第37卷 第1期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 37 No 1 2021年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2021 1 溫室水培葉菜高速稀植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 童俊華1 3 孟青新1 辜 松2 武傳宇1 3 馬 可1 1 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 杭州 310018 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 廣州 510642 3 浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310018 摘 要 溫室水培葉菜幼苗種植需將缽苗從穴盤移栽至栽培槽中 傳統(tǒng)人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大 效率低 而通過移栽機(jī)自 動(dòng)化作業(yè)效率高 質(zhì)量好 該研究設(shè)計(jì)了一種多移植手的穴盤取苗高速稀植移栽機(jī)構(gòu) 可實(shí)現(xiàn)穴盤內(nèi)成排取苗和栽培槽 變間距并行植苗作業(yè) 高速稀植移栽機(jī)采用受拉緩沖帶串接針爪式多移植手減緩變間距栽植過程中的不等速?zèng)_擊 通過 油壓緩沖器減緩多移植手縱橫向高速移動(dòng)在末端位置的沖擊 在移植手結(jié)構(gòu)和葉菜缽苗狀況確定的情況下 對(duì)稀植作業(yè) 過程中多移植手間的受拉緩沖帶彈性系數(shù)K 水平方向平均速度v1 水平運(yùn)動(dòng)末端油壓緩沖器吸收能量N1 垂直方向平 均速度v2和垂直運(yùn)動(dòng)末端油壓緩沖器吸收能量N2這5個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn) 結(jié)果表明 水平方向的平均速度v1和水平 運(yùn)動(dòng)末端油壓緩沖器吸收能量N1間的耦合關(guān)系和緩沖帶彈性系數(shù)K對(duì)高速稀植過程的移栽成功率影響較大 多移植手機(jī) 構(gòu)最優(yōu)參數(shù)組合為K為0 128 N m v1為0 49 m s v2為0 74 m s N1為6 J N2為15 J 此時(shí)移栽效率為3 956株 h 植 苗成功率為96 7 滿足高效稀植的作業(yè)需求 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)械 設(shè)計(jì) 試驗(yàn) 溫室 移栽 穴盤苗 多移植手 水培葉菜 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 中圖分類號(hào) S147 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2021 01 0001 09 童俊華 孟青新 辜松 等 溫室水培葉菜高速稀植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2021 37 1 1 9 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 http www tcsae org Tong Junhua Meng Qingxin Gu Song et al Design and experiment of high speed sparse transplanting mechanism for hydroponics pot seedlings in greenhouses J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 1 1 9 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 http www tcsae org 0 引 言 設(shè)施園藝智能化是當(dāng)前世界農(nóng)業(yè)智能化裝備的研 發(fā)熱點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重點(diǎn) 中國(guó)設(shè)施園藝裝備近年也在 迅速發(fā)展 1 3 設(shè)施園藝中采用營(yíng)養(yǎng)液為根系直接提供 營(yíng)養(yǎng)和水分的水培技術(shù) 已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)的 推廣與應(yīng)用 4 6 葉菜水培作業(yè)環(huán)節(jié)中 需將穴盤苗批 量稀植移栽到栽培槽里 通常人工作業(yè)強(qiáng)度大 效率低 國(guó)外學(xué)者較早開展缽苗機(jī)械化移栽的相關(guān)研究 Ting 等 7 8 研究了一種基于SCARA工業(yè)機(jī)器人手臂本體安 裝單末端執(zhí)行器進(jìn)行不同規(guī)格穴盤間的移栽模式 證明 了溫室缽苗機(jī)械移栽的可行性 Choi等 9 設(shè)計(jì)了一種五 連桿取缽機(jī)構(gòu) 取苗成功率為97 Dong等 10 研制了 一種由移栽機(jī)構(gòu) 送盆機(jī)構(gòu) 送盤機(jī)構(gòu) 機(jī)架和控制器 組成多移植手蔬菜移栽機(jī) 移栽速度為2 800盆 h 日 本研發(fā)了一種半自動(dòng)移栽機(jī)PVHR2 E18 移栽效率為 3 600株 h 11 意大利法拉利公司生產(chǎn)的FPS型移栽機(jī) 收稿日期 2020 09 14 修訂日期 2020 11 05 基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 