智慧農(nóng)機(jī)發(fā)展背景下移栽機(jī)取苗爪裝置設(shè)計(jì)

索振國(guó)

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

智慧農(nóng)機(jī)推廣應(yīng)用水平將直接性地影響區(qū)域農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)摿八?。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展、農(nóng)業(yè)種植面積的不斷擴(kuò)大和勞動(dòng)力老齡化的加劇，大部分中青年農(nóng)村勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)的人工栽植和半自動(dòng)化移栽機(jī)無(wú)法長(zhǎng)久持續(xù)作業(yè)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)種植移栽工作效率低下，對(duì)自動(dòng)化農(nóng)機(jī)的需求逐年增加，自動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化是移栽產(chǎn)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

殷弟云[1]以衡陽(yáng)市為例，探討了衡陽(yáng)智慧農(nóng)機(jī)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，提出了促進(jìn)衡陽(yáng)智慧農(nóng)機(jī)發(fā)展的相關(guān)策略，智慧農(nóng)機(jī)發(fā)展離不開(kāi)科技創(chuàng)新和人才引進(jìn)，應(yīng)充分重視智慧農(nóng)機(jī)的推廣應(yīng)用。張俊杰等[2]以智能農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)發(fā)展為研究對(duì)象，提出我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展及農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化的新態(tài)勢(shì)，智能農(nóng)機(jī)和自動(dòng)化機(jī)械將取代傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，基于智能化技術(shù)，提出了智能農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)型升級(jí)路徑，為推進(jìn)農(nóng)機(jī)智能精準(zhǔn)作業(yè)提供了新思路；農(nóng)機(jī)智能化和智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用的發(fā)展離不開(kāi)信息技術(shù)的進(jìn)步，提升農(nóng)機(jī)運(yùn)行性能和工作效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。胡喬磊等[4-6]以油菜基質(zhì)苗移栽機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合基質(zhì)塊苗移栽機(jī)作業(yè)特點(diǎn)及栽植農(nóng)藝要求，提出了輥式取苗裝置設(shè)計(jì)和輥取苗階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并開(kāi)展了取苗同步率影響的正交組合試驗(yàn)，自動(dòng)取苗同步率達(dá)到95.35%和94.42%，滿足油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)作業(yè)的性能要求，為油菜基質(zhì)塊苗及相關(guān)蔬菜類移栽機(jī)取苗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。徐陶等[7]以蔬菜基質(zhì)塊苗為例，研究設(shè)計(jì)了一種移栽機(jī)自動(dòng)送苗裝置，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取送苗作業(yè)，栽植合格率為95.3%，為基質(zhì)塊苗移栽機(jī)的研究和設(shè)計(jì)提供了參考。王超等[8]以蔬菜移栽機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)下壓式高速取苗裝置，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)送苗和自由投苗等一系列的自動(dòng)化工作，取苗成功率為100%。穴盤育苗是我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)育苗的主要方式[9-10]，而傳統(tǒng)的人工移栽或半自動(dòng)化移栽存在工作效率低、移栽周期長(zhǎng)及勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化穴盤育苗裝置來(lái)解決傳統(tǒng)移栽技術(shù)的缺陷、實(shí)現(xiàn)大面積育苗移栽種植，具有十分重要的意義，將極大地促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和智慧農(nóng)機(jī)的發(fā)展。

