辣椒雙苗盤交替取投苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S223.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-5553（2025）07-0055-10

Abstract：Toaddress thechallengesofloweficiencyandfrequentfailureinseedlingpickinganddroppnginfully automaticchili pepper transplanting machines，analternating seedling pickingand dropping devicewas developed based onanejector-picker combination method.The device was designed to work with double sedling trays，enabling the alternating picking of entiresedling rows and batch-wise dropping.Thispaperoutlined thestructuralcompositionand working principles of the device.To ensure minimal seedling damage，the required clamping forceforseedling extraction was analyzedand defined.Theoretical and simulation analyses were conducted to study sedling motion trajectories.To validate the effectiveness of the developeddevice，experimental tests were conductedusing pepper seedlings.The experiments considered three main factors：average frequency of seedling picking and dropping，seding growth duration，and the moisture content of theseedling bowl.Thekeyresponse indicators included the seedling picking sucess rate，seedling dropping success rate，combined picking and dropping success rate，and the rate of damaged seedlings.Athree-factorandthree-levelorthogonal experiment wasconducted todeterminetheoptimalcombinationof operating conditions. The results showed that the seedlings picking success rate reached 96.82% ，the dropping success rate was 95.00% ，the rate of damaged seedlings was 0.91% ，and the combined picking and dropping success rate was 94.09% .These results met the performance requirements for high-speed transplanting operations.The findings offera reliable referencefor thedesign and development of eficient automatic seedling picking and dropping mechanisms.

Keywords：pepper；automatic transplanting machine；alternating seedling picking and dropping mechanism；combined ejector-picker;double seedling trays

0 引言

育苗移栽具有對(duì)氣候補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，可有效提高蔬菜幼苗生長期間的抗災(zāi)能力，增加成活率，是當(dāng)前蔬菜產(chǎn)業(yè)的主要種植形式[1，2]。但目前蔬菜移栽以半自動(dòng)移栽為主，依靠人工進(jìn)行取投苗作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，嚴(yán)重制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)綠色發(fā)展[3]，全自動(dòng)移栽機(jī)取苗、投苗動(dòng)作均由機(jī)械完成，實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)械化，有效降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)如今已成為蔬菜移栽機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)[4]

取投苗裝置是全自動(dòng)移栽機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，研制出高效、穩(wěn)定的取投苗裝置是移栽領(lǐng)域的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)[5]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)取投苗裝置開展了一系列研究，提出了夾缽式[6，7]、夾莖式[8，9]、頂出式[10]、頂—夾結(jié)合式[11，12]、氣力式[13，14]等一系列取苗方式。邱碩等[15]設(shè)計(jì)了一種夾莖式雙排自動(dòng)取投苗裝置，利用雙排取苗爪實(shí)現(xiàn)辣椒苗循環(huán)取投苗作業(yè)，該裝置可與2ZBX一2型蔬菜半自動(dòng)移栽機(jī)的栽植機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)高速移栽，但該裝置尚未進(jìn)行田間試驗(yàn)。陳斌等[16]設(shè)計(jì)了一種曲柄搖桿附加直線氣缸的交替式取苗機(jī)構(gòu)，并研究了搖桿長度對(duì)取投苗軌跡的影響，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高速取苗，但該機(jī)構(gòu)處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未進(jìn)行田間試驗(yàn)。文永雙等[17]設(shè)計(jì)了一種插入頂出式取苗裝置，頂苗桿由大小不一的兩段式組成，作業(yè)時(shí)頂苗桿先插入缽苗基質(zhì)后再將缽苗頂出，解決了頂出式取苗裝置作業(yè)后缽苗落苗點(diǎn)不可控的問題。

基于以上分析，為提高自動(dòng)化移栽過程中取投苗裝置作業(yè)效率及穩(wěn)定性，基于頂一夾結(jié)合式取苗方式設(shè)計(jì)一種交替取投苗裝置，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)并分析缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡，搭建試驗(yàn)臺(tái)架，選取辣椒苗作為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行正交試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的作業(yè)可靠性。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

交替取投苗裝置主要由送盤頂苗裝置、取投苗裝置、分苗裝置、移位裝置、氣動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。送盤頂苗裝置位于裝置兩側(cè)，采用“U形”上進(jìn)下出方式送盤可有效降低裝置體積；分苗裝置位于裝置中心位置；取投苗裝置由左、右兩套取苗裝置組成，左側(cè)取苗裝置夾取左側(cè)取苗位置缽苗，右側(cè)取苗裝置夾取右側(cè)取苗位置缽苗，按時(shí)序?qū)⒗徝缤斗胖练置缪b置中，分苗裝置按時(shí)序進(jìn)行分苗作業(yè)，實(shí)現(xiàn)單株落苗。

取投苗過程由PLC控制系統(tǒng)控制各個(gè)執(zhí)行氣缸有序動(dòng)作、各個(gè)電機(jī)高效作業(yè)，實(shí)現(xiàn)交替取投苗循環(huán)作業(yè)。

圖1雙苗盤交替取投苗裝置

Fig.1 Alternate seedling picking and dropping mechanismfor double seedling trays1.缽苗2.分苗裝置3.移位裝置4.取投苗裝置5.送盤頂苗裝置6.機(jī)架

