和取苗針組成。其中，取苗針設(shè)計為雙針式，在筆形氣缸的推動下斜插進入缽體。

圖1 株距可調(diào)式取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of adjustable spacing end-effector for fetching seedlings1.步進電機 2.電機支架 3.聯(lián)軸器 4.機架 5.圓柱凸輪 6.萬向球軸承 7.固定板 8.直線導(dǎo)軌副 9.筆形氣缸 10.I型接頭 11.緊定螺釘 12.取苗擋板 13.取苗針

1.2 取苗工作原理

該末端執(zhí)行器的工作原理是通過氣缸的伸出，將取苗針斜插進入缽體，穴盤苗在取苗末端執(zhí)行器的帶動下被取出，電機帶動圓柱凸輪轉(zhuǎn)動，將穴盤苗間距調(diào)整至目標穴盤規(guī)格，到達放苗位置后，氣缸帶動取苗針回縮，直至取苗針完全脫離缽體，完成疏植移栽過程。該末端執(zhí)行器的具體取苗過程如圖2所示。

圖2 末端執(zhí)行器疏植移栽過程示意圖Fig.2 Schematics of end-effector thinning and transplanting process

具體步驟如下：

(1)在一個取苗周期起始點，末端執(zhí)行器移動至來源穴盤，步進電機帶動圓柱凸輪轉(zhuǎn)動，兩個取苗手指間距調(diào)整至來源穴盤要求(圖2a)。

(2)到達取苗點后，末端執(zhí)行器下降至取苗高度，此時取苗針尖端以一定的入土角對準缽體上端平面(圖2b)。

(3)筆形氣缸向下伸出，帶動取苗針向下運動，取苗針位于缽體一側(cè)，沿穴孔邊緣以最大深度插入缽體(圖2c)。

(4)末端執(zhí)行器沿穴盤平面垂直方向豎直上升，缽體在取苗針的夾持作用下克服穴孔壁對其的黏附力，脫離穴盤，完成取苗(圖2d)。

(5)末端執(zhí)行器夾持幼苗移動至目標穴盤，圓柱凸輪在步進電機作用下轉(zhuǎn)動，夾持狀態(tài)下的兩株幼苗株距開始變化，直至株距調(diào)整至目標穴盤規(guī)格(圖2e)。

(6)末端執(zhí)行器夾持幼苗下降至放苗位置(圖2f)，筆形氣缸收縮，帶動取苗針回縮直至完全脫離缽體(圖2g)，移栽裝置帶動末端執(zhí)行器豎直上升，完成放苗(圖2h)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 圓柱凸輪株距調(diào)節(jié)機構(gòu)

株距調(diào)節(jié)機構(gòu)作為取苗末端執(zhí)行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其工作性能直接影響裝置的移栽效率。本研究選取圓柱凸輪來構(gòu)建取苗末端的株距調(diào)節(jié)機構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，從動件中心至凸輪軸線間的距離為平均圓柱半徑rm，凸輪升程為h。移栽過程中，可通過控制凸輪轉(zhuǎn)動，將從動件移動至指定位置。

圖3 圓柱凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Cylindrical cam mechanism1.圓柱凸輪 2.從動件

為提高取苗末端執(zhí)行器適用性，本研究以25～50 mm的調(diào)節(jié)范圍為參考設(shè)計依據(jù)，設(shè)計了符合該株距調(diào)節(jié)間距范圍要求的圓柱凸輪株距調(diào)節(jié)機構(gòu)，以適配設(shè)施農(nóng)業(yè)常見育苗穴盤規(guī)格。設(shè)置有兩條對稱布置的凸輪輪槽，即升程h為12.5 mm。為提高空間利用率，以機構(gòu)緊湊為目標，并按照設(shè)施農(nóng)業(yè)中對幼苗移栽作業(yè)的實質(zhì)性要求，本研究將圓柱凸輪直徑設(shè)置為25 mm，并選擇Ф12 mm萬向球軸承作為凸輪機構(gòu)的從動件。根據(jù)軸承尺寸，設(shè)計圓柱凸輪輪槽寬為12 mm，輪槽深為5 mm。

