趙英杰，馬 振，陳 永，周 鵬，羅 昕

(1.重慶三峽學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，重慶萬州 404000； 2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 電子通信工程學(xué)院，鄭州 450046)

0 引言

國內(nèi)自主研制移栽機(jī)種類眾多，根據(jù)工作情況可分為半自動和全自動型。目前，新疆團(tuán)場地區(qū)使用的番茄苗移栽機(jī)，大多采用的是首先人工取苗、投苗，然后通過栽植器進(jìn)行栽植，穴盤苗的放置及穴盤的步進(jìn)動作還未實(shí)現(xiàn)自動化，導(dǎo)致移栽效率低下,難以實(shí)現(xiàn)大田機(jī)械化，制約了新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。因此，實(shí)現(xiàn)送盤動作和進(jìn)給動作的自動化，是我國移栽機(jī)全自動化進(jìn)程中急需解決的問題[1-4]。

進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究是實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)全自動的關(guān)鍵，其目的是實(shí)現(xiàn)穴盤的不斷進(jìn)給，連續(xù)進(jìn)行取苗。進(jìn)給機(jī)構(gòu)的精確性直接影響取苗動作、栽植動作能否順利完成，因此自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究將促進(jìn)移栽機(jī)械化進(jìn)程的加快，進(jìn)而提高作業(yè)效率和降低勞動成本[5-8]。

國內(nèi)對于移栽機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的研究還處于初級階段，番茄移栽大多是由半自動化機(jī)械工作，未能實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化。為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種移栽機(jī)自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 工作原理

根據(jù)移栽機(jī)的工作需求，自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要包括同步帶，以及用于支撐、定位的推桿等。同步帶上膠接有推桿機(jī)構(gòu)，通過推桿的作用支撐、定位穴盤。裝載穴盤時，只需將穴盤放置于穴盤層上，通過自動送盤機(jī)構(gòu)的工作將穴盤自動有序送至進(jìn)給機(jī)構(gòu)入口處。當(dāng)穴盤進(jìn)入自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)入口端時，同步帶代用推桿運(yùn)動，本文設(shè)計(jì)了導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)；當(dāng)推桿進(jìn)入穴盤底部兩穴之間時，導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)限制穴盤沿著垂直于穴盤平面的方向竄動，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確楔入推桿。

1.2 結(jié)構(gòu)布局

如圖1所示：該裝置的結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、同步帶、推桿、導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)、傳動軸及支撐梁組成。

1.軸承座 2.推桿 3.從動軸 4.主動軸 5.支撐梁B 6.導(dǎo)槽 7.底盤 8.穴盤 9.同步帶 10.膠接套 11.支撐梁A

2 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)分析

2.1 同步帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)同步帶類型選擇。本文選用弧形齒同步帶，其傳遞功率大，并可以防止干涉。此外，弧齒同步帶耐磨性能好，不需潤滑，適合于農(nóng)業(yè)機(jī)械。因此，本設(shè)計(jì)選用弧形齒同步帶。

根據(jù)自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，用于支撐、固定的推桿需要固定在同步帶上，采用膠結(jié)的方式進(jìn)行固定；在滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的前提下，需使裝置結(jié)構(gòu)緊湊，因此選用型號為8M的同步帶，即該同步帶的節(jié)距為8mm,所選型號為HTD8mm。

2)帶輪的選擇。根據(jù)自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，穴盤裝載于導(dǎo)槽內(nèi)，并通過膠結(jié)在同步帶上的推桿進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動。設(shè)同步帶輪的直徑為D，帶輪軸的直徑為d，該種結(jié)構(gòu)布局不存在帶輪軸與穴盤的干涉現(xiàn)象,故帶輪的直徑D不受穴盤缽苗底部到同步帶邊緣以及到同步帶軸的影響。在設(shè)計(jì)中，帶輪軸的直徑d=30mm，選擇D>100mm，確定選用40-8M型號的標(biāo)準(zhǔn)帶輪。

3)同步帶的設(shè)計(jì)。同步帶的布局如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)穴盤自動連續(xù)工作，在同步帶的緊邊上至少設(shè)計(jì)2個裝載穴盤的工位，穴盤位于導(dǎo)槽內(nèi)，沿著進(jìn)給方向輸送；同時，考慮帶還有其他因素影響穴盤的進(jìn)給動作，進(jìn)給同步帶的中心距先設(shè)置為900mm，可得同步帶的周長大小為

