第 36 卷 第 22 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol 36 No 22 2020 年 11月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Nov 2020 87 全自動單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)設(shè)計與試驗 劉念聰 楊程文 劉保林 蔣 浩 吳圣紅 黃 浩 成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院 成都 610051 摘 要 為實現(xiàn)蔬菜缽苗高效 穩(wěn)定移栽 在分析現(xiàn)有全自動移栽機(jī)取喂苗系統(tǒng)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上 該研究提出了一種 全自動單擺式取喂苗系統(tǒng) 該系統(tǒng)通過苗盤輸送機(jī)構(gòu) 縱移機(jī)構(gòu)實現(xiàn)穴苗盤在傾斜平面內(nèi)的移位 采用往復(fù)機(jī)構(gòu)和夾苗 機(jī)構(gòu)實現(xiàn)取苗 喂苗 對夾苗機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計和運動學(xué)分析 確定了其結(jié)構(gòu)參數(shù) 綜合考慮影響取喂苗性 能的相關(guān)因素 以苗株種類 z 基質(zhì)含水率 w 取苗深度 h 和工作氣壓 p 為試驗參數(shù) 以取苗成功率 S 1 和苗株完整率 S 2 為評價指標(biāo) 在雙行移栽 90 株 min 取苗效率下進(jìn)行多因素正交試驗 試驗結(jié)果表明 苗株基質(zhì)含水率對取苗成功率和 完整率影響最大 貢獻(xiàn)率分別為 58 92 和 50 58 其次是取苗深度 當(dāng)苗株為番茄苗 基質(zhì)含水率 35 取苗深度 40 mm 氣缸工作氣壓為 0 4 MPa 時 取喂苗效果最佳 取苗成功率為 98 61 苗株完整率為 97 22 研究結(jié)果可為移栽機(jī)的機(jī) 構(gòu)優(yōu)化及自動化控制提供理論參考 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)械 移栽 自動控制 取喂苗系統(tǒng) 全自動移栽機(jī) doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 010 中圖分類號 S223 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2020 22 0087 09 劉念聰 楊程文 劉保林 等 全自動單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2020 36 22 87 95 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 010 http www tcsae org Liu Niancong Yang Chengwen Liu Baolin et al Development of automatic single pendulum vegetable pot seedling picking and feeding system J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 22 87 95 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 22 010 http www tcsae org 0 引 言 蔬菜穴盤育苗可以提高幼苗成活率 從而達(dá)到高產(chǎn) 穩(wěn)定 提高土地利用率等綜合效益 1 3 中國蔬菜種植面 積僅次于糧食作物 是世界第一大蔬菜生產(chǎn)國和消費國 蔬菜生產(chǎn)需要消耗大量勞動力 勞動成本可占到蔬菜總 生產(chǎn)成本的 50 以上 因而移栽機(jī)的機(jī)械化 自動化是 蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢 4 與此同時 國內(nèi)旱地蔬菜移 栽機(jī)主要以半自動移栽機(jī)為主 自動化程度低 需人工 喂苗 勞動強(qiáng)度大 工作效率低 5 7 實現(xiàn)取喂苗自動化 是推動半自動移栽機(jī)向全自動移栽機(jī)發(fā)展的重要環(huán)節(jié) 能夠消除人工作業(yè)帶來的問題 提高機(jī)具移栽效率 8 因 此 研制全自動移栽機(jī)取喂苗系統(tǒng)具有重要意義 國內(nèi)外學(xué)者對全自動移栽機(jī)取喂苗系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛研 究并提出了插入夾取式 9 12 頂出式 13 頂出夾取式 14 16 氣力式 17 19 等形式多樣的取喂苗系統(tǒng) Choi 等 20 提出了 一種曲柄滑道導(dǎo)桿取苗機(jī)構(gòu) 取苗成功率約為 80 90 機(jī)構(gòu)振動及沖擊較大 當(dāng)增加曲柄轉(zhuǎn)速以提高取苗 效率時 會增加苗株基質(zhì)的損傷 進(jìn)而增加傷苗率 意 