高國華，馬 帥

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基于離散單元分析與物場分析的盆花移栽手爪優(yōu)化

高國華，馬 帥

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

該文針對盆花移栽作業(yè)過程中出現(xiàn)的移栽手爪提取基質(zhì)不完整的現(xiàn)象，基于離散單元分析方法，利用EDEM（enhanceddiscrete element method）軟件建立起機(jī)構(gòu)（移栽手爪）、作用對象（帶有根系的盆花基質(zhì)）、作用條件（花盆）間的離散元仿真模型，對手爪鋼針的插入和提離過程進(jìn)行離散元仿真分析，確定基質(zhì)斷層為提取基質(zhì)不完整的原因，并通過對基質(zhì)提離過程進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致基質(zhì)發(fā)生斷層現(xiàn)象的根本原因是基質(zhì)提離總阻力大于基質(zhì)內(nèi)部所能提供的最大凝聚力。鑒于如上分析，利用物場分析方法提出在原有系統(tǒng)中添加揉盆機(jī)構(gòu)的解決方案，通過對揉盆機(jī)構(gòu)工作過程進(jìn)行離散元仿真分析發(fā)現(xiàn)，在揉盆機(jī)構(gòu)的作用下基質(zhì)與花盆之間產(chǎn)生了縫隙，使花盆對基質(zhì)由于粘附作用產(chǎn)生的摩擦阻力降低，減小了基質(zhì)提離總阻力，證明在工作過程中揉盆機(jī)構(gòu)可以通過減小基質(zhì)提離總阻力來解決基質(zhì)斷層問題。分別對添加揉盆機(jī)構(gòu)前后的樣機(jī)進(jìn)行3組100盆的花苗移栽試驗(yàn)，移栽手爪完整提取基質(zhì)成功率從84.67%提升到97.67%。該研究將EDEM離散單元分析與物場分析方法結(jié)合應(yīng)用在機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，可以為盆間自動(dòng)化移栽領(lǐng)域的設(shè)備研制與開發(fā)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；移栽；優(yōu)化；移栽手爪；盆花；離散單元分析；物場分析

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高，中國花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。統(tǒng)計(jì)顯示，2011年全國花卉種植面積相比2010年增長11.6%[1]。截止2014年年底，花卉生產(chǎn)面積已達(dá)1.27×106hm2，銷售額1 279.45億元，出口創(chuàng)匯6.2億美元。在諸多花卉品種中，盆載花卉以其觀賞性高、極易成活的特點(diǎn)深受人們喜愛，市場總量逐年增加，僅2012年盆栽花卉銷售額就已達(dá)267.72 億元。而盆栽紅掌作為中國溫室花卉種植的一個(gè)重要組成部分，銷量穩(wěn)居世界第一[2-3]。但在紅掌盆栽種植過程中，為節(jié)約空間及保證著花率，令植株大小與花盆比例相稱而便于出售，需將花苗從小花盆移栽至大花盆中[4-6]。這一移栽過程較為復(fù)雜，目前多為人工操作，成本高、效率低。因此，亟待研發(fā)一套盆花移栽設(shè)備實(shí)現(xiàn)花苗由小花盆移栽至大花盆的自動(dòng)化移栽作業(yè)。

對于花卉移栽領(lǐng)域的自動(dòng)化設(shè)備，國內(nèi)外已進(jìn)行諸多相關(guān)研究。如荷蘭VISSER公司的PC-21型移栽機(jī)裝備8個(gè)移栽手爪，移栽效率可達(dá)到12 000～30 000株/h[7-9]。但國外設(shè)備多針對穴盤間移栽的移栽形式而設(shè)計(jì)，不符合紅掌花卉種植過程中的盆間移栽作業(yè)模式[10-15]。為填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白，北京工業(yè)大學(xué)通過對紅掌花苗由小花盆移栽至大花盆的自動(dòng)化作業(yè)過程進(jìn)行研究，完成了一套盆花移栽自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)利用移栽手爪將花苗從小花盆移栽至大花盆的自動(dòng)化移栽作業(yè)[16]。但在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，移栽手爪從小花盆中將花苗連同基質(zhì)提離的工序中，出現(xiàn)了移栽手爪無法完整提取基質(zhì)的現(xiàn)象，影響了后續(xù)被移栽花苗的生長與銷售。

