吳軍，張雪松

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大蒜種植機自動定向裝置研究

吳軍，張雪松

（中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

針對大蒜種植采用人工方式已不適應(yīng)社會需求的現(xiàn)狀，根據(jù)蒜瓣植入土壤時蒜頭必須豎直向上的要求，設(shè)計一種機械式分種裝置，由篩種板、植種板組成。首先根據(jù)蒜種豎截面的不規(guī)則形狀，在篩種板上設(shè)計若干個尺寸大小剛好容下蒜頭插入的圓孔，將合格位姿的蒜頭篩出，再由種植板逐個拾取，拾取后的蒜種姿態(tài)豎直方向旋轉(zhuǎn)180°，最終由壓入機構(gòu)將蒜種壓入土壤中，確保蒜種鱗芽朝上姿態(tài)。該方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，識別率高，用于大蒜種植機械可有效提高蒜種栽種成活率。

大蒜種植；蒜種位姿；自動定向；參數(shù)設(shè)計

1　概論

大蒜是人們?nèi)粘ｏ嬍成钪幸环N重要的經(jīng)濟食品，既可以調(diào)味去腥，又具有殺菌、抗毒等醫(yī)療保健功效。中國已經(jīng)是全球最大的大蒜生產(chǎn)國與消費國之一，年產(chǎn)量約為世界總產(chǎn)量的1/3，大蒜產(chǎn)地遍布全國，種植面積呈逐年上升趨勢，已成為農(nóng)民生活的一項重要經(jīng)濟收入來源。大蒜栽種長期以來依靠人工進行，栽種勞動強度大、生產(chǎn)效率低下、種植質(zhì)量參次不齊，不適合大規(guī)模的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，實現(xiàn)大蒜播種機械化，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率及生產(chǎn)質(zhì)量已成為共識。近幾年，國內(nèi)外有關(guān)大蒜播種的研究較多[1-3]，但是為了保證栽種成活率，要求蒜瓣在植入土壤時必須保持根部向下的姿態(tài)。這一栽種時的特殊要求和蒜瓣具有的不規(guī)則外形，導(dǎo)致至今還沒有大蒜播種機械能夠在國內(nèi)推廣成功。

為此，解決蒜瓣栽種時如何保持特殊的固定姿態(tài)問題，成為大蒜播種機械的關(guān)鍵技術(shù)之一。主要的研究方案有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向式、螺旋導(dǎo)引式、光電識別調(diào)整式等，前兩個方案通過機械旋轉(zhuǎn)或是螺旋導(dǎo)槽依靠蒜瓣重力進行自我調(diào)整，但實驗表明識別準確率難以保證，第三個方案通過光電感應(yīng)對單體進行識別后進行機械調(diào)整，效率明顯偏低，均不能做到大面積機械化推廣[4-6]。

2　機械栽種過程與定位分析

大蒜具有不規(guī)則外形，表現(xiàn)為鱗芽端尖細而根部粗大，當根部向下栽種時種苗成活率較高，同時鱗芽向上可以使植株豎直利于提高植密度。當采用機械栽種時，一般使料倉中的蒜種由高處空間向低處空間墜落，墜落路線有直線式、螺旋式等幾種，其中直線式最為簡單，可以通過狹長縫隙對成堆蒜種進行個體分離，但不能控制通過縫隙的蒜種姿態(tài)，由于物體重心越低姿態(tài)越穩(wěn)的物理規(guī)律，最終落入土壤中的蒜種以平躺姿勢居多，所以這類機械只能替代部分人工操作，還需要人工把蒜種扶正，并插入土壤中這一操作環(huán)節(jié)。螺旋式墜落是沿固定螺旋軌跡下行，下行過程中始終有支撐，蒜種保持大頭向下臥式姿勢直到落入土壤中，由于姿態(tài)可控，因此可以用壓入機構(gòu)對其進行擠壓，但這種下落方式必須保證蒜種之間彼此不產(chǎn)生相互碰撞擠壓，否則下落過程中的蒜種姿態(tài)仍無法控制成一致，因此螺旋式下落要求蒜種以單體形式下落，且兩粒蒜種要有一定的時間間隔，效率較低，不能滿足機械化生產(chǎn)高效的初衷，難以大規(guī)模推廣。

3　定向裝置的機構(gòu)構(gòu)成與工作機理

定向裝置主要由篩種板和植種板兩部分組成。篩種板的作用是對料倉的大量蒜種進行篩分，得到一個個分離出來的單體，并得到大頭向上唯一姿態(tài)的蒜種。導(dǎo)向板的作用是引導(dǎo)篩種板的蒜種，當其隨鏈條由上部轉(zhuǎn)移到下部時，蒜種姿態(tài)進行反轉(zhuǎn)，最終成為大頭向下姿態(tài)，然后被壓種機構(gòu)壓入開好的種穴內(nèi)完成播種過程。與定向裝置配合工作的有送料料倉和壓種機構(gòu)。