大利 Ferrari 公司研制的 Futura 全自動蔬菜移栽機(jī)采用頂 出夾取式機(jī)構(gòu) 傷苗率低 取苗效率高 但整體結(jié)構(gòu)復(fù) 雜 價格昂貴 21 Rahul 等 22 設(shè)計了一種 5R 二自由度并 收稿日期 2020 9 11 修訂日期 2020 10 12 基金項目 成都市科技局產(chǎn)業(yè)牽引工程項目 2015 NY02 00285 NC 四川 省科技廳重點研發(fā)項目 2019YFG0358 作者簡介 劉念聰 博士 副教授 主要從事先進(jìn)制造技術(shù)和農(nóng)業(yè)裝備智能 化方面研究 Email ncliu 聯(lián)機(jī)械手應(yīng)用于蔬菜移栽 采用機(jī)電一體化方法減少了 機(jī)構(gòu)重量 能適應(yīng)不同的姿態(tài)要求 胡敏娟等 23 提出了 一種可成排取苗的插入夾取式取喂苗裝置 取苗效率約 為 80 株 min 但該裝置對苗株夾緊力不夠 運動過程中 振動明顯 取苗成功率較低 金利達(dá)機(jī)械制造有限公司 對苗夾進(jìn)行了改進(jìn) 克服了夾緊力不足和運動過程中存 在振動明顯的問題 但對穴苗適應(yīng)性差 傷苗率較高 謝守勇等 24 研制了一種斜插夾缽式取喂苗系統(tǒng) 提高了 苗株夾取適應(yīng)性 但由于主動桿轉(zhuǎn)速限制 取苗效率較 低 王蒙蒙等 25 設(shè)計了一種曲柄擺桿式夾苗機(jī)構(gòu) 可適 應(yīng)于多種不同尺寸穴盤苗的取苗工作 取苗成功率較高 但需要將苗株頂出后再進(jìn)行夾取 趙勻等 26 提出了一種探 入式番茄缽苗移栽機(jī)構(gòu) 秧夾沿秧盤內(nèi)壁探入缽穴并完成 取苗動作 能夠避免對土缽和根系的損傷 但該裝置對秧 苗夾緊力不夠 在輸送過程中遇振動易導(dǎo)致秧苗脫落 基于以上分析 為滿足辣椒 番茄等蔬菜作物移栽的 農(nóng)藝要求 本文提出一種全自動單擺式取喂苗系統(tǒng) 通過 分析苗穴的運動軌跡 結(jié)合苗夾取時的運動學(xué)模型 得到 苗盤輸送機(jī)構(gòu)與夾苗機(jī)構(gòu)的相對運動規(guī)律 完成系統(tǒng)裝置 的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化 并結(jié)合樣機(jī)進(jìn)行了田間試驗和相 關(guān)分析 以期獲得一種結(jié)構(gòu)緊湊 取苗成功率高 傷苗率 低 對苗株適應(yīng)性強(qiáng)的全自動取喂苗系統(tǒng) 1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 全自動單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2020 年 88 機(jī)構(gòu)整體呈左右對稱分布 由苗盤輸送機(jī)構(gòu) 縱移機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 往復(fù)機(jī)構(gòu) 夾苗機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng) 6 個部分組成 穴苗盤對稱傾斜放置 與水平面夾角 40 A 型架安裝在 固定機(jī)架上 使其可以繞階梯軸旋轉(zhuǎn) 每個 A 型架上裝有 2 個直線導(dǎo)軌 直線導(dǎo)軌滑塊與夾苗機(jī)構(gòu)安裝板配合 安 裝板上裝配 3 個夾苗機(jī)構(gòu) 可對 3 株穴苗成排一次取苗 固定機(jī)架下方為接苗筒 1 苗盤撥動機(jī)構(gòu) 2 苗盤 3 步進(jìn)電機(jī) 4 A 型機(jī)架 5 階梯軸 6 往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸 7 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸 8 直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu) 9 夾苗機(jī)構(gòu) 10 苗盤輸送機(jī)構(gòu) 11 夾苗機(jī)構(gòu) 安裝板 12 導(dǎo)苗管 13 固定機(jī)架 1 Seedling tray toggling mechanism 2 Seedling tray 3 Stepper motor 4 A type frame 5 Step shaft 6 Reciprocating mechanism cylinder 7 Rotating mechanism cylinder 8 Linear guide mechanism 9 Seedlings clamping mechanism 10 Seedling tray delivery mechanism 11 Installation panel of seedling clamping mechanism 12 Seedling guide canal 13 Fixed frame 圖 1 單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Structure diagram of single pendulum vegetable pot seedling picking and feeding