基質(zhì)塊苗移栽機擋銷式自動送苗分苗裝置設(shè)計與試驗

崔志超，管春松，徐 陶，李吉成，陳亞勇，宋井玲，鄭書河※

（1.福建農(nóng)林大學機電工程學院，福州，350100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京，210014；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，南京，210014；4.山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，淄博，255000）

0 引言

蔬菜是中國僅次于糧食的第二大種植農(nóng)作物，常年種植面積超2 000 萬hm2以上[1-2]，其中，以甘藍為代表的葉類蔬菜約占蔬菜總種植面積的25%[3]，育苗移栽是其主要種植方式。葉類蔬菜要求單株定植，自動化移栽是解決這一問題的有效途徑，目前葉類蔬菜自動移栽裝備缺乏或可靠性差[4-6]，現(xiàn)有蔬菜缽苗自動移栽機應(yīng)用在葉類蔬菜上存在兩方面問題：一是送-分苗方法依賴秧苗自身優(yōu)勢，適于根系發(fā)達的茄果類長莖苗[7-8]，不適于闊葉、短莖的葉類蔬菜；二是送-分苗要求精度高，導致機器可靠性低，影響栽植效率。因此，亟需探索針對葉類蔬菜秧苗特點的育苗方式與送-分苗方法，解決葉類蔬菜優(yōu)質(zhì)高效自動移栽的瓶頸問題。

基質(zhì)塊苗是實現(xiàn)葉類蔬菜自動移栽的有效育苗方式，其載苗塊體規(guī)則，穩(wěn)定性好，苗齡大小與植株形態(tài)對送-分苗效果影響小[9]。歐洲國家在基質(zhì)塊育苗移栽方面研究應(yīng)用較早，意大利Ferrari 公司和Hortech 公司、法國CM&Regero 公司分別以輸送帶為送苗載體匹配氣動夾板實現(xiàn)整排基質(zhì)塊苗的送-分功能，分苗效率在50～60 株/min 左右；荷蘭ISO Group (IG Agri Systems BV 公司)通過輸送帶和高速氣動推桿組合設(shè)計分苗效率可達120 株/min，自動化程度較高[10-11]。國內(nèi)在基質(zhì)塊苗移栽方面的研究起步略晚，許斌星[12]設(shè)計了開合板式自動分苗機構(gòu)，設(shè)計凸輪輪廓參數(shù)通過連桿帶動開合板動作實現(xiàn)分苗功能，以基質(zhì)塊棉花苗為對象進行試驗，綜合合格率90.26%；徐陶等[13]設(shè)計了一種基質(zhì)塊苗移栽機專用送-取苗裝置，柵條式送-取苗機構(gòu)配合作業(yè)實現(xiàn)送苗、分苗和栽苗，以基質(zhì)塊甘藍苗為對象進行試驗，分苗頻率為55 株/min 時栽植合格率達到95.3%；廖慶喜等[14-17]基于同步帶送苗方式設(shè)計了氣動夾板式和對輥式分苗裝置，以油菜基質(zhì)塊苗為對象，分別進行了試驗優(yōu)化，夾板式和對輥式分苗成功率分別為92.5%和88.67%，基本滿足油菜單株定植的要求。此外，VIKAS 等[18]基于LDR和LED 傳感系統(tǒng)研制了3 自由度串聯(lián)機械臂栽植機構(gòu)，適用于圓柱形紙缽苗，由輸送鏈板實現(xiàn)整排秧苗平移，機械手取、分苗并完成栽植，送苗合格率94.7%，栽植合格率93.28%，但栽植效率較低僅20 株/min；宋玉潔等[19-20]針對玉米生物質(zhì)方體缽盤苗設(shè)計了一種切塊式供分苗裝置，采用切割刀將整條缽盤苗切分成單株方塊苗，切分合格率79.2%，其送-分苗方法對基質(zhì)塊苗具有較高參考價值。綜上，基質(zhì)塊育苗對作物適應(yīng)性較廣，國內(nèi)外現(xiàn)有研究均采用同步帶或輸送帶實現(xiàn)整排基質(zhì)塊苗的輸送，可靠性較高，但分苗機構(gòu)種類繁多，技術(shù)尚未成熟，試驗效果參差不齊，高效低損的送-分苗裝置仍是基質(zhì)苗自動移栽機所亟需攻克的核心技術(shù)。

本文以葉類蔬菜典型代表甘藍作為基質(zhì)塊苗培育試驗對象，設(shè)計一種輸送帶+擋銷組合式送-分苗裝置，測定基質(zhì)塊苗力學特性，開展送-分苗過程理論分析，探究基質(zhì)塊苗穩(wěn)定送-分苗條件，以高分苗成功率和低破損率為研究目標，搭建試驗臺驗證優(yōu)化裝置作業(yè)性能，以期為基質(zhì)塊苗自動移栽機的研究提供參考。

