色塊苗軟薄容器基質(zhì)機(jī)械化裝填關(guān)鍵技術(shù)探討

王 濤，費(fèi) 焱，樓婷婷，張加清

（金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江金華 321017）

0 引言

色塊苗，觀賞苗木，用于布置綠化景觀的彩葉植物。色塊苗種植是園林綠化、公路綠化應(yīng)用中最常見的作物配置方式，抗性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、群體效果好，色塊苗的興起拉開了綠化苗木“色葉時(shí)代”的序幕，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和研究?jī)r(jià)值[1]。目前，色塊苗常用的顏色主要有紅黃綠三種，品種有紅葉石楠、金森女貞、金葉六道木、金邊黃楊等。近年來(lái)，國(guó)家省市各級(jí)政府相繼提出了“美麗中國(guó)”“城市彩化”“彩色浙江”等建設(shè)內(nèi)容，這些建設(shè)內(nèi)容的提出大大增加了色塊苗的市場(chǎng)需求空間，色塊苗產(chǎn)業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

目前，色塊苗的快繁以扦插繁殖最為廣泛，既可以經(jīng)濟(jì)地利用繁殖材料進(jìn)行大量育苗和多季育苗，又可以較好地保持母體的優(yōu)良性狀，迅速成苗[2-3]。色塊苗的快繁需扦插于裝有基質(zhì)的軟薄容器中，因此色塊苗快繁的頭道工序即為軟薄容器基質(zhì)裝填，作業(yè)量大、強(qiáng)度高，且普遍存在“趕時(shí)裝填、趕時(shí)扦插”的情況，而與之矛盾的是軟薄容器基質(zhì)裝填裝備供給不足，嚴(yán)重制約了色塊苗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，基于國(guó)內(nèi)外基質(zhì)裝填機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀，在分析色塊苗軟薄容器機(jī)械化裝填存在問題的基礎(chǔ)上，提出提升改進(jìn)色塊苗軟薄容器基質(zhì)裝填裝備的關(guān)鍵技術(shù)研究方向和建議，對(duì)加快色塊苗機(jī)械化生產(chǎn)發(fā)展具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外基質(zhì)裝填機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家容器育苗技術(shù)從20世紀(jì)50年代中期就已經(jīng)開始，到了70年代初期，容器育苗相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備已獲得了積極推廣和較為廣泛的應(yīng)用。目前，荷蘭、德國(guó)、比利時(shí)等國(guó)家均已有成熟的基質(zhì)裝填機(jī)，具有工作效率高、性能穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高、適應(yīng)范圍較廣的優(yōu)點(diǎn)，其中典型的機(jī)型主要有Javo-Standar、Demtec-Smart、Maver-Tm2700XL等（圖1，圖2，圖3），部分機(jī)型已完成了與定植移栽裝備的無(wú)縫對(duì)接[4-6]。從國(guó)外進(jìn)口的部分基質(zhì)裝填機(jī)的生產(chǎn)應(yīng)用情況來(lái)看，存在價(jià)格昂貴、體積龐大、動(dòng)力要求大、維修困難、與色塊苗軟薄容器裝填環(huán)節(jié)不匹配等缺點(diǎn)，在色塊苗基質(zhì)裝填作業(yè)環(huán)節(jié)尚未有應(yīng)用的案例。

圖1 Javo-Standar型基質(zhì)裝填機(jī)

圖2 Demtec-smart型基質(zhì)裝填機(jī)

圖3 Maver-Tm2700XL型基質(zhì)裝填機(jī)

針對(duì)基質(zhì)裝填作業(yè)量大，裝填機(jī)空白的情況，國(guó)內(nèi)一些科研單位和企業(yè)對(duì)基質(zhì)裝填機(jī)開展了初步的探索和實(shí)踐[7-10]，如沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種多組疊摞容器同時(shí)自動(dòng)分離裝置（圖4），農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所開發(fā)了一種容器基質(zhì)裝填機(jī)（圖5），順意科技開發(fā)了一種半自動(dòng)容器基質(zhì)裝填機(jī)（圖6），臺(tái)灣亦祥公司開發(fā)了一種可裝填軟質(zhì)容器的基質(zhì)裝填機(jī)（圖7）。然而，就總體情況而言，目前國(guó)內(nèi)的基質(zhì)裝填機(jī)械化程度還處在一個(gè)較低的水平，僅僅是在示范育苗基地實(shí)現(xiàn)了無(wú)病毒容器育苗的裝填機(jī)械化，與容器育苗相關(guān)的機(jī)械設(shè)備至今依舊沒有形成規(guī)模化的生產(chǎn)體系和商業(yè)化推廣?，F(xiàn)階段基質(zhì)裝填機(jī)技術(shù)研究主要集中在PE硬質(zhì)容器上，多為固定式基質(zhì)裝填機(jī)，自走式的基質(zhì)裝填機(jī)幾乎沒有報(bào)道，且未能充分考慮作業(yè)環(huán)境復(fù)雜性，缺乏理論分析，對(duì)關(guān)鍵作業(yè)部件缺少系統(tǒng)性研究，自動(dòng)化、智能化水平較低，通用性相對(duì)較差。