通過對失敗現(xiàn)象分析可知，與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中操作對象可視為剛性體不同，移栽手爪的作用對象盆花基質(zhì)屬于離散狀。雖然在花盆的束縛下基質(zhì)可形成固定形狀，但在移栽手爪作業(yè)的過程中，由于花盆和手爪鋼針的雙重作用，盆花基質(zhì)原有的穩(wěn)定形態(tài)很容易遭到破壞。借助傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析很難獲得真實(shí)的機(jī)構(gòu)、盆花與基質(zhì)間的作用關(guān)系，無法從根本上解決問題。因此，本文嘗試借助EDEM（enhanced discrete element method）軟件對移栽手爪提取基質(zhì)的過程進(jìn)行離散單元仿真分析，并結(jié)合TRIZ物場分析方法提出可行的解決方案，解決移栽手爪提取基質(zhì)不完整的問題。

1 盆花移栽系統(tǒng)介紹及問題描述

1.1 盆花移栽系統(tǒng)介紹

盆栽紅掌最初生長在直徑110 mm、高90 mm的小花盆中，待花苗長大后，再將其移栽至直徑170 mm、高150 mm的大花盆中培育。為實(shí)現(xiàn)移栽過程的機(jī)械化操作，課題組研發(fā)了一套自動(dòng)化盆花移栽系統(tǒng)，如圖1所示，移栽系統(tǒng)主要由機(jī)架、盆花移栽手爪、小花盆、小盆傳送帶、大花盆、大盆傳送帶組成。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，小盆傳送帶與大盆傳送帶將待移栽的小花盆花苗及大花盆輸送至移栽工位，驅(qū)動(dòng)移栽手爪至待移栽花苗上方，當(dāng)移栽手爪將花苗插取后，驅(qū)動(dòng)其提升至大花盆高度，并傳送至大花盆上方將花苗插入花盆，然后返回初始位置而完成1次移栽作業(yè)循環(huán)。在此之前，大花盆已填好基質(zhì)并擁有了和小花盆尺寸一樣的空穴。

1.2 盆花移栽手爪問題描述

在紅掌花苗盆間移栽作業(yè)中，最關(guān)鍵的是移栽手爪能否很好地將花苗連同基質(zhì)從小花盆中完整取出，其不僅要求手爪能夠連同基質(zhì)將花苗提離，而且要保證提離出的基質(zhì)完整。課題組前期對盆花移栽手爪的花苗提離成功率已進(jìn)行過深入研究，如圖2所示，通過優(yōu)化升降氣缸氣壓、鋼針插入斜度和鋼針插入點(diǎn)到中心距離這3個(gè)手爪關(guān)鍵參數(shù)，得到手爪成功提離花苗的最優(yōu)工作參數(shù)組合，花苗提離成功率較高[16]。

在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的移栽手爪雖然能實(shí)現(xiàn)花苗連同基質(zhì)的成功提離并保證被提離花苗的完整性，但卻無法保證被提離基質(zhì)的完整性，出現(xiàn)提離后基質(zhì)殘缺的現(xiàn)象，如圖3所示，導(dǎo)致移栽完成后大花盆中的基質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)空穴。一旦按照種植要求對移栽至大花盆中的花苗澆水，基質(zhì)便會(huì)沉降而彌補(bǔ)內(nèi)部的空穴，致使花苗出現(xiàn)傾斜，影響盆花的出售。因此，需要對移栽手爪進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，解決移栽手爪提取基質(zhì)不完整的問題。