1 基質(zhì)塊苗力學特性測定

基質(zhì)塊苗的形狀尺寸、力學與摩擦特性等是設(shè)計自動送-分苗裝置的基礎(chǔ)依據(jù)[21-22]，本文以甘藍基質(zhì)塊苗為測試對象，通過測量基質(zhì)塊苗外部尺寸、測定基質(zhì)塊抗壓力F、基質(zhì)塊摩擦系數(shù) μ，為擋銷安裝高度、夾板夾力及輸送帶角度等部件的參數(shù)設(shè)計提供參考。

1.1 材料與儀器

育苗基質(zhì)塊外形尺寸為40 mm×40 mm×40 mm 立方體，將黏土壤與商品育苗基質(zhì)以體積比為1:2、壓縮比0.6 壓制成型，甘藍品種選用“中甘21”，播后生長期30 d，平均株高105.33 mm，葉片3～4 片。使用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的UTM6503 型電子萬能試驗機，進行送、分苗過程中基質(zhì)塊受到的擠壓變形或破損試驗；運用自制的自然摩擦角測定裝置，包括提升機構(gòu)、斜板和數(shù)顯傾角儀（Syntek 公司），測定送苗過程基質(zhì)塊苗保持穩(wěn)定的最大傾角。

1.2 測試方法與結(jié)果

試驗前2 d 停止?jié)菜?，測得基質(zhì)塊平均含水率為12.2%～20.5%。如圖1a 所示，將基質(zhì)塊苗置于UTM6503型電子萬能試驗機的工作臺，并保證固定在傳感器上的壓板與基質(zhì)塊在同一垂線。設(shè)定電子萬能試驗機運行速度為50 mm/min，并執(zhí)行加載程序，當基質(zhì)塊與壓板接觸直至破損，系統(tǒng)卸載壓板復位，以基質(zhì)塊破損過程中對應(yīng)的壓力峰值為基質(zhì)塊最大抗壓力。隨機選擇3 組，每組10 株基質(zhì)塊苗進行測試，記錄平均值。

圖1 基質(zhì)塊苗抗壓及摩擦特性試驗Fig.1 Compression resistance and friction characteristics test of substrate block seedlings

如圖1b 所示，將摩擦角測定裝置鋼板貼上與輸送帶同材質(zhì)的PVC 橡膠板，把單株基質(zhì)塊苗與基質(zhì)塊苗組分別沿鋼板升角方向放在鋼板上，緩慢啟動提升機構(gòu)，當基質(zhì)塊苗產(chǎn)生微滑動時，記錄角度測定儀的角度值，每項試驗測3 組（單苗塊試驗組累計9 株，基質(zhì)塊苗組10 株為一組，累計90 株），取平均值。根據(jù)摩擦力與支持力的關(guān)系計算基質(zhì)塊苗靜摩擦系數(shù)μ[23-24]。

由基質(zhì)塊抗壓力-壓縮量曲線表明，基質(zhì)塊壓縮量在0～2 mm 時，抗壓力呈近似線性急劇增加，基質(zhì)塊內(nèi)部顆粒產(chǎn)生滑移重新排列[25]，孔隙度減少，基質(zhì)塊變緊實，體積相應(yīng)減小；隨著壓縮量繼續(xù)增加至2.55 mm 時，基質(zhì)塊抗壓力抵達峰值108.44 N，基質(zhì)塊開始出現(xiàn)裂紋，然后隨著壓縮量的增加抗壓力呈下降趨勢。

由摩擦特性測試結(jié)果可知，單株基質(zhì)塊苗摩擦角平均為24.7°、摩擦系數(shù)平均為0.46，基質(zhì)塊苗組（10 株為一組）摩擦角為28.9°、摩擦系數(shù)平均為0.55。同等摩擦材質(zhì)下，基質(zhì)苗組摩擦系數(shù)和提升角度均大于單株基質(zhì)塊苗摩擦系數(shù)和提升角度，說明整排取苗輸送有利于避免送苗倒伏，可提高分苗成功率和栽植立直率。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

