李少華，劉海彬，高建敏，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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幼苗盤自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)取放裝置設(shè)計(jì)

李少華，劉海彬，高建敏，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：針對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)中播種、催芽、育苗、嫁接等作業(yè)需要大量勞動(dòng)力搬運(yùn)幼苗盤問(wèn)題,設(shè)計(jì)了幼苗盤自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)取放裝置。該裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，抓取手指與一對(duì)形狀相同的傳動(dòng)鏈鉸鏈連接，傳動(dòng)鏈同速同向，抓取手指做平移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取放幼苗盤。根據(jù)Pro/E軟件機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和分析，取放裝置能夠?qū)崿F(xiàn)取放工作。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)幼苗盤托盤底面與無(wú)動(dòng)力滾筒上表面平齊，端面水平相距30mm時(shí)，取放裝置能夠順利取放幼苗盤。

關(guān)鍵詞：取放裝置；幼苗盤；雙鏈傳動(dòng)；仿真分析

0引言

工廠化育苗是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要組成部分，因其育苗周期短、病蟲害低等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用[1-4]。然而，工廠化育苗配套設(shè)備還不健全，在播種、催芽、育苗、嫁接等之間幼苗盤的搬運(yùn)作業(yè)中，主要依靠勞動(dòng)力擺放幼苗盤，通過(guò)人工或者牽引機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸[5-6]。隨著人工成本的提升，勞動(dòng)力問(wèn)題越顯突出。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)幼苗盤自動(dòng)搬運(yùn)裝置開展了相關(guān)技術(shù)研究。荷蘭開發(fā)的巖棉塊搬運(yùn)鋪放專用車可以根據(jù)栽培工藝要求調(diào)解巖棉塊鋪放的行間距和株間距[7]，是為巖棉塊在溫室內(nèi)搬運(yùn)和鋪放開發(fā)的專用車。夏紅梅等設(shè)計(jì)了水稻聯(lián)合播種機(jī)穴盤搬運(yùn)機(jī)械手[8]，輔助人工搬運(yùn)穴盤，未提及穴盤的運(yùn)輸作用。王玉輝設(shè)計(jì)的硅膠托盤自動(dòng)搬運(yùn)裝置，主要針對(duì)硅膠托盤的裝載過(guò)程[9]。檀連生設(shè)計(jì)的立體車庫(kù)搬運(yùn)器[10]，必須先把車輛?？吭谌》叛b置上，才能自動(dòng)搬運(yùn)車輛。

為此，筆者設(shè)計(jì)了自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)的取放裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)幼苗盤的自動(dòng)裝卸載工作,并通過(guò)Pro/E機(jī)構(gòu)模塊對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。

1取放裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1取放裝置結(jié)構(gòu)

幼苗盤自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)集裝載、運(yùn)輸、卸載幼苗盤為一體，實(shí)現(xiàn)了幼苗盤的自動(dòng)搬運(yùn)。

幼苗盤自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)由取放裝置、升降裝置、輸送裝置和機(jī)架組成，如圖1所示。其中，升降裝置上下升降取放裝置和幼苗盤，取放裝置裝卸幼苗盤。

1.輸送裝置　2.機(jī)架　3.取放裝置　4.升降裝置

在輸送裝置輸送過(guò)程中，幼苗盤在育苗箱上縱向擺放，取放裝置既要自動(dòng)伸出機(jī)架取放幼苗盤，又要避開輸送裝置和育苗箱支架的干涉。該裝置主要由機(jī)架、抓取手指、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、無(wú)動(dòng)力滾筒機(jī)構(gòu)、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。取放裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、鏈傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)為抓取手指提供動(dòng)力，兩對(duì)內(nèi)外側(cè)傳動(dòng)鏈對(duì)稱安裝在裝置兩側(cè)，且外側(cè)傳動(dòng)鏈位置高于內(nèi)側(cè)，同步帶輪緊貼內(nèi)外側(cè)傳動(dòng)鏈的主動(dòng)鏈輪安裝。抓取手指與安裝在內(nèi)外側(cè)傳動(dòng)鏈對(duì)應(yīng)相同位置上直板鏈扣的連接桿鉸鏈連接，使抓取手指處于豎直，且同條傳動(dòng)鏈上抓取手指安裝方向相反，不同傳動(dòng)鏈上對(duì)應(yīng)抓取手指安裝方向相同。無(wú)動(dòng)力滾筒機(jī)構(gòu)安裝在兩對(duì)傳動(dòng)鏈的中間。