system 1 2 工作原理 該取喂苗系統(tǒng)工作原理如圖 2 所示 苗盤輸送機(jī)構(gòu) 由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 其余機(jī)構(gòu)均由往復(fù)式氣缸提供動力 苗盤輸送機(jī)構(gòu)和縱移機(jī)構(gòu)將穴苗盤自動輸送到待取苗位 置 往復(fù)機(jī)構(gòu)工作 苗夾插入穴苗基質(zhì) 夾苗機(jī)構(gòu)氣缸 工作 兩苗夾夾緊苗株 往復(fù)機(jī)構(gòu)工作 帶動夾苗機(jī)構(gòu) 從穴苗盤中取出穴苗 此時另一側(cè)夾苗機(jī)構(gòu)向下運動實 現(xiàn)喂苗 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作 A 型機(jī)架繞階梯軸旋轉(zhuǎn) 40 將 穴苗輸送至苗筒正上方 隨后夾苗機(jī)構(gòu)苗夾松開 往復(fù) 機(jī)構(gòu)氣缸工作 穴苗在夾苗機(jī)構(gòu)推力和重力共同作用下 落入接苗筒中 完成喂苗 圖 2 取喂苗系統(tǒng)工作原理 Fig 2 Working principle of seedling picking and feeding system 2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計 2 1 苗盤輸送機(jī)構(gòu) 為保證苗盤撥動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動過程中不會與穴苗盤相 互干涉 對轉(zhuǎn)軸與苗穴的運動軌跡進(jìn)行分析 如圖 3 所示 注 O 為苗盤撥動機(jī)構(gòu)的圓心 A 為苗盤撥動機(jī)構(gòu)上轉(zhuǎn)軸 1 的圓心 B 為苗 穴 2 頂部最左側(cè)的點 C 為 A 在苗穴 2 上投影 R 為苗盤撥動機(jī)構(gòu)半徑 mm 1 為 OA 與豎直方向的夾角 2 為苗盤撥動機(jī)構(gòu)逆時針旋轉(zhuǎn)后 OA 與豎直方向的夾角 L 為相鄰苗穴間的距離 mm 為 AB 與苗穴 2 左 側(cè)夾角 h 為轉(zhuǎn)軸 1 與苗穴頂部的距離 mm h 為轉(zhuǎn)軸 2 與苗穴 2 左側(cè) 的垂直距離 mm d 為轉(zhuǎn)軸直徑 mm c 為苗穴頂部寬度 mm 為苗穴 頂部與側(cè)面的夾角 Note O is the center of seedling tray toggle mechanism A is the center point of shaft 1 in the seedling tray toggle mechanism B is the leftmost point on the top of plug seedling 2 C is the projection of point A at the top plane of the plug seedling 2 R is the radius of seedling tray toggle mechanism mm 1 is the angle between the OA and vertical direction 2 is the angle between the OA and vertical direction after seedling tray toggle mechanism rotated anticlockwise L is the distance between adjacent plug seedlings mm is the angle between AB and the left side of plug seedling 2 h is the distance between axis 1 and the top of plug seedling mm h is the vertical distance between axis 2 and the left side of plug seedling 2 mm d is the diameter of rotation shaft mm c is the width of plug seedling top mm is the angle between the top and the side of plug seedling 圖 3 苗盤撥動機(jī)構(gòu)與苗穴之間的運動關(guān)系 Fig 3 Movement relationship between the seedling tray toggle mechanism and the plug seedlings 由圖 3 可知 轉(zhuǎn)軸 1 由于水平速度小于苗穴 1 兩者 不會發(fā)生干涉 而與苗穴 2 不發(fā)生干涉 則需要滿足轉(zhuǎn) 軸 1 到苗穴 2 外壁的垂直距離不小于轉(zhuǎn)軸 1 的半徑 根 據(jù)圖 3 幾何關(guān)系有 1 1 2 12 2 1 2cos arctan cos sin 2 arctan cos 2 cos 2 cos tan 2cos 2 BC BC BC z L R h L hHR hd h h L L c LR R dLc HR 1 式中 z 為苗盤撥動機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)軸個數(shù) H 為苗盤撥動機(jī)構(gòu) 圓心到苗穴頂部的垂直距離 mm L BC 為苗穴 2 與轉(zhuǎn)軸 1 的水平距離差 mm 苗盤常規(guī)尺寸為 L 42 mm c 37 mm 80 苗盤 撥動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸選擇常規(guī)尺寸 d 10 mm 轉(zhuǎn)軸個數(shù) z 太小 第 22 期 劉念聰?shù)?