金　鑫，劉衛(wèi)想，姬江濤，杜新武，楊傳華

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽　471003；2.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯　154007)

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自動(dòng)移栽缽苗輸送裝置理論分析與試驗(yàn)

金鑫1，劉衛(wèi)想1，姬江濤1，杜新武1，楊傳華2

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽471003；2.佳木斯大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007)

摘要：針對移栽作業(yè)人工喂苗速度低的問題，設(shè)計(jì)了一種由圓柱凸輪為橫移機(jī)構(gòu)、槽輪-鏈傳動(dòng)為縱移機(jī)構(gòu)所組成的自動(dòng)移栽缽苗輸送裝置。利用解析作圖法，并結(jié)合移栽農(nóng)藝要求分別對縱移和橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析，得出了輸送裝置的核心關(guān)鍵參數(shù)：橫移凸輪基圓半徑r0=65mm，滾子半徑r=12mm，滾子寬度B=9mm，槽輪槽數(shù)n=5。以苗齡期40天的西紅柿穴盤苗(穴盤規(guī)格為16×8)為試驗(yàn)對象進(jìn)行了缽苗輸送試驗(yàn)，結(jié)果表明：橫移機(jī)構(gòu)單次供苗的最大誤差為0.76mm，橫移7次(供苗時(shí)苗盤每行需橫移1次)累積誤差小于0.2mm，供苗準(zhǔn)確率超過97.9%；縱移機(jī)構(gòu)單次供苗的最大誤差為0.88mm，縱移7次(每盤8行，需縱向移動(dòng)7次)累積誤差不超過0.3mm，供苗準(zhǔn)確率在97.5%以上。該機(jī)構(gòu)在供苗過程中可連續(xù)作業(yè)，滿足缽苗供苗的自動(dòng)輸送需求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)移栽；缽苗輸送裝置；理論分析

0引言

缽苗輸送機(jī)構(gòu)是自動(dòng)移栽機(jī)的核心部件之一[1-3]，作用是代替人工將缽苗輸送到取苗位置，其作業(yè)質(zhì)量的好壞，對后續(xù)缽苗栽植的質(zhì)量有著直接的影響[4]。

國外對全自動(dòng)移栽機(jī)的研究起步較早，其自動(dòng)送盤裝置融合了多種先進(jìn)技術(shù)，作業(yè)質(zhì)量及智能化程度都相對較高；但由于其價(jià)格昂貴與我國農(nóng)藝不相符等原因[4]，在我國并未得到推廣應(yīng)用。目前，國內(nèi)也開展了對苗盤輸送裝置的研究設(shè)計(jì)[4-11]，但由于其仍存在送盤準(zhǔn)確度不高、可靠性差、效率低等問題[4,12]，并未得到實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。

為此，本文提出一種采用圓柱凸輪和槽輪機(jī)構(gòu)為縱、橫移動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的缽苗輸送裝置，并對該裝置的縱、橫機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)研究，以解決目前自動(dòng)送苗裝置定位準(zhǔn)確性差、效率不高等的問題，為全自動(dòng)移栽機(jī)的研究設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1整體結(jié)構(gòu)與工作原理

目前，我國各地蔬菜種植所使用的苗盤規(guī)格各異，主要有72、128、200穴等。鑒于取苗效率與取苗機(jī)構(gòu)的空間布置，選用規(guī)格為16×8無棱邊128穴可彎卷的聚乙烯塑料穴盤(見圖1)，具體規(guī)格為：整體尺寸600mm×300mm×45mm，穴孔為倒置方形棱臺(tái)，上邊長為a=30mm、底邊長為b=15mm、深度h=45mm，底部通水孔直徑為d=12mm，長度、寬度方向穴距為m=36.5mm、n=36mm。

圖1　128穴塑料苗盤

針對苗盤的規(guī)格特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種苗盤輸送裝置，使其能夠?qū)崿F(xiàn)苗盤的精確定位和準(zhǔn)確步進(jìn)，定位精度控制在1mm以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)16×8規(guī)格穴盤的連續(xù)供盤作業(yè)。