1.無(wú)動(dòng)力滾筒機(jī)構(gòu)　2.抓取手指　3.步進(jìn)電機(jī)　4.內(nèi)側(cè)鏈傳動(dòng)

1.2工作原理

在卸載幼苗盤時(shí)，隨著鏈條的運(yùn)動(dòng)，前端抓取手指繞過(guò)從動(dòng)鏈輪，后端抓取手指推動(dòng)幼苗盤向前運(yùn)動(dòng)，直到幼苗盤脫離無(wú)動(dòng)力滾筒機(jī)構(gòu)，后端抓取手指繞過(guò)從動(dòng)鏈輪，即完成卸載工作；其它層幼苗盤的擺放通過(guò)升降裝置實(shí)現(xiàn)取放裝置的上下移動(dòng)如圖3所示。

抓取手指抓取幼苗盤時(shí)的局部放大圖，如圖4所示。

(a)　取幼苗盤

(b)　取幼苗盤完成

(c)　放幼苗盤

1.外側(cè)傳動(dòng)鏈　2.抓取手指頂端運(yùn)動(dòng)軌跡　3.幼苗盤

幼苗盤放置在取放裝置一側(cè)，底面與鏈條上表面平齊，且其一端□型槽口在抓取手指的運(yùn)動(dòng)軌跡上；當(dāng)抓取手指隨著鏈條逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指頂端插入□型槽，并拉動(dòng)幼苗盤運(yùn)動(dòng)。其中，運(yùn)動(dòng)軌跡彎曲處的曲率與鏈輪的直徑有關(guān)，取放裝置與幼苗盤之間的距離與抓取手指的寬度有關(guān)。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1幼苗盤托盤設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的幼苗盤為50孔，尺寸為545mm×280mm×50mm，材料為聚苯乙烯。由于直接抓取穴盤兩端，育有幼苗的穴盤易發(fā)生變形，在搬運(yùn)幼苗盤之前，栽培基質(zhì)需要加水，需要托盤防止穴盤向下滲水。幼苗盤與托盤局部剖視圖，如圖5所示，幼苗盤完全放置在托盤里，托盤的尺寸為545 mm×280mm×30mm，四周外沿設(shè)有□型槽,槽深28mm,槽口寬10mm。

1.幼苗　2.穴盤　3.托盤

2.2抓取手指設(shè)計(jì)

根據(jù)幼苗盤在輸送裝置和育苗箱中擺放形態(tài)，抓取手指在抓取幼苗盤時(shí)，需要伸出取放裝置，如圖6所示。其中，抓取手指設(shè)計(jì)成“Z”型，與連接件鉸鏈連接，分別固定在內(nèi)外側(cè)傳動(dòng)鏈上。在取放幼苗盤時(shí)，前后端抓取手指分別插入托盤兩端的□型槽，拉或推動(dòng)托盤運(yùn)動(dòng)。抓取手指兩孔之間的距離等于內(nèi)外側(cè)傳動(dòng)鏈的豎直位置差，即為61mm。抓取手指長(zhǎng)為91mm、寬度為32mm，通過(guò)連接件鉸鏈連接在內(nèi)外側(cè)傳動(dòng)鏈上，隨著傳動(dòng)鏈做平移運(yùn)動(dòng)。

1.外鏈條直板鏈扣　2.抓取手指　3. 內(nèi)鏈條直板鏈扣　4.連接件

2.3鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)取放裝置對(duì)抓取手指功能要求，抓取手指在裝卸幼苗盤過(guò)程中，必須保持同一個(gè)姿態(tài)，即做平移運(yùn)動(dòng)。本裝置抓取手指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

