移栽機取苗裝置頂出機構設計與試驗

陳 錦，崔 巍，劉云強，劉立晶，劉芳建，孔德航，張學東

（1.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院集團有限公司，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)裝備技術全國重點實驗室，北京 100083）

0 引言

蔬菜是人們生活必不可缺少的食物，富含多種營養(yǎng)素，是無機鹽和維生素的主要來源。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021 年全國蔬菜產(chǎn)量為7.75 億t，播種面積為2 198.571 萬hm2，蔬菜出口數(shù)量為899 萬t，蔬菜出口金額為122.9 億美元。

育苗移栽對作物抗御干旱、寒冷、病蟲害，縮短田間生長期，提高單位面積產(chǎn)量，發(fā)展高產(chǎn)、高效農(nóng)業(yè)具有重要意義，在中國特別是北方寒地的蔬菜生產(chǎn)中應用廣泛[1-2]。

發(fā)達國家對旱地移栽機的研究起步較早，在20 世紀早期歐洲一些國家開始研究適用于作物移栽的機械，50 年代研制出多種不同結構形式的半自動移栽機和簡易制缽機，80 年代半自動移栽機已經(jīng)在生產(chǎn)中廣泛使用，這些機型比較成熟，工作可靠性好，推廣應用較為廣泛[3]。但目前歐美主要農(nóng)業(yè)發(fā)達國家生產(chǎn)的全自動移栽機多適用于大地塊作業(yè)，配備復雜的機電液氣系統(tǒng)，價格昂貴，維修成本高[4]。

目前自動移栽機取苗方式主要包括頂出式、夾取式和直落式等，其實現(xiàn)形式有機械式、氣動式和機電一體化式等多種方案[1,5-6]。文永雙等[7]設計了一種插入頂出式取苗裝置，對缽苗拋出后的運動過程進行了運動學分析和受力分析，并對該結構的送盤機構和取苗裝置進行了受力分析和參數(shù)優(yōu)化。武東東[8]對草莓定向移栽機進行了總體設計，確定了分苗過程中最佳落苗點，對不同栽植頻率下分苗過程中缽體破碎率和翻轉(zhuǎn)角度進行了仿真分析，并試制了物理樣機，進行了田間試驗。馮天翔[9]對現(xiàn)有移栽手爪進行了設計，對紅掌缽苗基質(zhì)物理及力學性能參數(shù)進行測量，采用不同斜插方式進行夾苗，利用EDEM 軟件進行了仿真，分析了不同的插入角度、深度和插入點的位置對于基質(zhì)破損情況的影響，并進行了試驗驗證。姚穎杰[10]采用有限元分析軟件ANSYS/FLUENT 和ANSYS/LSDYNA 相結合的方式，模擬了水稻拋秧過程中缽苗運動情況，并通過高速攝影試驗進行了驗證。目前國內(nèi)學者的研究主要集中在取苗方式和取苗過程方面，對于取苗速度和缽苗運動理論分析方面研究比較少，有必要開展相關研究[11-14]。

頂出式取苗機構結構簡單、取苗效率高，但由于缽苗與穴盤黏結力不同，存在落苗軌跡不可控、落苗位置一致性差等問題。針對上述問題，設計一種移栽機取苗裝置頂出機構，通過對取苗頂桿和缽苗進行靜力學及運動學分析，為取苗裝置和控制邏輯設計提供理論支撐，并進行取苗試驗，以期為取苗裝置頂出機構的設計提供參考。

1 取苗裝置

1.1 總體結構

取苗裝置由同步帶、導向桿、同步帶輪、導苗盤側板、限位塊、水平傳送帶、張緊輪、底板、頂出機構和導苗筒等組成，如圖1 所示。其中，頂出機構是取苗裝置的核心部分，進行了重點研究。

圖1 取苗裝置結構Fig.1 Structure of seedling retrieval device

1.2 工作原理

人工將苗盤放置在同步帶的上端，通過同步帶和中間的導向桿進行初步定位，步進電機驅(qū)動同步帶輪進行苗盤的間歇移動，待苗盤運動到指定位置時觸發(fā)限位開關，步進電機停止動作，取苗頂桿進行缽苗頂出，導苗盤側板進行苗盤限位，防止苗盤因頂苗運動影響位置不準確，取苗頂桿設置在底板背面，由步進電機驅(qū)動在導軌中做往復直線運動，將缽苗頂出至水平傳送帶上，水平傳送帶通過間歇進給，將缽苗逐個送至導苗筒中。其中缽苗通過頂出機構從穴盤中取出，頂出機構性能好壞直接決定缽苗破碎率及取苗合格率等各項指標，故對頂出機構進行進一步研究。

2 基質(zhì)頂出力測定

基質(zhì)與穴盤之間存在一定的黏結力，頂出式取苗裝置需要克服該黏結力和自身重力將缽苗頂出至輸送帶上，故進行缽苗頂出力的測定，為后續(xù)取苗裝置設計提供參考。

