蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與研究

宋元萍

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030031）

0 引言

當(dāng)前，主要依靠人工移栽或半自動(dòng)機(jī)械設(shè)備移栽，不僅移栽效率偏低，也難以有效保證蔬菜移栽質(zhì)量。為此，有必要對(duì)自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的蔬菜移栽作業(yè)。筆者在查閱大量相關(guān)資料后，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好的牽引式自動(dòng)移栽機(jī)。

1 自動(dòng)移栽機(jī)工作原理

本文設(shè)計(jì)的蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)將采用牽引式設(shè)計(jì)模式，其結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)，可以細(xì)分為以下幾個(gè)部分：承載各個(gè)機(jī)構(gòu)的機(jī)架、取苗機(jī)構(gòu)、放苗機(jī)構(gòu)、移動(dòng)地輪裝置等。苗盤(pán)橫向有6個(gè)蔬菜秧苗移栽穴，縱向有12個(gè)蔬菜秧苗移栽穴。

自動(dòng)移栽機(jī)的尾部設(shè)置兩條輸送帶，運(yùn)行期間，需要將苗盤(pán)放在輸送帶上，啟動(dòng)PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)，輸苗機(jī)構(gòu)將會(huì)從等待狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)[1]。此時(shí)，兩條輸送帶在預(yù)熱后，以循環(huán)往復(fù)的交替方式，將苗盤(pán)運(yùn)送到中間位置的推盤(pán)上。在確認(rèn)苗盤(pán)已經(jīng)抵達(dá)推盤(pán)后，液壓缸會(huì)通過(guò)移動(dòng)推盤(pán)，將苗盤(pán)運(yùn)送到步進(jìn)移位輸送帶的預(yù)設(shè)位置。取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)平行4連桿，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用2次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成蔬菜秧苗的取苗與放苗動(dòng)作，并進(jìn)入下一個(gè)蔬菜秧苗的取、放動(dòng)作循環(huán)。取苗機(jī)構(gòu)分左、右兩側(cè)，共2組，1組擁有6個(gè)負(fù)責(zé)夾取蔬菜秧苗的苗夾，即取苗機(jī)構(gòu)共設(shè)置12個(gè)苗夾，可以實(shí)現(xiàn)一次性進(jìn)行12個(gè)蔬菜秧苗的取苗、放苗動(dòng)作，極大提升蔬菜移栽效率。需要注意的是，兩組苗夾需要保持錯(cuò)位狀態(tài)，即讓蔬菜秧苗保持左前、右后或左后、右前的位置，既可以實(shí)現(xiàn)快速放置蔬菜秧苗，提升蔬菜秧苗移栽工作效率，也可以避免蔬菜秧苗間距過(guò)小，增加土壤、水分等競(jìng)爭(zhēng)，影響蔬菜秧苗發(fā)育生長(zhǎng)質(zhì)量。苗盤(pán)相同的列，以間隔方式夾取蔬菜秧苗，并將其轉(zhuǎn)移到分苗漏斗中。在完成苗盤(pán)的取苗工作后，PLC控制系統(tǒng)會(huì)控制苗盤(pán)以橫向方式進(jìn)行移動(dòng)。以上是整個(gè)自動(dòng)移栽機(jī)行走作業(yè)前的所有準(zhǔn)備工作。

在自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)入行走狀態(tài)時(shí)，移栽機(jī)構(gòu)也進(jìn)入獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。在移栽機(jī)構(gòu)上設(shè)置7個(gè)鴨嘴放苗機(jī)構(gòu)，利用鏈條、鏈輪的傳動(dòng)方式，配合設(shè)計(jì)成橢圓形的苗杯，完成間歇行走、移栽間歇性配合。當(dāng)確認(rèn)苗杯已經(jīng)到達(dá)分苗漏斗的正下方時(shí)，電機(jī)會(huì)讓漏斗口從閉合狀態(tài)切換成開(kāi)啟狀態(tài)，進(jìn)入放苗程序，蔬菜秧苗會(huì)放在吊杯中，并在出苗口進(jìn)行移栽。等到檢測(cè)出苗盤(pán)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)6次橫向移動(dòng)后，橫向的所有蔬菜秧苗全部移栽完別，之后會(huì)將苗盤(pán)移動(dòng)到初始位置，并進(jìn)行退盤(pán)操作，PLC控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示操作人員及時(shí)補(bǔ)充苗盤(pán)。