基質(zhì)塊苗自動送-分苗裝置由間歇送苗機構(gòu)和自動分苗機構(gòu)兩部分構(gòu)成，如圖2 所示。間歇送苗機構(gòu)由后輸送帶、輸送槽、氣缸Ⅰ、主動輪軸及支架等組成，后輸送帶傾斜布置，兩側(cè)設(shè)置輸送槽，輸送槽前方一側(cè)設(shè)置缺口裝有氣動間歇夾緊機構(gòu)。自動分苗機構(gòu)由前輸送帶、側(cè)邊輸送帶、擋銷、滑移機構(gòu)、氣缸Ⅱ、機架等組成，前輸送帶一端靠近后輸送帶一端呈水平布置，兩側(cè)設(shè)置側(cè)邊輸送帶與其呈垂直方向；擋銷跨過側(cè)邊輸送帶A 位于前輸送帶上面，前輸送帶下方設(shè)置氣缸Ⅱ，氣缸Ⅱ通過多個連桿與擋銷連接，實現(xiàn)擋銷往復擺動；氣缸Ⅱ一側(cè)設(shè)置滑移機構(gòu)，滑移機構(gòu)上安裝側(cè)邊輸送帶A 固定座，滑移機構(gòu)與機架之間設(shè)有彈簧，氣缸Ⅱ活塞桿上的推板與滑移機構(gòu)實時接觸，氣缸Ⅱ與彈簧的共同作用促使側(cè)邊輸送帶A 隨滑移機構(gòu)往復直線移動。

圖2 送-分苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of conveying and separating device

2.2 工作原理

后輸送帶、前輸送帶及側(cè)邊輸送帶A、B 均由主動輪軸通過鏈條與齒輪傳遞動力。工作時，基質(zhì)塊苗被整排放入后輸送帶槽內(nèi)，當基質(zhì)塊苗被輸送至間歇夾緊機構(gòu)位置時，間歇夾緊機構(gòu)在氣缸Ⅰ的帶動下繞支點往復擺動，完成對基質(zhì)塊苗的夾緊與放行動作，實現(xiàn)后輸送帶上的基質(zhì)塊苗間歇向分苗機構(gòu)輸送?；|(zhì)塊苗被輸送至前輸送帶位置時，氣缸Ⅱ帶動擋銷和側(cè)邊輸送帶實現(xiàn)分苗動作，一方面，氣缸Ⅱ活塞桿通過擋銷連桿帶動擋銷繞支點做往復擺動；另一方面，與氣缸Ⅱ活塞桿固定連接的推板推動與側(cè)邊輸送帶A 固定連接的滑移機構(gòu)使其往復直線移動。擋銷與側(cè)邊輸送帶A、間歇夾緊機構(gòu)呈反向運動，當擋銷擺出前輸送帶上方時，側(cè)邊輸送帶A 則靠近前輸送帶與側(cè)邊輸送帶B 共同夾緊基質(zhì)塊苗，并配合前輸送帶實現(xiàn)單株基質(zhì)塊苗快速送至栽植器，此時間歇送苗機構(gòu)的夾板擺入輸送槽暫停送苗；當擋銷擺入前輸送帶上方時，側(cè)邊輸送帶A 遠離前輸送帶，間歇送苗機構(gòu)夾板擺出輸送槽，擋銷擋住送苗機構(gòu)送來的基質(zhì)塊苗，從而保證栽植器未取苗之前前輸送帶頂端僅保留一株基質(zhì)塊苗，實現(xiàn)基質(zhì)塊苗的定量、定距栽植。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

間歇送苗機構(gòu)和自動分苗機構(gòu)經(jīng)控制系統(tǒng)控制協(xié)同工作是該裝置穩(wěn)定作業(yè)的前提，因此需要對間歇送苗機構(gòu)、自動分苗機構(gòu)、控制系統(tǒng)開展送-分苗過程理論分析，設(shè)計邏輯控制方法，確定裝置穩(wěn)定送-分苗條件和關(guān)鍵機構(gòu)工作參數(shù)。

3.1 間歇送苗機構(gòu)

3.1.1 輸送槽參數(shù)設(shè)計

間歇送苗機構(gòu)的主要功能是將輸送槽內(nèi)的基質(zhì)塊苗定量有序的向分苗機構(gòu)輸送，為實現(xiàn)自動分苗動作提供條件，如圖3 所示。為保證間歇送苗機構(gòu)能容納一整排基質(zhì)塊苗，輸送帶設(shè)計長度不宜過長或過短，過長會使基質(zhì)塊苗數(shù)量過多，推擠效應(yīng)會增加前一基質(zhì)塊苗的集中受力造成傾倒；過短則會增加取苗頻率。因此輸送帶長度應(yīng)滿足：

圖3 間歇送苗機構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of intermittent conveying seedlings mechanism

式中Ls為輸送帶總長度，mm；n為整排基質(zhì)塊苗數(shù)量，取值15 株；ks為相鄰兩基質(zhì)塊苗間隙系數(shù)，取值0.25[26-27]；b為基質(zhì)塊棱長，取值40 mm；ΔL為輸送帶長度余量，至少預留1 株基質(zhì)塊苗的棱長尺寸，取值40～50 mm[12]。計算得輸送帶總長度Ls=603.5 mm，長度余量內(nèi)取整650 mm。