全自動單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)設(shè)計與試驗 89 會使得整體結(jié)構(gòu)偏大 機(jī)構(gòu)笨重 z 太大又會增加成本 由式 1 可得 z 的取值范圍為 7 9 本文取 z 8 此時苗盤 撥動機(jī)構(gòu)半徑 R 為 52 mm 且轉(zhuǎn)軸與苗盤不發(fā)生干涉 2 2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)呈左右反對稱布置 主要由固定機(jī)架 A 型機(jī)架 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸 軸承座等組成 2 個往復(fù)式氣缸 為機(jī)構(gòu)提供動力 其中單個氣缸受力如圖 4 所示 注 A 為氣缸與 A 型機(jī)架的連接點 B 為氣缸浮動接頭與固定機(jī)架的連接點 C 為 A 型機(jī)架旋轉(zhuǎn)的中心點 a 1 為 B C 的長度 mm b 1 為 A C 的長度 mm e 為 A B 的長度 mm l 為氣缸負(fù)載力臂長度 mm 為線段 A C 和 C 豎直 方向的夾角 為線段 B C 和 A B 的夾角 為 B C 與 A 型機(jī)架的 夾角 為 A 型機(jī)架右側(cè)與豎直方向的夾角 F n 為氣缸所受負(fù)載 N Note A is the connection point between cylinder and A type frame B is the connection point between the floating joint of cylinder and fixed frame C is the rotational center of A type frame a 1 is the length of B C mm b 1 is the length of A C mm e is the length of A B mm l is the length of the cylinder load arm mm a is the angle between A C and the perpendicular to the point C is the angle between B C and A B is the angle between B C and A type frame is the angle between the right side of A type frame and the perpendicular F n is the load of cylinder N 圖 4 氣缸負(fù)載與 A 型機(jī)架翻轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系 Fig 4 Relationship between cylinder load and turning angle of A type frame 穴苗盤與水平面夾角 40 為保證夾苗機(jī)構(gòu)的苗夾較 好的插入苗基質(zhì)中并完成取苗動作 設(shè)計 A 型機(jī)架為對 稱結(jié)構(gòu)且機(jī)架左右兩臂夾角為 40 機(jī)架質(zhì)心在 A 型機(jī)架 的中線上 與豎直方向的夾角為 20 氣缸負(fù)載 F n 隨 機(jī)架旋轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律為 222 22 2 1 sin 20 sin 2cos cos 2 n 1 11 11 11 1 FGL l l a ea b ab aeb ae 2 式中 L 為 A 型機(jī)架質(zhì)心到 C 點的距離 mm G 為機(jī)架重 力 N 根據(jù)山東青州火絨機(jī)械制造有限公司的 ZBX 2 型懸 掛式半自動移栽機(jī)的投苗器尺寸 初步設(shè)計 A 型機(jī)架單 側(cè)臂長 400 mm 截面尺寸 45 10 mm 材質(zhì)為 45 鋼 通過三維建模軟件求得機(jī)架的質(zhì)心坐標(biāo) 進(jìn)而求得 L 175 mm a 1 317 mm b 1 169 mm 41 34 G 225 N 由式 2 可得氣缸負(fù)載與機(jī)架旋轉(zhuǎn)角之間的關(guān) 系 如圖 5 所示 在 A 型機(jī)架工作行程內(nèi) 當(dāng) 40 時 氣缸承受負(fù)載最大 為 66 25 N 根據(jù)氣缸尺寸和氣缸理 論出力表 缸徑 25 32 和 40 mm 均滿足要求 圖 5 氣缸負(fù)載隨 的變化 Fig 5 Variation of cylinder load with 2 3 往復(fù)機(jī)構(gòu) 往復(fù)機(jī)構(gòu)主要由基座 