1. 2 工作原理

送盤頂苗裝置采用氣動(dòng)推盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)苗盤步進(jìn)式進(jìn)給，使苗盤沿既定滑槽路線移動(dòng)，精準(zhǔn)運(yùn)輸缽苗至取苗位置，頂苗機(jī)構(gòu)在取苗位置將整排缽苗頂松，破壞缽苗缽體與育苗盤間的黏結(jié)，提高取苗成功率；取投苗裝置在取苗位置整排取苗，在投苗位置分批次間隔投苗；移位裝置完成取投苗裝置在取苗位置與投苗位置間的往復(fù)移動(dòng)；分苗裝置有效承接取投苗裝置投放的缽苗，按時(shí)序分苗，實(shí)現(xiàn)單株落苗。取投苗裝置取苗后均在左側(cè)投苗位置完成第1次投苗，右側(cè)投苗位置完成第2次投苗，如圖2所示。

圖2交替取投苗裝置工作原理

Fig.2Working principle of the alternate seedling picking and dropping mechanism

1.3 工作流程

取投苗作業(yè)時(shí)，PLC系統(tǒng)控制送盤頂苗裝置、取投苗裝置、移位裝置及分苗裝置有序配合、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，完成移盤、頂苗、夾苗、拔苗、投苗及落苗作業(yè)。具體過程：（1）送盤頂苗：送盤裝置將缽苗精準(zhǔn)運(yùn)送至取苗位置，頂苗裝置將取苗位置的整排缽苗頂松，破壞缽苗缽體與育苗盤間黏結(jié)。（2）右側(cè)取苗裝置取苗：移位裝置驅(qū)動(dòng)取投苗裝置右移，右側(cè)取苗裝置達(dá)到取苗位置后夾取整排缽苗，拔苗裝置工作，將缽苗從育苗盤中取出。（3）右側(cè)取苗裝置左側(cè)投苗位置投苗：移位裝置驅(qū)動(dòng)取投苗裝置帶動(dòng)缽苗左移，橫移過程中拔苗裝置停正工作，右側(cè)取苗裝置到達(dá)左側(cè)投苗位置后在夾苗高度間隔開啟偶數(shù)苗夾，缽苗落入分苗裝置左側(cè)接苗桶內(nèi)，分苗裝置進(jìn)行分苗作業(yè)，按時(shí)序單株落苗。（4）右側(cè)取苗裝置右側(cè)投苗位置投苗：取投苗裝置與送盤頂苗裝置緊密配合，右側(cè)取苗裝置在左側(cè)投苗位置投苗時(shí)，左側(cè)取苗裝置夾取左側(cè)取苗位置缽苗。右側(cè)取苗裝置完成第1次投苗后，拔苗裝置工作，左側(cè)取苗裝置完成取苗作業(yè)。取投苗裝置右移，右側(cè)取苗裝置到達(dá)右側(cè)投苗位置后，在拔苗高度間隔開啟奇數(shù)苗夾，缽苗落入分苗裝置右側(cè)接苗桶內(nèi)，完成右側(cè)取苗裝置第2次投苗。（5）左側(cè)取苗裝置左側(cè)投苗位置投苗：右側(cè)取苗裝置完成右側(cè)投苗位置投苗后，取投苗裝置右移，橫移過程中拔苗裝置停止工作，左側(cè)取苗裝置到達(dá)左側(cè)投苗位置后在夾苗高度間隔開啟偶數(shù)苗夾，缽苗落入分苗裝置左側(cè)接苗桶內(nèi)，左側(cè)接苗桶內(nèi)原有缽苗完成單株落苗，開啟新一輪分苗作業(yè)。（6）左側(cè)取苗裝置右側(cè)投苗位置投苗：左側(cè)取苗裝置完成左側(cè)投苗位置投苗后，取投苗裝置右移，送盤頂苗裝置完成送盤頂苗作業(yè)，左側(cè)取苗裝置到達(dá)右側(cè)投苗位置后在夾苗高度間隔開啟奇數(shù)苗夾，缽苗落入分苗裝置右側(cè)接苗桶內(nèi)，同時(shí)右側(cè)取苗裝置夾取右側(cè)取苗位置整排缽苗，取投苗裝置開始新一輪取苗作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1取投苗裝置

2.1.1 取投苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取投苗裝置由取苗裝置、拔苗裝置及托板組成，如圖3所示。取苗裝置由氣缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行夾苗作業(yè)，拔苗裝置驅(qū)動(dòng)取投苗裝置同時(shí)運(yùn)動(dòng)，取苗裝置攜帶缽苗完成拔苗作業(yè)。

圖3取投苗裝置示意圖

Fig.3 Schematicdiagram of seedlingpickinganddropping mechanism1.取苗裝置2.取苗擋板3.拔苗裝置4.托板5.機(jī)架

取苗裝置由兩套氣動(dòng)夾苗組件鑲嵌式組成，氣動(dòng)夾苗組件由取苗氣缸、折彎件、滑軌、滑塊、連接板組成，如圖4所示。氣動(dòng)夾苗組件中相鄰折彎件組成苗夾，取苗氣缸控制苗夾開合實(shí)現(xiàn)缽苗的夾取及投放。