為使基質(zhì)塊苗能順利放入輸送槽內(nèi)，且平穩(wěn)的向前輸送，輸送槽寬度應(yīng)略大于基質(zhì)塊棱長，即輸送槽寬度應(yīng)滿足：

式中Bs為輸送槽寬度，mm；ΔB為寬度余量，取b/8。計算得輸送槽寬度Bs=45 mm。

3.1.2 間歇送苗受力分析

夾板工作時應(yīng)保證夾緊區(qū)的基質(zhì)塊苗不會發(fā)生滑動，如圖4a 所示，假設(shè)夾緊區(qū)的基質(zhì)塊苗為一個整體，對其進行受力分析，夾板應(yīng)滿足受力關(guān)系：

圖4 間歇送苗受力分析Fig.4 Force analysis of intermittent seedlings delivery

圖4b 中，F(xiàn)t為連續(xù)輸送區(qū)的基質(zhì)塊苗對間歇輸送區(qū)的基質(zhì)塊苗的推擠力，應(yīng)對連續(xù)輸送區(qū)的基質(zhì)塊苗進行受力分析，假設(shè)連續(xù)輸送區(qū)的基質(zhì)塊苗為一個整體，其受力平衡方程為

聯(lián)立式（3）～（4）得：

式（3）～（5）中μ1為輸送帶與整排基質(zhì)塊苗的摩擦系數(shù)，取值0.55；μ2為夾板與整排基質(zhì)塊苗的摩擦系數(shù)，取值0.5；G為基質(zhì)塊苗重力，取值0.98 N；γ為基質(zhì)苗與水平面的夾角，取值12.5°；n1為夾緊區(qū)基質(zhì)塊苗的數(shù)量，取值6 株；n2為連續(xù)輸送區(qū)基質(zhì)塊苗的數(shù)量，取值9 株，計算得連續(xù)輸送區(qū)基質(zhì)塊苗的推擠力Ft=6.65 N，夾板夾力F≥ 22.15 N。

3.1.3 間歇夾緊機構(gòu)設(shè)計

如圖5 所示，在桿件尺寸、安裝位置等已知的情況下，夾板的夾力與氣缸Ⅰ的活塞桿伸展長度密切相關(guān)，夾板的轉(zhuǎn)動角度δ受氣缸活塞桿的直接影響，δ角過大，需要氣缸的尺寸越大，影響效率和安裝位置；δ角過小，則影響夾板夾緊力。為此，須分析氣缸在工作位置時AB′的所需長度和常態(tài)位置時AB的靜態(tài)長度。

圖5 基質(zhì)塊苗被夾緊時機構(gòu)簡圖Fig.5 Schematic diagram of the mechanism when the substrate block seedlings are clamped

以氣缸Ⅰ的鉸接點A為原點，建立平面直角坐標系，作B'C′延長線與過O點的x軸相交，建立虛擬O'點，根據(jù)幾何關(guān)系獲得所需坐標點O'點、C'點、B'點的位置，以O(shè)'點為引導點求得LO'B'和LO'A距離：

從而推導出氣缸工作行程：

式（8）～（9）中LOA為夾板下固定點到氣缸Ⅰ固定點的距離，取值40 mm；LOC為夾板下固定點到折點距離，取值95 mm；LBC為夾板上固定點到折點距離，取值38 mm；δ取值30°。計算得氣缸Ⅰ常態(tài)位置總長度LAB=139 mm、工作位置總長度LAB′=149 mm，可選用寧波亞德客自動化工業(yè)有限公司生產(chǎn)的B06-MI 16×10SCA復動型氣缸。

3.2 自動分苗機構(gòu)

自動分苗機構(gòu)是將整排基質(zhì)塊苗按照一定頻率進行逐塊分離。該機構(gòu)執(zhí)行部件采用氣壓傳動為直接動力配合多連桿機構(gòu)實現(xiàn)復合運動。如圖6 所示，栽植器沿運動軌跡呈逆時針轉(zhuǎn)動，當接近傳感器未檢測到栽植器（即兩栽植器間隔處）時，PLC 控制電磁換向閥左路接通，氣缸Ⅱ活塞桿伸出，擋銷擺出前輸送帶上方實現(xiàn)放苗，基質(zhì)塊苗由m1處被送至m2處，呈待取狀態(tài)；當栽植器轉(zhuǎn)至接近傳感器檢測域時PLC 控制電磁換向閥右路接通，氣缸Ⅱ活塞桿縮回，擋銷擺入前輸送帶上方實現(xiàn)擋苗，此時栽植器取走前輸送帶端部基質(zhì)塊苗，依次循環(huán)。

