第 期 王春輝 等 設(shè)施膜上移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗 設(shè)施膜上移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗 王春輝 尹義蕾 丁小明 陳永生 付亞斌 陳杰 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院 北京市 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室 北京市 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 南京市 寶雞市鼎鐸機(jī)械有限公司 陜西寶雞 摘要 針對設(shè)施蔬菜穴盤苗移栽機(jī)膜上作業(yè)效果不好 穩(wěn)定性較差等問題 設(shè)計一種八桿栽植機(jī)構(gòu) 建立八桿栽植機(jī)構(gòu)的數(shù) 學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析與效果驗證 使用 動力仿真軟件 對八桿栽植機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)在取投苗效率為 株 栽植深度為 株距為 時進(jìn)行仿真分析 仿真分析結(jié)果表明 膜面連接長度滿足蔬菜移栽機(jī) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 按蔬菜移栽機(jī)膜面穴口開孔合格率中膜面連接長度測定方法對八桿栽植機(jī)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行試驗測試 試驗結(jié)果表 明 樣機(jī)株距設(shè)置為 時 膜面連接長度平均值為 與仿真結(jié)果誤差分 別為 關(guān)鍵詞 移栽機(jī) 八桿栽植機(jī)構(gòu) 膜面連接長度 中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 文章編號 王春輝 尹義蕾 丁小明 陳永生 付亞斌 陳杰 設(shè)施膜上移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 基金項目 國家重點研發(fā)計劃 第一作者 王春輝 男 年生 河北保定人 碩士 助理工程師 研究方向為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能裝備 通訊作者 尹義蕾 男 年生 山東泰安人 碩士 高級工程師 研究方向為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能裝備 引言 截至 年 我國設(shè)施蔬菜面積已超過 為保障菜籃子供應(yīng)和提高農(nóng)民收入發(fā)揮了重大作用 穴 盤育苗移栽是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一 相 較于直播 移栽可有效提高作物產(chǎn)量與收益 當(dāng) 前 我國設(shè)施穴盤苗移栽主要是膜上移栽 移栽株距 深度 覆土效果等要求高 相關(guān)的裝備研制仍處于起步 階段 作業(yè)主要依靠人工 成本高 效率低 勞動強(qiáng)度 大 因此 研制適用性強(qiáng) 移栽效率高的穴盤苗移栽機(jī) 是一個亟待解決的難題 取投苗與栽植機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)械的關(guān)鍵組成部分 其機(jī)械化與自動化能夠顯著提高移栽效率 降低勞動 強(qiáng)度 近年來 國內(nèi)很多學(xué)者都對栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了 一系列的應(yīng)用與研究 石河子大學(xué)的李華等 設(shè)計的 型全自動蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)采用了行星 輪系 五桿式栽植機(jī)構(gòu) 由于該機(jī)構(gòu)使用了較為復(fù)雜 的行星輪系因此加工與維護(hù)的成本較高 江蘇大學(xué)的 王震 設(shè)計了入土角度與栽植深度可調(diào)鴨嘴式高速移 栽裝置 其栽植機(jī)構(gòu)對土壤的劃痕較長實用性不高 不 適宜做溫室內(nèi)的膜上移栽 昆明理工大學(xué)的于英杰 等 設(shè)計了一種雙曲柄式花椰菜缽苗栽植機(jī)構(gòu) 該機(jī) 構(gòu)可保持末端的姿態(tài)不變 但其自由度為 需要有兩 個曲柄同步轉(zhuǎn)動 其加工與維護(hù)的成本較高 東北林 業(yè)大學(xué)的李樹森等 設(shè)計了一種新型六桿栽植機(jī)構(gòu) 該機(jī)構(gòu)可使末端在工作時保持姿態(tài)不變 但并沒有對 該機(jī)構(gòu)進(jìn)行實際的試驗 其實用性有待進(jìn)一步研究 為得到一種結(jié)構(gòu)簡單 實用性高 成本較低的栽植 機(jī)構(gòu) 本文提出一種八桿單自由度的栽植機(jī)構(gòu) 建立該 機(jī)構(gòu)的運動學(xué)方程 并進(jìn)行仿真分析與試驗 栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計與工作原理 