劉衛(wèi)想　金鑫　杜新武

摘要：為了降低自動(dòng)取苗裝置取苗過程中對(duì)缽體的損傷，提高取苗成功率，對(duì)頂出-夾取式自動(dòng)取苗裝置的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行仿真分析。在Visual Studio環(huán)境下，根據(jù)模型編寫可視化蔬菜穴盤苗自動(dòng)取苗裝置時(shí)序分析程序，并對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到一組最佳參數(shù)：曲柄長(zhǎng)度a=78 mm，連桿長(zhǎng)度b=112 mm，偏心距e=20 mm，頂苗機(jī)構(gòu)的初始相位角φd=108°，橫移機(jī)構(gòu)的位移為h1=36.5 mm，縱移機(jī)構(gòu)的初始相位角φz=185°，苗爪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的初始相位角φf=15°。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，在取苗速度為140株/min時(shí)的成功率為98.44%，基質(zhì)損失率為36.67%，驗(yàn)證了該取苗機(jī)構(gòu)的可行性。

關(guān)鍵詞：頂出-夾取式；運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；仿真分析；參數(shù)優(yōu)化；樣機(jī)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： S223.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）07-0385-04

自動(dòng)取苗裝置是全自動(dòng)移栽機(jī)的核心部件之一，如今已成為阻礙我國(guó)移栽過程全自動(dòng)化發(fā)展的主要障礙。國(guó)外對(duì)取苗裝置的研究[1-5]起步較早，已有成熟的機(jī)型，但因其價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、與我國(guó)的農(nóng)藝不相符等而并未在我國(guó)得到大面積的推廣應(yīng)用。為了提高我國(guó)移栽過程的自動(dòng)化水平，國(guó)內(nèi)一些高校及科研院所對(duì)取苗裝置開展了研究，如田昆鵬等研究開發(fā)了一種門形取苗裝置[6]；周梅芳等對(duì)橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究[7]；俞高紅等研究開發(fā)了一種橢圓-不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)[8]；趙雄等對(duì)棉花移栽機(jī)旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及虛擬試驗(yàn)[9]；中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院對(duì)齒輪—五桿取苗裝置進(jìn)行了研究[10]；俞高紅等研制了一種旋轉(zhuǎn)式穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)[11]；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)取喂系統(tǒng)的研究[12]；胡敏娟研制了取苗器的試驗(yàn)系統(tǒng)[13]；楊傳華開展了蔬菜穴盤苗自動(dòng)輸送技術(shù)與機(jī)構(gòu)的研究[14]等。然而，由于各種各樣的原因如取苗成功率低、穩(wěn)定性差等，所研究的一些取苗機(jī)構(gòu)并未能在實(shí)際中得到應(yīng)用。因此，為了降低取苗過程對(duì)缽體的損傷及提高取苗成功率，對(duì)頂出-夾取式取苗裝置的取苗過程進(jìn)行分析，并對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及參數(shù)優(yōu)化，得出該取苗機(jī)構(gòu)最佳的一組參數(shù)組合，對(duì)樣機(jī)的可行性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理

自動(dòng)取苗裝置主要包括頂苗機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、縱移機(jī)構(gòu)和苗爪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中頂苗機(jī)構(gòu)為一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)推苗桿作周期性直線往復(fù)動(dòng)作，將基質(zhì)苗從穴盤中推出；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，凸輪帶動(dòng)苗架在頂苗的間隙完成橫移，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

移栽機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力由地輪提供，傳動(dòng)到各個(gè)機(jī)構(gòu)，一個(gè)動(dòng)力源可以保持送苗、頂苗、取苗等機(jī)構(gòu)的同步動(dòng)作。苗盤橫向放置，每排16株，頂苗機(jī)構(gòu)每轉(zhuǎn)動(dòng)1周，頂出8株。苗盤橫移1次，橫移凸輪從近休位置到達(dá)遠(yuǎn)休位置，頂苗機(jī)構(gòu)頂出剩下8株。縱移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)苗盤進(jìn)給1個(gè)穴距，頂苗機(jī)構(gòu)頂出下一排的8株，橫移凸輪從遠(yuǎn)休位置回到近休位置，再頂出剩下8株，完成1個(gè)循環(huán)，取苗過程如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

2.1 頂苗機(jī)構(gòu)

裝置工作時(shí)，鏈傳動(dòng)部件將動(dòng)力傳遞到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（圖1-a），由滑塊推動(dòng)頂苗桿作周期性直線往復(fù)動(dòng)作，將基質(zhì)苗從穴盤中頂出。因此，以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立頂苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