2017YFD0701504 廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì) 劃項(xiàng)目 2019B020222004 浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目 2018C02046 作者簡(jiǎn)介 童俊華 博士 副教授 主要從事農(nóng)業(yè)裝備智能化技術(shù)方面的研 究 Email jhtong 通信作者 武傳宇 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備與機(jī)器人 技術(shù)研究 Email cywu 移栽效率為2 500株 h 12 Dihingia等 13 研制一種半自動(dòng) 旱地缽苗移栽機(jī) 可實(shí)現(xiàn)兩行并聯(lián)移栽作業(yè) 移栽效率 為31株 min 近些年 國(guó)內(nèi)學(xué)者也開展了適合本土育苗 農(nóng)藝的缽苗自動(dòng)移栽技術(shù)研究 孫國(guó)祥等 14 基于有限元 分析 設(shè)計(jì)一種末端機(jī)械手指 機(jī)械手指平均移栽成功 率為95 76 平均傷苗率為3 06 錢少明等 15 通過建 立氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中氣壓值與抓持能力之間關(guān)系 研制采摘 黃瓜末端執(zhí)行器 抓持成功率為90 胡敏娟等 16 設(shè)計(jì) 了一種變形滑針式取苗器 繆小花等 17 18 對(duì)穴盤苗缽基 質(zhì)進(jìn)行力學(xué)分析 韓綠化等 19 20 設(shè)計(jì)了一種輕簡(jiǎn)型自動(dòng)移 栽 對(duì)于128 72孔穴盤苗 移栽效率分別達(dá)到122株 h和 1 025株 h 高國(guó)華等 21 研制了一套斜入式穴盤苗移栽手 爪 試驗(yàn)測(cè)試移栽成功率可達(dá)98 胡建平等 22 設(shè)計(jì)了 一種8爪并聯(lián)作業(yè)式高效全自動(dòng)缽苗移栽設(shè)備 移栽成 功率可達(dá)90 23 馬銳等 23 設(shè)計(jì)了一種整排夾持的全自 動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器 并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 許春林等 24 提出了一種Hermite 插值行星輪系全自動(dòng)草莓缽苗移栽 機(jī)構(gòu) 取苗成功率為92 黨玉功等 25 研制一種單自由 度開式鉸鏈四桿取苗機(jī)械臂 取苗成功率91 32 馬曉 曉等 26 對(duì)一種番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化 周 昕等 27 研制了一種剛度大 精度高及累積誤差小的并聯(lián) 移栽機(jī)器人 試驗(yàn)測(cè)試移栽機(jī)構(gòu)加速度高于20 mm s2時(shí) 移栽缽苗合格率明顯降低 童俊華等 28 研究一種指鏟式 末端執(zhí)行器 通過增大指鏟與苗缽基質(zhì)的接觸面積 減少 農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021年 2 穴孔內(nèi)基質(zhì)的殘留 上述研究主要圍繞單移植手抓取移 栽可靠性能開展 對(duì)基于多移植手高速稀植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 優(yōu)化研究較少 本文以華南地區(qū)種植較多的水培葉菜缽苗為對(duì)象 設(shè)計(jì)一種針爪式多移植手機(jī)構(gòu)進(jìn)行稀植移栽作業(yè) 對(duì)影 響移栽成功率的多移植手變間距移植過程中的沖擊因素 進(jìn)行正交試驗(yàn)分析 獲得高速稀植移栽的最佳機(jī)構(gòu)參數(shù) 組合 1 多移植手高速稀植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái) 水培葉菜缽苗多移植手稀植作業(yè)主要包括2個(gè)步驟 一是多移植手并攏從穴盤中成排取苗 二是多移植手變 間距分開在栽培槽中植苗 本研究設(shè)計(jì)的多移植手稀植 機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)由3個(gè)部分組成 多移植手稀植作業(yè)部件 穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件 如圖1所示 其中多 移植手稀植作業(yè)部件橫跨在穴盤輸送部件和栽培槽輸送 部件上方 將供苗穴盤中葉菜缽苗移栽至空栽培槽內(nèi) 穴盤輸送部件用于輸送供苗穴盤 其兩側(cè)設(shè)置光電傳感 器用于檢測(cè)供苗穴盤是否到位 栽培槽輸送部件間歇輸 送空栽培槽 本試驗(yàn)平臺(tái)基于三菱FX3U 63MT型PLC 進(jìn)行自動(dòng)時(shí)序控制 其結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)如表1所示 1 栽培槽工作臺(tái) 2 進(jìn)給氣缸 3 下料框 4 輸送機(jī) 5 穴盤 6 多移植手稀 植作業(yè)部件 7 導(dǎo)向件 1 Cultivation trough workbench 2 Feeding cylinder 3 Blanking frame 4 Conveyor 5 Seedling tray 6 Sparse transplanting component with multiple end effectors 7 Guiding part 圖1 