nullnull 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2023年第6期 蔬菜自動移栽機及其關鍵部件設計與研究 宋元萍 山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心 山西太原 030031 摘要 我國人口眾多 對新鮮蔬菜有巨大需求 有必 要對蔬菜種植做系統(tǒng)性研究 以蔬菜移栽環(huán)節(jié)作為研 究對象 簡單分析蔬菜自動移栽機的工作原理 從送 苗機構 苗盤推送機構 液壓缸選型等方面 詳細分 析關鍵部件的功能 并研究曲柄搖桿的參數(shù) 取苗機 構工作原理與運動軌跡 完善蔬菜自動移栽機的設 計 旨在為更多農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)企業(yè)提供技術幫助 推 動我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 關鍵詞 自動移栽機 機械原理 關鍵部件 0 引言 當前 主要依靠人工移栽或半自動機械設備移 栽 不僅移栽效率偏低 也難以有效保證蔬菜移栽質(zhì) 量 為此 有必要對自動移栽機進行設計 實現(xiàn)高質(zhì) 量 高效率的蔬菜移栽作業(yè) 筆者在查閱大量相關資 料后 設計一款結構簡單 性能良好的牽引式自動移 栽機 1 自動移栽機工作原理 本文設計的蔬菜自動移栽機將采用牽引式設計模 式 其結構緊湊設計 可以細分為以下幾個部分 承 載各個機構的機架 取苗機構 放苗機構 移動地輪 裝置等 苗盤橫向有6個蔬菜秧苗移栽穴 縱向有12個 蔬菜秧苗移栽穴 自動移栽機的尾部設置兩條輸送帶 運行期間 需要將苗盤放在輸送帶上 啟動PLC Programmable Logic Controller 可編程邏輯控制器 控制系統(tǒng) 輸苗 機構將會從等待狀態(tài)進入工作狀態(tài) 1 此時 兩條輸 送帶在預熱后 以循環(huán)往復的交替方式 將苗盤運送 到中間位置的推盤上 在確認苗盤已經(jīng)抵達推盤后 液壓缸會通過移動推盤 將苗盤運送到步進移位輸送 帶的預設位置 取苗機構設計平行4連桿 通過電機驅(qū) 動 采用2次的往復運動 完成蔬菜秧苗的取苗與放苗 動作 并進入下一個蔬菜秧苗的取 放動作循環(huán) 取 苗機構分左 右兩側 共2組 1組擁有6個負責夾取蔬 菜秧苗的苗夾 即取苗機構共設置12個苗夾 可以實 現(xiàn)一次性進行12個蔬菜秧苗的取苗 放苗動作 極大 提升蔬菜移栽效率 需要注意的是 兩組苗夾需要保 持錯位狀態(tài) 即讓蔬菜秧苗保持左前 右后或左后 右前的位置 既可以實現(xiàn)快速放置蔬菜秧苗 提升蔬 菜秧苗移栽工作效率 也可以避免蔬菜秧苗間距過 小 增加土壤 水分等競爭 影響蔬菜秧苗發(fā)育生長 質(zhì)量 苗盤相同的列 以間隔方式夾取蔬菜秧苗 并 將其轉移到分苗漏斗中 在完成苗盤的取苗工作后 PLC控制系統(tǒng)會控制苗盤以橫向方式進行移動 以上是 整個自動移栽機行走作業(yè)前的所有準備工作 在自動移栽機進入行走狀態(tài)時 移栽機構也進入 獨立運行狀態(tài) 在移栽機構上設置7個鴨嘴放苗機構 利用鏈條 鏈輪的傳動方式 配合設計成橢圓形的苗 杯 完成間歇行走 移栽間歇性配合 當確認苗杯已 經(jīng)到達分苗漏斗的正下方時 電機會讓漏斗口從閉合 狀態(tài)切換成開啟狀態(tài) 進入放苗程序 蔬菜秧苗會放 在吊杯中 并在出苗口進行移栽 等到檢測出苗盤已 經(jīng)實現(xiàn)6次橫向移動后 橫向的所有蔬菜秧苗全部移栽 完別 之后會將苗盤移動到初始位置 并進行退盤操 作 PLC控制系統(tǒng)會自動提示操作人員及時補充苗盤 自動移栽機的結構 由以下部分組成 負責承 載整個自動移栽機負荷的地輪 鎮(zhèn)壓輪對已種植蔬菜 苗周邊土塊進行碾碎壓實處理 讓蔬菜苗和周邊土壤 保持緊密接觸 以減少蔬菜根系裸露土壤外的概率 控制水分蒸發(fā) 蔬菜苗輸送機構 為取苗機構運動 提供驅(qū)動力的電機 苗盤收集裝置 夾取蔬菜苗 夾 用于抓取蔬菜種植的去苗機構 自動移栽機 架 液壓缸 如果自動移栽機有其他使用需求 也可 以在這種結構基礎上 配置相應裝置 增加自動移栽 