式中l(wèi)0—同步帶的周長；

a0—同步帶中心距；

D1—小帶輪節(jié)圓直徑 ；

D2—大帶輪節(jié)圓直徑。

圖2 同步帶分布圖

大、小帶輪節(jié)圓直徑D1=101.86mm、D2=101.86mm，中心距a0=900mm，可得l0=2 119.84mm。因此，選擇lp=2 120mm，齒數(shù)為265齒，即同步帶型號為2120-8M。

2.2 穴盤定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在穴盤定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中，采用2條平行的同步帶上膠結(jié)推桿，用于支撐、定位穴盤，每個穴盤上與3個推桿相接,通過推桿定位、支撐及導(dǎo)槽的位置控制，使穴盤準(zhǔn)確固定于同步帶上，如圖3所示。

圖3 穴盤定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)布局圖

本設(shè)計(jì)方案中，由于穴盤底部的排水孔直徑為7.0mm，為了頂出缽苗，不出現(xiàn)頂偏現(xiàn)象，要求穴盤的進(jìn)給動作誤差要小，即穴盤的定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)要精準(zhǔn)。穴盤的定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使用3個雙幾字形的推桿，從穴盤的下方與穴孔的側(cè)壁接觸托起穴盤。推桿的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 推桿結(jié)構(gòu)模型

設(shè)計(jì)中，為了控制穴盤橫向竄動，將穴盤置于導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)中，穴盤的短邊C面與導(dǎo)槽的內(nèi)側(cè)D面平行，導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)的底盤為工字形結(jié)構(gòu)，推桿的頂端A面從下往上穿過工字形結(jié)構(gòu)的鏤空區(qū)域與穴盤下方的側(cè)壁B面接觸，B面的對稱面也與推桿A面接觸，即推桿A面位于穴盤兩排穴缽中間，對穴盤起到縱向定位支撐作用，導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)的兩端及中間部分對穴盤起到橫向定位支撐作用。穴盤模型如圖5所示；導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖5 穴盤模型

圖6 導(dǎo)槽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型

2.3 進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)選型

工作時，進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載主要是裝載在同步帶上的穴盤沿斜面向下的分力與啟動及停止時的慣性力的合力產(chǎn)生的扭矩。因?yàn)楸咀詣舆M(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)給速度小，所以可以忽略不計(jì)慣性力。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)給同步帶與鉛垂方向呈大約為10°的夾角，其受力分析如圖7所示。

圖7 受力分析

穴盤自動進(jìn)給過程中，按穴盤裝載數(shù)為n2=2盤計(jì)算，單株缽苗質(zhì)量m=0.05kg，單盤有n1=128株缽苗，同步帶傾角為10°，則

fp=mgn1n2cosa=118.9N

裝有缽苗的穴盤重力產(chǎn)生的阻力矩為

Mf=fp·D/2=6.06N·m

本文設(shè)計(jì)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)方案中，進(jìn)給動作是間歇式運(yùn)動，每次進(jìn)給同步帶向下移動32mm(兩橫向穴盤孔中心間距)，栽植速度設(shè)定為120株/min，通過氣嘴吹相鄰兩排缽苗的吹出時間間隔控制在6s內(nèi)。當(dāng)缽苗被吹出時，氣嘴頭部從穴盤孔中心穿過，只有當(dāng)氣嘴頭部退回時，才能進(jìn)行下一次進(jìn)給動作，所以氣嘴頭部頂出和退回原點(diǎn)的時間與送盤時間總和應(yīng)在6s之內(nèi)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，氣嘴頭部頂出至退回的最長時間為3s，設(shè)定其他影響因素的時間為1s，在2s內(nèi)完成穴盤步進(jìn)32mm的位移即可滿足工作要求，此時進(jìn)給線速度不超過20mm/s。

在滿足需要的基礎(chǔ)上考慮成本，本系統(tǒng)選用電動機(jī)的型號為：86BYG350CH-SAKSML-0301。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)中為了測量自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的步進(jìn)精度，在穴盤的前方固定一個方形定位塊并與底盤垂直，采用激光位移傳感器通過檢測方形定位塊與激光位移傳感器之間的位移變化即可得到穴盤進(jìn)給的實(shí)際距離，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算可得穴盤定位的精準(zhǔn)率。