式中：H代表苗瓜翻轉(zhuǎn)凸輪的位移；hp代表苗爪翻轉(zhuǎn)凸輪的行程，mm；φ代表苗瓜翻轉(zhuǎn)凸輪的轉(zhuǎn)角；m代表齒輪齒條機(jī)構(gòu)的模數(shù)；Zp代表齒輪的齒數(shù)，mm；γ代表苗盤放置角度與水平面夾角。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1 頂苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件對(duì)頂苗機(jī)構(gòu)的頂桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到頂桿的位移、速度和加速度曲線，如圖4所示。曲線顯示，在到達(dá)頂苗位置時(shí)，速度逐漸降低，在頂苗結(jié)束后，加速度增大，減少空程時(shí)間。當(dāng)取苗速度為240株/min時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)速為30 r/min，最大速度出現(xiàn)在頂桿到達(dá)頂苗位置之前，最大線速度vmax=305.64 mm/s，加速度最大值出現(xiàn)在頂苗結(jié)束后，amax=1 789 mm/s2，所以在頂苗過程中頂桿對(duì)基質(zhì)苗無明顯沖擊。

3.2 苗盤輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

頂桿在頂苗時(shí)，穴盤要保持靜止?fàn)顟B(tài)，因此設(shè)α（0≤α≤2π）為頂苗機(jī)構(gòu)到達(dá)頂苗點(diǎn)之后對(duì)應(yīng)的相位角，為使頂苗機(jī)構(gòu)與苗盤輸送機(jī)構(gòu)不產(chǎn)生干涉，則需要滿足：

式中：β1代表苗盤縱移的運(yùn)動(dòng)相位角；β2代表苗盤橫移機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)休或近休相位角。

根據(jù)頂苗機(jī)構(gòu)和苗盤輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程以及2個(gè)機(jī)構(gòu)的相位角所滿足的條件，對(duì)2個(gè)機(jī)構(gòu)的位移進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖5所示。

3.3 取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在取苗速度為240株/min時(shí)，凸輪的轉(zhuǎn)速為30 r/min，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件對(duì)苗爪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)凸輪從動(dòng)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到凸輪的位移、速度和加速度曲線（圖6）。曲線顯示最大加速度amax=182.198 mm/s2，出現(xiàn)在剛剛翻轉(zhuǎn)時(shí)和夾持基質(zhì)苗快要到豎直位置時(shí)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)沖擊。

4 參數(shù)優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化目標(biāo)

取苗裝置的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)取苗成功率及取苗質(zhì)量有至關(guān)重要的影響，因此在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合裝置所需要滿足的農(nóng)藝及農(nóng)機(jī)的要求對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，其優(yōu)化分析的目標(biāo)有：（1）頂苗位移要小于200 mm；（2）曲柄所轉(zhuǎn)的相位角必須要對(duì)應(yīng)橫移機(jī)構(gòu)和縱移機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)休相位角或近休相位角；（3）頂苗機(jī)構(gòu)和苗盤橫移、縱移機(jī)構(gòu)各動(dòng)作之間都有一定的預(yù)留時(shí)間；（4）苗盤每次的步進(jìn)距離為36 mm。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

通過對(duì)取苗裝置進(jìn)行時(shí)序分析并根據(jù)分析結(jié)果及各機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，在Visual Studio開發(fā)環(huán)境下，建立機(jī)構(gòu)的可視化時(shí)序分析程序，通過改變各個(gè)機(jī)構(gòu)的參數(shù)，求得該機(jī)構(gòu)的最佳參數(shù)組合為：曲柄長(zhǎng)度a=78 mm，連桿長(zhǎng)度b=112 mm，偏心距e=20 mm，頂苗機(jī)構(gòu)的初始相位角φd=108°，橫移機(jī)構(gòu)的位移為h1=36.5 mm，縱移機(jī)構(gòu)的初始相位角φz=185°，苗爪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的初始相位角φf=15°。

5 樣機(jī)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)對(duì)象為番茄穴盤苗，品種為以色列1918，苗齡50 d。育苗質(zhì)量較好，出苗率達(dá)到100%，且基質(zhì)塊緊實(shí)，盤根情況較好，達(dá)到了試驗(yàn)用苗的要求。

5.2 儀器設(shè)備

蔬菜穴盤苗自動(dòng)取苗裝置樣機(jī)（動(dòng)力源為變頻調(diào)速電機(jī)，可通過變頻器實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，速度變化范圍6～240 r/min），i2000型電子天平，封口塑料袋，秒表。

5.3 試驗(yàn)方法

取3盤苗（出苗率均為100%，基質(zhì)含水率為32.79%）進(jìn)行3組試驗(yàn)，變頻器的頻率分別為2.5、3.5、4.5 Hz，對(duì)應(yīng)的取苗速度約為80、110、140株/min。試驗(yàn)過程中觀察頂苗和夾取過程中未頂出個(gè)數(shù)和未成功夾取個(gè)數(shù)，進(jìn)行記錄；在蔬菜穴盤苗自動(dòng)取苗裝置的底部放置紙板，用以收集各個(gè)機(jī)構(gòu)掉落的基質(zhì)，取苗完成后將各個(gè)部分的基質(zhì)和取苗動(dòng)作完成后基質(zhì)苗進(jìn)行收集和稱質(zhì)量，以此分別計(jì)算取苗成功率和基質(zhì)損失率。取苗成功率（η1）的計(jì)算公式：