圖6 自動分苗機構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of automatic seedling separation mechanism

3.2.1 穩(wěn)定分苗條件

為保證擋銷處于擋苗狀態(tài)時，前輸送帶上始終存有基質(zhì)塊苗供分苗，要求前輸送帶速度大于栽植器轉(zhuǎn)動速度，但前輸送帶速度過快會使基質(zhì)塊苗在接觸擋銷瞬間發(fā)生傾翻。如圖7 所示，對基質(zhì)塊接觸擋銷的瞬間進行分析。

圖7 基質(zhì)塊苗接觸擋銷的瞬間受力Fig.7 Force at moment substrate block seedling contact with stop pin

擋銷對基質(zhì)塊質(zhì)心：

式中d為擋銷到基質(zhì)塊質(zhì)的垂直距離，mm。

如圖7a 理想狀態(tài)下，兩擋銷對基質(zhì)塊質(zhì)心所形成的力矩與力臂相等，且合力與基質(zhì)塊質(zhì)心位于同一水平線，不會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩，因此基質(zhì)塊不存在傾翻的可能。實際生產(chǎn)中，基質(zhì)塊育苗期間塊體之間難免存在差異，兩擋銷合力難保位于每個基質(zhì)塊的質(zhì)心位置，若出現(xiàn)偏差，則出現(xiàn)傾翻的可能。基質(zhì)塊在慣性力的作用下會翻轉(zhuǎn)到圖7b 狀態(tài)，基質(zhì)塊碰到擋銷前，基質(zhì)塊所受力對擋銷的力矩為0，基質(zhì)塊碰到擋銷后，基質(zhì)塊所受力對擋銷的力矩還為0，滿足能量守恒定律[27]，當基質(zhì)塊苗處于臨界傾翻狀態(tài)時基質(zhì)塊苗損失的動能轉(zhuǎn)化為勢能。

動能ΔEk的變化：

勢能ΔEm的變化：

動能轉(zhuǎn)化為勢能：

式（11）～（14）中m為基質(zhì)塊苗的質(zhì)量，取值100 g；v為基質(zhì)塊苗獲得的輸送速度，m/s；當λ=45°時，基質(zhì)塊苗為臨界傾倒狀態(tài)，計算得輸送速度v=0.16 m/s，所以，要保證基質(zhì)塊苗接觸擋銷時不會發(fā)生傾翻，需保證前輸送帶速度小于基質(zhì)塊苗理論輸送速度。

3.2.2 分苗機構(gòu)設(shè)計

擋銷的擺動角度φ直接影響分苗效果，擋銷擺入前輸送帶上方與基質(zhì)塊前進面保持平行接觸時視為理想擋苗狀態(tài)，擋銷擺出前輸送帶上方遠離基質(zhì)塊體時視為理想放苗狀態(tài)。在擋銷與連接組件尺寸、安裝位置均已知的情況下，通過計算擋銷擺角φ和擺桿擺角η，可間接求得連桿兩端點繞支點擺動的直線距離，從而得出所需氣缸的工作行程。

如圖8 所示，以O(shè)2和O3各為坐標原點分別建立平面直角坐標系，獲得所需坐標點H、H'、E'、E''的位置。

圖8 擋銷工作原理簡圖Fig.8 Schematic diagram of working principle of stop pin

計算得出擋銷擺角φ：

由H點、H'點坐標和擋銷擺角φ 推導出G′到G′′的位移距離：

計算得出擋銷擺桿擺角η：

由E'點、E''點坐標和擺桿擺角η推導出氣缸Ⅱ活塞桿的行程為

計算得氣缸Ⅱ的活塞工作行程LE′E′′=18.5 mm，連桿往復行程LG′G′′=12 mm，φ=24.4°，η=13.8°，根據(jù)LE′E′′距離可選用寧波亞德客自動化工業(yè)有限公司生產(chǎn)的B06-MI 20×20 SCA 型復動型氣缸。

3.3 控制系統(tǒng)

3.3.1 控制原理

控制系統(tǒng)采用CP1H-X40DT-D 型PLC (programmable logic controller)控制，控制器與觸屏輸入顯示器連接實現(xiàn)人機交互，并通過控制信號啟動和調(diào)整間歇送苗機構(gòu)、自動分苗機構(gòu)以及立直栽苗機構(gòu)工作。各部分機構(gòu)內(nèi)在組成和機構(gòu)之間的能量供給關(guān)系、信號通路方向和秧苗栽植處理過程的空間處理過程如圖9 所示。