自動(dòng)移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)，由以下部分組成：①負(fù)責(zé)承載整個(gè)自動(dòng)移栽機(jī)負(fù)荷的地輪，鎮(zhèn)壓輪對(duì)已種植蔬菜苗周邊土塊進(jìn)行碾碎壓實(shí)處理，讓蔬菜苗和周邊土壤保持緊密接觸，以減少蔬菜根系裸露土壤外的概率，控制水分蒸發(fā)。②蔬菜苗輸送機(jī)構(gòu)，為取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力的電機(jī)。③苗盤(pán)收集裝置。④夾取蔬菜苗夾。⑤用于抓取蔬菜種植的去苗機(jī)構(gòu)。⑥自動(dòng)移栽機(jī)架、液壓缸。如果自動(dòng)移栽機(jī)有其他使用需求，也可以在這種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，配置相應(yīng)裝置，增加自動(dòng)移栽機(jī)的使用功能。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 送苗機(jī)構(gòu)

考慮到在自動(dòng)移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)擁有相對(duì)固定的位置。在送苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，就需要讓尾部的兩條輸送帶以交替運(yùn)動(dòng)方式，讓苗盤(pán)移動(dòng)到步進(jìn)移位輸送帶上，等到苗盤(pán)完成6次橫向移動(dòng)后，會(huì)將沒(méi)有蔬菜秧苗的苗盤(pán)移動(dòng)到后方的收集筐中，步進(jìn)移位輸送帶也會(huì)移動(dòng)到初始位置，等到接收下一個(gè)苗盤(pán)，再進(jìn)行下次的蔬菜秧苗移栽作業(yè)。正因?yàn)槿∶鐧C(jī)構(gòu)具有間歇性取苗的工作特性，在設(shè)計(jì)步進(jìn)移位輸送帶時(shí)，要考慮到結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題，避免出現(xiàn)取苗間隔期間，結(jié)構(gòu)負(fù)荷失衡，增加自動(dòng)移栽機(jī)側(cè)翻概率。可以利用橫向直線上的間歇性運(yùn)動(dòng)模式，解決以往步進(jìn)移位輸送帶設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題，保障自動(dòng)移栽機(jī)的正常運(yùn)行。

同時(shí)，需要在其后側(cè)下方設(shè)置若干滾輪，并在其前方設(shè)置滑塊，利用滾動(dòng)作業(yè)方式，合理控制步進(jìn)移位輸送帶的摩擦系數(shù)，避免出現(xiàn)苗盤(pán)移動(dòng)速度過(guò)快、取苗頻率不可控的問(wèn)題。在參考大量文獻(xiàn)后，擬采用絲桿電機(jī)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保證苗盤(pán)移動(dòng)速度的穩(wěn)定性[2]。選用擁有較大剛性與轉(zhuǎn)動(dòng)精度的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)設(shè)計(jì)。螺桿直徑為25 mm，導(dǎo)程為10 mm。將自動(dòng)移栽機(jī)的行走速度閾值鎖定在0.4 m/s，這意味著吊杯輪盤(pán)周長(zhǎng)預(yù)估為2 m，在吊杯輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)1周后，需要消耗5 s的時(shí)間，需保證絲桿電機(jī)機(jī)構(gòu)推動(dòng)步進(jìn)移位輸送帶回到初始位置的時(shí)間低于5 s。又因?yàn)樘嵘竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，力矩則會(huì)降低，如果轉(zhuǎn)速過(guò)快，會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，即步進(jìn)電機(jī)獲得步進(jìn)電源輸出，卻沒(méi)有達(dá)到步進(jìn)電源的輸出脈沖數(shù)。在原設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/s，想要讓苗盤(pán)回到初始位置，則要橫向移動(dòng)約220 mm。對(duì)以上數(shù)據(jù)整理、計(jì)算可以獲得，絲桿的最小導(dǎo)程應(yīng)為8.8 mm?？紤]到步進(jìn)移位輸送帶處于橫向勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，苗盤(pán)位置精度要求不高，可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

式中，T代表驅(qū)動(dòng)扭矩，絲桿導(dǎo)程L為10 mm。Mg約等于300 N，因?yàn)椴竭M(jìn)移位輸送帶與相關(guān)配件、填土苗盤(pán)的總重需要控制在30 kg，取最大值即為300 N。摩擦系數(shù)μ選擇0.1。給進(jìn)絲桿的工作效率η選擇0.85，可以獲得步進(jìn)移位輸送帶的驅(qū)動(dòng)扭矩T為M×0.056 N，M為苗盤(pán)重量。