多移植手高速稀植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái) Fig 1 Test platform of high speed spare transplanting mechanism with multiple end effectors 表1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù) Table 1 Structure and operation parameters of test platform 參數(shù)Parameters 數(shù)值Values 外形尺寸 長(zhǎng) 寬 高 Boundary dimension length width height mm 1 250 1 600 1 382 移植手?jǐn)?shù)量Number of end effectors 6 穴盤規(guī)格Seedling tray specification 6穴 行 1 12行 栽培槽尺寸 長(zhǎng) 寬 高 Cultivation trough dimension length width height mm 660 75 50 輸入氣壓Input air pressure MPa 0 6 0 8 電機(jī)功率Motor power kW 0 75 電機(jī)轉(zhuǎn)速M(fèi)otor speed r min 1 800 以甘藍(lán)缽苗稀植為例 試驗(yàn)平臺(tái)作業(yè)時(shí) 將供苗穴 盤放置穴盤輸送部件 傳感器檢測(cè)到供苗穴盤后 將其 輸送至取苗位置 同時(shí)栽培槽輸送部件將栽培槽輸送至 植苗位置 多移植手稀植作業(yè)部件動(dòng)作 氣缸驅(qū)動(dòng)多移 植手至最佳取苗位置 移植手成排抓取穴盤內(nèi)缽苗 而 后氣缸帶動(dòng)多移植手整體上升移至植苗位置 同時(shí)多移 植手等間距分開 將甘藍(lán)缽苗整體植入對(duì)應(yīng)的栽培槽槽 孔內(nèi) 而后多移植手整體返回初始位置 同時(shí)穴盤輸送 部件帶動(dòng)穴盤進(jìn)給1排穴孔的距離 下一排缽苗進(jìn)入移 栽作業(yè) 栽培槽輸送部件推送送料筒內(nèi)部下個(gè)空栽培槽 至植苗位置 等待下一排缽苗栽植 如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)穴盤 內(nèi)成排取苗和栽培槽中變間距并行植苗作業(yè) 2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì) 2 1 穴盤輸送部件 根據(jù)移植作業(yè)要求 設(shè)計(jì)穴盤輸送部件移送穴盤至 移植手工作位置 如圖1所示 穴盤輸送部件主要由輸 送機(jī)和導(dǎo)向件組成 整體外形尺寸 長(zhǎng) 寬 高 1 220 mm 440 mm 740 mm 輸送機(jī)由72齒3M帶輪 主從動(dòng)滾筒 0 75 kW的80EMA 02A型伺服電機(jī) 2 25 m 長(zhǎng)的5935型網(wǎng)鏈輸送帶等組成 根據(jù)輸送穴盤外寬尺寸 540 mm 280 mm 主 從動(dòng)滾筒設(shè)計(jì)為長(zhǎng)346 mm 外徑25 mm 配裝4個(gè)與網(wǎng)鏈輸送帶嚙合的T10型鏈輪 輸送機(jī)輸送穴盤時(shí) 在輸送帶運(yùn)動(dòng)方向2側(cè)布置設(shè)計(jì)2040 導(dǎo)向型材件和直徑為30 mm的PU60832型導(dǎo)向輪進(jìn)行穴 盤位置及運(yùn)動(dòng)方向的限制 主動(dòng)帶輪與伺服電機(jī)固連 通過同步帶帶動(dòng)與從動(dòng)帶輪固連的主動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng) 使穴 盤實(shí)現(xiàn)按需水平間歇輸送 在整排缽苗被取走后 進(jìn)給 一個(gè)穴孔位進(jìn)行下一排缽苗夾取 為了避免輸送速度過 快導(dǎo)致穴盤和輸送帶打滑和停車時(shí)穴盤滑移 通過預(yù)試 驗(yàn) 確定穴盤輸送速度為0 45 m s 2 2 栽培槽輸送部件 如圖1所示 栽培槽輸送部件由栽培槽工作臺(tái) 進(jìn) 給氣缸和下料框組成 整體外形尺寸 長(zhǎng) 寬 高 1 520 mm 725 mm 900 mm 其工作原理 栽培槽填滿下 料框 進(jìn)給氣缸推動(dòng)最底層栽培槽運(yùn)動(dòng)至工作位置 而 后復(fù)位 在重力作用下料框中剩余栽培槽整體下降一個(gè) 槽高 移植結(jié)束后 進(jìn)給氣缸推動(dòng)下料框中下一個(gè)栽培 槽至工作位置 為了保證氣缸推桿在栽培槽中心位置順 利推動(dòng) 選用亞德客ACE型25 mm缸徑氣缸 行程為 150 mm 進(jìn)給氣缸推力F0 20 00 85 4F pD 1 式中p為輸入氣體平均壓力 0 7 MPa D0為氣缸缸徑 25 mm 最底層栽培槽摩擦力Ff 0fF KM g 2 式中K為下料框最多可容納放栽培槽數(shù)量 M0為栽培槽 質(zhì)量 kg g為重力系數(shù) 9 8 N kg 為摩擦系數(shù) 由式 1 可得進(jìn)給氣缸推力F0為291 N 本文設(shè)計(jì) 的下料框最多可容納6個(gè)栽培槽 栽培槽質(zhì)量為0 44 kg 其摩擦系數(shù)為0 4 由式 2 可得最底層栽培槽做大摩 第1期 童俊華等 溫室水培葉菜高速稀植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 3 擦力Ff為10 N 小于進(jìn)給氣缸推力F0 進(jìn)給氣缸滿足要 求 為避免進(jìn)給速度過快導(dǎo)致停車時(shí)栽培槽滑移 通過 預(yù)試驗(yàn) 確定栽培槽平均進(jìn)給速度為0 23 m s 