該裝置在需要滿足頂苗時(shí)，苗盤靜止不動(dòng)，頂完1排，苗盤縱向運(yùn)動(dòng)1個(gè)穴距的位移，并保持動(dòng)作穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確，其動(dòng)作為間歇步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。苗爪夾取頂出的基質(zhì)苗需要一定的空間，而所用的16×8規(guī)格的穴盤兩穴之間的棱邊間隙為6.5mm，空間較小，兩相鄰的取苗爪會(huì)產(chǎn)生干涉。所以，本文采用間隔頂苗的取苗方式，即頂桿間隔布置，1次頂出1排苗的1/2，然后苗盤橫移1次，再頂出其余的基質(zhì)苗。苗盤橫移的動(dòng)作，要求在頂苗時(shí)苗盤保持靜止不動(dòng)，在頂苗的間隙時(shí)間完成橫移動(dòng)作，該動(dòng)作是1個(gè)間歇直線往復(fù)動(dòng)作。其中，苗盤輸送機(jī)構(gòu)縱橫移動(dòng)作時(shí)序圖如圖2所示。

圖2　苗盤輸送裝置動(dòng)作時(shí)序圖

因此，將苗盤輸送裝置(見圖3)分為橫移機(jī)構(gòu)和縱移機(jī)構(gòu)。苗盤的縱移為槽輪間歇機(jī)構(gòu)，槽輪間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸帶動(dòng)苗盤縱移鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈條中穿有可固定苗盤的橫連桿，使苗盤縱向間歇進(jìn)給。橫移機(jī)構(gòu)作用是實(shí)現(xiàn)單排兩次頂出，由凸輪帶動(dòng)苗架在頂苗的間隙完成橫移。機(jī)構(gòu)的主體由兩根成60°角的角鋼焊接搭成，中間用圓鋼連接，最大限度減輕質(zhì)量。為了預(yù)留出空間布置頂苗機(jī)構(gòu)，3個(gè)鏈輪呈三角形布置，以防頂苗桿與鋼絲在工作時(shí)發(fā)生干涉。苗盤輸送裝置中添加了托苗板支撐苗盤，縱向有兩根導(dǎo)向桿約束苗盤，防止苗盤橫向竄動(dòng)。

圖3　苗盤輸送裝置

2橫移機(jī)構(gòu)理論分析

2.1　橫移機(jī)構(gòu)凸輪的運(yùn)動(dòng)方程

苗盤橫移機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)缽苗的單排兩次頂出，在頂苗間隙完成橫移動(dòng)作，其動(dòng)作為間歇直線往復(fù)動(dòng)作，采用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；通過凸輪的軌跡控制從動(dòng)件的停留和橫移時(shí)間，從而帶動(dòng)苗架完成橫移。

橫移機(jī)構(gòu)凸輪從動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中h—凸輪橫移的行程(mm)；

2.2　橫移凸輪廓面方程的建立及壓力角分析

建立圓柱凸輪的坐標(biāo)系( 見圖4) ，將“反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)”分析法[13]引入到苗盤橫移凸輪的建模中，以圓柱凸輪旋轉(zhuǎn)的中心線為z 軸，苗盤在圖4最低位置時(shí)，苗盤架上的滾子與橫移圓柱凸輪的交點(diǎn)為原點(diǎn)O，x軸為從動(dòng)件剛到達(dá)最低位置時(shí)滾子的中心線方向，y軸與x和z軸垂直?，F(xiàn)已知橫移圓柱凸輪的最小半徑為Rmin，以及苗盤的運(yùn)動(dòng)規(guī)律S(θ)，θ為橫移凸輪的角位移，θ= ω2t 。

建立橫移凸輪理論廓面的參數(shù)坐標(biāo)的方程[13]為

(2)

式中Σ1—橫移凸輪的理論廓面；

Rmin—橫移凸輪的最小柱面半徑(mm)。

其中，l∈[0,B]，θ∈[0,2π]，B為從動(dòng)件滾子的寬度，Σ1的坐標(biāo)網(wǎng)格曲面就是由l和θ在區(qū)間內(nèi)隨時(shí)間變化而形成的。

圖4　橫移圓柱凸輪坐標(biāo)系

橫移凸輪為圓柱凸輪，從動(dòng)件滾子是一個(gè)圓柱形滾針軸承，當(dāng)與滾子和凸輪的實(shí)際廓面嚙合時(shí)，接觸線與滾子的中心線平行，距離為滾子半徑r。也就是說，理論廓面和實(shí)際廓面在其公法線方向上是距離相等的，橫移凸輪的實(shí)際廓面是理論廓面的等距曲面，則橫移圓柱凸輪的實(shí)際廓面參數(shù)坐標(biāo)方程[13]為