1 自動(dòng)移栽機(jī)取苗爪設(shè)計(jì)方案

1.1 相關(guān)參數(shù)分析

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大面積種植過(guò)程中，前期通過(guò)苗盤進(jìn)行育苗，苗體達(dá)到移栽條件后通過(guò)人工或機(jī)械將缽苗進(jìn)行移栽，伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和智慧農(nóng)機(jī)發(fā)展，半自動(dòng)化機(jī)械開(kāi)始在農(nóng)業(yè)移栽中使用，有效提高了工作效率，降低了成本。但隨著大面積種植的出現(xiàn)，如新疆、西藏、青海及東三省等開(kāi)始實(shí)施農(nóng)業(yè)規(guī)?；N植，半自動(dòng)化機(jī)械已不能滿足需要，于是出現(xiàn)了自動(dòng)化農(nóng)業(yè)移栽機(jī)，其通過(guò)取苗爪將缽苗夾出苗盤穴孔后，投入栽植機(jī)器中進(jìn)行栽種。目前在農(nóng)業(yè)大面積移栽的苗盤有72、128 和200 穴三種規(guī)格，具體的外形參數(shù)如表1 所示。一般農(nóng)業(yè)育苗由苗盤完成，缽苗由基質(zhì)（苗缽）與苗組成，在農(nóng)業(yè)移栽時(shí)，缽苗要填滿空的苗盤；如新疆大面積種植番茄缽苗的尺寸參數(shù)為株高至少達(dá)到180 mm，苗葉面展幅要達(dá)到90 mm 以上，苗直徑要超過(guò)3.0 mm，該苗缽的參數(shù)可為后續(xù)取苗爪的設(shè)計(jì)提供參考。

表1 苗盤的苗缽?fù)庑纬叽鐓?shù)

1.2 缽苗基質(zhì)力學(xué)分析

一般蔬菜或果樹(shù)育苗的缽苗基質(zhì)由草炭、珍珠巖及蛭石構(gòu)成，在育苗的過(guò)程中要注意裝盤的質(zhì)量要求，穴盤內(nèi)填充的缽苗基質(zhì)的重量決定著苗的發(fā)育和移栽質(zhì)量，因此要注重缽苗內(nèi)的基質(zhì)質(zhì)量。

設(shè)計(jì)移栽機(jī)取苗爪時(shí)，要考慮取苗爪的苗針插入缽苗基質(zhì)的深度以及所用力度，否則會(huì)影響移栽后幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育和后期的成長(zhǎng)速度，在設(shè)計(jì)取苗爪時(shí)要考慮缽苗的基質(zhì)受力情況，如圖1 所示。圖中F0為苗缽與穴盤孔的黏附力在豎直方向上的分力和缽苗的重力的合力，移栽機(jī)取苗爪對(duì)基質(zhì)的夾持力為F1、F2，兩者大小相等，F(xiàn)f1、Ff2為摩擦力，假定缽苗基質(zhì)在取苗過(guò)程中穩(wěn)定，此時(shí)F1=F2=F，靜摩擦力Ff1=Ff2=uF=Ff，其中u為摩擦系數(shù)。移栽機(jī)取苗爪要想成功抓取缽苗，所用的力必須克服F0，所用的力如公式（1）所示。α為移栽機(jī)取苗爪的夾角。

圖1 缽苗基質(zhì)受力示意圖

1.3 自動(dòng)移栽機(jī)取苗爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)的取苗爪主要為插入式和夾取式兩大類，分別以苗缽和缽苗的莖稈作為夾取對(duì)象，后者需要配合頂苗裝置來(lái)完成夾取工作；兩者存在的缺陷是取苗成功率低，容易損傷苗稈或苗盤及苗缽，造成缽苗基質(zhì)散落等情況，最終降低缽苗成活率?；谝陨蟽煞N情況，設(shè)計(jì)的自動(dòng)移栽機(jī)取苗爪采取凸輪推桿的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，這樣可以保障在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前期取苗爪的開(kāi)合角度不變，保證苗針與水平面的夾角不變，以提高投苗成功率；在設(shè)計(jì)中，凸輪從動(dòng)件采取直線的運(yùn)動(dòng)方式和平底的形狀，可以減少凸輪從動(dòng)件與凸輪的接觸點(diǎn)的摩擦。根據(jù)該取苗爪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植的需求，凸輪采取圓盤形狀以及苗盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)及缽苗的尺寸參數(shù)，移栽機(jī)取苗爪的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)采用對(duì)心平底直動(dòng)盤型凸輪機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成一種凸輪推桿驅(qū)動(dòng)的移栽機(jī)取苗爪機(jī)構(gòu)。

2 自動(dòng)移栽機(jī)取苗爪裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在農(nóng)業(yè)種植過(guò)程中，取苗和投苗作業(yè)要連續(xù)進(jìn)行，移栽機(jī)取苗爪本身要具備這兩個(gè)功能，但還需要借助相關(guān)裝置來(lái)完成缽苗下移、左右移動(dòng)和運(yùn)苗的功能。因此，設(shè)計(jì)的裝置要具備以上所有的功能才能保證農(nóng)業(yè)大面積種植的取苗和投苗作業(yè)。根據(jù)移栽機(jī)取苗爪的運(yùn)動(dòng)需求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的移栽機(jī)取苗爪裝置。