2.1.1圓柱凸輪輪廓曲線設(shè)計

決定圓柱凸輪動力學(xué)特性的關(guān)鍵在于輪廓曲線[17]，而輪廓曲線設(shè)計取決于從動件的運動規(guī)律。根據(jù)凸輪常用運動規(guī)律特性[18]，結(jié)合前文凸輪設(shè)計以及疏植株距變化要求，需通過單向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)從動件往復(fù)運動，選取簡諧運動規(guī)律方程為輪廓曲線方程

(1)

式中x——簡諧運動規(guī)律方程自變量，mm

s——簡諧運動規(guī)律方程因變量，mm

繪制其對應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4 簡諧運動方程曲線Fig.4 Curve of simple harmonic motion equation

從圖4可看出，位移曲線連續(xù)光滑，無突變。但實際工作中，機構(gòu)難以達到理想作業(yè)條件，會產(chǎn)生一定程度的振動。同時，為適應(yīng)多種穴盤規(guī)格，圓柱凸輪需轉(zhuǎn)動特定角度達到變距要求，從動件會出現(xiàn)急啟或急停現(xiàn)象，引起振動與沖擊，影響移栽效果。創(chuàng)建簡諧運動規(guī)律圓柱凸輪模型，利用Adams對變距過程進行仿真研究，分析不同疏植移栽變距要求下的從動件運動特性。

ADAMS仿真模型如圖5所示，其中凸輪模型尺寸參數(shù)與上述圓柱凸輪參數(shù)設(shè)置相一致。對仿真模型的各關(guān)鍵部件進行材料定義，如表1所示[19]，其中，凸輪材料為高分子樹脂材料，其余為304不銹鋼材料。

表1 仿真部件材料屬性參數(shù)Tab.1 Material properties of simulation parts

圖5 ADAMS動力學(xué)仿真模型Fig.5 ADAMS dynamic simulation model1.底座 2.光軸 3.圓柱凸輪 4.從動件

根據(jù)圓柱凸輪機構(gòu)在疏植移栽過程中的實際運動情況，對模型進行條件約束。首先，為底座與大地、從動件與光軸間建立固定約束；其次，為從動件與圓柱凸輪建立接觸約束；最后，為圓柱凸輪與底座建立轉(zhuǎn)動約束，并添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，根據(jù)前期預(yù)試驗，設(shè)置轉(zhuǎn)速為15 r/min，設(shè)置仿真步長為1 000。

仿真結(jié)束后，選取從動件質(zhì)心作為標記點，在后處理模塊中調(diào)用仿真結(jié)果。圖6為凸輪機構(gòu)從動件在仿真過程中的位移與速度變化曲線，根據(jù)疏植移栽要求，分為推程、回程及停歇3個階段。其中，當從動件位移為12.5、7.5、2.5 mm時，分別對應(yīng)移動至50穴盤規(guī)格、72穴盤規(guī)格與128穴盤規(guī)格。

圖6 從動件位移與速度仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of follower displacement and velocity

如圖6a所示，當疏植要求為72穴至50穴時，啟動瞬間速度從0 mm/s變化至-7.9 mm/s，此時加速度最大，隨后平穩(wěn)運行至12.5 mm處(推程終點)停歇0.5 s，回程階段移動至8 mm處，此時速度降至0 mm/s。如圖6b所示，當疏植要求為128穴至72穴時，啟動瞬間速度增至7.7 mm/s，運行至8 mm處(推程終點)從動件急停，加速度到達最大值，停歇0.5 s后速度增至9.5 mm/s，進入回程階段，到達2.5 mm處速度再次降至0 mm/s。如圖6c所示，當疏植要求為128穴至50穴時，位移與速度變化趨勢與圖6a相似，啟動時速度增至7.7 mm/s，加速度到達峰值。

通過仿真結(jié)果得出，在機構(gòu)仿真移栽過程啟停時，速度發(fā)生突變，加速度加劇變化，產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力；而在機構(gòu)仿真運行平穩(wěn)階段，速度曲線產(chǎn)生輕微波動，接觸作用使從動件產(chǎn)生較小的加速度。對其最大接觸應(yīng)力進行計算[20]，結(jié)果如表2所示，計算得到的最大接觸應(yīng)力均未超過其對應(yīng)材料許用值，滿足強度要求。同時，仿真過程中整體運動平穩(wěn)，未出現(xiàn)明顯沖擊現(xiàn)象，滿足疏植移栽作業(yè)要求。綜上所述，驗證了簡諧運動方程作為凸輪輪廓曲線方程的可行性，為末端執(zhí)行器整體設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