整機(jī)結(jié)構(gòu) 移栽機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu) 送苗機(jī)構(gòu) 栽植機(jī)構(gòu)三部 分組成 行走機(jī)構(gòu)采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動 經(jīng)帶有差 速減速機(jī)減速后將動力輸出到驅(qū)動輪上 工作時需要 人工將苗投喂到送苗機(jī)構(gòu)的送苗盒中 送苗機(jī)構(gòu)再將 苗繼續(xù)投喂給栽植機(jī)構(gòu) 栽植機(jī)構(gòu)將苗栽植到壟上 第 卷 第 期 年 月 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 年 栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計 八桿栽植機(jī)構(gòu)如圖 所示 主要由機(jī)架 驅(qū)動輪 滑動連桿 平行四桿機(jī)構(gòu) 平行四桿機(jī)構(gòu) 栽植盒 組成 在兩個平行四桿機(jī)構(gòu)的共同作用下可使得栽植 盒在工作時姿態(tài)保持不變 栽植盒為鴨嘴式結(jié)構(gòu) 可 垂直與作業(yè)方向打開 圖 八桿栽植機(jī)構(gòu)平面圖 栽植盒 滑動連桿 驅(qū)動輪 機(jī)架 平行四桿機(jī)構(gòu) 平行四桿機(jī)構(gòu) 為便于說明和分析 八桿栽植機(jī)構(gòu)可簡化為圖 的機(jī)構(gòu)簡圖 八桿指的是圖中 八根桿件 圖 栽植機(jī)構(gòu)簡圖 栽植機(jī)構(gòu)活動構(gòu)件數(shù) 低副數(shù)量 高 副數(shù)量 代入自由度公式 可得栽植機(jī)構(gòu)的自由度為 因此只需要一個原 動件 便可實現(xiàn)復(fù)雜確定的動作 減速箱的輸出軸 帶動 繞 點轉(zhuǎn)動 點為栽植盒末端 以各個桿逆 時針轉(zhuǎn)動為正 軸正半軸為初始化的相位基準(zhǔn) 則各 個桿和構(gòu)件的初始相位為 世界坐標(biāo)系為 以減速器的輸出軸為原點作為機(jī)架坐標(biāo)系 構(gòu)件 為機(jī)架 各個桿之間通過轉(zhuǎn)動副連接 各個桿長 為 曲柄 可繞原點 轉(zhuǎn)動 桿可在構(gòu)件 中滑動 構(gòu)件 可繞點 自由轉(zhuǎn)動 其余各個桿之間鉸 支連接 點為桿 的中心位置 因為機(jī)構(gòu)中存在 平行四桿機(jī)構(gòu) 和 則構(gòu)件 桿件 桿件 桿件只能在 坐標(biāo)系內(nèi)實現(xiàn)平移而 不能轉(zhuǎn)動 所以夾角 保持不變 作業(yè)速度大 小為 方向沿世界坐標(biāo)系的 負(fù)方向 工作原理 送苗機(jī)構(gòu)在主動鏈輪的帶動下使鏈條上的送苗盒 圍繞送苗架運動 在需要投苗的位置安裝有撞塊 當(dāng)送 苗盒移動到投苗位置后開合機(jī)構(gòu)上的軸承與撞塊碰撞 迫使送苗盒打開 送苗盒里的苗落入栽植盒內(nèi) 越過此 位置后在彈簧作用下送苗盒關(guān)閉 在八桿栽植機(jī)構(gòu)中 桿 由減速器驅(qū)動 當(dāng)栽植 盒正好運動到最高位置時送苗機(jī)構(gòu)正好將送苗盒運送 到其正上方 然后打開送苗盒將苗投入到栽植盒內(nèi) 八桿栽植機(jī)構(gòu)末端的栽植盒繼續(xù)運動到最低位置 由 于存在兩個平行四桿機(jī)構(gòu) 可使得送苗盒落入栽植盒 內(nèi)的缽苗姿態(tài)保持不變 保證了移栽缽苗的直立度 當(dāng) 栽植盒運行到最低點時栽植盒打開 缽苗自由落入穴 孔中 穴孔在栽植盒入土出土?xí)r形成 栽植盒從最 低點繼續(xù)運行到最高點重復(fù)上述動作 送苗機(jī)構(gòu)的送 苗盒同時給兩套栽植機(jī)構(gòu)供苗 當(dāng)一套機(jī)構(gòu)的栽植盒 插入土中放苗時 送苗機(jī)構(gòu)正好將苗放入另一套機(jī)構(gòu) 的栽植盒中 在鏈條上的送苗盒依次間隔的放入各自 對應(yīng)的栽植機(jī)構(gòu)中 八桿栽植機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析 如圖 所示 在機(jī)架坐標(biāo)系 下 根據(jù)圖 栽 植機(jī)構(gòu)簡圖列出矢量封閉方程組 烅 烄 烆 根據(jù)矢量方程組中的第一個式子可得 烅 烄 烆 整理可得 槡 烅 烄 烆 根據(jù)矢量方程組中的第二個式子可得 烅 烄 烆 第 期 王春輝 等 設(shè)施膜上移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗 消去 整理可求得關(guān)于 的解為 槡 槡 烅 烄 烆 根據(jù)矢量方程組中的第三個式子可得 烅 烄 烆 機(jī)架坐標(biāo)系 原點 在世界坐標(biāo)系 的 方向上高度恒為 以速度恒定 運行 時間后的位置 坐標(biāo)為 則 點在世界坐標(biāo)系 的位置 方程 對式 求一階導(dǎo)可得 點的速度 烅 烄 烆 對式 求二階導(dǎo)可得 點的加速度 烅 烄 烆 可通過式 式 的求解得到栽植機(jī)盒末端 點的實際運動學(xué)參數(shù) 八桿栽植機(jī)構(gòu)軌跡仿真分析 