2 移栽手爪基質(zhì)提取的EDEM仿真分析

在盆花基質(zhì)被提離的過程中，基質(zhì)斷層、塌陷、滑落等破壞現(xiàn)象都可能會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)提離不完整問題的出現(xiàn)。由于測試作業(yè)中無法對基質(zhì)提離過程進(jìn)行觀察，本文需借助EDEM軟件對鋼針提離基質(zhì)的過程進(jìn)行離散元仿真分析，分析導(dǎo)致問題出現(xiàn)的原因。

2.1 基質(zhì)顆粒模型的建立

在離散元仿真分析中，基質(zhì)顆粒模型的建立對仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性十分關(guān)鍵。綜合考慮基質(zhì)的離散顆粒狀態(tài)、顆粒的大小差異性與計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)算能力，本文選用直徑為0.2～0.5 mm的球體顆粒建模。仿真過程中，隨機(jī)生成不同直徑大小的顆粒并將之分布在花盆模型中。由于屬于腐殖土類型的盆花基質(zhì)顆粒之間存在一定黏性，本文選擇黏結(jié)力彈塑性模型（elasto-plastic contact model，ECM）作為土基質(zhì)的顆粒接觸模型，使基質(zhì)顆粒模型更加接近實(shí)際情況。該接觸模型是愛丁堡大學(xué)為解決黏性顆粒的接觸問題而提出的，它利用非線性滯后彈簧模型來解釋顆粒間的彈塑性變形以及塑性壓縮變形帶來的黏結(jié)力[17-18]。為保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確，需在仿真前對ECM模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，令基質(zhì)從一定高度自由下落至地面并觀察其散碎狀態(tài)，通過調(diào)整EDEM中ECM模型參數(shù)，確定仿真分析中基質(zhì)散碎狀態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果相同時(shí)的ECM參數(shù)取值，并以此參數(shù)取值時(shí)的ECM模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

2.2 機(jī)構(gòu)邊界模型的建立

為保證機(jī)構(gòu)仿真模型的真實(shí)性，本文利用Solidworks2013軟件對鋼針、花盆進(jìn)行分別建模，并按照裝配關(guān)系組合成裝配體，以STP文件格式導(dǎo)入EDEM軟件，得到邊界模型。并以花盆作為顆粒生成容器，花盆上口作為基準(zhǔn)建立虛擬平面，通過EDEM中的顆粒工廠（Factory）進(jìn)行基質(zhì)顆粒的生成。

2.3 模型變量參數(shù)的設(shè)定

若要通過離散元仿真對基質(zhì)顆粒之間、顆粒與花盆、顆粒與機(jī)構(gòu)之間的作用過程進(jìn)行研究，需設(shè)計(jì)環(huán)刀密度測量試驗(yàn)、基質(zhì)直剪試驗(yàn)、基質(zhì)三軸試驗(yàn)等對基質(zhì)的部分參數(shù)進(jìn)行測定，并在測定試驗(yàn)中使用帶有完整根系的基質(zhì)，以保證參數(shù)測定結(jié)果的準(zhǔn)確[19]。根據(jù)組件材料查找文獻(xiàn)得到橡膠、聚乙烯（polyethylene，PE）等常規(guī)材料的部分參數(shù)取值[20]，完成確定全局變量參數(shù)的設(shè)置，見表1。

表1 全局變量參數(shù)設(shè)置

2.4 移栽手爪提取基質(zhì)的離散元仿真

按照表1參數(shù)設(shè)定，在花盆正上方建立與盆口大小相等的虛擬平面作為顆粒生成面，建立BOX顆粒工廠，設(shè)定顆粒生成總量為30 000個(gè)，生成速度5 000個(gè)/s。顆粒生成完成后，參考前期移栽手爪參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，設(shè)定鋼針插入及提取速度為120 mm/s，鋼針插入斜度28°，插入點(diǎn)到中心的距離38.12 mm。