(3)

式中r—從動(dòng)件滾子半徑(mm)。

S‘(θ)—類速度，即運(yùn)動(dòng)規(guī)律S(θ)對θ的導(dǎo)數(shù)。

由式(3) 可知: 橫移圓柱凸輪的實(shí)際廓面Σ2 是相對于理論廓面Σ1對稱布置的; 兩個(gè)曲面通過式(3)中參數(shù)l與θ在定義區(qū)間內(nèi)變化，就構(gòu)造出無數(shù)點(diǎn)，從而構(gòu)造出橫移凸輪的實(shí)際廓面Σ2。而當(dāng)參數(shù)θ為定值時(shí)，1為變量在變化區(qū)域內(nèi)變化，那么式( 3)就成了一條滾子與凸輪實(shí)際廓面接觸的空間曲線，所有的空間曲線的集合就構(gòu)成了嚙合的空間曲面，則橫移圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的嚙合曲面方程[13]為

(4)

橫移圓柱凸輪機(jī)構(gòu)任意一點(diǎn)壓力角公式[13]為

(5)

其中，l與θ為變量。利用三維設(shè)計(jì)軟件Autodesk Invetor的設(shè)計(jì)加速器(Design Accelerator)模塊對橫移圓柱凸輪實(shí)際廓面和從動(dòng)件在嚙合時(shí)所有接觸點(diǎn)的壓力角值進(jìn)行模擬計(jì)算。在參數(shù)r0=35mm、滾子半徑r=12mm，滾子寬度B=9mm、推程和回程相位角為60°時(shí)，得出的機(jī)構(gòu)最大壓力角為57.41°，壓力角較大，超出直動(dòng)推桿許用壓力角[α]較多，將基圓半徑增大到r0=65mm，推程和回程相位角調(diào)整到90°，其他參數(shù)不變，最大壓力角αmax=29.32°，αmax<[α]，符合設(shè)計(jì)要求。其計(jì)算結(jié)果和參數(shù)示意分別如圖5、圖6所示。

圖5　Inventor設(shè)計(jì)加速器計(jì)算結(jié)果

圖6　設(shè)計(jì)加速器中參數(shù)示意

3縱移機(jī)構(gòu)理論分析

苗盤縱移是一個(gè)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，靠槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間歇輸送。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，每次的步進(jìn)距離為苗盤的橫向穴距36mm。苗盤輸送采用鏈傳動(dòng)，在鏈條的連接處穿以細(xì)鋼柱，卡住苗盤(見圖7)，這種固定苗盤的方法需要保證鏈條的節(jié)距與苗盤成一定的倍數(shù)關(guān)系匹配。

1.苗盤　2.鋼絲　3.鏈條

則有

(6)

式中P—鏈條節(jié)距；

N個(gè)鏈條節(jié)距下對應(yīng)的穴距數(shù)，其中n、N均為整數(shù)。

結(jié)合滾子鏈規(guī)格及式(6)可得鏈條節(jié)距P=8mm，即此處選用05B鏈條，其銷軸直徑為2.31mm，每個(gè)穴距對應(yīng)的鏈節(jié)數(shù)為36/8=4.5。

設(shè)鏈輪齒數(shù)為Z，則槽輪步進(jìn)一次鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為

γ=4.5×360°/Z

(7)

外槽輪機(jī)構(gòu)簡圖如圖8所示。其主動(dòng)件撥桿2的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換成從動(dòng)件槽輪的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8　槽輪機(jī)構(gòu)簡圖

由外槽輪機(jī)構(gòu)簡圖可得

(8)

式中r1—主動(dòng)撥盤2與從動(dòng)槽輪3的中心距；

r2—圓銷軸心與主動(dòng)撥盤2軸心的距離；

r3—圓銷軸心與從動(dòng)槽輪3軸心的距離；

α—主動(dòng)撥盤的轉(zhuǎn)角；

β—從動(dòng)槽輪的轉(zhuǎn)角。

其中，令r2/r1=λ，則從動(dòng)件槽輪角位移為

(9)

β=γ/2

(10)

當(dāng)圓銷進(jìn)入和離開徑向槽時(shí)，其速度方向沿著徑向槽的中心線，即此時(shí)有

α+β=π/2

(11)

λ=sin(π/n)

(12)