氣缸和夾苗機(jī)構(gòu)安裝板組成 每個基座上放置 3 個夾苗機(jī)構(gòu) 夾苗機(jī)構(gòu)間隔取苗 相 鄰?qiáng)A苗機(jī)構(gòu)之間的間距為苗穴寬度的 2 倍 夾苗機(jī)構(gòu)可 在基座的間隙槽里滑動來調(diào)節(jié)其間距以適應(yīng)不用型號的 穴苗盤 直線導(dǎo)軌的負(fù)載主要是基座 3 個夾苗機(jī)構(gòu)和 3 個苗株的總質(zhì)量 計算可得直線導(dǎo)軌承受的最大負(fù)載約 為 30 N 小于氣缸理論出力值 考慮到往復(fù)機(jī)構(gòu)動作時 滑塊的位移 選用 HGH15CA 方形滑塊和 HGR15 200 型 直線導(dǎo)軌 本文試驗選用規(guī)格為 6 12 的常規(guī)苗盤 苗穴 深度為 40 mm 需要保證氣缸行程 40 mm 考慮安全距 離和偶發(fā)因素 選用 MAL20 75 型氣缸 缸徑 20mm 行程 75mm 氣缸理論出力值 75 4 N 2 4 夾苗機(jī)構(gòu) 夾苗機(jī)構(gòu)如圖 6 所示 2 個苗夾 1 穿過擋板 2 上的小 孔 苗夾尾部有約 20 mm 的間距 氣缸伸長時 2 個苗夾頂 端的間距須小于苗盤頂部的寬度 使用不同型號苗盤時可 以通過調(diào)節(jié)浮動接頭以適應(yīng)不同尺寸 取苗氣缸的活塞桿 伸出時 苗夾擋板會受迫運動 2 個苗夾尾部的間距增大 1 苗夾 2 擋板 3 浮動接頭 4 氣動快速接頭 5 氣缸 6 苗夾基座 1 Seedling clamps 2 Baffle 3 Floating joint 4 Pneumatic quick couplings 5 Cylinder 6 Seedling clamps base 圖 6 夾苗機(jī)構(gòu) Fig 6 Seedling clamping mechanism 夾苗機(jī)構(gòu)示意圖如圖 7 所示 為保證苗夾能可靠插入苗株基質(zhì) 由氣缸與浮動接 頭的幾何關(guān)系可得 1 11 1 12 1 2 2 2cos tan 1 cos cos 2 C dL l jLLl 3 由于穴苗盤深度較小 取苗氣缸無需較大行程 經(jīng) 過前期實驗驗證 氣缸行程為 10 mm 時 插入苗基質(zhì)深 度為 35 mm 可實現(xiàn)有效取苗 本文中使用的苗盤底徑 邊長為 18 18 mm 為減少苗夾對基質(zhì)的損傷 同時又 要避免與苗盤內(nèi)壁發(fā)生干涉 故取 L 1 為 20 mm 夾苗機(jī) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2020 年 90 構(gòu)夾緊時 苗夾頂端的距離要合適 避免夾碎基質(zhì)或夾 緊力過小 綜合考慮取 L 2 10 mm 苗夾基座到擋板的距 離 C 1 測得為 38 mm 可得苗夾基座長度 j 為 50 mm 苗 夾擋板長度 d 為 40 mm 苗夾長度 l 為 120 mm 夾苗機(jī) 構(gòu)間隔取苗 相臨兩夾苗機(jī)構(gòu)的間距為 84 mm 且大于 苗夾基座的長度 苗夾受力模型如圖 8 所示 注 苗夾基座長度 j 擋板長度 d 和苗夾長度 l 為待解未知量 A 1 和 B 1 為氣 缸伸長時 2 個苗夾的位置 A 2 和 B 2 為氣缸縮短時苗夾的位置 1 和 2 為氣 缸伸長和收縮時苗夾與基座的夾角 C 1 和 C 2 分別為苗夾擋板與苗夾基 座的距離 mm L 1 和 L 2 分別為 2 個苗夾最大和最小間距 mm Note The seedling clamps base length j baffle length d and clamp length l are unknown quantities A 1 and B 1 are the positions of the two clamps when the cylinder is extended A 2 and B 2 are the positions of the two clamps when the cylinder is shortened 1 and 2 are the angles between the seedling clamps and the base when the cylinder is extended and contracted separately C 1 and C 2 are the distance between the seedling clamps baffle and the base separately mm L 1 is the maximum distance between the two clips and L 2 is the minimum one mm 圖 7 夾苗機(jī)構(gòu)示意圖 Fig 7 Schematic diagram of seedling clamping mechanism 注 DEGH 為苗株基質(zhì) mg 為苗株重力 N F 為氣缸推力 N F m 為苗夾 對苗株的壓力 N f 為苗株與苗夾之間的靜摩擦力 N F g 為苗夾受到的氣 缸的分力 N l 1 為力 F m 作用點到苗夾轉(zhuǎn)軸的距離 mm l 2 為力 F g 作用點 到苗夾轉(zhuǎn)軸的距離 mm Note DEGH is seedling substrate mg is the gravity of the seedling N F is