圖9 控制原理圖Fig.9 Diagram of control principle

其中，送-分-栽苗機構(gòu)之間的控制和反饋信號實現(xiàn)如下：人機交互結(jié)構(gòu)的輸入和輸出信號通過VGA(video graphics array,1987)視頻信號實現(xiàn)，輸入的數(shù)字則轉(zhuǎn)化為PLC 的寄存器和E2PROM (electrically erasable programmable read-only memory)寄存器內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)對電機的轉(zhuǎn)速控制是通過PWM(pulse width modulation)信號與電機驅(qū)動器通訊實現(xiàn)控制。此外，接近傳感器和PLC 之間的通訊方式為BCD8421 編碼的串口數(shù)字信號，接近傳感器通過紅外線檢測傳感器與每個周期上的栽植器距離轉(zhuǎn)化為BCD8421 的數(shù)字信號，并以閾值來判斷每個栽植器的實際動作周期，實現(xiàn)間歇送苗機構(gòu)、自動分苗機構(gòu)和直立栽苗機構(gòu)的動作起點和周期保持同步。

接收PLC 系統(tǒng)控制信號的電機驅(qū)動器輸出電機控制信號，驅(qū)動后輸送帶給基質(zhì)塊苗提供前進的速度，電磁閥在接收到控制信號后，驅(qū)動夾板間歇對秧苗夾緊，實現(xiàn)間歇送苗和整齊排列。前輸送帶和側(cè)輸送帶同步運行給秧苗提供運輸速度，使得秧苗的運動方向和輸送的末端位置有較高的穩(wěn)定性。栽植器的運動周期與自動分苗機構(gòu)分苗動作的周期對應(yīng)，若該部分的時間周期出現(xiàn)偏差時，接近傳感器通過PID 控制間歇送苗機構(gòu)和自動分苗機構(gòu)的送苗速度來調(diào)節(jié)。

3.3.2 控制流程

系統(tǒng)控制流程（圖10）主要通過PLC 控制器及其通訊部件來實現(xiàn)，主要包括：初始化、速度控制、秧苗移栽控制、中斷處理和速度控制算法。

圖10 控制流程圖Fig.10 Flow chart of control

由于系統(tǒng)需要將初始電位、時間基準、界面顯示、運動起始值與周期校準同步，因此在系統(tǒng)上電啟動后，首先進入系統(tǒng)初始化階段，包含系統(tǒng)的初始化、時鐘初始化、用戶界面初始化及運動狀態(tài)歸零初始化。初始化階段結(jié)束后系統(tǒng)進入指令等待狀態(tài)，由于秧苗移栽控制需要特定的開始時間和運行周期，此時需要用戶輸入啟動指令或速度修改指令。若用戶輸入速度后并按下啟動系統(tǒng)則按照用戶新輸入的速度值運行并更新歷史數(shù)據(jù)值；如果用戶直接啟動系統(tǒng)則讀取歷史存儲的速度數(shù)據(jù)值進行啟動，使得系統(tǒng)運行時保持與啟動前的最后一次運行一致的速度運行。此外，系統(tǒng)在運行過程中，可以通過中斷跳轉(zhuǎn)進行急停和停止操作，當執(zhí)行急停時，系統(tǒng)會立即停止；若指令為停止，系統(tǒng)則完成最后一個工作周期后，逐步慢速停止。其中，急停和停止的中斷等級不同，急停的中斷等級優(yōu)先于停止指令，這保證急停的觸發(fā)會在最快的速度下停止系統(tǒng)的所有動作，最大限度減少意外事故的發(fā)生。

3.3.3 PID 控制算法

由于分苗和栽苗機構(gòu)部分互相獨立驅(qū)動，而栽苗機構(gòu)在動作的過程中容易受到環(huán)境的不均勻阻力干擾(例如不同的土壤硬度帶來的阻力差異)，除此以外，電壓變化和控制信號也可能存在著周期性的隨機性干擾，這些干擾產(chǎn)生的微小位移差異會在周期性動作下產(chǎn)生積累作用進而影響整體的栽苗動作。為使分苗和栽苗機構(gòu)部分的速度保持穩(wěn)定一致，避免由于受外力和其他干擾的誤差導致秧苗的漏送和多送問題，本文運用了PID（proportion integral derivative）控制算法[28]對間歇送苗機構(gòu)的運行速度進行控制調(diào)整，實現(xiàn)分苗和栽植機構(gòu)的運動之間的速度保持一致。