通過對移栽手爪提取基質(zhì)過程進(jìn)行離散元仿真分析，發(fā)現(xiàn)只出現(xiàn)了基質(zhì)斷層現(xiàn)象，最初猜想的的基質(zhì)塌陷、滑落現(xiàn)象沒有出現(xiàn)。因此，可以將導(dǎo)致被提取基質(zhì)的不完整的根本原因確定為基質(zhì)發(fā)生了斷層。如圖4所示，在鋼針從花盆提離基質(zhì)的過程中，一部分基質(zhì)隨鋼針的運(yùn)動(dòng)而被提離花盆，另一部分?jǐn)鄬拥幕|(zhì)仍然殘留在花盆中。

鑒于仿真分析結(jié)果，對鋼針提取基質(zhì)過程的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖5所示。由式（1）可知，當(dāng)總拔取力F大于總阻力F時(shí)，基質(zhì)可以被提離而出。但若總阻力F大于基質(zhì)內(nèi)部所能提供最大凝聚力Fmax，基質(zhì)就會(huì)發(fā)生破壞，出現(xiàn)仿真結(jié)果中的基質(zhì)斷層現(xiàn)象，導(dǎo)致提取基質(zhì)的不完整。

式中F1為左側(cè)拔取力，N；F2為右側(cè)拔取力，N；F3、F4為花盆側(cè)面對基質(zhì)的摩擦力，N；F5為花盆底面對基質(zhì)的黏附力，N；F1、F2為鋼針對基質(zhì)的支持力，N；為鋼針插入斜度，(°)；為花盆側(cè)壁傾角，(°)；F為總拔取力，N；F為總阻力，N；Fmax為基質(zhì)所能提供的最大凝聚力，N；為基質(zhì)重力，N；為鋼針靜摩擦系數(shù)。

注：為基質(zhì)重力，N；F1為左側(cè)拔取力，N；F2為右側(cè)拔取力，N；F3、F4為花盆側(cè)面對基質(zhì)的摩擦力，N；F5為花盆底面對基質(zhì)的粘附力，N；F1、F2為鋼針對基質(zhì)的支持力，N；為鋼針插入斜度，(°)；為花盆側(cè)壁傾角，(°)。

Note:is matrix gravity，N;F1is left pull force，N;F2is right pull force，N;F3andF4are friction forces of flower pot to soil matrix, N;F5is cohesive force of flower pot bottom to soil matrix, N;F1andF2aresupport forces of flower pot to soil matrix, N;is the angle of the steel needle insert in, (°);is flower pot side wall inclination, (°).

圖5 移栽手爪提取基質(zhì)過程受力分析圖

Fig.5 Force analysis diagrams during soil matrix extracted by transplanting manipulator

3 移栽手爪提取基質(zhì)不完整的問題解決

通過離散單元和受力分析，可以從現(xiàn)象和本質(zhì)上確定導(dǎo)致基質(zhì)提取不完整問題出現(xiàn)的根本原因?；诜治鼋Y(jié)果，將在下文利用物場分析方法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化來解決問題。

3.1 基于離散元分析與“物-場分析”的問題解決思路

發(fā)明問題的解決理論（theory of inventive problem solving，TRIZ）作為一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論和方法，已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)過程中解決技術(shù)難題的有效工具[21-23]。物場分析作為TRIZ理論中一項(xiàng)非常重要的組成部分，可以通過建立能量在功能元素間傳遞的模型，即物場模型，輔助創(chuàng)建具有相應(yīng)功能的技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對技術(shù)系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化。不僅大大加快人們解決問題的進(jìn)程，而且能得到創(chuàng)新性的解決方案，提高問題解決效率[24-27]。

圖6為本文基于參數(shù)優(yōu)化、離散單元分析和物場分析對問題進(jìn)行解決的流程?？紤]到移栽手爪的作用對象基質(zhì)為離散狀，利用EDEM軟件建立移栽系統(tǒng)的EDEM仿真模型[28]，參考參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果對仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對手爪提取基質(zhì)過程進(jìn)行離散元仿真分析，最終確定造成問題出現(xiàn)的根本原因。