由圖4可知，氣動(dòng)夾苗組件中折彎件組成的苗夾間距為缽苗間距的兩倍，取苗裝置取苗時(shí)，兩套氣動(dòng)夾苗組件同時(shí)作業(yè)，夾取整排缽苗，投苗時(shí)，氣動(dòng)夾苗組件分批次作業(yè)，實(shí)現(xiàn)間隔投苗，增加投苗后缽苗間距，提高投苗成功率。

圖4取苗裝置示意圖

Fig.4Schematic diagram of seedling picking mechanism1.連接板2.折彎件3.取苗氣缸4.滑塊5.滑軌6.氣動(dòng)夾苗組件7.托板

2.1.2 缽苗受力分析

因缽苗缽體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度[18]，采用頂一夾結(jié)合式取苗方式可降低對(duì)缽苗缽體的損傷，為實(shí)現(xiàn)低損取苗，以單株缽苗為研究對(duì)象，頂苗裝置作業(yè)時(shí)缽苗受力模型如圖5所示。

圖5缽苗頂苗時(shí)受力模型

Fig.5Stress model of bowl seedling when ejecting

頂苗裝置將缽苗頂松，需要克服缽苗自身重力、摩擦力和黏附力，頂苗裝置頂苗作業(yè)時(shí)缽苗受力過程如圖5所示。缽苗脫盤力可反映缽苗重力、摩擦力、正應(yīng)力以及黏附力在豎直方向上的分力，即

F_T1sinθ+f_ncosθ+G-F_N1sinθ=F_t

式中： F_T1 缽苗與育苗盤間黏附力，N；

f_n （204號(hào) 缽苗與育苗盤間摩擦力，N；

G 缽苗重力，N;

F_N1 （20 -育苗盤對(duì)缽苗的支撐力，N；

F_t 缽苗脫盤力，N；

θ （204號(hào) 苗盤傾角， （^°） 。

為使頂苗裝置能將缽苗頂松，頂苗裝置的頂出力 N 需大于缽苗脫盤力 F_t ，即

N?F_：

對(duì)用D220P育苗盤培育40天的“興蔬215\"辣椒缽苗進(jìn)行脫盤力試驗(yàn)，試驗(yàn)得出缽苗平均脫盤力為1.9N ，最大脫盤力為 2.9N ，為保證脫盤成功，取脫盤力為 3.2N ，即缽苗頂出力 N?3.2N 。

頂苗裝置頂苗時(shí)，頂苗氣缸推動(dòng)頂苗桿從穴孔底部進(jìn)入穴孔，接觸缽體底部后繼續(xù)推動(dòng)缽苗向上運(yùn)動(dòng)，破壞缽苗與育苗盤間黏附，此過程中，頂苗桿會(huì)造成缽苗底部產(chǎn)生一定凹陷。頂苗時(shí)缽體產(chǎn)生的凹陷與頂苗桿直徑、頂苗驅(qū)動(dòng)氣缸節(jié)氣門開度及頂苗氣缸工作氣壓有關(guān)。通過相關(guān)試驗(yàn)可知，采用2個(gè) TN16-20 作為頂苗裝置驅(qū)動(dòng)氣缸對(duì) D220P 育苗盤培育的辣椒苗進(jìn)行頂苗脫盤作業(yè)，試驗(yàn)得出當(dāng)節(jié)流閥開度為 25% ，頂苗桿直徑為 8mm ，頂苗氣缸工作氣壓為 0.6MPa 時(shí)，頂苗桿以較慢的速度完成頂苗脫盤作業(yè)，對(duì)缽苗的損傷較小，平均凹陷深度為 1.49mm 。

頂苗裝置完成頂苗后，頂苗桿與缽苗缽體脫離接觸，缽苗回落至穴孔中，取苗裝置進(jìn)行取苗作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)低損取苗，以單株缽苗為研究對(duì)象，建立缽體頂松后取投苗裝置夾莖取苗時(shí)缽苗受力模型如圖6所示。

圖6夾莖取苗缽苗時(shí)受力模型

取苗裝置夾取缽苗時(shí)，缽苗與育苗盤間黏附關(guān)系已被破壞，缽苗靜止在育苗盤中，缽苗僅受自身重力與育苗盤對(duì)缽苗的支撐力，即

F_vsinθ=G

式中： F_N 1 頂苗后育苗盤對(duì)缽苗的支撐力，N。

取投苗裝置夾取缽苗時(shí)，苗夾夾緊缽苗莖稈在拔苗裝置的作用下將缽苗從苗盤中拔出。拔苗裝置平穩(wěn)拔出缽苗，缽苗與苗夾間應(yīng)保持靜止，缽苗受力需滿足條件如式（4）～式（8）所示。

式中： F_L ——拔苗裝置對(duì)單株缽苗的拉拔力，N;

f ——頂苗作業(yè)后缽苗與育苗盤間摩擦力，N;