表2 不同疏植要求仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results at different plant spacings

2.1.2圓柱凸輪機構(gòu)受力分析

凸輪機構(gòu)在疏植移栽變距的過程中，從動件與凸輪輪槽始終接觸并產(chǎn)生力的相互作用。在裝置平穩(wěn)運行過程中，對單條凸輪輪槽內(nèi)凸輪與從動件接觸點位置處進行受力分析。選取俯視圖視角，繪制該圓柱凸輪機構(gòu)的受力分析圖，如圖7所示。

圖7 圓柱凸輪機構(gòu)受力分析圖Fig.7 Force analysis of cylindrical cam

圖中，T為電機施加在圓柱凸輪上的作用力；Fk為末端執(zhí)行器工作時凸輪輪槽一側(cè)邊界為克服直線導(dǎo)軌副摩擦力而施加給萬向球軸承的作用力；N為凸輪輪槽另一側(cè)邊界對萬向球軸承的支撐力；f為萬向球軸承所受摩擦力；γ為支撐力N與凸輪軸線方向的夾角。圓柱凸輪機構(gòu)在工作的過程中，根據(jù)達朗貝爾原理[23]，圓柱凸輪機構(gòu)受力平衡方程為

(2)

式中G——直線導(dǎo)軌副所承受的物體重力之和，N

f′——末端工作時直線導(dǎo)軌副所受摩擦力，N

μ——凸輪輪槽與萬向球軸承間的摩擦因數(shù)，取0.25

μ′——直線導(dǎo)軌副間的摩擦因數(shù)，取0.05

經(jīng)推導(dǎo)計算可得

(3)

其中，直線導(dǎo)軌副所受最大重力為滑塊、取苗手指以及被夾持苗缽的重力之和，經(jīng)測量，G為4.55 N。對式(3)進行分析可知，γ越大，則N越大。通過對圓柱凸輪廓線方程(簡諧運動規(guī)律方程)進行求導(dǎo)，可得其最大斜率為0.625，即γ最大值為38.7°。

由于本研究將圓柱凸輪凹槽結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙凸輪槽，分別有兩個萬向球軸承與其配合作業(yè)，故圓柱凸輪機構(gòu)工作時所需最大力矩為

Mmax=2TD

(4)

式中Mmax——圓柱凸輪機構(gòu)工作所需最大力矩，N·mm

D——圓柱凸輪外徑，mm

聯(lián)立式(3)、(4)，求得末端執(zhí)行器工作所需最大力矩為14.76 N·mm。此外，為保證凸輪能夠正常工作，需滿足機構(gòu)最大壓力角φmax≤[φ]=30°[18]，[φ]表示許用壓力角。最大壓力角計算公式為[24]

(5)

式中σ——圓柱凸輪與從動件之間的當量摩擦角，取14.03°

h——圓柱凸輪升程，取12.5 mm

rm——圓柱凸輪平均圓柱半徑，取10 mm

通過計算得到φmax為5.1°，滿足工作要求。

2.2 取苗手指結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)確定

取苗手指主要用于移栽作業(yè)時對穴盤苗缽進行抓取，由筆形氣缸構(gòu)成其主體，由于筆形氣缸具有結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，故選取其作為動力源實現(xiàn)移栽作業(yè)，其中氣缸選用復(fù)動型鋁合金筆形氣缸，行程50 mm。

本研究選用4根取苗針對苗缽進行抓取，取苗針作為取苗手指的關(guān)鍵部件，本研究采用扁針直插式[12]，且4根取苗針的插入位置均位于苗缽一側(cè)，利用其入土傾角及取苗針斜插傾角，通過豎直方向的作用力提取幼苗，結(jié)構(gòu)如圖8所示。該取苗手指既能在取苗時減少對苗缽的損傷，同時又能夠增加針體與苗缽的接觸面積，從而提高取苗穩(wěn)定性。取苗針由3 mm厚的不銹鋼材質(zhì)制成，適用于多種規(guī)格的穴盤苗缽。