2 3 多移植手稀植作業(yè)部件 2 3 1 總體結(jié)構(gòu) 多移植手稀植作業(yè)部件是移栽機(jī)的核心機(jī)構(gòu) 主要 包括垂直氣缸 齒條 齒輪 垂直滑軌 垂直油壓緩沖 器 多移植手 水平滑軌 水平橫移氣缸 水平緩沖器 和機(jī)架 整體外形尺寸 長(zhǎng) 寬 高 為1 600 mm 600 mm 1 375 mm 如圖2所示 多移植手機(jī)構(gòu)通過水平橫移氣 缸和垂直氣缸分別在水平滑軌和垂直滑軌上進(jìn)行往復(fù)運(yùn) 動(dòng) 利用油壓緩沖器吸收氣缸帶動(dòng)部件運(yùn)行產(chǎn)生的沖擊 力 實(shí)現(xiàn)柔性停車 齒輪和齒條嚙合組成同步器 維持 多移植手整體兩側(cè)同步升降 1 左垂直氣缸 2 齒條 3 齒輪 4 垂直滑軌 5 左垂直油壓緩沖器 6 多 移植手機(jī)構(gòu) 7 水平滑軌 8 水平氣缸 9 右垂直油壓緩沖器 10 水平油壓 緩沖器 11 右垂直氣缸 12 機(jī)架 1 Vertical cylinder in left 2 Rack 3 Gear 4 Vertical slide rail 5 Vertical oil shock absorber in left 6 Multiple end effectors mechanism 7 Horizontal slide rail 8 Horizontal cylinder 9 Vertical oil shock absorber in right 10 Horizontal oil shock absorber 11 Vertical cylinder in right 12 Frame 圖2 多移植手稀植作業(yè)部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig 2 Simplified structure diagram of the sparse transplanting component with multiple end effectors 多移植手機(jī)構(gòu)在穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件之 間往復(fù)運(yùn)動(dòng) 1個(gè)行程運(yùn)行時(shí)間小于4 s 因此水平橫移 氣缸選取亞德客SC氣缸 缸徑為32 mm 行程為580 mm 本文設(shè)計(jì)的多移植手機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)總質(zhì)量M1為6 5 kg 摩擦系數(shù)為0 3 根據(jù)公式 1 2 計(jì)算 水平橫移 氣缸推力為478 N 大于其水平摩擦阻力19 1 N 預(yù)試驗(yàn) 測(cè)得多移植手機(jī)構(gòu)最大平均運(yùn)行速度可為1 07 m s 最短 運(yùn)行時(shí)間為0 54 s 多移植手機(jī)構(gòu)選取亞德客ACE 型氣缸 缸徑為 40 mm 行程為80 mm來實(shí)現(xiàn)上下升降功能 通過理論 計(jì)算 該研究設(shè)計(jì)的多移植手機(jī)構(gòu)垂直單側(cè)質(zhì)量M2為 13 5 kg 其和機(jī)架滑軌間摩擦系數(shù)為0 2 根據(jù)公式 1 2 計(jì)算 水平橫移氣缸推力為879 2 N 大于其豎直阻 力158 76 N 摩擦力和重力之和 預(yù)試驗(yàn)測(cè)得多移植 手機(jī)構(gòu)豎直最大平均運(yùn)行速度為1 31 m s 最短運(yùn)行時(shí)間 為0 06 s 由上述分析可知 該多移植手機(jī)構(gòu)運(yùn)行1個(gè)行 程最短時(shí)間為1 32 s 符合機(jī)構(gòu)3 800株 h的高速稀植設(shè) 計(jì)要求 2 3 2 多移植手機(jī)構(gòu) 多移植手機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)缽苗整排夾取和變間距植苗的 關(guān)鍵部件 主要包括6個(gè)移植手組件 分離氣缸 安裝 板和受拉緩沖帶 如圖3所示 移植手組件通過受拉緩沖 帶連接 與分離氣缸缸體相連移植手組件固定 氣缸拉扯 推桿末端移植手組件 從而分散相鄰移植手至與相鄰栽培 槽間距一致 氣缸回縮帶動(dòng)推桿末端移植手組件依次壓縮 移植手組件間距 直至與穴盤相鄰穴孔間距一致 多移植手合并時(shí)相鄰中心間距與穴盤相鄰穴孔中心 間距一致 為42 5 mm 展開時(shí)與栽培槽孔相鄰間距一致 為100 mm 為了確保6組移植手正常移植作業(yè) 分離氣 缸行程需為288 mm 考慮安裝空間和分離效率滿足生產(chǎn) 需求 選取缸徑為20 mm的亞德客MG型氣缸 通過理 論計(jì)算 該單移植手組件質(zhì)量為0 8 kg 其與機(jī)架導(dǎo)軌摩 擦系數(shù)為0 2 根據(jù)式 1 2 計(jì)算 分離氣缸推力 為78 5 N 大于其分離總摩擦阻力9 4 N 該分離氣缸滿 足要求 為避免分離速度過快導(dǎo)致缽苗基質(zhì)振動(dòng)破損 通過預(yù)試驗(yàn)確定多移植手平均分離速度為0 42 m s 1 移植手組件 2 分離氣缸 3 安裝板 4 受拉緩沖帶 1 End effector component 2 Separation cylinder 3 Fixing board 4 Tension buffer zone 圖3 多移植手機(jī)構(gòu)示意圖 Fig 3 Schematic diagram of multiple end effectors mechanism 移植手組件間固定等長(zhǎng)的受拉緩沖帶在分離氣缸推 動(dòng)下實(shí)現(xiàn)多移植手等間距分離 多移植手組件分離存在 慣性沖擊 沖擊過大則影響缽苗移栽過程基質(zhì)完整度和 移植成功率 其分離受力情況如圖4所示 1 