圖4 多組疊摞容器同時(shí)自動(dòng)分離裝置結(jié)構(gòu)圖

圖5 容器基質(zhì)裝填機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖6 順意科技半自動(dòng)容器基質(zhì)裝填機(jī)

圖7 臺(tái)灣亦祥可裝填軟質(zhì)容器的基質(zhì)裝填機(jī)

2 機(jī)械化裝填機(jī)存在問題

2.1 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝匹配性差

目前，色塊苗扦插快繁技術(shù)一般采用小規(guī)格的黑色塑料軟薄容器，擺放后的容器相互緊挨，畝均擺放數(shù)量多達(dá)15 000～20 000個(gè)，因此要求色塊苗容器基質(zhì)裝填機(jī)須為自走式，在基質(zhì)裝填的同時(shí)完成容器就地?cái)[放在地面上。然而，目前的基質(zhì)裝填機(jī)多為固定式的，放在固定場(chǎng)地進(jìn)行裝填作業(yè)，之后需要人工將裝填好的容器搬運(yùn)擺放在相應(yīng)田塊地面上，此環(huán)節(jié)需要大量的勞動(dòng)力，且作業(yè)過(guò)程繁瑣，因此現(xiàn)有的基質(zhì)裝填機(jī)機(jī)型無(wú)法滿足色塊苗容器扦插快繁的生產(chǎn)模式。

2.2 復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性差

色塊苗軟薄容器的基質(zhì)裝填作業(yè)環(huán)境使得在裝填作業(yè)中存在地塊小、地壟彎曲、平整性差等一系列問題，導(dǎo)致首先現(xiàn)有的基質(zhì)裝填機(jī)機(jī)型基本沒辦法適應(yīng)。首先，色塊苗地塊尺寸普遍較小，在機(jī)械化裝填作業(yè)時(shí)要頻繁掉頭，從而要求裝填機(jī)動(dòng)力底盤尺寸要盡可能小，再加上栽培模式的限制，使得裝填機(jī)只能選擇較小的動(dòng)力底盤，從而存在現(xiàn)有動(dòng)力底盤不適應(yīng)的難題。其次，色塊苗栽培地塊不規(guī)則、土地平整性差，一般采用微耕機(jī)進(jìn)行開溝起壟，作業(yè)時(shí)容易走彎，地壟直線度較低，由此導(dǎo)致作業(yè)時(shí)基質(zhì)集攏提升和容器擺放與地壟相對(duì)位置存在偏差，導(dǎo)致基質(zhì)集攏和容器擺放困難，影響裝填作業(yè)效果。

2.3 軟薄容器分離性差

色塊苗扦插快繁使用的容器為小規(guī)格多層疊摞黑色軟薄容器，單個(gè)無(wú)法依靠自身定型，現(xiàn)有撥叉式機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)容器自動(dòng)分離下落，需從原理上重新對(duì)容器自動(dòng)抓取碼放機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，綜合分析機(jī)械分離和真空吸附分離現(xiàn)有兩種技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選出可行性最高的方案；且黑色軟薄容器無(wú)法單個(gè)直立，在裝填和壟上擺放過(guò)程中難以保持姿態(tài)穩(wěn)定，因此與硬質(zhì)容器裝填存在較大差異，需配套設(shè)計(jì)軟薄容器網(wǎng)格定位扶持裝置進(jìn)行直立定位和基質(zhì)裝填，保證基質(zhì)裝填和容器擺放質(zhì)量。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益提高不明顯

容器基質(zhì)機(jī)械化裝填除了要解決勞動(dòng)力短缺的問題，更需要實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和效率的提升，最終達(dá)到提高種植戶經(jīng)濟(jì)效益的目的。然而，現(xiàn)有的基質(zhì)裝填機(jī)機(jī)型對(duì)大多數(shù)種植戶來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)效益提高并不明顯。首先，色塊苗地塊尺寸普遍較小，在裝填作業(yè)時(shí)基質(zhì)裝填機(jī)需要頻繁掉頭，大大影響裝填作業(yè)效率。其次，色塊苗軟薄容器機(jī)械化裝填作業(yè)工況復(fù)雜，容易造成在裝填過(guò)程中發(fā)生容器側(cè)翻、容器裝填密度不一致、作業(yè)堵塞和扭矩過(guò)載等問題，而作業(yè)過(guò)程中缺少作業(yè)參數(shù)采集監(jiān)測(cè)，需要工作人員停機(jī)檢測(cè)，大大降低工作效率。此外，在環(huán)境較差的條件下裝填質(zhì)量未能達(dá)到人工裝填質(zhì)量，影響色塊苗扦插快繁質(zhì)量，進(jìn)而造成種植戶經(jīng)濟(jì)損失。