μ 頂苗后育苗盤與缽體間摩擦系數(shù)；

f_A （20 苗夾與缽苗莖稈間摩擦力，N；

μ₁ 苗夾與缽苗莖稈間摩擦系數(shù)；

FN 頂苗后育苗盤對(duì)缽苗的支撐力，N；

F_y1，F(xiàn)_y2 苗夾對(duì)缽苗莖稈的正壓力，N。

由式 （3）～ 式（8）可知，拔苗裝置平穩(wěn)拔出缽苗，苗夾對(duì)缽苗莖稈的正壓力

對(duì)培育40天的“興蔬215\"辣椒缽苗進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定，試驗(yàn)得缽苗平均質(zhì)量為 10.1g ，缽苗最大質(zhì)量為11.2g ；對(duì)辣椒苗莖稈與苗夾間摩擦系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，得辣椒苗莖稈與苗夾間摩擦系數(shù)為0.52；對(duì)頂苗后的缽苗進(jìn)行拉拔力試驗(yàn)測(cè)定，試驗(yàn)得出缽苗拉拔力約為缽苗重力，由式（4）可知頂苗裝置頂松后的缽苗與育苗盤間摩擦力可忽略不計(jì)。為實(shí)現(xiàn)所有缽苗平穩(wěn)夾持與拔取，選用最大質(zhì)量計(jì)算苗夾對(duì)缽苗莖稈的正壓力 F_y1=0.106N 。

夾莖式取苗對(duì)缽苗莖稈的夾持力過大會(huì)損傷缽苗莖稈，影響缽苗正常生長[19]。為確定辣椒缽苗莖稈的最大承壓能力，對(duì)辣椒苗莖稈進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)壓縮力大于5.2N時(shí)，缽苗莖稈發(fā)生不可逆損傷，影響缽苗正常生長。綜上，取苗裝置低損取苗，苗夾對(duì)缽苗莖稈施加的正壓力應(yīng)滿足 0.106N?F_s1?5.2N

2.1.3 氣動(dòng)夾苗組件受力分析

基于取苗裝置低損取苗時(shí)對(duì)缽苗正壓力要求，確定氣動(dòng)夾苗組件工作壓強(qiáng)。建立氣動(dòng)夾苗裝置夾苗時(shí)受力模型如圖7所示。

圖7氣動(dòng)夾苗組件受力圖模型 Fig.7Force model of the pneumatic seedling clamping component

取苗時(shí)，取苗氣缸活塞桿收縮，苗夾夾取缽苗，氣動(dòng)夾苗組件水平方向受力處于平衡狀態(tài)，由圖7可知

F_A=F_a+F_b+F_c+F_d+F_e+f_a

F_B=F₁+F₂+F₃+F₄+F₅+f₁

式中： F_A ） F_B ——取苗氣缸驅(qū)動(dòng)力，N；

F_a～F_e、F₁～F₅ ——缽苗莖稈對(duì)折彎件的正壓

理論分析時(shí)忽略缽苗莖稈直徑差異，即取苗時(shí)缽 苗莖稈壓縮情況一致。折彎件與連接板視為剛性材 料，可得

F_a=F_b=F_c=F_d=F_e

F₁=F₂=F₃=F₄=F₅

苗夾夾取缽苗，缽苗在水平方向上受力應(yīng)平衡，且氣動(dòng)夾苗裝置取苗氣缸由同一電磁閥控制，同時(shí)開啟或關(guān)閉。

經(jīng)測(cè)量氣動(dòng)夾苗組件質(zhì)量為 48g ，滑塊與滑軌間摩擦系數(shù)為0.1。

取苗時(shí)，苗夾對(duì)缽苗莖稈的正壓力與莖稈對(duì)折彎

件的正壓力相同，即

F_y1=F₁

由式（15）和式（16）可得，低損取苗時(shí)，取苗氣缸驅(qū)動(dòng)力應(yīng)滿足 0.577N?F_A?26.47N，

取苗時(shí)，取苗氣缸為回程作業(yè)，氣缸驅(qū)動(dòng)力

F_A=P?π?（R²-r²）

式中： P 1 -氣缸工作壓強(qiáng)， MPa R 氣缸缸體直徑， mm r 氣缸活塞桿直徑， mm

D220P 育苗盤穴孔寬 23mm ，考慮氣動(dòng)夾苗裝置苗夾夾持范圍及參考實(shí)際售賣氣缸行程取整情況，選用 SDA12一10薄型氣缸為取苗氣缸，活塞桿直徑為6mm ，工作氣壓為 0.1～1MPa ，氣缸行程為 10mm .兩氣缸相向安裝，驅(qū)動(dòng)折彎件運(yùn)動(dòng)完成取投苗作業(yè)。該氣缸在 0.3MPa 的工作氣壓下，回程驅(qū)動(dòng)力為23.55N ，滿足低損取苗要求。

實(shí)際作業(yè)時(shí)，缽苗莖稈直徑存在差異，取苗裝置取苗時(shí)，苗夾先接觸大直徑缽苗并使其發(fā)生壓縮變形至一定程度后再與小直徑缽苗接觸，若缽苗直徑差異過大，大直徑缽苗因壓縮變形過大而損傷，影響其正常生長，小直徑缽苗因苗夾夾持力不足而無法完成取苗作業(yè)，致使取苗失敗。夾莖取苗時(shí)在苗夾間添加緩沖材料可有效解決取苗裝置取苗時(shí)對(duì)缽苗直徑的損傷，并降低缽苗直徑差異對(duì)取投苗作業(yè)的影響。通過在氣動(dòng)系統(tǒng)中添加節(jié)流閥可控制取苗氣缸的作業(yè)速度，實(shí)現(xiàn)低損取苗。