受拉緩沖帶 2 移植手組件 1 Tension buffer zone 2 End effector component 注 F為氣缸推力 N F T為第一段受拉緩沖帶拉力 N f為摩擦力 N a 1為第一個(gè)移植手組件加速度 m s 2 x0為受拉緩沖帶起始長(zhǎng)度 m x1為第一段受拉緩沖帶張緊長(zhǎng)度 m x 2為第二段受拉緩沖帶張緊長(zhǎng)度 m Note F is the cylinder thrust N F T is the tension force of first section tension buffer zone N f is the friction force N a 1 is the acceleration of first end effector component m s 2 x 0 is the initial length of tension buffer zone m x1 is the tension length of first section tension buffer zone m x 1 is the tension length of second section tension buffer zone m 圖4 多移植手機(jī)構(gòu)分離過程受力分析示意圖 Fig 4 Schematic diagram of force analysis of multiple end effectors in separation process 由圖4可得 第一個(gè)移植手組件的受力平衡方程為 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021年 4 T 1 T 1 0 F f F ma F K x x 3 式中K為受拉緩沖帶彈性系數(shù) N m m為單移植手組件 質(zhì)量 kg 第二個(gè)移植手組件的受力平衡方程為 1 2 0 2 Kx f K x x ma 4 式中a2為第二個(gè)移植手組件加速度 m s2 以此類推 第n個(gè)移植手組件的受力平衡方程為 1 0 2 3 4 5 6 i i nK x x x f ma i 5 式中xi 1為受拉緩沖帶第i 1段張緊長(zhǎng)度 m xi為受拉緩 沖帶第i段張緊長(zhǎng)度 m an為第n個(gè)移植手組件加速度 m s2 由式 3 5 可知 當(dāng)K 0時(shí) 第一移植手組 件到達(dá)一定運(yùn)行速度后 帶動(dòng)第二移植手組件與其等速 度運(yùn)動(dòng) 第二移植手組件到達(dá)一定運(yùn)行速度后 瞬間帶 動(dòng)第三移植手組件與其等速度運(yùn)動(dòng) 依次類推 這種剛 性分離過程中的瞬時(shí)加速度比較大 缽苗承受劇烈局部 沖擊振動(dòng) 破壞基質(zhì)之間黏結(jié)力 易導(dǎo)致缽苗移植過程 中基質(zhì)塊散落 當(dāng)K 0時(shí) 第一移植手組件在分離氣缸 作用力下 緩慢帶動(dòng)余下移植手組件進(jìn)行柔性分離 減 緩缽苗移栽過程沖擊振動(dòng)現(xiàn)象 因此本研究受拉緩沖帶 由剛性和柔性2種緩沖帶組成 如圖3b所示 圖中深色 標(biāo)識(shí)線代表剛性緩沖帶 淺色標(biāo)識(shí)線代表柔性緩沖帶 分離氣缸推動(dòng)多移植手組件逐步分開 其中柔性緩沖帶 緩沖分離過程中的沖擊 而等長(zhǎng)的剛性緩沖帶則保證了 多移植手組件在氣缸停止推動(dòng)后可等間距的分布開 2 3 3 多移植手稀植作業(yè)部件碰撞過程仿真分析 通過多移植手稀植作業(yè)部件碰撞仿真分析 為水平 緩沖器和豎直緩沖器的選型提供依據(jù) 由于多移植手稀 植作業(yè)部件主要以氣缸作為動(dòng)力源 因此在移栽作業(yè)過 程中機(jī)構(gòu)停車時(shí)易產(chǎn)生較大沖擊力 若沖擊力過大 機(jī) 械振動(dòng)劇烈 易導(dǎo)致抓取的缽苗基質(zhì)散落 影響缽苗移 栽成功率 多移植手稀植作業(yè)部件沖擊振動(dòng)產(chǎn)生原因主 要為水平橫移氣缸和垂直氣缸運(yùn)行到達(dá)末端后與機(jī)架發(fā) 生的碰撞 在Solidworks軟件中進(jìn)行三維模型構(gòu)建 并 輸出為x t格式文件 將x t文件導(dǎo)入到Adams軟件中 多移植手機(jī)構(gòu)與機(jī)架分別設(shè)定豎直和水平2個(gè)方向?yàn)榕?撞約束 參考鋁材料進(jìn)行阻尼和密度參數(shù)設(shè)置 具體仿 真參數(shù)設(shè)置如表2所示 表2 多移植手稀植作業(yè)部件仿真參數(shù)設(shè)置 Table 2 Parameter setting of simulation for the sparse transplanting component with multiple end effectors 主要參數(shù)Main parameters 數(shù)值Values 多移植手機(jī)構(gòu)和機(jī)架垂直約束 碰撞 多移植手機(jī)構(gòu)和機(jī)架水平約束 碰撞 缸體和機(jī)架約束 固定 阻尼 N mm 1 150 推板密度 g cm 3 2 7 機(jī)架密度 g cm 3 2 7 由于泥炭基質(zhì)持水能力差且易坍塌 29 水平停車沖 擊力過大 缽苗水平輸送過程基質(zhì)塊易散落 造成缽苗 在移動(dòng)過程中掉落或在植入栽培槽后倒伏嚴(yán)重 因此需 要降低碰撞產(chǎn)生的沖擊力 本文設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的氣泵源壓力 輸入范圍為0 6 0 8 MPa 多移植手機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)總質(zhì)量 約為6 5 kg 其水平末端運(yùn)行速度與第一個(gè)移植手機(jī)組件 