3 裝填裝備提升改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 裝填機(jī)專用動(dòng)力底盤開發(fā)

動(dòng)力底盤是自走式農(nóng)機(jī)裝備的重要組成部分，其性能直接影響整機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和效率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于“高效、智能、環(huán)?！钡冉嵌龋谛凶唑?qū)動(dòng)、動(dòng)力換擋、線控轉(zhuǎn)向等方面取得了創(chuàng)新性成果，可為裝填機(jī)專用動(dòng)力底盤開發(fā)提供技術(shù)借鑒。針對(duì)色塊苗軟薄容器基質(zhì)裝填復(fù)雜作業(yè)工況和底盤動(dòng)力不足問題，建立田間土壤與專用動(dòng)力底盤物理力學(xué)耦合模型，優(yōu)化專用動(dòng)力底盤驅(qū)動(dòng)參數(shù)，解決其驅(qū)動(dòng)性弱、附著性差的問題；采用模塊化、小型化設(shè)計(jì)思路，研制與動(dòng)力底盤相匹配的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力分配控制系統(tǒng)，優(yōu)化配置動(dòng)力源、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，充分發(fā)揮動(dòng)力性能，采用三維軟件進(jìn)行專用動(dòng)力底盤整體建模，集成開發(fā)專用動(dòng)力底盤，保證裝填機(jī)在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定行走。

3.2 自動(dòng)對(duì)壟技術(shù)

目前，自動(dòng)壟技術(shù)主要通過(guò)主動(dòng)調(diào)整動(dòng)力底盤和作業(yè)部件相對(duì)位置解決壟形直線度差的問題，提高對(duì)地壟彎曲變化的適應(yīng)能力，有效解決由于作業(yè)部件位置偏差導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量下降的問題。因此，自動(dòng)對(duì)壟技術(shù)是提高基質(zhì)裝填裝備的自動(dòng)化水平和作業(yè)性能的關(guān)鍵所在，有必要進(jìn)行自動(dòng)對(duì)壟技術(shù)的研究?，F(xiàn)有自動(dòng)對(duì)壟技術(shù)主要通過(guò)作業(yè)過(guò)程中地壟彎曲數(shù)據(jù)的檢測(cè)、分析和計(jì)算獲得作業(yè)部件應(yīng)調(diào)整到達(dá)的位置并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)壟調(diào)整。開發(fā)能夠在作業(yè)狀態(tài)時(shí)獲取清晰的地壟和壟溝的動(dòng)態(tài)圖像采集模塊，研發(fā)圖像處理識(shí)別模塊，能夠有效提取地壟圖像，實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別地壟縱向中心位置；研制依據(jù)地壟縱向中心位置實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制動(dòng)力底盤轉(zhuǎn)向?qū)趴刂颇K，集成開發(fā)裝填作業(yè)自動(dòng)對(duì)壟系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝填作業(yè)過(guò)程中自動(dòng)對(duì)壟，能夠較好地壟彎曲現(xiàn)象對(duì)機(jī)械化裝填造成的難題，保證裝填質(zhì)量，提高基質(zhì)裝填機(jī)的使用效果和穩(wěn)定性。

3.3 軟薄容器自動(dòng)抓取碼放機(jī)構(gòu)開發(fā)

軟薄容器自動(dòng)抓取碼放機(jī)構(gòu)是裝填機(jī)的核心作業(yè)部件，其主要功能是將疊放在一起的容器抓取并分離，要求每次只能抓取一個(gè)容器，碼放容器定位網(wǎng)格定位扶持裝置內(nèi)姿態(tài)穩(wěn)定，不能有傾倒現(xiàn)象，不影響其他工位的順利工作。針對(duì)小規(guī)格多層疊摞軟薄容器難以抓取的難題，建立吸盤吸持力學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值仿真、田間試驗(yàn)探究吸盤結(jié)構(gòu)參數(shù)、振動(dòng)參數(shù)、真空度對(duì)抓取分離效果的影響規(guī)律，研制由壓縮機(jī)、振動(dòng)器、吸盤等組成的振動(dòng)吸盤式新型末端執(zhí)行器；分析多末端聯(lián)合連續(xù)作業(yè)軌跡，優(yōu)化直角坐標(biāo)碼放機(jī)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化配置驅(qū)動(dòng)元件，搭建機(jī)構(gòu)樣機(jī)平臺(tái)，以其關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)為影響因素，對(duì)作業(yè)性能進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)小規(guī)格多層疊摞軟薄容器自動(dòng)高效抓取碼放于容器定位網(wǎng)格定位扶持裝置內(nèi)，保證整機(jī)作業(yè)效率和質(zhì)量。