2.2 分苗裝置

2.2.1 分苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決整排取苗后缽苗單株落苗問題，解決現(xiàn)有分苗裝置難以適用高速移栽以及對(duì)接苗時(shí)刻要求嚴(yán)格的問題，設(shè)計(jì)一種如圖8所示的分苗裝置。該分苗裝置采用接苗桶固定，通過凸輪間隔開啟接苗桶底部載苗板實(shí)現(xiàn)單株落苗。接苗桶由左、右兩接苗桶組成，左側(cè)接苗桶進(jìn)行落苗作業(yè)時(shí)右側(cè)接苗桶進(jìn)行接苗作業(yè)，依次循環(huán)，降低分苗裝置與取投苗裝置的配合難度。

圖8分苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.8Schematicdiagram of the seedling sortingmechanism 1.彈簧2.間歇落苗組件3.接苗桶4.落苗桶 5.凸輪驅(qū)動(dòng)軸6.凸輪7.載苗板8.缽苗

分苗裝置由接苗桶、落苗桶及間歇落苗組件組成，如圖8（a）所示。分苗裝置接苗桶由左、右兩組接苗桶組成，取投苗裝置將缽苗投入接苗桶，接苗桶內(nèi)的缽苗按時(shí)序落入落苗桶并與栽植裝置配合完成栽植。為減緩?fù)睹绾罄徝缛~片間牽扯，接苗桶內(nèi)設(shè)隔板組成相互分離的接苗杯，因氣動(dòng)夾苗裝置為整排間隔投苗，為精準(zhǔn)承接缽苗，接苗杯間距為缽苗間距的2倍。

間歇落苗組件由凸輪、凸輪驅(qū)動(dòng)軸、彈簧以及載苗板組成，如圖8（b）所示。缽苗落入接苗杯由載苗板承接，載苗板在彈簧的作用下處于水平常閉狀態(tài)，凸輪凸起部分接觸載苗板后，載苗板旋轉(zhuǎn)至豎直開啟狀態(tài)，缽苗失去支撐，在重力作用下沿一定軌跡落人落苗桶，凸輪凸起部分與載苗板脫離接觸后，載苗板在彈簧作用下恢復(fù)水平狀態(tài)，等待下一次接苗，往復(fù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缽苗的有序落苗。

2.2.2 落苗時(shí)序

為實(shí)現(xiàn)取苗裝置交替循環(huán)作業(yè)，配合取投苗裝置交替取投苗作業(yè)，對(duì)分苗裝置落苗時(shí)序進(jìn)行分析，其落苗時(shí)序如圖9所示。

圖9缽苗落苗時(shí)序

Fig.9Timing of the fall of the pepper seedlings

取投苗裝置在左側(cè)投苗位置投苗后，缽苗落入分苗裝置接苗桶，分苗裝置按時(shí)序開啟載苗板，各缽苗通過與接苗桶桶壁發(fā)生碰撞改變缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)在落苗桶出苗口位置豎直落苗，實(shí)現(xiàn)落苗位置可控，使缽苗均勻落于栽植槽中。受分苗裝置落苗原理影響，各位置的缽苗下落軌跡并不相同，落苗軌跡越長，下落所需時(shí)間越長。Chen等2°指出適度調(diào)整凸輪安裝相位角可解決因落苗桶落苗軌跡不同產(chǎn)生的落苗時(shí)長不同，有效解決分苗裝置因落苗軌跡不同出現(xiàn)的落苗不均現(xiàn)象。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由信號(hào)輸入單元、信號(hào)處理單元、信號(hào)輸出單元、電動(dòng)執(zhí)行單元、氣動(dòng)執(zhí)行單元組成。啟動(dòng)按鈕SB1、停止按鈕SB2、限位開關(guān)SN1、送盤信號(hào)傳感器SN2、頂苗信號(hào)傳感器SN3、夾苗信號(hào)傳感器SN4、SN5，拔苗信號(hào)傳感器SN6、SN7，分苗信號(hào)傳感器SN8和拔苗裝置回位傳感器SN9組成信號(hào)輸入單元；PLC為信號(hào)處理單元，型號(hào)為易控派YKP376一體機(jī)；二位五通電磁閥 DT1～DT7 及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DM1～DM-3 為信號(hào)輸出單元；取苗氣缸、拔苗氣缸、送盤氣缸、頂苗氣缸為氣動(dòng)執(zhí)行單元，M1為移盤電機(jī)， M2～M3 為間歇落苗組件驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速通過PLC進(jìn)行控制。電磁閥 DT1～DT4 控制4組氣動(dòng)夾苗組件的取苗氣缸動(dòng)作，電磁閥DT5控制拔苗氣缸動(dòng)作，電磁閥DT6控制頂苗氣缸動(dòng)作，DT7控制送盤氣缸動(dòng)作。

3缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡分析

3.1缽苗理論運(yùn)動(dòng)軌跡

取投苗裝置由兩套取苗裝置組成，與送盤頂苗裝置緊密配合完成左右兩側(cè)交替取投苗作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)取投苗裝置交替循環(huán)作業(yè)，提高取苗效率，取投苗裝置取苗后均從左側(cè)投苗點(diǎn)進(jìn)行投苗，不同取苗位置缽苗移動(dòng)至不同投苗位置，其運(yùn)動(dòng)軌跡有所區(qū)別。為解決此問題，對(duì)取投苗各階段缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡及取投苗時(shí)長進(jìn)行分析，基于取投苗連續(xù)循環(huán)作業(yè)的要求，調(diào)整移位裝置各階段運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)對(duì)取投苗時(shí)長的控制。

取投苗裝置交替取投苗缽苗理論運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10所示。已知缽苗投苗點(diǎn)與載苗板垂直高度為 h_?1 ，拔苗裝置工作行程為 h₂ ，取苗點(diǎn)與投苗點(diǎn)水平距離為 l₁，1 號(hào)投苗點(diǎn)與2號(hào)投苗點(diǎn)水平距離為 l₂ 。

取投苗裝置交替取投苗過程可分為4個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)循環(huán)作業(yè)，對(duì)取投苗裝置各階段運(yùn)動(dòng)時(shí)長提出一定要求。

1）取投苗裝置右側(cè)取苗裝置在右側(cè)取苗點(diǎn)取苗后將缽苗投落至分苗裝置左側(cè)接苗桶載苗板上，缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10（a）所示。水平運(yùn)動(dòng)距離為 Δl₁+Δl₂ ，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 t₁ ；投苗時(shí)投苗點(diǎn)與載苗板垂直高度為 h_?1 .缽苗自由下落時(shí)間為 t₂ ；取苗裝置進(jìn)行一次夾苗作業(yè)，夾苗時(shí)長為 t_j ；取苗裝置進(jìn)行一次投苗作業(yè)，苗夾松開時(shí)長為 t_s ;拔苗裝置拔苗一次，拔苗時(shí)間為 t_B ，則第一階段取投苗總時(shí)長

t_a=t_B+t₁+t₂+t_j+t_s

2）取投苗裝置右側(cè)取苗裝置左側(cè)投苗位置投苗時(shí)，左側(cè)取苗裝置在左側(cè)取苗點(diǎn)夾苗，投苗作業(yè)完成后，拔苗裝置工作完成取苗。右側(cè)取苗裝置從左側(cè)投苗點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至右側(cè)投苗點(diǎn)，在拔苗高度將缽苗投落至分苗裝置右側(cè)接苗桶載苗板上，缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10（b）所示。水平橫移距離為 l₂ ，橫移時(shí)間為 t₃ ；投苗時(shí)投苗點(diǎn)距載苗板垂直高度為 h₁+h₂ ，缽苗下落時(shí)間為 t₄ ，此過程中，拔苗裝置工作一次，拔苗時(shí)間 t_B ，取苗裝置進(jìn)行一次投苗作業(yè)，苗夾松開時(shí)長為 t_s 。第二階段取投苗總時(shí)長

t_b=t_B+t₃+t₄+t_s

3）取投苗裝置右側(cè)取苗裝置完成右側(cè)投苗位置投苗后，左側(cè)取苗裝置運(yùn)動(dòng)至左側(cè)投苗點(diǎn)，將缽苗投落至分苗裝置左側(cè)接苗桶載苗板上，缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10（c）所示。水平橫移距離為 l₁-l₂ ，橫移時(shí)間為t₅ ；投苗時(shí)投苗點(diǎn)距離載苗板高度為 h_i ，缽苗下落時(shí)間為 Φ_t6 ，取苗裝置進(jìn)行一次投苗作業(yè)，苗夾松開時(shí)長為t_s 。第三階段取投苗總時(shí)長

t_c=t₅+t₆+t_s

4）取投苗裝置左側(cè)取苗裝置完成左側(cè)投苗位置投苗后，左側(cè)取苗裝置運(yùn)動(dòng)至右側(cè)投苗點(diǎn)，將缽苗投落至分苗裝置右側(cè)接苗桶載苗板上，缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10（d）所示。水平橫移距離為 l₂ ，橫移時(shí)間為 t₇ ；投苗時(shí)投苗點(diǎn)距離載苗板高度為 h_?1 ，缽苗下落時(shí)間為t₈ ，取苗裝置進(jìn)行一次投苗作業(yè)，苗夾松開時(shí)長為 t_s 第四階段取投苗總時(shí)長

t_d=t₇+t₈+t_s

取投苗裝置完成一個(gè)作業(yè)循環(huán)，分苗裝置完成2個(gè)作業(yè)循環(huán)，即

為實(shí)現(xiàn)取投苗裝置交替取投苗循環(huán)作業(yè)，左側(cè)接苗桶3號(hào)載苗板開啟前取投苗裝置應(yīng)完成右側(cè)投苗位置投苗，左側(cè)接苗桶1號(hào)載苗板開啟前取投苗裝置應(yīng)完成左側(cè)投苗位置投苗，忽略落苗軌跡對(duì)凸輪開啟相位角的影響，取投苗裝置左右兩投苗位置取投苗時(shí)長應(yīng)滿足式（24）。