運(yùn)行速度相等 為 12v al 6 式中l(wèi)為多移植手機(jī)構(gòu)水平末端運(yùn)行位移 m a1由式 7 計(jì)算 21 1 14a PD M 7 式中P為氣泵源輸入壓力 MPa D1為水平橫移氣缸缸 徑 mm M1為多移植手機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)總質(zhì)量 kg 由前文可知 水平橫移氣缸缸徑為32mm 位移為 580 mm 氣泵源最大輸入壓力為0 8 MPa 由式 6 7 計(jì)算得水平末端運(yùn)行最大平均速度為1 07 m s 設(shè)定 稀植作業(yè)部件的多移植手水平運(yùn)行速度為1 07 m s 則其 末端與機(jī)架進(jìn)行碰撞仿真 產(chǎn)生的沖擊力變化如圖5a所示 由圖5a可知 多移植手機(jī)構(gòu)與機(jī)架水平碰撞產(chǎn)生的最大沖 擊力為250 N 水平橫移氣缸推動(dòng)多移植手機(jī)構(gòu)撞擊機(jī)架的動(dòng)能為 21K 2MvE 8 式中v為多移植手機(jī)構(gòu)水平撞擊瞬間速度 m s 水平橫移氣缸推動(dòng)多移植手機(jī)構(gòu)撞擊機(jī)架的驅(qū)動(dòng) 能量為 ED FS 9 式中F為多移植手機(jī)構(gòu)沖擊力 N S為碰撞緩沖位移 初 始值為0 01 m m 由此可得沖擊力總能量為 ET EK ED 10 由式 7 10 可知 水平橫移氣缸牽引多移植 手機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)最大速度造成沖擊總能量為6 22 J 為降 低水平碰撞產(chǎn)生的沖擊力 在多移植手機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)末 端位置安裝吸收能量可調(diào)節(jié)型西捷克AD1210 油壓緩沖 器 其行程10 mm 最大吸收能量12 J 此時(shí)水平橫移氣 缸牽引移植手水平運(yùn)動(dòng)最大沖擊力產(chǎn)生的總能量小于 AD1210油壓緩沖器最大吸收能量 該油壓緩沖器可起到 緩解多移植手移動(dòng)作業(yè)部件與機(jī)架水平碰撞產(chǎn)生剛性沖 擊力 減少振動(dòng)沖擊對(duì)缽苗夾持成功率的影響 多移植手稀植作業(yè)部件兩側(cè)各安裝一個(gè)垂直氣缸 若多移植手機(jī)構(gòu)垂直沖擊力過大 缽苗植入栽培槽內(nèi)時(shí) 缽苗基質(zhì)振散 缽苗易掉落槽孔外部或傾倒斜于栽培槽 內(nèi)部 不利于缽苗后期生長(zhǎng) 本文設(shè)計(jì)的多移植機(jī)構(gòu)垂 直單側(cè)質(zhì)量為15 3 kg 垂直運(yùn)動(dòng)加速度為 22 2 2 24a PD M g M 11 式中D2為垂直氣缸缸徑 mm M2為多移植機(jī)構(gòu)垂直單 側(cè)質(zhì)量 kg 由前文可知 本文設(shè)計(jì)水平橫移氣缸缸徑為40 mm 位移為80 mm 汽泵源最大輸入壓力為0 8 MPa 根據(jù)公 第1期 童俊華等 溫室水培葉菜高速稀植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 5 式 6 和 11 計(jì)算得多移植手機(jī)構(gòu)垂直最大運(yùn)行速度 為1 31 m s 設(shè)定稀植作業(yè)部件一側(cè)多移植手機(jī)構(gòu)水平運(yùn) 行速度為1 31 m s 其和機(jī)架垂直碰撞產(chǎn)生的沖擊力變化 如圖5b所示 由圖5b可知 多移植手機(jī)構(gòu)與機(jī)架垂直 碰撞產(chǎn)生的最大沖擊力為370 5 N 圖5 多移植手機(jī)構(gòu)與機(jī)架碰撞沖擊力仿真曲線 Fig 5 Simulation curve of impact force between multiple end effectors mechanism and frame 根據(jù)式 8 11 可知 垂直氣缸牽引多移植手 機(jī)構(gòu)垂直碰撞最大速度產(chǎn)生的總能量為16 83 J 為降低 垂直碰撞產(chǎn)生的沖擊力 在多移植手機(jī)構(gòu)垂直運(yùn)行末端 位置安裝吸收能量可調(diào)節(jié)型西捷克AD1410油壓緩沖器 其行程10 mm 最大吸收能量20 J 垂直碰撞產(chǎn)生最大沖 擊力產(chǎn)生的總能量小于AD1410 油壓緩沖器最大吸收能 量 該油壓緩沖器可起到緩解多移植手移動(dòng)作業(yè)部件與 機(jī)架垂直碰撞產(chǎn)生的剛生沖擊力 減少振動(dòng)沖擊對(duì)成功 率的影響 3 移栽性能試驗(yàn) 3 1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)選用杭州市蕭山區(qū)雷東村農(nóng)場(chǎng)培育的甘藍(lán)幼苗 栽培基質(zhì)為泥炭 蛭石與珍珠巖組成 基質(zhì)配比6 3 1 基質(zhì)含水率為81 01 30 育苗溫度為28 5 培育周期 2 5周 穴盤尺寸為540 mm 280 mm 72孔 PS材質(zhì) 試驗(yàn)缽苗為株高H 80 96 mm 株寬L 45 58 mm 葉 片數(shù)4 6片 缽苗基質(zhì)塊高度h1為38 44 mm 上邊平 均寬l1 41 mm 底邊平均寬l2 22 mm 如圖6所示 圖6 甘藍(lán)缽苗幾何尺寸 Fig 6 Geometry size of cabbage seedling tray 預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 栽培槽葉菜缽苗基質(zhì)塊質(zhì)量小于原缽 苗基質(zhì)塊質(zhì)量40 時(shí) 缽苗在栽培槽內(nèi)易發(fā)生傾斜 葉 