1.右側(cè)抓取手指運(yùn)動(dòng)軌跡　2.抓取手指　3.左側(cè)抓取手指運(yùn)動(dòng)軌跡

該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由一對(duì)相同大小的傳動(dòng)鏈組成，內(nèi)外側(cè)傳動(dòng)鏈水平距離為40mm，豎直高度差為61mm。同條傳動(dòng)鏈上3個(gè)鏈輪成等腰三角形布置，且下端鏈輪為主動(dòng)輪，從動(dòng)鏈輪中心軸線之間的距離為650mm，主動(dòng)輪軸線與從動(dòng)輪之間的高度差為150mm。為保持內(nèi)外側(cè)鏈傳動(dòng)等速同向，內(nèi)外主動(dòng)鏈輪之間采用同步帶傳動(dòng)。

圖7中虛線為一個(gè)抓取手指頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，在不同位置處，抓取手指始終保持豎直向上形態(tài)。其中，1、3兩條運(yùn)動(dòng)軌跡分別是右側(cè)抓取手指和左側(cè)抓取手指的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)從右邊抓取幼苗盤時(shí)，鏈條逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，左側(cè)抓取手指運(yùn)動(dòng)到最右側(cè)，拉動(dòng)幼苗盤向取放裝置運(yùn)動(dòng)；在向左側(cè)放幼苗盤時(shí)，左側(cè)抓取手指繞過(guò)鏈輪，右側(cè)抓取手指推動(dòng)幼苗盤向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)右側(cè)抓取手指運(yùn)動(dòng)到最左端時(shí)，幼苗盤脫離取放裝置，完成幼苗盤的取放工作；當(dāng)抓取手指運(yùn)動(dòng)到左右兩端極限位置時(shí)，抓取手指水平速度為零，減小了手指抓取對(duì)幼苗盤的沖擊力。

每根鏈條與兩個(gè)抓取手指相連，兩個(gè)單邊直板鏈扣之間的鏈節(jié)數(shù)根據(jù)托盤□槽之間的距離和抓取手指的寬度計(jì)算，其計(jì)算公式為

N=(L+2M)/P

(1)

式中N—兩個(gè)單邊直板鏈扣之間的鏈節(jié)數(shù)；

L—托盤V槽之間的距離；

M—預(yù)設(shè)抓取手指的寬度；

P—鏈條型號(hào)。

其中，計(jì)算的鏈節(jié)數(shù)N四舍五入取整數(shù)，即為所求的鏈節(jié)數(shù)，抓取手指的寬度反過(guò)來(lái)根據(jù)鏈節(jié)數(shù)精確計(jì)算。本設(shè)計(jì)中鏈節(jié)數(shù)N為61。

為了避免鏈條在傳動(dòng)過(guò)程中松邊垂度過(guò)大，使下方的主動(dòng)鏈輪與鏈條嚙合不良，該鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)利用可調(diào)中心距法，調(diào)節(jié)水平鏈輪之間的中心距對(duì)傳動(dòng)鏈預(yù)緊。

2.4無(wú)動(dòng)力滾筒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)動(dòng)力滾筒運(yùn)輸機(jī)是一種沒有撓性牽引構(gòu)件的運(yùn)輸機(jī)，具有物料運(yùn)輸平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠和維修方便等特點(diǎn)。

穴盤托盤底面的尺寸為500mm×240mm,則滾筒長(zhǎng)度為200mm,滾筒間距的大小應(yīng)保證被運(yùn)輸物料的平穩(wěn),則需要至少4個(gè)以上滾筒支撐物料[11-12],滾筒間距取110mm。滾筒的直徑主要考慮滾筒的承載能力，搬運(yùn)穴盤時(shí)，一盤南瓜幼苗質(zhì)量2.8kg，故取滾筒的直徑31mm。