拔苗裝置拔苗時(shí)將取投苗裝置及夾取缽苗整體舉升，拔苗時(shí)，拔苗氣缸視為勻加速運(yùn)動(dòng)，拔苗時(shí)長

式中： F_p —拔苗裝置拔苗力，N；m₂ 主 取投苗裝置及缽苗質(zhì)量， kg g （204號(hào) 重力加速度；h₂ 拔苗高度， m 。

缽苗在投苗點(diǎn)被釋放，缽苗做自由落體運(yùn)動(dòng)落入分苗裝置接苗桶內(nèi)由載苗板承接，因裝置投苗點(diǎn)與載苗板垂直距離約為缽苗自身高度，缽苗下落過程中速度變化相對(duì)較小，可忽略空氣阻力對(duì)投苗的影響，忽略空氣阻力時(shí)缽苗投苗位移與時(shí)間關(guān)系為

式中： h ——缽苗從投苗位置到落苗桶距離，m;t_h 缽苗從投苗位置到落苗桶所需時(shí)長，s。

缽苗水平運(yùn)動(dòng)由移位電機(jī)驅(qū)動(dòng)取投苗裝置橫移實(shí)現(xiàn)，理論分析時(shí)忽略電機(jī)加減速時(shí)長，各階段取投苗裝置橫移視為勻速運(yùn)動(dòng)，橫移位移計(jì)算如式（27）所示。

l=vt 式中：— 缽苗橫移位移， m t 1 缽苗橫移時(shí)間，s；v 取投苗裝置橫移速度， m/s 。

理論分析時(shí)，忽略取苗氣缸取投苗時(shí)長，由式 （21）～ 式（27）可得

式中： v_a ———取投苗裝置右側(cè)取苗裝置右側(cè)取苗位置取苗后移至左側(cè)投苗位置時(shí)裝置橫移速度， m/s v_b ——取投苗裝置右側(cè)取苗裝置左側(cè)投苗位置投苗后移至右側(cè)投苗位置時(shí)裝置橫移速度， m/s v_c 一 取投苗裝置右側(cè)取苗裝置右側(cè)投苗位置投苗后左側(cè)取苗裝置移至左側(cè)投苗位置時(shí)裝置橫移速度， m/s v_d 一 取投苗裝置左側(cè)取苗裝置左側(cè)投苗位置投苗后移至右側(cè)位置時(shí)裝置橫移速度， m/s 。

基于式 （28）～ 式（30），以120株/（ min? 行）為設(shè)計(jì)目標(biāo)，忽略取苗氣缸工作時(shí)間可得 t_a+t_b+t_c+t_d= 5s，代入相關(guān)數(shù)值，可得到各階段取投苗裝置橫移速度。取投苗裝置橫移速度可通過改變移位電機(jī)各階段線速度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)取投苗裝置交替取投苗循環(huán)作業(yè)。

3.2缽苗仿真運(yùn)動(dòng)軌跡

為驗(yàn)證交替取投苗裝置交替取投苗作業(yè)時(shí)缽苗由取苗點(diǎn)投落至分苗裝置，接苗桶內(nèi)各階段缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡的合理性，將SolidWorks中建立的三維模型導(dǎo)人Adams中，選取多株缽苗進(jìn)行軌跡跟蹤，得出取投苗裝置仿真運(yùn)動(dòng)軌跡，將Adams中缽苗運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)人至Origin中進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖11所示，結(jié)果表明，交替取投苗裝置缽苗由取苗點(diǎn)落入接苗桶內(nèi)的理論運(yùn)動(dòng)軌跡與仿真運(yùn)動(dòng)軌跡具有高度重合性，取投苗裝置路徑規(guī)劃合理。

4取投苗性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證雙苗盤交替取投苗裝置的可行性，試制樣機(jī)并開展自動(dòng)取投苗試驗(yàn)，試驗(yàn)材料選用“興蔬215”辣椒缽苗，基質(zhì)選用湘正農(nóng)科通用育苗基質(zhì)。

4.2試驗(yàn)因素及指標(biāo)

由JB/T10291—2013《旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》可知，自動(dòng)移栽機(jī)的移栽效率大于等于90株/（min·行），屬高速移栽。本自動(dòng)取投苗裝置樣機(jī)目標(biāo)取投苗頻率A設(shè)置為100株/（min·行）、120株/（min·行）和140株/（ min ·行）；取苗過程中，若苗齡過大、最大葉展幅度過大則投苗時(shí)易發(fā)生卡苗、掛苗現(xiàn)象，若苗齡過小、莖稈太脆取苗時(shí)易夾傷，增加傷苗率。經(jīng)實(shí)地考察得出，適栽辣椒苗齡 B 常為40天，選取培育35天、40天和45天辣椒缽苗進(jìn)行試驗(yàn)。缽苗基質(zhì)含水率超過 70% 時(shí)，顆粒間黏附力降低，取苗后基質(zhì)破損率增加，缽苗基質(zhì)含水率低于 20% 時(shí)，缽苗易脫水，影響種植成活率[21]，試驗(yàn)缽苗基質(zhì)目標(biāo)含水率 C 設(shè)定為40%.50% 和 60% 。使用干燥箱測(cè)量用于不同含水率試驗(yàn)的辣椒缽苗，試驗(yàn)結(jié)果為35天辣椒缽苗平均含水率分別為 37.23%.51.69% 和 62.27% ，40天辣椒缽苗平均含水率分別為 40.23%.48.62% 和 61.43% .45天辣椒缽苗平均含水率分別為 42.05% 、 50.84% 和 57.82% 。