(1)取苗針指根開度d1與指間開度d2

為避免取苗針的開度過大，在插入苗缽過程中撐破穴盤壁，要求取苗針指根開度小于穴盤孔上邊長，指間開度小于穴盤孔下邊長，即

(6)

式中l(wèi)1——穴盤孔上邊長，mm

l2——穴盤孔下邊長，mm

經(jīng)測量，72穴苗盤穴孔上邊長為40 mm，下邊長為22 mm；128穴苗盤穴孔上邊長為30 mm，下邊長為13 mm。本文取苗針指根開度d1取28 mm。

(2)取苗針夾角α

取苗手指一側(cè)設(shè)計有2根取苗針，2根取苗針之間呈一定夾角，以增大取苗作業(yè)時的拔取力，為避免取苗針夾角過小而碰觸穴孔壁，從而刺穿穴孔，應(yīng)滿足

(7)

式中hk——穴孔高度，mm

θ——穴孔棱線傾角，(°)

經(jīng)測量，72穴苗盤穴孔高度為40 mm，棱線傾角為11.2°；128穴苗盤穴孔高度為36 mm，棱線傾角為11.9°。

(3)取苗針插入邊距ε

當取苗針插入苗缽后的位置與穴孔壁間距為2～3 mm時，可有效提高取苗成功率[25]，故選取插入邊距ε為3 mm。

(4)取苗針入土角β

為保證取苗針入土過程中，與穴孔壁的距離一直小于ε，要求入土角大于穴孔棱線傾角，但在達到取苗深度位置時，應(yīng)避免入土角過大而導(dǎo)致取苗針刺穿穴孔壁，取苗針極限位置如圖9所示。圖中點A為取苗針插入苗缽后，針與苗缽上表面接觸點；點B為取苗針插入一側(cè)的穴孔棱線在該視圖方向的投影點；點C為取苗針在最大入土角位置時，達到取苗深度后，與穴孔壁恰好接觸的位置點。

圖9 入土角極限位置示意圖Fig.9 Schematic of limit position of entry angle1.取苗針 2.苗缽

根據(jù)幾何關(guān)系有

(8)

式中βmin——取苗針最小入土角，(°)

βmax——取苗針最大入土角，(°)

λ——取苗針最大入土角插入時與水平線的夾角，(°)

hz——取苗針入土深度，mm

lAB——取苗針插入點與邊緣間最短距離，mm

lAC——取苗針最大入土角插入時入土長度，mm

lBC——取苗深度對應(yīng)穴孔棱邊長，mm

(5)取苗針長度l

為避免取苗針插入過程中刺穿穴盤孔，應(yīng)使取苗針刺入深度不大于穴盤孔高度，即

(9)

(6)取苗針間距d3

為保證取苗針順利提取苗缽，對取苗針間距d3進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，要求取苗針尖越過苗缽中線，增加對苗缽的抓取力，但間距不可過大，致使刺穿穴孔壁，即

(10)

末端取苗過程受力分析如圖10所示。取苗針插入根缽后的提取瞬間，苗缽對單根取苗針產(chǎn)生兩個方向的正壓力，F(xiàn)N1方向與取苗針入土角β相關(guān)，F(xiàn)N2作用于相鄰兩取苗針之間，方向與取苗針夾角α相關(guān)，兩者在豎直方向的分力將苗缽向上提取。提取過程中，苗缽有下滑趨勢，f為根缽對取苗針產(chǎn)生的摩擦力，其方向沿取苗針向上。取苗過程中，苗缽自身重力與穴孔對苗缽的粘附力共同構(gòu)成縱向取苗阻力FZ。FT為取苗瞬間的提取力，方向豎直向上，其大小主要由4根取苗針的受力提供，需克服縱向取苗阻力FZ，從而成功提取苗缽。