2.5傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

取放平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用PWM脈沖脈寬占空比調(diào)節(jié)法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變電極極性改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。取放平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖8所示，步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速器改變方向，傳遞給內(nèi)側(cè)傳動(dòng)鏈的主動(dòng)鏈輪和同步帶傳動(dòng)的主動(dòng)輪，通過(guò)同步帶傳動(dòng)把動(dòng)力傳遞給外側(cè)傳動(dòng)鏈的主動(dòng)輪，既保證了內(nèi)外側(cè)傳動(dòng)鏈的同向同速，又平穩(wěn)地驅(qū)動(dòng)鏈條附件運(yùn)動(dòng)。

圖8　傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3取放裝置的取放試驗(yàn)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,電機(jī)型號(hào)為安川步進(jìn)電機(jī)86HD3635-11-37AJ3,步距角為1.8°，驅(qū)動(dòng)器為S264兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，穴盤苗為適合嫁接的北京北農(nóng)種業(yè)生產(chǎn)的黃瓜專用砧木苗，試驗(yàn)時(shí)穴盤苗質(zhì)量2.8kg。裝置取放幼苗盤試驗(yàn)如圖9所示。

圖9　裝置取放幼苗盤試驗(yàn)

通過(guò)直流穩(wěn)壓電源向S264驅(qū)動(dòng)器提供24V直流電。采用C語(yǔ)言編程，通過(guò)單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間采用共陽(yáng)極方法，單片機(jī)P00、P01分別與S264驅(qū)動(dòng)器的控制脈沖端口PUL-、控制正反轉(zhuǎn)端口DIR-相聯(lián)，控制脈沖端口PUL+、控制正反轉(zhuǎn)端口DIR+分別于+5V直流電相聯(lián)。步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，抓取手指在做水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度為0.03m/s，即取放裝置取放幼苗盤的速度。

取放裝置兩端放置試驗(yàn)臺(tái)，擺放幼苗盤，在取放裝置右側(cè)試驗(yàn)臺(tái)放置一把尺子，測(cè)量取放裝置與試驗(yàn)臺(tái)之間水平距離，取放裝置豎直高度通過(guò)凳子調(diào)節(jié)。通過(guò)多次試驗(yàn)，測(cè)得取放裝置與支架之間最佳位置為：水平距離為30mm，托盤底面與無(wú)動(dòng)力滾筒上表面平齊。

4結(jié)論

1)根據(jù)幼苗盤在播種、催芽、育苗和嫁接等作業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種幼苗盤自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)取放裝置，并給出了具體結(jié)構(gòu)尺寸。該裝置能夠平穩(wěn)完成幼苗盤的裝載和卸載工作。

2)針對(duì)設(shè)計(jì)的取放裝置，采用Pro/E軟件機(jī)構(gòu)模塊對(duì)其運(yùn)動(dòng)仿真和分析，并制作和試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)幼苗盤托盤底面與無(wú)動(dòng)力滾筒上表面平齊、端面水平相距30mm時(shí)，取放裝置能夠順利取放幼苗盤。

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Design of Access Mechanism in Automatic Transporting Seedling Tray Machine

Li Shaohua,Liu Haibin,Gao Jianmin,Cui Yongjie

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract：In facility agriculture, lots of labor was needed for transporting seedling trays during the process of seeding, accelerating germination, seedling, grafting and so on. To solve the problem, this paper designs an access mechanism in automatic transporting seedling tray machine. The access device used a stepper motor as drive and its grab-fingers were connected with one pair of hinged drive chains which had the same shape with the grab fingers. The chains were at the same speed and direction and the grab-fingers did a translational motion. In this way, pick and place of seedling trays were achieved. The motion simulation and analysis to the device made by Pro / E mechanism module proved that the access device could realize the pick and place of seedling trays. According to the test, this access mechanism could pick and place the seedling trays successfully only when the bottom of seedling tray flushed with the surface of non-powered roller and the level distance between end face was 30mm.

Key words：access mechanism; seedling trays; dual train drive; simulation and analysis

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0072-05

中圖分類號(hào)：S233.74

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李少華(1990-),男,河南周口人,碩士研究生,(E-mail)lsh7576@163.com。通訊作者：崔永杰(1971-),男(朝鮮族), 吉林圖們?nèi)?副教授,博士，(E-mail) cuiyongjie@nwsuaf.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA10A506)

收稿日期：2015-04-29