試驗(yàn)以取苗成功率 Y₁ 、投苗成功率 Y₂ 、傷苗率Y₃ 和取投苗成功率 Y₄ 作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平表如表1所示。其計(jì)算如式 （31）～ 式（34）所示。

N₃ ——從分苗裝置落下的缽苗產(chǎn)生莖葉破損、折斷以及缽苗基質(zhì)破損率超1/3的數(shù)量，株；

N₄ ——從分苗裝置落下的合格缽苗數(shù)量，株。

表1因素水平編碼 Iab.1 Factor level coding

式中： N —試驗(yàn)缽苗總數(shù)，株；N₁ ——取苗成功缽苗總數(shù)，株；（204號(hào) N₂ —投苗成功缽苗總數(shù)，株；

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，依次調(diào)整裝置目標(biāo)取投苗頻率、苗齡和基質(zhì)含水率。每組測(cè)試220株幼苗，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、方差分析和范圍分析，確定影響因素的主次順序，確定因素參數(shù)的最優(yōu)組合，優(yōu)選后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

表2取投苗正交試驗(yàn)方案和結(jié)果 Tab.2 Orthogonal test plan and results of taking and throwing seedlings

如表2所示，3種目標(biāo)取投苗頻率的平均取投苗成功率分別為 91.52%.87.58% 和 81.97% ;3個(gè)苗齡的平均取投苗成功率分別為 89.85%.88.03% 和83.18%;3 種基質(zhì)含水率的平均取投苗成功率分別86.36%.87.58% 和 87.12% 。將試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)人SPSS中進(jìn)行極差和方差分析，結(jié)果如表3和表4所示。對(duì)于取苗成功率，取投苗頻率和苗齡影響顯著，基質(zhì)含水率影響不顯著；對(duì)于投苗成功率，取投苗頻率和苗齡影響極顯著，基質(zhì)含水率影響不顯著；對(duì)于缽苗損傷率，取投苗頻率和苗齡影響較顯著，基質(zhì)含水率影響不顯著；對(duì)于取投苗成功率，取投苗頻率和苗齡影響顯著，基質(zhì)含水率影響較顯著。綜上所述，最佳參數(shù)組合為A1B1C2 ，即取投苗頻率為100株/（ min ·行），苗齡為35天，缽苗基質(zhì)含水率為 50% 。

為驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在最優(yōu)參數(shù)下，取苗成功數(shù)為213株，投苗成功數(shù)為209株，傷苗數(shù)為2株，取苗成功率為 96.82% ，投苗成功率為 95.00% ，傷苗率為0.91% ，取投苗總體成功率為 94.09% 。優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)總體成功率超過正交試驗(yàn)，試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果。

試驗(yàn)過程中，取投苗頻率是取投苗成功率的最重要因素。取苗過程中，取投苗瀕率過快，苗夾夾持缽苗的時(shí)間太短，缽苗夾緊不足，橫移過程中缽苗易提前掉落；投苗時(shí)，橫移速度過快會(huì)導(dǎo)致取苗裝置難以在投苗位置精準(zhǔn)投苗，致使投苗失敗。苗齡對(duì)投苗成功率具有較大影響，主要為苗齡較大時(shí)缽苗最大葉展幅度較大，葉片易卡在苗夾縫隙中，無法投下。缽苗基質(zhì)含水率對(duì)取苗成功率、投苗成功率及傷苗率影響不顯著，可知在取投苗作業(yè)時(shí)先采用頂苗裝置破壞缽苗缽體與育苗盤間黏附力，后采用夾持力在可控范圍內(nèi)的取苗裝置夾莖取苗可有效減少缽苗因含水率不同造成的損傷。

表3極差分析Tab. 3Range analysis

表4方差分析Tab.4Analysis of variance

注： P?0.01 極顯著， 0.010.1 不顯著。

5 結(jié)論

1）針對(duì)取投苗裝置取投苗效率低、易失敗的問題，基于頂一夾結(jié)合式取苗方式，設(shè)計(jì)一種雙苗盤整排交替取苗、分批投苗的交替取投苗裝置，分析該裝置的工作原理，建立取苗過程中缽苗力學(xué)模型，分析取苗裝置低損取苗時(shí)夾持力大小。對(duì)取投苗裝置運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，對(duì)缽苗移動(dòng)軌跡進(jìn)行理論及仿真分析，提高交替取投苗裝置作業(yè)穩(wěn)定性。

2）選取辣椒缽苗為研究對(duì)象，以苗齡、基質(zhì)含水率、取投苗頻率為試驗(yàn)因素，以取苗成功率、投苗成功率、傷苗率及取投苗成功率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)并優(yōu)選試驗(yàn)參數(shù)，在最佳參數(shù)組合下，本裝置取苗成功率達(dá) 96.82% ，投苗成功率達(dá) 95.00% ，傷苗率為0.91% ，取投苗總體成功率為 94.09% ，滿足高速移栽作業(yè)要求。

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