其誤差測量的公式為

式中Bp—穴盤進(jìn)給定位精準(zhǔn)率；

L—位移測量值；

L0—位移理論值。

1)試驗(yàn)方案。在試驗(yàn)中，共計(jì)裝載4次穴盤，每個穴盤有8排穴孔，設(shè)定第1排穴盤位于起始位置，穴盤每進(jìn)給1個固定距離(32mm)，激光位移傳感器就得到1個測量的數(shù)據(jù)，每個穴盤向下做進(jìn)給運(yùn)動7次，每次可得一個測量值，每個穴盤共計(jì)測試7次，因此本試驗(yàn)共需測量28次?，F(xiàn)對試驗(yàn)中涉及到的參數(shù)作如下定義：

L0為理論值(mm)；L為實(shí)際測量值(mm)； ΔL為步進(jìn)動作累積誤差值(mm)，ΔL=L-L0，ΔL即為穴盤進(jìn)給的累積誤差值； Δp為同步帶進(jìn)給精度(mm)。Bp為穴盤進(jìn)給定位精準(zhǔn)率(%)。

2)試驗(yàn)結(jié)果與分析。穴盤進(jìn)給精準(zhǔn)率的數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 穴盤進(jìn)給精準(zhǔn)率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由表1可以得出：ΔL的最大值為0.33mm，穴盤進(jìn)給同步帶進(jìn)給固定距離產(chǎn)生的誤差Δp的最大值為0.28mm，進(jìn)給機(jī)構(gòu)穴盤進(jìn)給的精準(zhǔn)率為99.53%。

本文中，穴盤允許的誤差最大為0.5mm，本次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中，最大累積誤差在誤差允許范圍內(nèi)，穴盤進(jìn)給定位的精準(zhǔn)率滿足設(shè)計(jì)要求。

穴盤進(jìn)給Δp的最大值是0.28mm,在誤差允許范圍內(nèi)，是由于本文中的機(jī)構(gòu)采用了步進(jìn)電機(jī)與同步帶的組合方式，同時步進(jìn)的距離通過光電傳感器控制，精度高，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的合理性。

4 結(jié)論

1)介紹了移栽機(jī)自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的工作原理以及結(jié)構(gòu)布局，完成了進(jìn)給機(jī)構(gòu)的輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證工作過程中穴盤進(jìn)給的精準(zhǔn)性。

2)設(shè)計(jì)了自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)方案，針對自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的穴盤進(jìn)給精準(zhǔn)率這兩部分進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)表明：自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的定位精準(zhǔn)率可達(dá)到99%以上，精度高，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

本次設(shè)計(jì)的移栽機(jī)自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)，具有新穎性，通過自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)，找出了影響試驗(yàn)性能的不利因素，為提高移栽機(jī)自動化性能提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡潔，蒲春玲．兵團(tuán)番茄產(chǎn)業(yè)化發(fā)展問題思考[J]．新疆農(nóng)墾經(jīng)濟(jì)，2010(1)：52-56．

[2] Shaw LN. Automatic transplanter for vegetable [J]．Proc．Fla．State Hort．Soc，1997，110：262 -263．

[3] 馬振，胡斌，李俊虹. 移栽機(jī)自動化送盤裝置的關(guān)鍵部件及送盤方法的設(shè)計(jì)分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(1):68-71.

[4] 劉磊，陳永成，張茜．兵團(tuán)移栽技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展概況[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2009，31(9)：240-243．

[5] 陳風(fēng)．旱地移栽機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2005(3)：24-26．

[6] 徐玉娟，吳明亮，向偉. 穴盤苗自動移栽機(jī)送盤裝置現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)工程,2015(3):5-8.

[7] 吳儉敏，顏華，金鑫等. 移栽機(jī)送盤裝置與定位控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2013(S1):14-18.

[8] 宋小雨，張晉國，王學(xué)良等.玉米移栽機(jī)自動送苗裝置的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35( 2) : 85-88．

[9] 裘利鋼,俞高紅. 蔬菜缽苗自動移栽機(jī)送苗裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報，2012，29( 5) : 683-687．

[10] 符美軍，全臘珍，熊耐新等.棉花裸苗移栽機(jī)自動送苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版. 2012，38(4) : 451-454．

[11] 楊傳華. 蔬菜穴盤缽苗自動輸送技術(shù)與機(jī)構(gòu)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2014.

[12] 田素博，王榮華，邱立春.溫室穴盤苗自動移栽輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，40( 5) : 620-622．

[13] 馬振,胡斌,馬亞朋.移栽機(jī)穴盤苗定位取苗裝置的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(10):79-82.