機的使用功能 2 關鍵部件設計 2 1 送苗機構 考慮到在自動移栽機的取苗機構擁有相對固定的 位置 在送苗機構設計時 就需要讓尾部的兩條輸送 帶以交替運動方式 讓苗盤移動到步進移位輸送帶 上 等到苗盤完成6次橫向移動后 會將沒有蔬菜秧苗 的苗盤移動到后方的收集筐中 步進移位輸送帶也會 nullnull 農(nóng)業(yè)裝備農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2023年第6期 移動到初始位置 等到接收下一個苗盤 再進行下次 的蔬菜秧苗移栽作業(yè) 正因為取苗機構具有間歇性取 苗的工作特性 在設計步進移位輸送帶時 要考慮到 結構受力問題 避免出現(xiàn)取苗間隔期間 結構負荷失 衡 增加自動移栽機側翻概率 可以利用橫向直線上 的間歇性運動模式 解決以往步進移位輸送帶設計的 結構受力問題 保障自動移栽機的正常運行 同時 需要在其后側下方設置若干滾輪 并在其 前方設置滑塊 利用滾動作業(yè)方式 合理控制步進移 位輸送帶的摩擦系數(shù) 避免出現(xiàn)苗盤移動速度過快 取苗頻率不可控的問題 在參考大量文獻后 擬采用 絲桿電機機構 實現(xiàn)高效 穩(wěn)定的往復運動 保證苗 盤移動速度的穩(wěn)定性 2 選用擁有較大剛性與轉動精 度的螺桿轉動 螺母移動設計 螺桿直徑為25 mm 導程為10 mm 將自動移栽機的行走速度閾值鎖定在 0 4 m s 這意味著吊杯輪盤周長預估為2 m 在吊杯輪 盤轉動1周后 需要消耗5 s的時間 需保證絲桿電機機 構推動步進移位輸送帶回到初始位置的時間低于5 s 又因為提升步進電機的轉速 力矩則會降低 如果轉 速過快 會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象 即步進電機獲得步進電源 輸出 卻沒有達到步進電源的輸出脈沖數(shù) 在原設計 中 步進電機的轉速為5轉 s 想要讓苗盤回到初始位 置 則要橫向移動約220 mm 對以上數(shù)據(jù)整理 計算 可以獲得 絲桿的最小導程應為8 8 mm 考慮到步進 移位輸送帶處于橫向勻速運動狀態(tài) 苗盤位置精度要 求不高 可以通過以下公式計算 Fn Mg 1 T Fn L 2 2 式中 T代表驅(qū)動扭矩 絲桿導程L為10 mm Mg 約等于300 N 因為步進移位輸送帶與相關配件 填土 苗盤的總重需要控制在30 kg 取最大值即為300 N 摩 擦系數(shù) 選擇0 1 給進絲桿的工作效率 選擇0 85 可以獲得步進移位輸送帶的驅(qū)動扭矩T為M 0 056 N M為苗盤重量 對于送苗機構的結構 簡單分為以下幾部分 對苗盤在縱向位置進行限位的感應裝置 基于步進 機械設備的移位輸送帶 提供移位輸送帶動力的 步進電機 調(diào)整苗盤左右位置的尾部輸送帶 在苗盤到達指定位置時 進行下一步操作的苗盤到位 感應 用于向前推動苗盤的苗盤推板 與螺母配 合 將步進電機轉動轉變?yōu)橹本€運動 實現(xiàn)精準位移 控制的絲杠 2 2 苗盤推送機構 苗盤推送機構可以細分為用于承載苗盤的托板 負責感應苗盤移栽情況的感應器 提供整個推動機構 的液壓缸組件等部分 苗盤托板與液壓缸 需要和自 動移栽機的機架進行連接固定 并在苗盤托板的底部 安裝感應器 在苗盤輸送裝置獲得苗盤后 托板底部 的感應器會感知苗盤已經(jīng)到達預設位置 并進行相應 的推送程序 等到感應器獲得退盤信號后 液壓缸則 會進入啟動狀態(tài) 在推動苗盤后 移動到初始位置 3 苗盤推送機構的結構 可以簡單分為 負責托 起苗盤的盤托板 用于短距離運輸苗盤的輸送機 構 唯一可隨意拆卸 更換的苗盤 用于感應苗 盤是否抵達預設位置的感應器 推動苗盤的推板 提供推板前進動力的液壓缸 2 3 液壓缸的選型 液壓缸結構較簡單 需要先獲得液壓能 再將其 轉化成機械能 帶動其他機械部件進行直線往復運 動 因為液壓缸工作原理較為簡單 整體結構并不復 雜 所以工作性能可靠 在自動移栽蔬菜秧苗的環(huán)境 中 可以正常工作 不會出現(xiàn)嚴重的系統(tǒng)故障 在液 壓缸運動過程中 沒有傳動間隙 不需要額外設置減 速裝置 可以保持全過程的平穩(wěn)運動 又因為填土苗 盤總重量偏輕 液壓缸在自動移栽機運動中主要負責 