通過對仿真結(jié)果進(jìn)行解釋分析，確定問題系統(tǒng)所包含的范圍，明確系統(tǒng)所含組件。分析組件間的相互作用關(guān)系，建立問題系統(tǒng)的功能模型，找到問題發(fā)生的關(guān)鍵點(diǎn)并建立對應(yīng)的物場模型將其圖形化表示?；趩栴}物場模型的類型查找相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解，建立解決問題的物場模型，并仔細(xì)分析系統(tǒng)資源將解決問題的物場模型轉(zhuǎn)化為具體的解決方案。

通過EDEM仿真軟件再次分析并驗(yàn)證解決方案的合理性與可行性。若方案的分析結(jié)果滿足要求，則制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最終解決問題。若方案不能滿足要求，則再對系統(tǒng)進(jìn)行物場分析，嘗試采用其他標(biāo)準(zhǔn)解對問題進(jìn)行解決。

3.2 基于物場分析的手爪提取基質(zhì)問題解決

3.2.1 系統(tǒng)組件分析

基質(zhì)斷層發(fā)生在移栽手爪與基質(zhì)、小花盆相互作用的過程中，因此本文將存在關(guān)聯(lián)的移栽手爪、小盆花、小盆傳送帶作為問題系統(tǒng)來進(jìn)行研究。如圖7所示，問題系統(tǒng)主要由氣缸、機(jī)架、鋼絲繩、手臂、鋼針、聚攏板、花苗、小盆傳送帶、基質(zhì)、限位板、小花盆組件組成，其中基質(zhì)為作用對象。

1.氣缸 2.機(jī)架 3.鋼絲繩 4.手臂 5.鋼針 6.聚攏板 7.花苗 8.小花盆傳送帶 9.基質(zhì) 10.小花盆 11.限位板1.Cylinder 2.Frame 3.Steel wire rope 4.Arm 5.Steel needle 6.Gathering plate 7.Flower 8.Conveyor belt for small pot 9.Soil matrix 10.Small pot 11.Blocking plate

實(shí)際工作過程中，在限位板的限制作用下，生長著花苗的小花盆被小盆傳送帶運(yùn)送到移栽手爪下方，兩側(cè)的手臂向心移動(dòng)朝花苗方向收攏。導(dǎo)向輪安裝于手臂上部，聚攏板安裝于手臂下部，鋼絲繩一端固定在橫梁上，另一端穿過導(dǎo)向輪固定在聚攏板上部，在橫向抱抓過程中拉動(dòng)聚攏板沿手臂下部進(jìn)行滑動(dòng)，完成聚攏花葉動(dòng)作。氣缸安裝在手臂內(nèi)部并在末端分別固定2根鋼針，當(dāng)完成花苗抱抓后，兩側(cè)的氣缸推出4根鋼針插入花苗基質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)對花苗的固定，最終手爪將花苗連同基質(zhì)提離小花盆。

按照對移栽作業(yè)系統(tǒng)的描述，問題系統(tǒng)中共包含11個(gè)組件。

3.2.2 功能模型與物場模型的建立

根據(jù)組件間的相互作用關(guān)系，建立移栽系統(tǒng)的功能模型[29]，如圖8a所示?；诠δ苣Ｐ桶l(fā)現(xiàn)，各個(gè)組件之間共存在16個(gè)相互作用，導(dǎo)致移栽手爪提取基質(zhì)不完整問題的根本原因是花盆對基質(zhì)進(jìn)行盛放作用的同時(shí)產(chǎn)生了粘附的有害作用，即有用與有害作用并存。因此，本文針對花盆對基質(zhì)產(chǎn)生的作用關(guān)系建立物場模型，如圖8b所示。其中，物場模型的物質(zhì)分別為花盆和基質(zhì)，作用的場為機(jī)械場，表達(dá)的含義為花盆通過機(jī)械場對基質(zhì)的產(chǎn)生的粘附作用是有害的。