η1=WW0×100%=W0-W1-W2W0×100%。

（14）

式中：W代表取苗成功個(gè)數(shù)；W0代表穴盤中基質(zhì)苗總個(gè)數(shù)；W1代表頂苗階段未頂出的苗數(shù)；W2代表夾取苗階段未成功夾取到位的苗數(shù)。

定義在取苗結(jié)束后基質(zhì)塊仍然殘留在苗盤中的基質(zhì)個(gè)數(shù)為頂苗階段未頂出的苗W1；機(jī)械手未能夾取到或者在落苗動(dòng)作前基質(zhì)苗就從苗爪中脫落的基質(zhì)苗數(shù)為夾取苗階段未成功夾取到位的苗數(shù)W2，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

式中：m代表整個(gè)取苗過程中基質(zhì)損失量，g；m0代表盤中基質(zhì)苗總質(zhì)量（不包括苗盤），g；m1代表頂苗過程中的基質(zhì)損失量，g；m2代表夾取過程中的基質(zhì)損失量，g；m3代表落苗過程的基質(zhì)損失量，g。

定義苗盤輸送裝置底部收集的基質(zhì)和殘留在穴盤中的基質(zhì)為頂苗過程中的基質(zhì)損失量m1；在取苗機(jī)械手運(yùn)行軌跡下方收集的基質(zhì)為夾取過程中的基質(zhì)損失量m2；基質(zhì)苗距離接苗板約280 mm，此過程是為了模仿全自動(dòng)移栽機(jī)上基質(zhì)苗落入導(dǎo)苗筒的過程，落苗完成后，將成塊的基質(zhì)苗收集稱質(zhì)量，接苗板上留下的就是落苗過程的基質(zhì)損失量m3，整個(gè)取苗過程的基質(zhì)損失量為m=m1+m2+m3，結(jié)果見表2。

5.4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)過程中的取苗效果如圖7所示。由試驗(yàn)結(jié)果（表1、表2）可知，在取苗速度為80株/min時(shí)，取苗成功率為100%，基質(zhì)損失率為36.24%；取苗速度為110株/min時(shí)，取苗成功率為98.44%，基質(zhì)損失率為 34.64%；取苗速度為140株/min時(shí)，取苗成功率為98.44%，基質(zhì)損失率為3667%，取苗成功率較高。在這3種取苗速度下的基質(zhì)損失率均高于30%，其主要是因?yàn)樵陧斆珉A段基質(zhì)塊底部受力后，在秧苗直徑方向產(chǎn)生了壓縮變形，而后基質(zhì)塊兩側(cè)受到夾

緊力，又發(fā)生了垂直于秧苗直徑方向的壓縮變形，在先后被施加2個(gè)方向的載荷之后，基質(zhì)底部發(fā)生了坍塌和顆粒間的重新排列，但是在根系的包裹和纏聯(lián)作用下并未脫落，最后基質(zhì)塊靠重力自由落體，基質(zhì)塊底部與接苗板撞擊，基質(zhì)在此過程中大量脫落。試驗(yàn)結(jié)果表明，該取苗機(jī)構(gòu)在取苗速度為140株/min時(shí)仍具有較高的取苗成功率，且基質(zhì)損失率在不同的取苗速度下相對(duì)穩(wěn)定，滿足了設(shè)計(jì)要求，說明該取苗機(jī)構(gòu)可行。

6 結(jié)論

對(duì)頂出-夾取式取苗裝置的取苗過程進(jìn)行分析，通過取苗、苗盤輸送和苗爪翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立動(dòng)作匹配的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。在Visual Studio 開發(fā)環(huán)境下編寫可視化蔬菜穴盤苗自動(dòng)取苗裝置時(shí)序分析程序，對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得到一組最佳參數(shù)，即曲柄長(zhǎng)度a=78 mm，連桿長(zhǎng)度b=112 mm，偏心距e=20 mm，頂苗機(jī)構(gòu)的初始相位角φd=108°，橫移機(jī)構(gòu)的位移為h1=36.5 mm，縱移機(jī)構(gòu)的初始相位角φz=185°，苗爪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的初始相位角φf=15°。通過對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行取苗成功率和基質(zhì)損失率試驗(yàn)，得出在取苗速度為70、110、140株/min 時(shí)，取苗成功率分別為100%、98.44%、98.44%，基質(zhì)損失率均在35%左右，驗(yàn)證了該取苗機(jī)構(gòu)的可行性。

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