3.4 軟薄容器基質(zhì)裝填智能控制系統(tǒng)開發(fā)

軟薄容器基質(zhì)裝填機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，其主要功能是控制動(dòng)力底盤行走、基質(zhì)集攏升運(yùn)、容器自動(dòng)抓取碼放、容器直立定位、基質(zhì)精準(zhǔn)裝填和容器擺放連續(xù)作業(yè)各個(gè)工位動(dòng)作按照一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，順利有序完成各個(gè)動(dòng)作，要求控制邏輯清晰，控制系統(tǒng)安全可靠，滿足運(yùn)行要求。因此，針對(duì)軟薄容器基質(zhì)裝填智能控制要求，研究分析氣動(dòng)、電動(dòng)元件特性，通過(guò)合理化的假設(shè)和三維模擬處理，設(shè)計(jì)動(dòng)力底盤行走、基質(zhì)集攏升運(yùn)、容器自動(dòng)抓取碼放、容器直立定位、基質(zhì)精準(zhǔn)裝填和容器擺放連續(xù)作業(yè)各個(gè)工位動(dòng)作控制方案，完成硬件搭建和控制程序編寫，開發(fā)色塊苗軟薄容器基質(zhì)裝填作業(yè)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)樣機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證軟薄容器基質(zhì)裝填智能控制系統(tǒng)模型的精確性以及所采用控制策略的可靠性。

3.5 關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

機(jī)械化作業(yè)質(zhì)量及效率是種植戶購(gòu)買農(nóng)機(jī)作業(yè)裝備最關(guān)心的指標(biāo)，農(nóng)機(jī)作業(yè)工況復(fù)雜，導(dǎo)致較多機(jī)型可靠性和穩(wěn)定性不高，故障率相對(duì)較高，因此農(nóng)機(jī)作業(yè)裝備關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，開發(fā)了系列相關(guān)系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于谷物收割機(jī)、花生收獲機(jī)等作業(yè)裝備?；|(zhì)裝填過(guò)程中，核心工作部件作業(yè)情況無(wú)法實(shí)時(shí)顯示報(bào)警，操作者不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，導(dǎo)致機(jī)器性能進(jìn)一步惡化，直至機(jī)器無(wú)法使用。因此，針對(duì)色塊苗軟薄容器基質(zhì)裝填需要，研究各關(guān)鍵作業(yè)部件作業(yè)參數(shù)在線檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)色塊苗軟薄容器基質(zhì)裝填作業(yè)在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭矩、提升輸送量和容器姿態(tài)等自動(dòng)監(jiān)測(cè)；搭建CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車載監(jiān)測(cè)終端與各信號(hào)采集控制子單元之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示；采用Lab View軟件編程，實(shí)時(shí)采集、顯示及保存色塊苗軟薄容器基質(zhì)裝填作業(yè)參數(shù)，并在故障工況下進(jìn)行報(bào)警提示。

4 結(jié)語(yǔ)

色塊苗是城市綠色園林工程的重要組成元素之一，已成為鄉(xiāng)村振興的支柱產(chǎn)業(yè)之一，然而屬于勞動(dòng)密集型的容器基質(zhì)裝填環(huán)節(jié)仍采用人工作業(yè)，“用工慌”和勞動(dòng)力成本高的矛盾日益突出，提高色塊苗生產(chǎn)裝備技術(shù)水平迫在眉睫。目前，色塊苗容器機(jī)械化裝填處于起步階段，在推廣應(yīng)用過(guò)程中存在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝匹配性差、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性差、軟薄容器分離性差和經(jīng)濟(jì)效益提高不明顯等問題，在整機(jī)較小尺寸和成本可控限制范圍內(nèi)對(duì)專用動(dòng)力底盤、自動(dòng)對(duì)壟技術(shù)、軟薄容器自動(dòng)抓取碼放機(jī)構(gòu)、軟薄容器基質(zhì)裝填智能控制系統(tǒng)和關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面進(jìn)行系統(tǒng)有針對(duì)性的改進(jìn)提升，并集成應(yīng)用到色塊苗軟薄容器基質(zhì)裝填機(jī)上，能夠較好地解決色塊苗復(fù)雜作業(yè)工況機(jī)械化裝填難問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)色塊苗全程機(jī)械化生產(chǎn)和促進(jìn)色塊苗產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。