3.2.3 查找對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)解與物場模型的方案轉(zhuǎn)化

對于2個(gè)組件有用與有害作用關(guān)系并存的情況，依據(jù)TRIZ理論中標(biāo)準(zhǔn)解應(yīng)用原則，應(yīng)在第一類標(biāo)準(zhǔn)解中進(jìn)行查找。本文選定第一類標(biāo)準(zhǔn)解中的第12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解對問題進(jìn)行解決。所選標(biāo)準(zhǔn)解的內(nèi)容為：在一個(gè)系統(tǒng)中，有用與有害作用同時(shí)存在時(shí)，且S1及S2必須處于接觸狀態(tài)，則增加場F2使之抵消場F1的影響[30-31]。因此，本文擬通過添加機(jī)械場F2來抵消機(jī)械場F1的粘附作用，并通過引入物質(zhì)S3來對機(jī)械場F2進(jìn)行施加。為避免從系統(tǒng)外引入資源而對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行較大的改動(dòng)，通過對系統(tǒng)中已有資源的仔細(xì)分析與研究，決定利用限位板和小花盆傳送帶這2個(gè)系統(tǒng)中原有的資源完成物場模型向解決方案的轉(zhuǎn)化。將變形的限位板作為新物質(zhì)S3引入，利用小盆傳送帶的傳送運(yùn)動(dòng)來完成新機(jī)械場F2的施加，相應(yīng)的解決問題物場模型如圖8c所示。

基于解決問題物場模型，本文在原有移栽系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出添加揉盆機(jī)構(gòu)的解決方案。如圖9所示，揉盆機(jī)構(gòu)在原有機(jī)構(gòu)上進(jìn)行改動(dòng)，將限位板的部分外型改為弧形并對稱放置。其工作原理是：小盆傳送帶運(yùn)送小盆花的過程中，在傳送帶原有隔板對花盆的限制下，當(dāng)小盆花在對稱放置的弧形限位板中間經(jīng)過時(shí)，限位板會(huì)對花盆產(chǎn)生一定程度的擠壓，使最初與小花盆緊緊粘附的基質(zhì)與花盆之間產(chǎn)生縫隙的同時(shí)，在一定程度上增加了基質(zhì)的緊實(shí)度，最終解決基質(zhì)提取不完整的問題。在此方案中，新機(jī)械場是弧形限位板對花盆的擠壓揉搓，新物質(zhì)是變形后的限位板。

4 揉盆機(jī)構(gòu)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 基于EDEM的揉盆機(jī)構(gòu)仿真分析

為驗(yàn)證揉盆機(jī)構(gòu)解決方案是否合理可行，本文利用EDEM離散元分析軟件對揉盆機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

4.1.1 仿真模型建立

在揉盆機(jī)構(gòu)離散元仿真分析中，按照表1對模型變量參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。通過SolidWorks2013軟件對揉盆機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模裝配，將其導(dǎo)入到EDEM軟件作為機(jī)構(gòu)邊界模型?；ㄅ杞?jīng)揉盆機(jī)構(gòu)擠壓的實(shí)際效果如圖10所示，圖10a中的虛線和實(shí)線分別表示花盆受擠壓前后的邊沿形狀。由于EDEM軟件中只能仿真機(jī)構(gòu)與顆粒之間的作用，無法體現(xiàn)機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間的作用效果，因此無法得到當(dāng)花盆受到弧形限位板擠壓后而達(dá)到圖10的效果。因此，本文需將揉盆機(jī)構(gòu)中弧形限位板的外形設(shè)計(jì)成被擠壓后變形花盆的形狀，使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4.1.2 揉盆機(jī)構(gòu)作業(yè)仿真