圖2 移栽機(jī)取苗爪系統(tǒng)裝置圖

該裝置的水平方向控制裝置的作用主要是帶動(dòng)其余三部分沿X軸方向不斷移動(dòng)，豎直方向控制裝置的作用是帶動(dòng)取苗模塊沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)。該裝置共計(jì)設(shè)置6 個(gè)位置的傳感器，主要作用是限制裝置水平方向、豎直方向和左右方向的運(yùn)動(dòng)范圍以及消除累計(jì)的系統(tǒng)誤差。圖2 中的傳感器分別為1（位置傳感器四）、2（位置傳感器一）、3（位置傳感器五）、7（位置傳感器二）、8（位置傳感器三）和11（位置傳感器六）。

3 自動(dòng)移栽機(jī)取苗爪參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 自動(dòng)移栽機(jī)取苗爪數(shù)字模型的建立

根據(jù)自動(dòng)移栽機(jī)取苗爪裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建如圖3 所示的取苗爪夾苗的示意圖。該結(jié)構(gòu)是以軸線為中心的完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)（凸輪除外），為降低數(shù)學(xué)模型的難度，對(duì)取苗爪結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以該結(jié)構(gòu)的右側(cè)為數(shù)學(xué)建模對(duì)象，以y軸為取苗爪對(duì)稱軸，F(xiàn)O為x軸，建立直角坐標(biāo)系，O點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。N點(diǎn)為苗夾對(duì)缽苗莖稈的夾取點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)桿FE與y軸的夾角為β。對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以D點(diǎn)為例進(jìn)行坐標(biāo)的分析，D點(diǎn)的坐標(biāo)如式（2）所示。

圖3 移栽機(jī)取苗爪夾苗示意圖

3.2 取苗爪的凸輪曲線設(shè)計(jì)

移栽機(jī)取苗爪的凸輪在取苗的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其中推桿會(huì)產(chǎn)生一定的慣性力，里面的彈簧會(huì)產(chǎn)生壓縮力。這與彈簧的剛度、物體重量（苗的重量及基質(zhì)土質(zhì)）、推桿的加速度和工作位移有關(guān)。該裝置的凸輪進(jìn)行高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推桿會(huì)由于自身慣性過(guò)大導(dǎo)致其跳離凸輪輪廓曲線，從而造成裝置的跳動(dòng)現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)中要避免這種情況的發(fā)生，使得凸輪中的推桿不發(fā)生跳動(dòng)現(xiàn)象，彈簧產(chǎn)生的壓縮力要大于推桿產(chǎn)生的慣性力才可以避免這種情況的發(fā)生。根據(jù)這種原理和農(nóng)業(yè)大面積種植的需求，平底推桿凸輪的輪廓曲線如圖4 所示。在取苗過(guò)程中，為保障凸輪推桿結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生意外事故，要根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)條件等因素，暫設(shè)凸輪的基圓半徑r0=11 mm，以保障凸輪推桿的推程能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 凸輪曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，蔬菜及相關(guān)作物種植在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)較高的經(jīng)濟(jì)比例，作物及蔬菜移栽作業(yè)的自動(dòng)化和智能化一直是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵部分。傳統(tǒng)的移栽技術(shù)勞動(dòng)效率低，對(duì)移栽作業(yè)的效率有一定的限制，自動(dòng)移栽機(jī)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大面積移栽全自動(dòng)化作業(yè)的保證，可以提升農(nóng)業(yè)移栽工作效率。但由于我國(guó)移栽機(jī)的研制起步時(shí)間相對(duì)較晚，自動(dòng)化程度和控制性能有待進(jìn)一步提高，通過(guò)移栽機(jī)取苗爪與其相關(guān)配套裝置的協(xié)調(diào)配合，達(dá)到自動(dòng)化取苗投苗的目的，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)機(jī)發(fā)展和智能化發(fā)展背景下的持續(xù)作業(yè)，提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)水平。