片傾倒于管內(nèi) 不利于后期的生長(zhǎng)管理 定義移栽成功 指標(biāo)Q為多移植手稀植作業(yè)部件成功拾取缽苗并輸送投 放至栽培槽中 且移栽后的缽苗基質(zhì)塊質(zhì)量 原缽苗基 質(zhì)塊質(zhì)量40 1 2 3 4 100 S S S S SQ S 12 式中S為缽苗總數(shù)量 S1為穴盤中未取出缽苗數(shù) S2為 移栽過程中掉落在栽培槽外部缽苗數(shù) S3為移栽過程中 移植手帶苗數(shù) S4為移栽后缽苗基質(zhì)塊質(zhì)量 原基質(zhì)塊 質(zhì)量40 缽苗數(shù) 參考前期研究成果 30 31 本文采用4根伸縮針式機(jī) 械移植手進(jìn)行缽苗移栽作業(yè) 重點(diǎn)分析多移植手機(jī)構(gòu)組 件高速稀植作業(yè)過程中停車沖擊對(duì)缽苗移栽成功率和效 率的影響 3 2 試驗(yàn)方法 在試驗(yàn)缽苗狀態(tài) 移植手結(jié)構(gòu)和抓取深度等條件相 同的情況下 根據(jù)上述分析知 多移植手高速稀植作業(yè) 過程影響移栽成功率主要的因素為受拉緩沖帶彈性系數(shù) K 水平平均速度v1 水平末端油壓緩沖器吸收能量N1 垂直平均速度v2和垂直末端油壓緩沖器吸收能量N2 其 中v1和N1間存在交互作用 當(dāng)v1單獨(dú)作用時(shí) 其值越大 移栽效率越高 但成功率越低 而當(dāng)水平末端緩沖器吸 收能量N1作用于v1末端時(shí) 通過調(diào)節(jié)N1值大小 緩沖 移植手到達(dá)末端速度瞬間減小產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊 從而提 高移栽成功率 同樣 v2和N2間也存在交互作用 v2單 獨(dú)作用時(shí) 其值增大會(huì)導(dǎo)致移栽成功率越低現(xiàn)象 而吸 收能量N2作用于末端 通過調(diào)節(jié)N2值大小 緩沖v2末 端瞬間減小產(chǎn)生的機(jī)械沖擊振動(dòng)現(xiàn)象 從而提高移栽成 功率 因此設(shè)計(jì)五因素三水平正交試驗(yàn) 對(duì)溫室葉菜缽 苗稀植機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)移栽性能進(jìn)行分析 受拉緩沖帶是多移植手等間距分離的關(guān)鍵聯(lián)接件 受拉緩沖帶的彈性系數(shù)K決定了多移植手分離時(shí)的振動(dòng) 程度 但彈性系數(shù)過大 不利于氣缸伸展進(jìn)行移植手分 離 根據(jù)多移植手稀植部件分離運(yùn)動(dòng)分析 選取受拉緩 沖帶的彈性系數(shù)K為0 0 064 0 128 N m的3個(gè)水平進(jìn) 行試驗(yàn) 缽苗在水平和垂直方向移送時(shí) 氣缸作為驅(qū)動(dòng)部件 垂直氣缸推動(dòng)多移植手機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)抓取的缽苗與 穴盤壁分離 水平橫移氣缸則帶動(dòng)多移植手機(jī)構(gòu)水平移 動(dòng)至栽培槽上方 最后垂直氣缸推動(dòng)多移植手機(jī)構(gòu)向下 運(yùn)動(dòng)將缽苗植入栽培槽內(nèi) 以上作業(yè)過程均為變加速變 減速的運(yùn)動(dòng)過程 加速運(yùn)動(dòng)使移植手爪針與基質(zhì)塊間產(chǎn) 生振動(dòng)沖擊 易導(dǎo)致苗針夾苗不穩(wěn) 缽苗基質(zhì)散落 移 植影響因素的初步測(cè)試發(fā)現(xiàn) 水平平均運(yùn)行速度v1大于 0 7 m s時(shí) 移栽成功率小于60 v1小于0 2 m s時(shí) 水 平運(yùn)動(dòng)耗時(shí)大于3 s 遠(yuǎn)大于v1為0 7 m s時(shí)的0 8 s耗時(shí) 綜合考慮 通過氣閥調(diào)節(jié)得到v1 0 30 0 49 0 68 m s 作為水平速度的3個(gè)水平 同理 確定v2 0 26 0 50 0 74 m s 為減緩沖擊影響 本移植裝置使用的油壓緩沖器為 吸收能量可調(diào)節(jié)型 可通過旋轉(zhuǎn)吸振器尾部調(diào)整旋鈕 改變其吸收能量值 來調(diào)節(jié)油壓吸振器緩沖強(qiáng)度 油壓 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021年 6 緩沖器吸收能量過大或過小 對(duì)多移植手部件都為剛沖 擊狀態(tài) 起不到緩沖作用 因此選取合適的吸振器緩沖 強(qiáng)度對(duì)穩(wěn)定移栽過程與提高成功率較為重要 根據(jù)運(yùn)行 速度和輸入壓力 選取水平末端油壓緩沖器吸收能量N1 分別為6 9 和12 J 垂直末端油壓緩沖器吸收能量N2 分別為10 15 和20 J作為試驗(yàn)水平 稀植移栽正交試驗(yàn) 因素水平如表3所示 基于SPSS分析軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì) 每組試驗(yàn)水 平測(cè)試5次 正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示 試驗(yàn)平臺(tái)如圖7 所示 表3 試驗(yàn)因素水平 Table 3 Experiment factors level 水平 Levels 受拉緩沖帶彈性系數(shù) Elastic coefficient of tension buffer zone K N m 1 水平平均速度 Horizontal average velocity v1 m s 1 垂直平均速度 Vertical average velocity v2 m s 1 水平末端油壓緩沖器吸收能量 Horizontal end oil buffer absorption