圖10 末端取苗受力分析示意圖Fig.10 Force analysis of end seedlings1.取苗針 2.苗缽

3 苗缽提取過程耦合仿真

在提取苗缽的過程中，不同工作參數(shù)的末端取苗手指可能會對苗缽本身造成不同程度的損害影響，致使其產(chǎn)生不同程度的形變。若形變過大，則直接影響幼苗后續(xù)的健康生長狀況，從而導(dǎo)致移栽失敗。因此，針對上述問題，本研究利用CT掃描技術(shù)建立苗缽根土復(fù)合模型，通過EDEM與Recur Dyn軟件對取苗手指提取苗缽的過程進行耦合仿真，通過仿真單因素試驗，得到較優(yōu)的取苗手指工作參數(shù)范圍，為后續(xù)試驗設(shè)計提供參考。

3.1 苗缽提取仿真模型

本研究通過CT掃描技術(shù)對苗齡為25 d的苗缽進行CT圖像采集，試驗儀器選用西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點實驗室配備的桌面型CT系統(tǒng)(型號為nanoVoxel-1280，空間分辨率大于等于40 μm，電壓范圍20～80 kV；電流范圍0～0.7 mA)，掃描完成后對苗缽CT圖像進行三維重建，通過篩選感興趣區(qū)域，獲得苗缽根系三維點云文件，建立三維模型。

根據(jù)前文所提及的取苗手指結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與穴盤尺寸參數(shù)，利用SolidWorks對穴孔與取苗手指進行建模，并將苗缽根系模型導(dǎo)入，如圖11所示。在整個對苗缽提取過程的仿真中，取苗針插入缽體后，根系需在缽體顆粒的包裹作用下隨取苗針的提取而被動運動，Recur Dyn動力學(xué)仿真軟件為根系的運動提供仿真求解環(huán)境，將根系模型導(dǎo)入Recur Dyn中，通過建立Wall數(shù)據(jù)實現(xiàn)與EDEM的耦合運算，并調(diào)整仿真時間步長，確保仿真順利進行。仿真幾何體材料參數(shù)如表3[10,26]所示。

圖11 苗缽提取仿真模型Fig.11 Simulation model of seedling pot1.取苗針 2.苗缽根系 3.穴孔

表3 仿真材料參數(shù)Tab.3 Simulation parameters of materials

3.2 缽體顆粒模型

缽體由育苗基質(zhì)組成，其構(gòu)成成分主要為泥炭，且育苗期間要求缽體保持一定的含水率。顆粒與顆粒之間、顆粒與根系之間相互作用復(fù)雜，具有一定的粘結(jié)力。結(jié)合文獻[27]研究，本文選擇EEPA模型作為顆粒間接觸模型，由于液橋作用，將該模型同時設(shè)置為根系與顆粒間的接觸模型[28]。

為減少計算時間，設(shè)置土壤顆粒為單一球體模型，缽體顆粒半徑為0.6 mm，顆粒工廠生成顆粒數(shù)量為20 000個。由于受重力作用，顆粒生成后需要進行一定時間的沉降，待沉降穩(wěn)定后額外施加壓板對顆粒進行壓實，最終得到根土復(fù)合缽體模型。

3.3 根土復(fù)合體提取仿真試驗方法

為探究取苗手指各關(guān)鍵工作參數(shù)對穴盤幼苗缽體移栽的影響規(guī)律，以取苗針夾角α、入土角β和取苗針間距d3為試驗因素，在缽體被提取后，以缽體上邊長形變量和棱邊長形變量為試驗指標進行仿真單因素試驗。單因素試驗水平如表4所示，按照因素水平表繪制不同工作參數(shù)下的取苗手指三維模型，從而調(diào)整試驗因素進行試驗研究，試驗過程如圖12所示。

表4 單因素試驗因素水平Tab.4 Factors and levels of single factor test

圖12 提取仿真試驗Fig.12 Extracting simulation test

仿真提取后，在后處理模塊對缽體仿真模型各頂點顆粒的間距進行測量，得到缽體上邊長與棱邊長數(shù)據(jù)。每組測得4條邊長，選取其中的最大值作為形變后缽體邊長，對比穴孔標準邊長，從而獲得缽體提取后其上邊長形變量和棱邊長形變量。