基于上述仿真模型，對揉盆機(jī)構(gòu)中弧形限位板擠壓花盆的過程進(jìn)行仿真分析。依據(jù)傳送帶實(shí)際運(yùn)行情況，在對揉盆機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析的過程中，弧形限位板保持靜止，盛裝基質(zhì)顆粒的小花盆以0.3 m/s的速度從相對放置的弧形限位板中間經(jīng)過，其中兩弧形限位板凸面之間的距離為90 mm，小于小花盆中部的直徑105 mm。

仿真結(jié)果如圖11所示，經(jīng)過弧形限位板的擠壓作用，基質(zhì)與花盆側(cè)面之間出現(xiàn)一定量縫隙。根據(jù)上述對鋼針提取基質(zhì)過程的受力分析，可以確定由于基質(zhì)與花盆側(cè)面的分離，原本基質(zhì)與花盆接觸產(chǎn)生的摩擦力F3與F4會(huì)大大減小，避免了基質(zhì)提取總阻力F大于基質(zhì)內(nèi)部所能提供最大凝聚力Fmax情況的出現(xiàn)，使基質(zhì)斷層現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，從根本上解決基質(zhì)提取不完整的問題。

4.2 揉盆機(jī)構(gòu)樣機(jī)試驗(yàn)

基于仿真分析結(jié)果對揉盆機(jī)構(gòu)合理性的肯定，分別對改進(jìn)前后的移栽手爪系統(tǒng)進(jìn)行花苗移栽試驗(yàn)。試驗(yàn)中，分別選取300盆小盆花作為試驗(yàn)樣本，每100盆為1組進(jìn)行移栽試驗(yàn)。在每次移栽后，對完成移栽的小花盆及殘余基質(zhì)一起進(jìn)行質(zhì)量稱量。單個(gè)小花盆質(zhì)量為20 g，因此設(shè)定當(dāng)移栽后小花盆與殘余基質(zhì)質(zhì)量之和大于30 g，即基質(zhì)殘留量超過10 g（體積約12 cm3）時(shí)，由于基質(zhì)缺失較多，對移栽完成的大花盆進(jìn)行澆水后花苗傾斜角度較大，判定此次移栽失敗，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 基質(zhì)提取后花盆及殘留質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，添加揉盆機(jī)構(gòu)后，移栽手爪完整提取基質(zhì)的成功率從84.67%提升到97.67%，完全能夠滿足實(shí)際工作要求，揉盆機(jī)構(gòu)的解決方案效果理想。

5 結(jié) 論

本文利用離散單元仿真分析和物場分析方法，對盆花移栽手爪提取基質(zhì)不完整問題進(jìn)行分析和解決，完成了對盆花移栽系統(tǒng)的優(yōu)化。

1）參考前期移栽手爪參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，利用EDEM（enhanced discrete element method）軟件對移栽手爪提取基質(zhì)過程進(jìn)行仿真分析，確定手爪提取基質(zhì)不完整問題產(chǎn)生的根本原因是基質(zhì)提離總阻力F大于基質(zhì)內(nèi)部所能提供的最大凝聚力Fmax而引發(fā)的基質(zhì)斷層。

2）基于離散單元分析結(jié)果，應(yīng)用物場分析方法對盆花移栽手爪取土不完整的問題進(jìn)行解決，將問題聚焦到花盆對基質(zhì)產(chǎn)生了粘附的有害作用上，并以此為關(guān)鍵點(diǎn)建立物場模型與查找標(biāo)準(zhǔn)解，得到添加揉盆機(jī)構(gòu)的解決方案。

3）借助EDEM軟件對揉盆機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析驗(yàn)證，從仿真層面證明了解決方案的合理性與有效性。并通過設(shè)計(jì)移栽試驗(yàn)，對基質(zhì)提離效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析，基質(zhì)完整提取成功率從84.67%提升到97.67%，從試驗(yàn)層面驗(yàn)證了方案的可行性。