energy N1 J 垂直末端油壓緩沖器吸收能量 Vertical end oil buffer absorption energy N2 J 1 0 0 30 0 26 6 10 2 0 064 0 49 0 50 9 15 3 0 128 0 68 0 74 12 20 表4 稀植移栽交互正交試驗(yàn)結(jié)果 Table 4 Interactive orthogonal experiment results of sparse transplanting 試驗(yàn)序號(hào) Test No K N m 1 空 Blank v1 m s 1 N1 J v1 N1 1 v1 N1 2 v2 m s 1 N2 J v2 N2 1 v2 N2 2 平均效率 Average efficiency 株 h 1 移栽成功率 Transplantation success rateQ 1 0 1 0 3 6 1 1 0 26 10 1 1 2 934 96 70 2 0 2 0 49 9 2 2 0 50 15 2 2 3 816 90 00 3 0 3 0 68 12 3 3 0 74 20 3 3 4 500 83 30 4 0 064 1 0 3 12 2 1 0 50 10 1 2 3 016 86 70 5 0 064 2 0 68 9 3 3 0 26 20 2 1 4 153 93 30 6 0 064 3 0 49 6 1 2 0 74 15 3 3 3 956 96 70 7 0 128 1 0 68 6 3 1 0 50 20 2 2 4 320 93 30 8 0 128 2 0 3 9 1 2 0 74 10 3 1 3 103 90 00 9 0 128 3 0 49 12 2 3 0 26 15 1 3 3 686 93 30 10 0 128 1 0 49 12 2 3 0 74 20 3 2 3 956 90 00 11 0 128 2 0 3 9 1 2 0 50 15 2 3 3 016 100 00 12 0 128 3 0 68 6 3 1 0 26 10 1 1 4 153 93 30 13 0 128 1 0 68 6 3 1 0 74 15 3 3 4 500 93 30 14 0 128 2 0 3 9 1 2 0 26 10 1 1 2 934 96 70 15 0 128 3 0 49 12 2 3 0 50 20 2 2 3 816 96 70 Pi 90 00 92 00 94 02 94 66 96 02 92 66 94 66 92 66 93 34 94 00 Ji 92 23 94 00 94 00 93 34 91 34 94 68 93 34 94 66 94 66 92 00 Ki 94 07 92 66 90 00 91 30 91 30 91 32 90 66 91 32 90 66 94 66 Si 30 26 6 23 32 51 17 67 44 18 17 17 24 92 12 46 24 92 15 71 注Pi為第i列因素水平1試驗(yàn)結(jié)果平均值 Ji為第i列因素水平2試驗(yàn)結(jié)果平均值 Ki為第i列因素水平3試驗(yàn)結(jié)果平均值 Si為第i列因素離均差平方和 i 1 2 3 Note P i is average of test results of level 1 of factor in column i Ji is average of experiment results of level 2 of factor in column i Ki is average of experiment results of level 3 of factor in column i S i is sum of squares of deviation from mean of factor in column i i 1 2 3 圖7 葉菜缽苗多移植手稀植移栽試驗(yàn) Fig 7 Experiments of leaf plug seedlings spare transplant with multiple end effector 3 3 試驗(yàn)結(jié)果與分析 為判斷因素水平變化所引起的試驗(yàn)成功率變動(dòng)顯著 性 采用單因素試驗(yàn)方差由對(duì)表4進(jìn)行分析 試驗(yàn)因素方 差分析結(jié)果如表5所示 由表可知 N1 N2的方差與隨 機(jī)序列空白方差相差不大 其偏差主要由于試驗(yàn)誤差干 擾造成 其值變化對(duì)移栽成功率影響比較小 對(duì)其他試 驗(yàn)因素進(jìn)行顯著性檢測(cè) 求解其他試驗(yàn)因素顯著性F值 如表5所示 表5試驗(yàn)結(jié)果方差分析表 Table 5 Analysis of variance table of test results 方差來源 Variance source 自由度 Degree of freedom f 方差 Variance V 顯著性 Statistical significance F K 2 15 13 4 86 空 2 3 11 1 00 v1 2 16 25 5 23 N1 2 8 83 2 84 v2 2 12 46 4 01 N2 2 8 46 2 72 v1 N1 4 15 34 4 93 v2 N2 4 10 00 3 20 由表5可知 因素K和v1對(duì)移栽成功率影響顯著 v2次之 因素 v1 N1 交互作用大于因素 v2 N2 交 互作用 多移植手機(jī)構(gòu)的水平平均速度對(duì)缽苗移栽成功 率影響顯著 水平平均速度越大 缽苗基質(zhì)承受沖擊力 第1期 童俊華等 溫室水培葉菜高速稀植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 7 越大 基質(zhì)散落程度嚴(yán)重 導(dǎo)致移栽成功率越低現(xiàn)象 作用于v1末端的水平末端油壓緩沖器吸收能量N1單獨(dú) 作用對(duì)