the thrust of the cylinder N F m is the pressure between the seedling and the clamps N f is the static friction between the seedling and the clamps N F g is the component force of the cylinder received by the seedling clamps N l 1 is the distance from the point of force F m to the rotation axis of the seedling clamps mm l 2 is the distance from the point of force F g to the rotation axis of the seedling clamps mm 圖 8 夾苗機(jī)構(gòu)力學(xué)模型 Fig 8 Mechanical model of seedling clamping mechanism 由于兩側(cè)苗夾對稱分布 對其中一側(cè)進(jìn)行受力分析 各力之間的關(guān)系如下 2 12 2sin 2 m g gm m Fmg Ff F mg FF fF ll 4 為使苗夾順利插入苗基質(zhì) 需保證苗夾在運動過程 中與穴苗盤內(nèi)壁平行 故取 2 80 試驗苗株重力 mg 為 2 6 N l 1 為 39 mm l 2 為 100 mm 靜摩擦系數(shù) 為 0 5 計算出氣缸所需的理論出力值為 6 7 N 根據(jù)氣缸尺寸和 氣缸理論出力表 缸徑為 10 mm 的氣缸在 0 4 MPa 氣壓 下出力 20 N 滿足實際要求 故選擇 CDJPB10 10D 微型 針式氣缸 缸徑 10 mm 行程 10 mm 氣缸理論出力值 20 N 3 取喂苗控制系統(tǒng)設(shè)計 3 1 驅(qū)動系統(tǒng) 系統(tǒng)選用三菱 FN 2N 32MT 型 PLC 控制 輸入信號 6 個 包含控制程序啟動開關(guān) 1 個 定位開關(guān) 1 個 急停 開關(guān) 1 個和常開光電傳感器 3 個 輸出信號 13 個由步進(jìn) 電機(jī)和氣缸執(zhí)行 取喂苗系統(tǒng)選用 3 個 E3F DS30C4 三 線 NPN 常開光電傳感器 其中 2 個常開光電傳感器安裝 在苗盤輸送機(jī)構(gòu)上用于保證苗夾與穴盤苗孔的精確定 位 另一個光電傳感器用于檢測下方接苗筒是否到位 步進(jìn)電機(jī)由 PLC 通過 M860H 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實現(xiàn)控制 系統(tǒng)選用亞德客的氣缸和氣動元件 共有 4 種型號的往 復(fù)式氣缸 氣缸驅(qū)動系統(tǒng)如圖 9 所示 包括 MAL25 100 型旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸 A MAL20 75 型往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸 B TN TDA25 45 S 型縱移機(jī)構(gòu)氣缸 C 和 CDJPB10 10D 型 夾苗機(jī)構(gòu)氣缸 D 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸數(shù)量為 2 個 共用 1 個 電磁換向閥 往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸數(shù)量為 2 個 共用 1 個電磁 換向閥 2 個縱移機(jī)構(gòu)氣缸共用 1 個電磁換向閥 夾苗機(jī) 構(gòu)氣缸為微型氣缸 每側(cè) 3 個對稱排列 總共為 6 個 共用 1 個電磁換向閥 氣缸 A1 A2 B1 B2 C1 C2 D1 D6 使用三位五通電磁換向閥 夾苗機(jī)構(gòu)氣缸 D 的氣 動控制閥配有獨立減壓閥和壓力表 可以在移栽不同作 物時實現(xiàn)夾苗壓力的調(diào)節(jié) 注 A1 A2 為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸 B1 B2 為往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸 C1 C2 為縱移機(jī) 構(gòu)氣缸 D1 D6 為夾苗機(jī)構(gòu)氣缸 K 為空氣壓縮機(jī) H 為冷卻器 G 為儲 氣罐 F1 F2 為壓力表 E 為分水過濾器 S1 S2 為減壓閥 DT1 DT4 為三位五通電磁換向閥 DT5 為二位三通電磁換向閥 Note A1 and A2 are cylinders of Rotating mechanism B1 and B2 are cylinders of Reciprocating mechanism C1 and C2 are cylinders Longitudinal moving mechanism D1 to D6 are cylinders of Seedling mechanism K is air compressor H is cooler G is air tank F1 and F2 are pressure gauges E is a water division filter S1 and S2 are pressure release valves DT1 DT4 are three position five way solenoid directional valves DT5 is a two position three way solenoid directional valve 圖 9 氣動驅(qū)動系統(tǒng)圖 Fig 9 Diagram of pneumatic control system 3 2 控制策略 為保證取喂苗系統(tǒng)的運動平順性 減小因加速度曲 第 22 期 劉念聰?shù)?