添加揉盆機(jī)構(gòu)后的盆花移栽系統(tǒng)可以保證較高的花苗提取成功率和基質(zhì)完整性，基本可以滿足實(shí)際應(yīng)用。但本文采用的優(yōu)化手段為仿真和試驗(yàn)，若想進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，需要對機(jī)構(gòu)與盆花基質(zhì)作用過程的土力學(xué)作用機(jī)理開展進(jìn)一步的研究。

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Improvement of transplanting manipulator for potted flower based on discrete element analysis and Su-field analysis

Gao Guohua, Ma Shuai

(,,100124,)

In the process of planting, people need to transplant the seedling from small pot to big pot to get more growth space. This work will not only spend much time, but also increase the cost of planting. Our research group has finished a design of the transplanting machine to realize the automatic transplanting of. However, during the usage of the machine, we found that the transplanting manipulator cannot take out the soil matrix completely from the small pot sometimes. Once the incomplete soil matrix is watered after the transplanting, the seedling will tilt. It will lead to the difficulty of sale. So taking out the soil matrix completely from the small pot will be one of the most critical technical problems in the transplanting mechanical system for potted anthurium. Operation objects can be regarded as rigid body in the traditional mechanism design, however, the potted soil matrix, as the operation object of transplanting manipulator, belongs to the discrete body, although the potted matrix can be condensed as a certain shape under the limitation of the pot. In the process of sinking the needle into the soil matrix and taking it out, it is hard to keep the original stable shape and take out the matrix completely due to the lack of the cohesion of matrix itself and the adhesion effect between the pot and matrix. This condition will lead to the failure of transplanting. Based on the discrete element analysis method, this paper established discrete element simulation model among mechanism (transplanting manipulator), action object (matrix with rootstock), and action condition (pots) by EDEM (enhanced discrete element method) software to analyze the whole process of transplanting. In the simulation, we found that when the transplanting manipulator takes out the soil matrix, a fault happens inside the soil matrix. After the analysis for this simulation phenomenon, we knew that when the total resistance force is greater than the maximum cohesive force that soil matrix can offer, the matrix will be broken and become the incomplete matrix. According to the above analysis, we started to use the Su-Field analysis method to solve this problem. By using the component analysis and functional model, the transplanting mechanical system was known more, and we focused the key point on the harmful adhesion effect between small pot and soil matrix. With the help of Su-Field model and standard solution, we fully analyzed the resources of the mechanical system and translated the Su-Field model into the solution of pot pressing mechanism finally. And for this solution, we also done the discrete element simulation by EDEM and found that the pot pressing mechanism can make a crack and reduce the friction between the soil matrix and pot. With the reduction of friction in this way, the total resistance force cannot be greater than the maximum cohesive force that soil matrix can offer most of the time. It will effectively avoid the appearance of incomplete soil matrix. So the solution of pot pressing mechanism is reasonable and feasible. On the basis of the solution, we done the optimization for the original transplanting mechanical system. The transplanting experiment of 3 groups of pots (100 pots each group) was carried out respectively for the transplanting manipulator before and after the optimization. We found that the success rate of taking out soil matrix completely is improved from 84.67% to 97.67%. In this study, the discrete element analysis and Su-Field analysis method in TRIZ (theory of inventive problem solving) are combined to apply to the mechanism optimization design process, which can provide reference for the research and development of automated transplanting equipment about potted plant.

agricultural machinery; transplants; optimization; transplanting manipulator; potted flower; discrete element analysis; Su-Field analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.005

S223.9

A

1002-6819(2017)-06-0035-08

2016-08-21

2016-09-26

國家自然科學(xué)基金（51675011）—盆花移栽機(jī)筑模成穴機(jī)構(gòu)多因素作用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究；創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)（2016IM030400）—乳品安全全鏈條質(zhì)量控制的創(chuàng)新方法研究與應(yīng)用示范

高國華，男，河北大城人，博士，教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。北京 北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，100124。Email：ggh6768@126.com