試驗選用西紅柿苗作為試驗用苗，測力計選用艾德堡推拉力計，測力模式采用峰值力。頂出力測試過程如圖2 所示。試驗前將缽苗間隔1 d 進行澆水，使用快速水分測量儀對缽苗含水率進行測量，以測試缽苗在不同含水率下的頂出力。試驗時將苗盤保持傾斜放置，使用6 mm 頂桿將缽苗緩慢頂出，保持勻速，以降低加速度對頂出力的影響，重復試驗10 次，取平均值，測量結果如表1 所示，由測量結果可得，各組缽苗的頂出力平均值為 2.10～3.25 N。

表1 頂出力測量結果Tab.1 Results of ejection force measurement

圖2 頂出力測試過程Fig.2 Ejection force test process

3 取苗頂桿靜力學及速度分析

頂出機構由導軌、取苗頂桿、曲柄滑塊機構、步進電機和固定架等組成，如圖3 所示。頂苗過程中，步進電機通過曲柄滑塊機構驅(qū)動取苗頂桿進行頂出運動，在運動方向安裝固定導軌，對取苗頂桿運動方向加以限制。

圖3 頂出機構三維圖Fig.3 3D diagram of seedling harvesting mechanism

3.1 靜力學分析

由于取苗裝置結構較為緊湊，對安裝空間及精度要求較高，采用3D 打印進行取苗頂桿的制造。為保證取苗頂桿符合工作要求，采用ANSYS 對該組件進行靜力學分析，以確保其可靠性。

采用ANSYS 中的靜態(tài)結構模塊進行分析，頂桿材料選用樹脂，密度為1.117 g/cm3，剪切模量為1 GPa，泊松比為0.32，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格結構，單元尺寸為3 mm，最大尺寸為5 mm。通過前期對頂出力的實際測量，選取頂出力峰值F=6 N 作為每個端部的作用力，作用面積選擇頂桿橫截面，選取螺栓和軸承孔作為固定位置。通過圖4 仿真結果可知，最大應力點集中在兩側彎曲處，最大應力為4.9 MPa，符合強度設計要求。

圖4 取苗頂桿靜力學分析Fig.4 Static analysis of ejector rod assembly

3.2 取苗頂桿速度分析

取苗頂桿運動采用步進電機通過曲柄滑塊機構驅(qū)動，電機旋轉(zhuǎn)速度設置為1 m/s。在ADAMS 中進行建模，定義運動副和驅(qū)動方式，對取苗頂桿進行運動學仿真。在后處理中得到其速度與加速度曲線，如圖5所示。

圖5 速度與加速度曲線Fig.5 Velocity and acceleration curve

由圖5 可知，取苗頂桿運動過程分為加速和減速兩個階段。對頂苗過程進行分析，當處于加速階段時，取苗頂桿將缽苗頂出瞬間，容易插進缽苗基質(zhì)中，造成缽苗與取苗頂桿分離困難，收回時易發(fā)生缽苗重新被帶回穴盤的現(xiàn)象，使缽苗無法準確落到傳送帶上，造成取苗失??；當處于減速階段時，取苗效果較好，但為精簡機構尺寸，使取苗頂桿運動行程盡可能利用完全，選擇運動過程中最大速度時進行頂苗最為合理。

4 取苗裝置控制邏輯設計

全自動移栽機工作時，水平傳送帶需持續(xù)工作，故需確保水平傳送帶上缽苗連續(xù)不間斷且每個格子中只有一個。為保證栽植過程中不出現(xiàn)漏苗情況，需精確計算缽苗在頂出過程中所需要時間，進而計算傳送帶的提前量，以此確保缽苗的連續(xù)性，為控制邏輯設計提供數(shù)據(jù)支持。

4.1 運動學分析

在頂出過程中，缽苗基質(zhì)受頂出機構作用，經(jīng)過短暫加速運動，獲得一定初速度。通過前期對苗冠下垂量測量可得，苗冠平均下垂量約為5 cm，經(jīng)過計算，將h設置為8 cm 可確保水平傳送帶在工作時不會對苗冠造成損傷，苗盤傾斜角度為45°。

當缽苗進行斜拋運動時，頂出速度為v1，可以分解為水平和豎直兩個方向的分運動，其中水平方向進行初速度為vx的勻速直線運動，豎直方向進行初速度為vy的豎直上拋運動，運動示意如圖6 所示，斜拋運動時間t和水平運動距離x可由式（1）獲得。

圖6 缽苗運動Fig.6 Pot seedling movement

經(jīng)過計算，缽苗的水平距離x=5.3 cm。

缽苗在頂出和飛行過程中均需一定時間，并且水平傳送帶處于運動狀態(tài)，故頂出機構需設定提前動作時間來確保缽苗下落位置的準確。缽苗頂出過程總時間為t，v2為水平傳送帶運動速度，總時間應與傳送帶提前動作時間相同，速度配比示意如圖7 所示，因此傳送帶提前量x1為