全自動單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)設(shè)計與試驗 91 線不連續(xù)而引起的系統(tǒng)振動和沖擊 27 29 對機(jī)構(gòu)中氣缸 活塞桿的位移 速度和加速度的起始點和停止點進(jìn)行約 束 共 6 個邊界條件 因而采用 6 個系數(shù)的五次多項式 插值法來使時間位移曲線平滑連續(xù) 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位移方程 表達(dá)式為 2345 0 1 2 3 4 5t cctctctctct 5 將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位移方程對時間 t 求導(dǎo) 加入約束條件后 可得 00 23 45 012345 01 234 12 3 4 5 02 23 23 4 5 23 2 26 12 20 ffffff fffff ffff c cctctctctct c cct ct ct ct c cct ct ct 6 式中 0 為氣缸活塞桿起始時的伸長量 mm f 為活塞桿 停止時的位移 mm 0 為活塞桿起始時的速度 mm s f 為活塞桿停止時的速度 mm s 0 為活塞桿起始時的 加速度 mm s 2 f 為活塞桿停止時的加速度 mm s 2 c 0 c 1 c 2 c 3 c 4 c 5 分別為五階函數(shù)的系數(shù) t f 為活塞桿停止 運動時的時間 s 該方程組的通解為 00 10 0 2 2 000 3 3 2 000 4 3 2 000 5 5 2 20 20 8 12 3 2 30 30 14 14 3 2 2 12 120 6 6 2 ffff f f ff f f ff f f c c c tt c t tt c t tt c t 7 將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)氣缸的位移 速度和加速度值作為方 程組的初始條件 根據(jù)實際工況 開始移栽時 即 t 0 時 氣缸活塞桿伸長量和速度均為 0 為避免沖擊振動 加速度為 0 t 1 s 時 活塞桿伸長量為 0 1 m 此時速 度和加速度均為 0 t 1 2 s 時 氣缸保持靜止 t 2 s 時 氣缸收縮 初始加速度為 0 t 3 s 時 氣缸收縮 停止 為保證收縮完成沒有較大碰撞 速度和加速度 為 0 t 3 4 s 時 氣缸保持靜止 伸長量為 0 代入 式 7 可得 34 5 12345 1 5 0 6 0 1 0 1 1 2 51 3 108 90 37 7 5 0 6 2 3 0 3 4 tt t t t ttt t t t t 8 同理可得往復(fù)機(jī)構(gòu)氣缸的控制策略為 345 12345 1234 52 11 7 43 9 43 9 0 0 4 0 075 0 4 0 6 11 7 79 1 210 9 275 176 43 9 0 6 1 0 1 2 22 50 6 46 4 21 2 4 83 0 44 10 2 2 4 ttt t t ttttt t t tttt tt 123 4 52 0 075 2 4 2 6 74 133 96 34 6 2 0 44 10 2 6 3 0 3 4 t ttt t t t t 9 4 田間試驗 4 1 試驗條件 田間性能試驗于 2020 年 6 7 月間在山東青州火絨機(jī) 械制造有限公司進(jìn)行 試驗對象為辣椒苗和番茄苗 苗盤 規(guī)格為 6 12 苗齡 50 d 平均苗高分別為 156 和 174 mm 苗平均苗寬為 102和 113 mm 缽體口徑邊長為 37 37 mm 高度為 45 mm 苗基質(zhì)主要由泥炭 珍珠巖和蛭石按照體 積比 3 1 1 混合 含水率分別為 35 55 75 出苗 率 100 基質(zhì)緊實 達(dá)到試驗用苗要求 樣機(jī)和田間試驗 如圖 10 所示 圖 10 樣機(jī)和田間試驗 Fig 10 Prototype and field experiment 4 2 試驗方法 移栽機(jī)與拖拉機(jī)掛接方式為三點懸掛 根據(jù)旱地栽植 機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB T10291 2013 中相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行試 驗方案設(shè)計 30 自動移栽機(jī)的移栽效率 90 株 min 屬于高 速移栽 為驗證本文設(shè)計的移栽機(jī)作業(yè)性能 在雙行移栽 取苗效率 90 株 min 條件下進(jìn)行試驗 研究不同試驗參數(shù) 