3.4 結(jié)果與分析

取苗針夾角、入土角、取苗針間距等因素對缽體形變量的影響如圖13所示。

在入土角6°，取苗針間距6 mm，取苗針夾角10°、11°、12°、13°、14°的條件下進行仿真模擬，試驗結(jié)果如圖13a所示。取苗針夾角為10°時，缽體模型的上邊長形變量較小，約為1.28 mm。而當夾角由10°增加到12°的過程中，缽體模型棱邊長形變量由0.27 mm增加至1.96 mm，呈逐漸增加趨勢，但上邊長形變量變化不大，而取苗針夾角超過12°之后形變量由1.26 mm增加至1.90 mm，呈逐漸增加趨勢。究其原因，是因為在仿真模擬取苗針豎直提取缽體的測試試驗過程中，當取苗針夾角較大時，兩針尖間距與開口間距差值較大，會對缽體本身造成一定程度的損毀，致使缽體產(chǎn)生較大的形變。因此本研究選取最優(yōu)取苗針夾角范圍為10°～12°。

圖13 提取仿真試驗結(jié)果Fig.13 Extracting simulation test results

在取苗針夾角12°，取苗針間距6 mm，入土角0°、3°、6°、9°、12°的條件下仿真模擬，試驗結(jié)果如圖13b所示。入土角為0°和12°時，棱邊長形變量較大，分別約為2.52 mm和2.68 mm。而上邊長形變量隨入土角變化而變化的幅度較小，僅當入土角為12°時產(chǎn)生較大形變，約為1.30 mm。這是由于在仿真模擬取苗針豎直提取缽體的測試試驗過程中，當入土角較小時，導(dǎo)致取苗針對缽體抓取力不夠，取苗過程中，缽體產(chǎn)生一定的下移，苗缽豎直方向產(chǎn)生較大破損，而入土角過大時，取苗針對缽體產(chǎn)生破損較多，致使缽體產(chǎn)生較大形變。因此選取最優(yōu)入土角范圍為4°～6°。

在取苗針夾角12°，入土角6°，取苗針間距2、4、6、8、10 mm的條件下進行仿真模擬，試驗結(jié)果如圖13c所示。取苗針間距為2 mm時，棱邊長形變量較大，約為2.09 mm，當取苗針間距由8 mm增加至10 mm時，形變量驟增，約為3.46 mm。而缽體上邊長在間距為2 mm時形變量較大，約為1.74 mm，但間距由4 mm增加到10 mm的過程中，整體變化幅度較小。這是由于在仿真模擬取苗針豎直提取缽體的測試試驗過程中，當取苗針間距過小時，抓取力不足，且對缽體一側(cè)局部破損較大，產(chǎn)生形變，而取苗針間距較大時，取苗針插入過程對缽體產(chǎn)生較大的擾動，導(dǎo)致缽體破損，從而移栽失敗。因此選取最優(yōu)取苗針間距范圍為4～8 mm。

4 移栽試驗

4.1 材料與設(shè)備

2021年8月，從楊凌稷楊果蔬專業(yè)合作社育苗基地隨機選取苗齡18 d的“陸揚k9”番茄幼苗，育苗基質(zhì)為有機活性基質(zhì)，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為40%，總孔隙度60%～90%，人工對試驗對象樣品進行測量，樣品苗高范圍為95.33～112.47 mm，莖粗范圍為2.23～3.08 mm，展寬范圍為83.70～117.82 mm，總質(zhì)量為12.92～17.40 g，缽體濕質(zhì)量為12.22～16.64 g，含水率為51.90%～67.22%。

自制穴盤幼苗疏植移栽試驗平臺如圖14所示。設(shè)備包括德國艾瑞澤公司生產(chǎn)的數(shù)顯游標卡尺(量程為0～300 mm，精度為0.01 mm)、深圳飛亞衡精密電子天平(ZF-C6002型，精度為0.01 g)、迎工電熱鼓風(fēng)干燥箱(202-0A型，功率0.6 kW，最高溫度280℃)。