式中n—槽輪的槽數(shù)。

根據(jù)放置苗盤的空間位置，鏈輪的分度圓直徑d>160mm，此時(shí)Zmin=63。將Zmin=63代入式(7)，得γ=25.71°。

聯(lián)立式(9)～式(12)，并將γ=25.71°代入其中，可得出槽輪槽數(shù)n=14。而當(dāng)槽輪槽數(shù)過多時(shí)，槽輪結(jié)構(gòu)增大，其慣性力矩將過大，為了保證其動(dòng)力性能，采用添加齒輪副為槽輪機(jī)構(gòu)減速的方法進(jìn)行匹配，即在槽輪和輸送鏈輪之間添加齒輪機(jī)構(gòu)。因此，選定齒輪副減速比為i=5/16，鏈輪齒數(shù)選z=72，則有

(13)

將z=72代入式(7)，得γ=22.5，聯(lián)立式(9)、式(11)～(12)和式(13)，并將γ=22.5代入其中，得槽輪槽數(shù)n=5。

4試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)條件與方法

4.1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)對象為蔬菜穴盤苗，選取苗齡期為40d的西紅柿穴盤苗若干盤，苗缽含水率40%～60%之間，穴盤苗出苗率85%～95%之間。

4.1.2儀器設(shè)備

1)蔬菜穴盤苗自動(dòng)供苗裝置(動(dòng)力源為變頻調(diào)速電機(jī))；

2)量程500mm的鋼板尺、量程2m的卷尺及500mm×250mm的直角尺各1把；

3)量程150mm、精度0.01mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺1把；

4)量程400mm、精度0.04mm的激光測距傳感器(型號：ZLDS100)。

4.1.3試驗(yàn)方法

缽苗輸送裝置的準(zhǔn)確移動(dòng)是確保取苗成功的必要條件[14]。因此，以送苗準(zhǔn)確率[15]為試驗(yàn)指標(biāo)來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)裝置的可行性。根據(jù)試驗(yàn)用苗盤規(guī)格，設(shè)定橫向逐格移動(dòng)位移量標(biāo)準(zhǔn)值為36.5mm，縱向逐格移動(dòng)位移量標(biāo)準(zhǔn)值為36mm，則送苗準(zhǔn)確率[15]的計(jì)算公式為

(14)

式中η—供苗準(zhǔn)確率(%)；

A—位移量實(shí)測值(mm)；

A0—位移量標(biāo)準(zhǔn)值(mm)。

缽苗輸送裝置性能試驗(yàn)(見圖9)分別安排橫、縱向移動(dòng)28次(相當(dāng)于移完3個(gè)苗盤)，即每個(gè)穴盤橫、縱向分別移動(dòng)7次，穴盤的最后1排苗不再進(jìn)行橫移動(dòng)作。試驗(yàn)中，通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速及脈沖數(shù)，使輸送裝置帶動(dòng)苗盤完成間歇性橫、縱向進(jìn)給。其中，控制系統(tǒng)采用手動(dòng)模式，橫、縱向供苗測試間隔進(jìn)行；取苗機(jī)構(gòu)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過取苗爪位置傳感器向控制系統(tǒng)發(fā)送開關(guān)信號，使苗盤不斷產(chǎn)生逐個(gè)穴格的橫、縱向移動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果即為測得裝置逐格移動(dòng)的實(shí)際位移量值，如表1所示。

圖9　苗盤輸送裝置性能試驗(yàn)

4.2　結(jié)果與分析

表1中，誤差是指機(jī)構(gòu)單次逐格移動(dòng)位移量與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差，誤差的正負(fù)則表示測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的大小情況。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，裝置逐個(gè)穴格移動(dòng)位移量誤差在(±1)mm范圍內(nèi)變化時(shí)，判斷缽苗輸送裝置設(shè)計(jì)合格。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：橫移機(jī)構(gòu)單次供苗的最大誤差為0.76mm，累積誤差小于0.2mm，供苗準(zhǔn)確率超過97.9%；縱移機(jī)構(gòu)單次供苗的最大誤差為0.88mm，累積誤差不超過0.3mm，供苗準(zhǔn)確率在97.5%以上，且苗盤的給入與空盤的回收無需暫停機(jī)器，對缽苗輸送作業(yè)狀況基本沒有影響。