圖7 速度配比Fig.7 Speed ratio

經(jīng)過計算，傳送帶的提前量x1=3.4 cm。

4.2 控制邏輯設計

主控制器是取苗裝置控制系統(tǒng)的核心部分，通過接收電感式接近開關的信號進行計數(shù)，并控制電機驅(qū)動頂出機構。在系統(tǒng)運行過程中，主控制器需要在短時間內(nèi)對接收的信號做出反應，因此對其運算性能提出了要求。綜合各種控制器優(yōu)缺點，選擇了基于Cortex-M3體系結構的STM32 單片機，主芯片采用STM32F407芯片，電機選用森創(chuàng)步進電機，型號為56BYG250Ek，步距角為1.8°，傳感器采用金屬傳感器。軟件系統(tǒng)采用ST 意法半導體推出的STM32CubeMX 作為開發(fā)環(huán)境，編程語言為C++語言，主控制器具體參數(shù)如表2 所示。

表2 主控制器參數(shù)Tab.2 Parameter of master controller

取苗裝置控制邏輯如下。人工將苗盤放置于同步帶上，系統(tǒng)進行初始化。同步帶帶動苗盤運動，運動到既定位置時，觸發(fā)限位開關，同步帶電機停止動作，頂出機構進行頂出，將穴盤中的缽苗頂出到水平傳送帶上，水平傳送帶進給兩格，初始化部分完成。開始栽植作業(yè)時，鴨嘴進行旋轉(zhuǎn)，傳感器通過檢測鴨嘴轉(zhuǎn)速發(fā)送信號給控制器，然后水平傳送帶電機進行間歇進給，將缽苗依次送入導苗筒中，同時進行計數(shù)。由于1 次頂出缽苗數(shù)為6 個，故水平傳送帶間歇進給6次后，穴盤縱向進給一個缽苗槽，當水平傳送帶隔板距離頂出缽苗間距為3.4 cm 時，頂出機構將缽苗再次頂出，保證傳送帶上缽苗連續(xù)性。苗盤中的剩余缽苗均按照這種方式進行取苗、送苗和投苗?？刂七壿嬃鞒虉D如圖8 所示。

圖8 控制邏輯流程Fig.8 Control logic flow chart

5 臺架試驗

為了對上述設計進行驗證，搭建了取苗裝置試驗臺，如圖9 所示。試驗前在穴盤底部劃出十字孔，試驗苗為西紅柿苗，苗齡為33 d。試驗用苗由北京市沱沱公社生態(tài)農(nóng)業(yè)股份有限公司培育，育苗基質(zhì)采用國產(chǎn)基質(zhì)，泥炭、珍珠巖和蛭石比例為3∶1∶1，試驗用苗長勢均勻。將缽苗均勻澆水后，放置于陰涼通風處，用水分測量儀進行含水率測量，當含水率降至40%時，進行取苗試驗。取苗時依次完成送盤、取苗和送苗等環(huán)節(jié)，重復進行12 次，每組試驗完成后進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

圖9 驗證試驗Fig.9 Verification test

試驗以取苗合格率和破碎率為評價指標，按式（3）和式（4）計算。

式中n1?苗合格率，%

W?總株數(shù)

W1?出穴盤苗株數(shù)

V1?莖葉破損或折斷數(shù)

V2?散坨數(shù)

式中n2?破碎率，%

P?取苗前每個缽苗的平均質(zhì)量，kg

M?單次取苗后每個缽苗平均質(zhì)量，kg

經(jīng)過重復試驗計算合格率和破碎率，試驗結果如表3 所示，取苗裝置取苗合格率為91.7%，破碎率為14.2%，符合取苗裝置設計要求。通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，缽苗基質(zhì)損失主要由于取苗過程中取苗裝置與基質(zhì)之間、水平傳送帶與基質(zhì)之間的碰撞導致，損失部分主要為基質(zhì)外部的泥炭及珍珠巖，對內(nèi)部的基質(zhì)-根系復合的主體部分基本未造成損傷。

表3 試驗結果Tab.3 Experimental results

6 結束語

（1）設計了一種移栽機取苗裝置頂出機構，并對缽苗頂出力進行測定，各組缽苗頂出力平均值為3.25 N。使用ANSYS、ADAMS 對取苗頂桿進行靜力學和速度分析，對取苗頂桿結構進行校核，確定速度最大的位置為最佳取苗點。

（2）為確保取苗精度，對缽苗頂出過程進行運動學分析，得到缽苗水平運動距離和取苗瞬間傳送帶的提前量，進而進行了取苗裝置控制邏輯設計。

（3）搭建取苗裝置試驗臺，進行驗證試驗，結果表明，取苗合格率為91.7%，破碎率為14.2%。