4 性能試驗

4.1 試驗條件與指標

為驗證所設(shè)計自動送-分苗裝置的實際分苗效果，以步進電機為動力源分別驅(qū)動前、后輸送帶，以電磁換向閥控制氣缸驅(qū)動擋銷與夾板，并搭建試驗臺，試驗獲取裝置最優(yōu)參數(shù)組合，如圖11 所示。試驗用苗為苗齡30 d 的甘藍基質(zhì)塊苗，基質(zhì)塊為棱長40 mm 立方體，基質(zhì)塊之間無粘連、串根，送-分苗過程中，秧苗傾斜產(chǎn)生的力矩不影響試驗效果。試驗地點為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所東區(qū)實驗室。

圖11 自動送-分苗臺架試驗Fig.11 Bench test of automatic conveying and separating

由理論分析可知，影響送-分苗效果的主要因素與前、后輸送帶送苗速度和擋-放苗頻率有關(guān)，因此，以前、后輸送帶電機轉(zhuǎn)速和擋銷頻率為試驗因素，以分苗成功率和基質(zhì)塊破損率為評價指標進行性能試驗。

分苗成功率Y1為單株分離且保持完整、豎直狀態(tài)的苗塊NF占整排基質(zhì)塊苗N的比例。

基質(zhì)塊破損率Y2為分苗過程中基質(zhì)塊因外部受力基質(zhì)散落質(zhì)量大于基質(zhì)塊苗總質(zhì)量1/3 的基質(zhì)苗塊NP占總株數(shù)N的比例[29]。

4.2 單因素試驗

通過自動送-分苗試驗臺預試驗，前輸送帶電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為88、99、110、121、132 r/min，后輸送帶電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為66、73、79、86、92 r/min，擋銷頻率設(shè)置為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 s/次。分別設(shè)計以下單因素試驗，每組試驗選用120 株基質(zhì)塊苗進行測試，重復試驗3 次取平均值，當對其中1 個因素進行試驗時，另外2 個因素各取中間值，分別考察各因素對對分苗成功率和基質(zhì)塊破損率的影響。

由圖12a 和圖12c 可知前輸送帶電機轉(zhuǎn)速和擋銷頻率對分苗成功率與基質(zhì)塊破損率的影響波動范圍較大，前輸送帶電機轉(zhuǎn)速在99～121 r/min，擋銷頻率在1.8～2.2 s/次時分苗成功率和基質(zhì)塊破損率綜合性較佳。

圖12 單因素試驗結(jié)果Fig.12 Single factor test results

圖12b 后輸送帶電機轉(zhuǎn)速對分苗成功率整體影響波動范圍較小，轉(zhuǎn)速越高分苗成功率越高，但高轉(zhuǎn)速時對基質(zhì)塊破損率影響較大，綜合分析分苗成功率和基質(zhì)塊破損率試驗結(jié)果，當73～86 r/min 時綜合性較佳。

4.3 多因素試驗

4.3.1 試驗設(shè)計

為獲得最優(yōu)參數(shù)組合，驗證上述3 因素交互作用對分苗效果的影響，采用三因素三水平Box-Behnken 響應(yīng)曲面分析法[30-31]。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取前輸送帶電機轉(zhuǎn)速99、110、121 r/min，后輸送帶電機轉(zhuǎn)速73、79.5、86 r/min，擋銷頻率1.8、2.0、2.2 s/次設(shè)計試驗，試驗因素水平如表1 所示。試驗共17 組，每組試驗重復3 次，每次120 株基質(zhì)塊苗，取3 次平均值記錄數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗方案及結(jié)果Table 2 Experimental scheme and results

4.3.2 結(jié)果與分析

運用Design Expert8.0.6 軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，由表3 可知，分苗成功率Y1的回歸模型中，回歸項X1、X3、X1X3、X12、X32對方程影響顯著（P＜0.05），其余項影響不顯著（P≥0.05）；基質(zhì)塊破損率Y2的回歸模型中，回歸項X2、X3、X2X3、X22、X32其余項影響不顯著（P≥0.05）。剔除不顯著項，回歸方程分別為

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression models

4.3.3 交互作用分析

由圖13a 可知，當后輸送帶電機轉(zhuǎn)速為79.5 r/min 時，響應(yīng)面變化趨勢隨前輸送帶電機轉(zhuǎn)速和擋銷頻率的增大而減小，表明前輸送帶電機轉(zhuǎn)速和擋銷頻率對分苗成功率均具有較大影響，前輸送帶電機轉(zhuǎn)速為99 r/min、擋銷頻率1.8 s/次時分苗成功率最高。

圖13 交互作用分析Fig.13 Interaction analysis

由圖13b 可知，當前輸送帶電機轉(zhuǎn)速為110 r/min 時，響應(yīng)面變化趨勢沿后輸送帶電機轉(zhuǎn)速與擋銷頻率增大而似線性增大，后輸送帶電機轉(zhuǎn)速為73 r/min、擋銷頻率為1.8 s/次時，基質(zhì)塊破損率最低。