對(duì)于送苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單分為以下幾部分：①對(duì)苗盤(pán)在縱向位置進(jìn)行限位的感應(yīng)裝置。②基于步進(jìn)機(jī)械設(shè)備的移位輸送帶。③提供移位輸送帶動(dòng)力的步進(jìn)電機(jī)。④調(diào)整苗盤(pán)左右位置的尾部輸送帶。⑤在苗盤(pán)到達(dá)指定位置時(shí)，進(jìn)行下一步操作的苗盤(pán)到位感應(yīng)。⑥用于向前推動(dòng)苗盤(pán)的苗盤(pán)推板。⑦與螺母配合，將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位移控制的絲杠。

2.2 苗盤(pán)推送機(jī)構(gòu)

苗盤(pán)推送機(jī)構(gòu)可以細(xì)分為用于承載苗盤(pán)的托板、負(fù)責(zé)感應(yīng)苗盤(pán)移栽情況的感應(yīng)器、提供整個(gè)推動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓缸組件等部分。苗盤(pán)托板與液壓缸，需要和自動(dòng)移栽機(jī)的機(jī)架進(jìn)行連接固定，并在苗盤(pán)托板的底部安裝感應(yīng)器。在苗盤(pán)輸送裝置獲得苗盤(pán)后，托板底部的感應(yīng)器會(huì)感知苗盤(pán)已經(jīng)到達(dá)預(yù)設(shè)位置，并進(jìn)行相應(yīng)的推送程序。等到感應(yīng)器獲得退盤(pán)信號(hào)后，液壓缸則會(huì)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)，在推動(dòng)苗盤(pán)后，移動(dòng)到初始位置[3]。

苗盤(pán)推送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)單分為：①負(fù)責(zé)托起苗盤(pán)的盤(pán)托板。②用于短距離運(yùn)輸苗盤(pán)的輸送機(jī)構(gòu)。③唯一可隨意拆卸、更換的苗盤(pán)。④用于感應(yīng)苗盤(pán)是否抵達(dá)預(yù)設(shè)位置的感應(yīng)器。⑤推動(dòng)苗盤(pán)的推板。⑥提供推板前進(jìn)動(dòng)力的液壓缸。

2.3 液壓缸的選型

液壓缸結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，需要先獲得液壓能，再將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，帶動(dòng)其他機(jī)械部件進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橐簤焊坠ぷ髟磔^為簡(jiǎn)單，整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，所以工作性能可靠，在自動(dòng)移栽蔬菜秧苗的環(huán)境中，可以正常工作，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的系統(tǒng)故障。在液壓缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，沒(méi)有傳動(dòng)間隙，不需要額外設(shè)置減速裝置，可以保持全過(guò)程的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。又因?yàn)樘钔撩绫P(pán)總重量偏輕，液壓缸在自動(dòng)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)中主要負(fù)責(zé)推盤(pán)作業(yè)，所以在選擇液壓缸型號(hào)時(shí)主要考慮其行程是否滿足自動(dòng)移栽機(jī)的工作需求。

本設(shè)計(jì)中，選擇的苗盤(pán)總長(zhǎng)度為540 mm，當(dāng)苗盤(pán)移動(dòng)到輸送帶的3/4位置，就可進(jìn)行相應(yīng)的推盤(pán)動(dòng)作，以此即可獲得液壓缸的行程范圍，即400～450 mm。在參考市面上的大部分液壓缸后，最終選擇缸徑20 mm、行程450 mm、壓力14 Mpa的液壓缸。可以滿足苗盤(pán)移動(dòng)需求，也可以為自動(dòng)移栽機(jī)提供足夠的動(dòng)力，且價(jià)格低廉。

3 曲柄搖桿的參數(shù)設(shè)計(jì)