實際工作過程中 由于存在水平方向的行進(jìn)速度 導(dǎo)致栽植機(jī)構(gòu)在完成缽苗插植工作時 并不能垂直入 土和出土 在作業(yè)方向上容易產(chǎn)生膜 撕裂 的現(xiàn)象 在膜上移栽時 若相鄰穴口間的地膜連接部分變短 覆 蓋地膜容易撕開 為探究八桿栽植機(jī)構(gòu)在設(shè)施膜 上移栽時膜面連接長度是否合格對其進(jìn)行仿真分析 在分析移栽軌跡對膜面連接長度的影響時 栽植盒在 最低點投苗打開方向與軌跡垂直 因此可忽略其對膜 面連接長度的影響 作業(yè)速度的確定 設(shè)從取苗到放苗動作所用的時間為 驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速 為 則有 烅 烄 烆 式中 機(jī)構(gòu)取投苗效率 株 驅(qū)動桿從投苗點到達(dá)取苗點時轉(zhuǎn)過的角 度 栽植機(jī)構(gòu)個數(shù) 由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中主要是一 壟雙行模式 本文實際樣機(jī)個數(shù)為 當(dāng)取投苗效率 株 時 根據(jù)式 可 求得驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速 作業(yè)時作業(yè)速度 驅(qū)動 軸轉(zhuǎn)速 株距滿足 式中 作業(yè)速度 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速 株距 通過實際調(diào)研可知 設(shè)施果菜的株距范圍為 根據(jù)式 可得在取投苗效率 株 時 作業(yè)速度范圍為 膜面長度仿真分析 將栽植機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入到 中并施加對應(yīng) 的運動副 添加驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速為 設(shè)置仿真時間為 仿真模型如圖 所示 圖 仿真模型 分 別 選 取 作 業(yè) 速 度 穴孔深 對其進(jìn)行軌跡仿真分析 得到的仿真軌跡如圖 圖 所示 最大栽植穴口在栽植盒入土和出土?xí)r形成 選取 栽植深度為 距離栽植盒最下端高 處寬 為 當(dāng)株距為 時 栽植盒在穴口水平 方向上產(chǎn)生約 的滑移 加上栽植盒寬度后穴口 寬度為 不考慮地膜物理特性則膜面連接長度 為 同理 采用同樣的仿真步驟 可得株距為 膜面連接長度為 株距為 膜 面連接長度為 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 年 圖 株距 仿真軌跡 圖 株距 仿真軌跡 圖 株距 仿真軌跡 根據(jù)行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) 蔬 菜 移 栽 機(jī) 作 業(yè) 質(zhì) 量 對膜面穴口開孔合格的測定要求 株距大 于等于 且小于 時 膜面長度大于株距 的 株距大于等于 時 膜面長度大于株距 的 可知八桿栽植機(jī)構(gòu)在對設(shè)施果菜苗進(jìn)行移栽 時均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的膜面穴口開孔合格指標(biāo) 試驗分析 為驗證八桿栽植機(jī)構(gòu)膜上移栽的效果 按照實際 三維設(shè)計的尺寸加工并裝配 在溫室內(nèi)進(jìn)行膜上移栽 試驗 選用平均苗高為 番茄苗進(jìn)行試驗 八 桿栽植機(jī)構(gòu)的減速機(jī)和行走機(jī)構(gòu)均由調(diào)速電機(jī)進(jìn)行驅(qū) 動 通過調(diào)節(jié)八桿栽植機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動器將驅(qū)動轉(zhuǎn)速調(diào) 整到 然后 分別將行走速度調(diào)節(jié)到 進(jìn)行作業(yè) 在三種速度下對應(yīng)的 株距為 根據(jù) 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) 中 蔬 菜 移 栽 機(jī) 作 業(yè) 質(zhì) 量 標(biāo) 準(zhǔn) 對膜面穴口開孔合格的測定要 求 需要連續(xù)測定 個地膜穴口開孔 由于整個移栽 機(jī)存在兩個八桿栽植機(jī)構(gòu)因此每種速度下應(yīng)栽植 棵苗 整個試驗需栽植 棵苗 試驗樣機(jī)如圖 所示 試驗現(xiàn)場如圖 所示 株距 測量如圖 所示 圖 八桿栽植機(jī)構(gòu)試驗樣機(jī) 圖 試驗現(xiàn)場 株距 株距 株距 圖 株距測量 對試驗連續(xù)測得的膜面連接長度編號為 第 期 王春輝 等 設(shè)施膜上移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗 在三種株距下測得的膜面連接長度統(tǒng)計如圖 圖 所示 圖 株距 時膜面長度統(tǒng)計 圖 株距 時膜面長度統(tǒng)計 圖 株距 時膜面長度統(tǒng)計 由于溫室內(nèi)地面平整 壟高誤差較小 因此每次試 驗過程中連續(xù)成功開孔 個 開孔合格率 為 較小工作量 統(tǒng)一選取每次前進(jìn)方向的左側(cè)進(jìn)行測量 