推盤作業(yè) 所以在選擇液壓缸型號時主要考慮其行程 是否滿足自動移栽機的工作需求 本設計中 選擇的苗盤總長度為540 mm 當苗盤 移動到輸送帶的3 4位置 就可進行相應的推盤動作 以此即可獲得液壓缸的行程范圍 即400 450 mm 在 參考市面上的大部分液壓缸后 最終選擇缸徑20 mm 行程450 mm 壓力14 Mpa的液壓缸 可以滿足苗盤移 動需求 也可以為自動移栽機提供足夠的動力 且價 格低廉 3 曲柄搖桿的參數(shù)設計 擺桿主要功能是驅(qū)動苗夾 完成取苗與放苗動 作 需要確保運動的穩(wěn)定性 避免蔬菜秧苗脫落 需 要在設計曲柄搖桿機構時 取消其急回特性 如果選 擇沒有急回特性的曲柄搖桿機構 其行程速比系數(shù) 將沒有極位夾角 即k 1 在搖桿達到最遠 最近的 極限位置時 曲柄和連桿處于同一直線上 設計擺桿 長度為100 mm 擺角為120 機架長度為335 mm nullnull 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2023年第6期 在機架與連桿 機架與極限位置的角度分析中 需要 考慮到曲柄與連桿在極限位置的特殊情況下 擁有共 線的特性 所以 設計曲柄長度86 6 mm 連桿長度 331 2 mm 可滿足自動移栽機在工作狀態(tài)下的曲柄搖 桿運動要求 4 取苗機構的工作原理與運動軌跡設計 4 1 工作原理 取苗機構主要由平行四連桿機構 曲柄搖桿 苗 夾 帶輪機構等部分構成 在實際工作中 苗夾需要 預先固定于平行四連桿機構的豎桿位置 并讓苗夾維 持開口向下的工作狀態(tài) 四連桿的兩端通過鉸接進行 固定 另外兩端則做水平布置 固定端與水平端相垂 直 固定端與橫桿形成搖桿機構 水平端與豎桿形 成平行四連桿機構 水平端的一側在獲得電機驅(qū)動力 后 會對橫桿做圓周運動 并聯(lián)動平行四連桿的豎桿 做往復運動 對于取苗機構的結構 簡單分為 作為核心部 件的右平行四連桿機構與左平行四連桿機構 基于 步進機械設備的步進皮帶 實現(xiàn)取苗動作的步進移 位輸送機構 在抵達最大位移距離時拉回步進移位 輸送機構的回位彈簧 與回位彈簧構成一個整體的 磁吸 用于夾取蔬菜的苗夾 進行往復運動的搖 桿機構 提供取苗機構運動動力的電機 4 2 運動軌跡 取苗機構的各項參數(shù)如下 曲柄86 6 mm 連桿 331 2 mm 搖桿100 mm 機架335 Mm 長桿310 mm 短桿80 mm 再使用歐德克連桿仿真設計軟件 對取 苗機構做運動仿真 可以從取苗機構的運動軌跡中看 出 連桿機構可以保持穩(wěn)定運行狀態(tài) 不會出現(xiàn)相互 干涉情況 因為苗夾在取苗機構運動過程中保持不對 稱弓背式的運行軌跡 所以在使用過程中 操作人員 可以根據(jù)蔬菜移栽要求 對搖桿與平行四連桿長桿之 間的夾角進行調(diào)整 維持苗夾對稱運動軌跡 提升蔬 菜移栽的效率與質(zhì)量 5 結論 當前 我國蔬菜移栽主要采用半自動移栽模式 相較于人工移栽模式 可以有效提升蔬菜秧苗移栽效 率 但是需要額外配置3 4名 臺的種植人員 沒有徹 底解決勞動強度偏大的問題 本設計的自動移栽機 整體結構較為簡單 不涉及更為復雜的機械結構 而 且 整體結構制造成本偏低 符合大多數(shù)種植戶的經(jīng) 濟條件 盡管在移栽效率與移栽質(zhì)量上 和歐美等發(fā) 達國家的自動移栽機有一定差距 在實際應用中需要 種植人員對蔬菜秧苗進行二次調(diào)整 但是本設計的自 動移栽機仍具有較高的實用價值 可以適應大多數(shù)蔬 菜秧苗的移栽條件 另外 如果種植人員有額外的蔬 菜秧苗移栽需求 可以將其他機械設備安裝到自動移 栽機上 具有二次改造可能性 參考文獻 1 韓長杰 肖立強 李洪雷 等 辣椒穴盤苗自動移栽機設計 與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2021 37 13 20 29 2 朱興亮 郭彥克 韓長杰 等 茄果類缽苗自動移栽機設計 與試驗 J 中國農(nóng)機化學報 2021 42 5 19 26 3 李江全 葉星晨 汪博文 等 基于LabVIEW的自動移栽機 整排取投苗控制系統(tǒng)設計 J 農(nóng)機化研究 2021 43 9 113 120