擺桿主要功能是驅(qū)動(dòng)苗夾，完成取苗與放苗動(dòng)作，需要確保運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，避免蔬菜秧苗脫落。需要在設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時(shí)，取消其急回特性。如果選擇沒(méi)有急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其行程速比系數(shù)將沒(méi)有極位夾角，即k=1。在搖桿達(dá)到最遠(yuǎn)、最近的極限位置時(shí)，曲柄和連桿處于同一直線上。設(shè)計(jì)擺桿長(zhǎng)度為100 mm，擺角為120°，機(jī)架長(zhǎng)度為335 mm。在機(jī)架與連桿、機(jī)架與極限位置的角度分析中，需要考慮到曲柄與連桿在極限位置的特殊情況下，擁有共線的特性。所以，設(shè)計(jì)曲柄長(zhǎng)度86.6 mm，連桿長(zhǎng)度331.2 mm，可滿足自動(dòng)移栽機(jī)在工作狀態(tài)下的曲柄搖桿運(yùn)動(dòng)要求。

4 取苗機(jī)構(gòu)的工作原理與運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)

4.1 工作原理

取苗機(jī)構(gòu)主要由平行四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿、苗夾、帶輪機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成。在實(shí)際工作中，苗夾需要預(yù)先固定于平行四連桿機(jī)構(gòu)的豎桿位置，并讓苗夾維持開(kāi)口向下的工作狀態(tài)。四連桿的兩端通過(guò)鉸接進(jìn)行固定，另外兩端則做水平布置，固定端與水平端相垂直，固定端與橫桿形成搖桿機(jī)構(gòu)，水平端與豎桿形成平行四連桿機(jī)構(gòu)。水平端的一側(cè)在獲得電機(jī)驅(qū)動(dòng)力后，會(huì)對(duì)橫桿做圓周運(yùn)動(dòng)，并聯(lián)動(dòng)平行四連桿的豎桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單分為：①作為核心部件的右平行四連桿機(jī)構(gòu)與左平行四連桿機(jī)構(gòu)。②基于步進(jìn)機(jī)械設(shè)備的步進(jìn)皮帶。③實(shí)現(xiàn)取苗動(dòng)作的步進(jìn)移位輸送機(jī)構(gòu)。④在抵達(dá)最大位移距離時(shí)拉回步進(jìn)移位輸送機(jī)構(gòu)的回位彈簧。⑤與回位彈簧構(gòu)成一個(gè)整體的磁吸。⑥用于夾取蔬菜的苗夾。⑦進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的搖桿機(jī)構(gòu)。⑧提供取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的電機(jī)。

4.2 運(yùn)動(dòng)軌跡

取苗機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)如下：曲柄86.6 mm、連桿331.2 mm、搖桿100 mm、機(jī)架335 Mm，長(zhǎng)桿310 mm、短桿80 mm。再使用歐德克連桿仿真設(shè)計(jì)軟件，對(duì)取苗機(jī)構(gòu)做運(yùn)動(dòng)仿真，可以從取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡中看出，連桿機(jī)構(gòu)可以保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)相互干涉情況。因?yàn)槊鐘A在取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持不對(duì)稱(chēng)弓背式的運(yùn)行軌跡，所以在使用過(guò)程中，操作人員可以根據(jù)蔬菜移栽要求，對(duì)搖桿與平行四連桿長(zhǎng)桿之間的夾角進(jìn)行調(diào)整，維持苗夾對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)軌跡，提升蔬菜移栽的效率與質(zhì)量。

5 結(jié)論

當(dāng)前，我國(guó)蔬菜移栽主要采用半自動(dòng)移栽模式，相較于人工移栽模式，可以有效提升蔬菜秧苗移栽效率。但是需要額外配置3～4名/臺(tái)的種植人員，沒(méi)有徹底解決勞動(dòng)強(qiáng)度偏大的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)的自動(dòng)移栽機(jī)，整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，不涉及更為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。而且，整體結(jié)構(gòu)制造成本偏低，符合大多數(shù)種植戶的經(jīng)濟(jì)條件。盡管在移栽效率與移栽質(zhì)量上，和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的自動(dòng)移栽機(jī)有一定差距，在實(shí)際應(yīng)用中需要種植人員對(duì)蔬菜秧苗進(jìn)行二次調(diào)整，但是本設(shè)計(jì)的自動(dòng)移栽機(jī)仍具有較高的實(shí)用價(jià)值，可以適應(yīng)大多數(shù)蔬菜秧苗的移栽條件。另外，如果種植人員有額外的蔬菜秧苗移栽需求，可以將其他機(jī)械設(shè)備安裝到自動(dòng)移栽機(jī)上，具有二次改造可能性。