對取喂苗系統(tǒng)取苗成功率和苗株完整率的影響 不同種類 苗的根系與生長狀況不同 夾苗機(jī)構(gòu)的取苗效果存在差 異 不同基質(zhì)含水率會導(dǎo)致夾苗機(jī)構(gòu)與苗株之間的作用力 不同從而影響取苗效果 在取苗深度及工作氣壓較小時 夾苗機(jī)構(gòu)不易取出苗株或在送苗過程中易掉落 反之則容 易傷苗 所以選擇苗株種類 z 基質(zhì)含水率 w 取苗深度 h 與工作氣壓 p 作為試驗參數(shù) 每種試驗參數(shù)的水平設(shè)置如 表 1 所示 采用 L 9 1 2 3 3 正交試驗 每組試驗 24 次 每次取 3 株 即取完一整盤苗 共 72 株 每完成 1 組試驗 測量 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2020 年 92 表 1 因素水平表 Table 1 Factors and levels 水平 Levels 含水率 Moisture content 取苗深度 Depth of seedling picking mm 工作氣壓 Working pressure MPa 1 35 35 0 4 2 55 40 0 5 3 75 45 0 6 取苗成功率 S 1 和苗株完整率 S 2 共 9 組 216 次試驗 S 1 S 2 計算方法如下 1 1 100 N S N 10 2 2 10 N S N 11 式中 N 為穴苗盤中苗株總數(shù) S 1 為取苗成功率 N 1 為苗夾將苗株從穴苗盤中夾出并成功送入接苗筒的苗株 數(shù) S 2 為苗株完整率 N 2 為喂苗成功苗株中莖葉和 基質(zhì)破損較小的苗株數(shù) 31 4 3 試驗結(jié)果與分析 4 3 1 試驗結(jié)果 試驗方案及結(jié)果如表 2 所示 對試驗結(jié)果進(jìn)行方差 分析 如表 3 所示 根據(jù)方差分析結(jié)果計算出試驗因素 對取苗成功率和苗株完整率的貢獻(xiàn)率 如圖 11 所示 基 質(zhì)含水率對取苗成功率及苗株完整率影響最大 貢獻(xiàn)率 分別為 58 92 和 50 38 其次是取苗深度 分別為 28 97 和 29 43 苗株種類影響最小 分別為 5 59 和 6 31 表 2 試驗方案與結(jié)果 Table 2 Test plan and results 序號 No 苗株種類 Seedling species z 總苗株數(shù) Number of seedlings 含水率 Moisture content w 取苗深度 Depth of seedling picking h mm 工作氣壓 Working pressure p MPa 取苗成功數(shù) Number of successful seedlings 苗株完整數(shù) Number of integrity seedlings 取苗成功率 Seedling success rate 苗株完整率 Seedling integrity rate 1 辣椒 72 55 45 0 4 66 65 91 67 90 28 2 辣椒 72 75 35 0 5 62 62 86 11 86 11 3 番茄 72 35 45 0 5 69 67 95 83 93 06 4 番茄 72 75 40 0 4 68 68 94 44 94 44 5 番茄 72 55 35 0 6 64 63 88 89 87 50 6 辣椒 72 75 45 0 6 63 62 87 50 86 11 7 辣椒 72 35 35 0 4 68 67 94 44 93 06 8 辣椒 72 35 40 0 6 71 70 98 61 97 22 9 辣椒 72 55 40 0 5 66 64 91 67 88 89 表 3 方差分析 Table 3 Analysis of variance 評價指標(biāo) Evaluation indexes 方差來源 Source of variance 平方和 Sum of deviation square 自由度 Degree of freedom 均方 Mean square F 值 F values P 值 P values z 3 846 1 3 846 2 986 0 334 w 80 954 2 40 477 31 425 0 125 h 39 874 2 19 937 15 478 0 177 p 8 989 2 4 494 3 489 0 354 殘差 1 288 1 1 288 取苗成 功率 Seedling success rate 總值 76524 540 9 z 3 855 1 3 855 0 751 0 545 w 61 790 2 30 895 6 018 0 277 w 35 955 2 17 977 3 502 0 353 p 16 717 2 8 359 1 628 0 485 殘差 5 134 1 5 134 苗株完 整率 Seedling integrity rate 總值 894 994 9 a 試驗因素對取苗成功率的貢獻(xiàn)率 a Contribution rate of experimental factors to seedling success rate b 試驗因素對苗株完整率的貢獻(xiàn)率 b Contribution rate of experimental factors to seedling integrity rate 圖 11 試驗因素對取苗成功率與苗株完整率的貢獻(xiàn)率 Fig 11