圖14 穴盤幼苗疏植移栽試驗平臺Fig.14 Automatic variable-distance transplanting test platform for plug seedlings1.穴盤幼苗 2.來源穴盤 3.取苗針 4.筆形氣缸 5.末端機架 6.移栽機械臂 7.圓柱凸輪 8.電機 9.穩(wěn)壓電源 10.單片機 11.目標穴盤

4.2 試驗方法

本試驗選取取苗針夾角、入土角、取苗針間距和變距速度為試驗因素，移栽后缽體最大形變量和移栽成功率為試驗指標進行正交試驗。其中，通過更換不同尺寸的取苗針實現(xiàn)取苗針夾角和取苗針間距的調(diào)整，通過更換氣缸與末端滑軌之間的固定板實現(xiàn)入土角的調(diào)整，通過外接電機控制器控制圓柱凸輪機構(gòu)轉(zhuǎn)速，從而對變距速度進行調(diào)整。試驗過程如圖15所示。

圖15 疏植移栽試驗過程Fig.15 Test process of thinning and transplanting

基于缽體最大形變量越小越好及移栽成功率越高越好的原則[10]，在仿真單因素試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上確定了四因素三水平正交試驗各因素的取值范圍，如表5所示。每組試驗以30株番茄幼苗為試驗樣本且重復(fù)3次，取平均值作為試驗結(jié)果。

表5 正交試驗因素水平Tab.5 Factors and levels of orthogonal test

取苗后，使用數(shù)顯游標卡尺對缽體上邊長、下邊長以及棱邊長進行測量，根據(jù)穴孔尺寸，與標準邊長做差值，取最大差值為缽體最大形變量。

此外，在移栽過程中，缽體除受夾持力外，還會受到移動時額外慣性力的影響，從而產(chǎn)生基質(zhì)散落現(xiàn)象，當基質(zhì)散落至一定程度時，可能會影響幼苗的后續(xù)生長，采用電子天平測量試驗前后的幼苗質(zhì)量，將移栽后幼苗質(zhì)量高于原質(zhì)量的70%[13]且移栽10 d后順利成活視為移栽成功。

4.3 結(jié)果與分析

穴盤苗疏植移栽正交試驗結(jié)果如表6所示，A、B、C、D表示取苗針夾角、入土角、取苗針間距、變距速度的水平值。采用極差分析研究各試驗因素對最大形變量、成功率等試驗指標的影響，具體結(jié)果如表7和表8所示。由極差可知，試驗因素對缽體形變量影響的主次順序為：入土角、變距速度、取苗針夾角、取苗針間距；試驗因素對成功率影響的主次順序為：取苗針間距、入土角、變距速度、取苗針夾角。

表6 移栽正交試驗結(jié)果Tab.6 Results of orthogonal tests for transplant

表7 缽體最大形變量極差分析Tab.7 Extreme analysis of the largest deformation

表8 移栽成功率極差分析Tab.8 Extreme analysis of success rate

由表7、8可知，形變量的最優(yōu)組合(最大形變量最小)為A1B3C1D1；成功率的最優(yōu)組合(移栽成功率最高)為A1B1C3D1。結(jié)合最大形變量、移栽成功率的極差分析結(jié)果，對最優(yōu)組合中差異性較大的入土角(B1和B3)和取苗針間距(C1和C3)進一步分析。入土角為B1時的移栽成功率高于入土角為B3的移栽成功率，且形變量的減少幅度在1 mm以內(nèi)，不影響后續(xù)幼苗生長；取苗針間距為C3時的移栽成功率高于取苗針間距為C1時的移栽成功率，且兩者的形變量僅相差0.18 mm。因此，穴盤苗疏植移栽的最優(yōu)組合確定為A1B1C3D1，即取苗針夾角為10°、入土角為4°、取苗針間距為8 mm、變距速度為5 mm/s。

4.4 驗證試驗

為了驗證正交試驗的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，隨機選取苗齡為18 d的“陸揚k9”番茄幼苗60株置于穴盤苗疏植移栽試驗平臺，對最優(yōu)組合(取苗針夾角為10°、入土角為4°、取苗針間距為8 mm、變距速度為5 mm/s)進行試驗驗證。為驗證末端執(zhí)行器可滿足不同株距要求，控制凸輪轉(zhuǎn)動不同角度，進行兩組不同株距要求的疏植移栽驗證試驗，分別為將幼苗由128孔穴盤疏植移栽至72孔穴盤，以及將幼苗由72孔穴盤疏植移栽至50孔穴盤。