4.3.4 參數(shù)優(yōu)化

為獲得較好的分苗效果，以高分苗成功率、低基質(zhì)塊破損率為優(yōu)化目標，進行自動送-分苗裝置工作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，利用Design Expert8.0.6 數(shù)據(jù)分析軟件中的Optimization-Numerical 模塊進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)與約束條件為

優(yōu)化后得到影響因素最佳參數(shù)組合為前輸送帶電機轉(zhuǎn)速104 r/min、后輸送帶電機轉(zhuǎn)速75 r/min、擋銷頻率1.85s/次，在該參數(shù)組合下分苗成功率93.26%、基質(zhì)塊破損率3.35%。采用上述優(yōu)化獲取的最佳參數(shù)組合進行臺架驗證試驗，重復試驗3 次并取平均值作為試驗驗證值，試驗結(jié)果為：分苗成功率92.73%、基質(zhì)塊破損率4.09%，驗證值與優(yōu)化結(jié)果分別相差0.53 和0.74 個百分點，基本一致。

4.3.5 田間試驗

將自動送-分苗裝置安裝到基質(zhì)塊苗移栽機上并于2022 年5 月在常熟橫塘蔬菜專業(yè)合作社開展田間驗證試驗（圖14）。前、后輸送帶分別選用Z11、Z16的05B 鏈輪同步驅(qū)動，電磁換向閥得失電頻率設(shè)為1.85 s/次，設(shè)置參數(shù)組合為：前輸送帶轉(zhuǎn)速104 r/min、后輸送帶轉(zhuǎn)速75 r/min、擋銷頻率1.85 s/次。試驗重復3 次，每行連續(xù)共放120 株基質(zhì)塊苗進行移栽計算結(jié)果取平均值。

圖14 田間試驗Fig.14 Field test

田間試驗結(jié)果：分苗成功率91.81%、基質(zhì)塊破損率4.62%，由于鏈傳動存在誤差及田間試驗影響因素較多，與兩指標的優(yōu)化結(jié)果相對誤差分別為1.45 和1.27 個百分點，在樣機指標允許變動范圍之內(nèi)，表明該裝置設(shè)計合理，工作性能穩(wěn)定。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種基質(zhì)塊苗移栽機專用的自動送-分苗裝置，闡述了整體結(jié)構(gòu)與工作原理，根據(jù)測定的育苗基質(zhì)塊抗壓力及摩擦角力學特性參數(shù)，設(shè)計了間歇送苗和自動分苗機構(gòu)，通過理論分析獲得關(guān)鍵部件的受力與坐標函數(shù)，確定了送-分苗過程中基質(zhì)塊苗穩(wěn)定送-分苗的機構(gòu)工作條件。進行臺架優(yōu)化試驗和田間驗證試驗，得到如下結(jié)論：

1）以前、后輸送帶電機轉(zhuǎn)速和擋銷頻率為因素，以分苗成功率和基質(zhì)塊破損率為評價指標進行性能試驗。通過單因素試驗確定了前輸送帶電機轉(zhuǎn)速范圍99～121 r/min，后輸送帶電機轉(zhuǎn)速范圍73～86 r/min，擋銷頻率范圍1.8～2.2 s/次。采用Box-Behnken 中心組合試驗法分析并建立優(yōu)化模型，得到最佳參數(shù)組合：前輸送帶電機轉(zhuǎn)速104 r/min，后輸送帶電機轉(zhuǎn)速75 r/min，擋銷頻率1.85 s/次，該參數(shù)組合下分苗成功率93.26%、基質(zhì)塊破損率3.35%，驗證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果分別相差0.53 和0.74 個百分點，基本一致。

2）田間驗證試驗表明，分苗成功率91.81%、基質(zhì)塊破損率4.62%，與兩指標的優(yōu)化結(jié)果相對誤差分別為1.45 和1.27 個百分點，均低于2 個百分點，在樣機指標允許變動范圍之內(nèi)，該研究可為基質(zhì)塊苗自動移栽關(guān)鍵部件設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化提供參考。

基質(zhì)塊育苗對秧苗種類不受約束，不僅適用于葉類蔬菜，對茄果類、結(jié)球類等蔬菜及扦插苗均具有較好的適應(yīng)性。基質(zhì)塊體積適中、形狀規(guī)則，具有較高的護根、保墑作用，尤其適用于北方嚴寒地區(qū)早春茬蔬菜種植。但目前基質(zhì)塊育苗原料以進口泥炭為主成本較高，移栽裝備自動化、智能化水平有待提升，建議可從國產(chǎn)基質(zhì)化配方改良替代進口泥炭育苗和自動化、智能化移栽裝備開發(fā)兩方面開展相關(guān)研究。