通過試驗(yàn)觀察可知：當(dāng)設(shè)定縱向移盤步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩同步鏈傳動(dòng)帶動(dòng)苗盤連續(xù)縱向移動(dòng)，若苗盤縱向進(jìn)給速度過快，電機(jī)驅(qū)動(dòng)會(huì)偶有阻轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，說明兩同步鏈傳動(dòng)平行度尚存一定的缺陷；考慮到苗盤帶苗作業(yè)質(zhì)量增加，且作業(yè)過程苗葉可能會(huì)與壓苗板交纏引起阻力矩增大，為縱向移盤步進(jìn)電機(jī)匹配1:10的減速機(jī)，增大驅(qū)動(dòng)扭矩，同時(shí)進(jìn)一步校正兩鏈輪軸間的平行度。

總體而言，該缽苗輸送裝置的作業(yè)性能，滿足蔬菜缽苗自動(dòng)供苗需求，供苗準(zhǔn)確率不低于97.5%，累積誤差不超過0.3mm，符合設(shè)計(jì)要求。

表1　橫、縱向供苗試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表1

5結(jié)論

1)對設(shè)計(jì)要求和動(dòng)作功能進(jìn)行分析，確定了功能—工作原理—工藝動(dòng)作路線，將缽苗輸送裝置動(dòng)作分解為苗盤橫移、苗盤縱移2個(gè)動(dòng)作，并確定采用圓柱凸輪和槽輪機(jī)構(gòu)為縱、橫移動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2)建立了橫移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，利用三維設(shè)計(jì)軟件Autodesk Inventor對橫移圓柱凸輪的壓力角進(jìn)行了分析建模，得出在參數(shù)r0=65mm、滾子半徑r=12mm、滾子寬度B=9mm、推程和回程相位角為90°時(shí)，壓力角小于許用壓力角，使推程和回程相位角滿足了機(jī)構(gòu)要求，減小了動(dòng)作沖擊。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對縱移動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)方程進(jìn)行分析，得出縱移機(jī)構(gòu)齒槽輪槽數(shù)n=5。

3)缽苗輸送性能試驗(yàn)表明：橫、縱向供苗機(jī)構(gòu)逐格移動(dòng)苗盤至待取苗位置的位移準(zhǔn)確率均達(dá)到97.5%以上，且苗盤的給入與空盤的回收均不影響供苗作業(yè)精度，缽苗輸送裝置滿足設(shè)計(jì)使用要求。

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Theoretical Analysis and Test on Conveying Device of Automatic Transplanting for Pot Seedling

Jin Xin1, Liu Weixiang1, Ji Jiangtao1, Du Xinwu1, Yang Chuanhua2

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;

2.School of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

Abstract：Aimed at the problem of the low efficiency of manual feeding in seedling transplanting. The conveying device of automatic transplanting for pot seedling was designed. The horizontal moving mechanism of conveying device was cylindrical cam mechanism and the lengthways moving mechanism of conveying device was a geneva-chain transmission combination mechanism. Theoretical analysis about the horizontal moving mechanism and the lengthways moving mechanism of conveying device was carried out by using analytical graphic method and combining with the agrotechnical requirements of seedling transplanting. And then, The critical structure parameter of the tray conveying device was obtained, i.e., the datum circle radius (r0) of cam was 65mm, the roller radius (r) of cam mechanism was 12mm, the roller width (B) of cam mechanism was 9mm and the slot number (n) of the geneva gear was 5. At last, the tray conveying test was carried out by using the tomato seedling as the test object. And the seedling age was 40d and the tray specifications was 16×8. The results showed that maximum error of the horizontal moving mechanism was 0.76mm in single times of feeding seedling, the cumulative error of 7 times of horizontal movement was less than 0.2mm, and the accuracy was over 97.95%.The maximum error of the lengthways moving mechanism was 0.88mm in single times of feeding seedling, the cumulative error of 7 times of lengthways movement was less than 0.3mm, and the accuracy was over 97.5%. At the same time, the tray conveying device could continuous operation in the process of seedling tray conveying.The study results meet the demands of the automatic seedling conveying.

Key words：automatic transplanting; seedling conveying device; theoretical analysis

中圖分類號：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0018-07

作者簡介：金鑫(1986-)，男，河南新縣人，講師，博士，(E-mail)jx.771@163.com。通訊作者：杜新武(1975-)，男，河南洛陽人，副教授，博士，(E-mail)dxw@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505130)；黑龍江省科學(xué)基金面上項(xiàng)目(E2015042)；河南科技大學(xué)青年基金項(xiàng)目(2015QN004)

收稿日期：2015-12-10