試驗結(jié)果表明，移栽后128孔穴盤幼苗最大缽體形變量穩(wěn)定在(1.13±0.68) mm，72孔穴盤幼苗最大缽體形變量穩(wěn)定在(1.51±0.64) mm。這是由于在同等培育環(huán)境和培育時間下，128孔穴孔尺寸小于72孔穴孔，易使穴盤幼苗形成根缽，從而在移栽過程中,基質(zhì)散落較少，變形也相對較小。同時，在實際移栽環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)，缽體由于末端取苗作業(yè)而產(chǎn)生的缽體形變與耦合仿真結(jié)果基本一致，均由于取苗針在插入過程中對缽體顆粒產(chǎn)生擠壓，從而導(dǎo)致缽體上表面顆粒向外側(cè)擴張，上表面產(chǎn)生一定形變，取苗針的插入還會導(dǎo)致缽體下半部分輕微鼓起，但受穴孔壁的限制，提取后未出現(xiàn)明顯形變，對比結(jié)果如圖16所示，驗證了仿真模型的正確性。

圖16 仿真提取與實際提取效果對比Fig.16 Comparison of simulated and actual extraction

試驗共計56株穴盤苗移栽成功，移栽成功率為93.33%，整機移栽效率為22株/min，且移栽成功幼苗全部成活，滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)穴盤苗疏植移栽作業(yè)需求。分析移栽失敗的原因主要有：移栽過程中，由于穴盤定位不準確，機械臂產(chǎn)生定位誤差，取苗針插入深度不夠，拔取力不足以克服拔苗阻力，無法完成取苗作業(yè)，致使移栽失敗；部分穴盤苗根系生長情況較差，苗缽基質(zhì)松散，拔取作業(yè)時基質(zhì)散落情況嚴重，移栽后幼苗無法成活，致使移栽失敗。

5 結(jié)論

(1)針對設(shè)施農(nóng)業(yè)育苗疏植移栽要求，設(shè)計了一種基于圓柱凸輪的株距可調(diào)式取苗末端執(zhí)行器。通過調(diào)整圓柱凸輪角度，可實現(xiàn)取苗手指間的距離變化，使取苗手指在傾斜刺入苗缽時，能夠減少取苗針對幼苗葉片的損傷。最終確定各機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)以適用于常見規(guī)格育苗穴盤。

(2)建立了苗缽根土復(fù)合仿真模型，并基于EDEM與Recur Dyn軟件進行苗缽提取耦合仿真，以取苗針的不同工作參數(shù)為試驗因素，取苗后苗缽的形變量為試驗指標，進行單因素仿真試驗；仿真結(jié)果顯示，最優(yōu)取苗針夾角范圍為10°～12°，最優(yōu)入土角范圍為4°～6°，最優(yōu)取苗針間距范圍為4～8 mm。

(3)搭建了穴盤幼苗疏植移栽試驗平臺，結(jié)合仿真試驗結(jié)果，進行正交試驗，研究了取苗針夾角、入土角、取苗針間距和變距速度等試驗因素對缽體最大形變量和移栽成功率的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，試驗因素對缽體最大形變量影響的主次順序為入土角、變距速度、取苗針夾角、取苗針間距；試驗因素對移栽成功率影響的主次順序為取苗針間距、入土角、變距速度、取苗針夾角；最優(yōu)參數(shù)組合為取苗針夾角為10°、入土角為4°、取苗針間距為8 mm、變距速度為5 mm/s，在最優(yōu)參數(shù)組合下進行了不同疏植株距要求的驗證試驗，最優(yōu)參數(shù)組合實際移栽后產(chǎn)生的缽體形變與苗缽提取耦合仿真結(jié)果基本一致，驗證了仿真模型的正確性；取苗后的128穴缽體最大形變量平均值為(1.13±0.68) mm，72穴缽體最大形變量平均值為(1.51±0.64) mm，總移栽成功率為93.33%，整機移栽效率為22株/min，移栽成功幼苗全部成活。