圖中虛線為在該株距下的合格膜面連接長度 實線為實 際測 得 的 膜 面 連 接 長 度 八 桿 栽 植 機(jī) 構(gòu) 在 株 距 為 時 膜 面 平 均 連 接 長 度 仿 真 值 株 距 為 時 膜 面 平 均 連 接 長 度 仿真值 株距為 時 膜面平均 連接長度 仿真值 在三種株距下 根據(jù) 計算出的膜面穴口開孔合格率均為 在 株距時 膜面連 接長度仿真與試驗測試結(jié)果誤差分別為 驗證了仿真結(jié)果的正確性和設(shè)計的合理性 誤 差初步分析可能是受地膜的本身屬性 壟面平整度和 行走速度不均勻引起 結(jié)論 提出了一種結(jié)構(gòu)簡單 加工成本低的八桿栽植 機(jī)構(gòu) 建立了該機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型 并介紹其工作原理 在取投苗效率為 株 時 對 株 距 為 時 對八桿栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了 仿真分析 仿真分析結(jié)果表明 株距為 膜面連 接長度為 大于 株距為 膜面連接長度 大于 株距為 膜面連接長度 大于 在株距為 范圍內(nèi) 膜面連接長度隨株距 的增大而增大 在三種株距下 根據(jù) 計算出的膜面穴口開孔合格率均為 均滿 足蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 中的 膜面穴口開孔指標(biāo)要求 對八桿栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了田間試驗 在株距分別 為 時 根據(jù) 計算出的膜面穴口開孔合格率均為 實際 作業(yè)膜面連接長度與仿真誤差分別為 驗證了仿真結(jié)果的正確性和設(shè)計的合理性 參 考 文 獻(xiàn) 王寧 任玲 李江全 等 穴盤苗移栽機(jī)自動取苗技術(shù)研究 現(xiàn)狀與展望 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 邵園園 劉藝 玄冠濤 等 多功能鴨嘴式蔬菜移栽機(jī)設(shè)計 與仿真分 析 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 廖慶喜 王洋 胡喬磊 等 油菜基質(zhì)塊苗移栽機(jī)取苗裝置 設(shè)計與試驗 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 年 廖禺 占建仁 賀捷 等 蔬菜育苗移栽機(jī)械的研究與發(fā) 展 南方農(nóng)機(jī) 袁挺 王棟 文永雙 等 蔬菜移栽機(jī)氣吹振動復(fù)合式取苗機(jī) 構(gòu)設(shè)計與試驗 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 李華 曹衛(wèi)彬 李樹峰 等 型全自動蔬菜穴盤 苗鋪膜移栽機(jī)的研制 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 王震 入土角度與栽植深度可調(diào)鴨嘴式高速栽植裝置設(shè)計 及試驗 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 于英杰 秦偉 賴慶輝 等 花椰菜缽苗移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)設(shè) 計與試驗 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 李樹森 李昱瑩 丁禹程 等 新型六桿移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計與 運動仿真分析 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 華爾天 鹿浩 李生輝 等 基于進(jìn)化理論的變自由度機(jī) 構(gòu)設(shè)計與 原 型 系 統(tǒng) 研 究 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報 黎寧慧 旱地移栽機(jī)的設(shè)計及其關(guān)鍵部件的研制 南 京 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 李鵬斌 顏華 王品隆 等 移栽機(jī)小株距栽植機(jī)構(gòu)桿件 優(yōu)化與試驗 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報 謝守勇 陽尚宏 劉軍 等 蔬菜移栽機(jī)斜插夾缽式取投 苗裝置研制 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 于紅英 唐德威 王建宇 平面五桿機(jī)構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué) 特性分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報 廖慶喜 張照 胡喬磊 等 油菜紙缽苗移栽機(jī)氣動取苗 機(jī)構(gòu)設(shè)計與軌跡分析 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報