篩種板由軟不銹鋼板沖壓制成，板與鏈式傳送帶做成一體連接，鏈傳動的優(yōu)點是對環(huán)境的適應(yīng)性強，不易損壞。其主動鏈輪通過鏈輪軸、聯(lián)軸器與傳送電機相連。當傳送電機做單向循環(huán)勻速運動時，鏈條帶動篩種板隨其一起動作。篩種板被置于料倉底部開口處，料倉中貯存著大量蒜種，由一個小型電機帶動，使其沿與水平面夾角約為30°的斜向支撐軸勻速旋轉(zhuǎn)，蒜種隨著料倉的旋轉(zhuǎn)運動而在倉壁上不停地上升、下落。通過蒜種數(shù)據(jù)采集分析得出蒜種截面形狀尺寸的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以蒜種豎截面上的水平中線尺寸為直徑，在篩種板上制出若干等間距圓孔，用來對蒜種進行定位。當料倉中的蒜種沿倉壁旋轉(zhuǎn)下落至篩種板上時，姿態(tài)不一，但只有細尖的頭部朝下的蒜種可以掉入篩種板的圓孔中，由于倉壁的不停運動，后續(xù)蒜種推動前面篩種板上的蒜種離開，只有落入圓孔中的蒜種由于低姿且被握持的原因被保留下來，隨著篩種板的移動離開料倉。為避免蒜種離開篩種板上部時從圓孔中脫離，在篩種板與植種板之間設(shè)置一個弧形導(dǎo)引板，從而使篩分出的蒜種順利進入植種板。

植種板結(jié)構(gòu)與篩種板一致，在板上等間距一定距離，開有若干稍大圓孔，該孔直徑以稍大于蒜種的最大截面尺寸為宜，即當蒜種豎直時能順利通過該圓孔。當篩種板隨著鏈條的移動而將蒜種經(jīng)由導(dǎo)引板移動至植種板時，其大頭端落入植種板的圓孔內(nèi)。該植種板由貼近的兩層薄鋼板組成，二者由電機控制可做細微的間歇性橫向相對運動。當蒜種移入植種板時由于兩層板的對應(yīng)圓孔有少許重疊，導(dǎo)致疊加后的圓孔呈現(xiàn)橢圓形狀，蒜種大頭被阻擋而不會從孔中下落，當?shù)讓愉摪遄鰴M向往復(fù)運動時，兩圓孔重合，蒜種此時下落入下方的土壤中。之后兩圓孔又恢復(fù)初始時的少許重疊狀態(tài)，繼續(xù)接收植種板轉(zhuǎn)移過來的蒜種。如此循環(huán)往復(fù)不斷。在一個周期內(nèi)的圓孔重合時期，蒜種被橫向植入一排土壤，周期內(nèi)的圓孔重疊時期，行走機構(gòu)縱向移動一個距離。調(diào)整植種板孔距，或是調(diào)整行走機構(gòu)移動速度，最終得到理想的蒜種縱橫向間距。

4　關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

4.1　料倉與篩種板的設(shè)計

料倉與篩種板的設(shè)計，其重要的設(shè)計參數(shù)要求必須滿足料倉旋轉(zhuǎn)速度與篩種板的移動速度合理配合的要求。由于料倉旋轉(zhuǎn)至底部位置時其切向速度方向與篩種板移動速度方向正交，如果料倉旋轉(zhuǎn)速度過慢而篩種板移動速度過快，會導(dǎo)致合格姿態(tài)的蒜種尚未及時落入圓孔時孔已移走，待下一孔到來時該蒜種已離開篩種板而失去篩種機會，效率過低。但當料倉旋轉(zhuǎn)速度過快時，也會出現(xiàn)合乎條件的蒜種不能正常落入圓孔的情況，旋轉(zhuǎn)過快，蒜種所受離心力大于自身重力，當經(jīng)過圓孔時姿勢來不及調(diào)整入孔就已經(jīng)被離心力驅(qū)使離開篩種板。公式如下：

<&<（1）

式（1）中：為料倉壁線速度；為篩種板線速度；為蒜種平均離心力；為蒜種平均重力。

4.2　篩種板與植種板的配合

篩種板是連續(xù)運動，而植種板是間歇運動，篩種板輸送蒜種的時間應(yīng)當短于植種板接受同樣數(shù)量的蒜種的時間，否則植種板圓孔可能空置。當設(shè)計篩種板、植種板孔距一致時，見公式（2）；當設(shè)計篩種板孔距大于植種板孔距時，見公式（3）。

>（2）

=（3）

式（2）（3）中：為植種板間歇運動的平均速度。

4.3　植種板與行走機構(gòu)的參數(shù)設(shè)計

根據(jù)大蒜播種的工藝要求，設(shè)計蒜種的行距與列距。橫向行距由植種板的孔距決定，縱向列距由行走機構(gòu)的行走速度決定。栽種效率取決于機構(gòu)的行走速度，但行走過快不能影響壓入機構(gòu)壓種的效果。

從以上各種參數(shù)的設(shè)計可以看出，如果想得到合理的大蒜播種參數(shù)，必須對各機構(gòu)的動作進行協(xié)同控制。PLC控制系統(tǒng)是工業(yè)三大控制系統(tǒng)之一，與工控機控制系統(tǒng)相比，其成本低、空間??；與單片機控制系統(tǒng)相比，其穩(wěn)定性好、適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強，因此本裝置采用PLC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)各機構(gòu)的聯(lián)動配合。

5　結(jié)束語

大蒜種植機械的關(guān)鍵是蒜種定位，采用純機械式定位方式，通過篩分裝置，得到倒立的蒜種單體，經(jīng)導(dǎo)引后蒜種姿態(tài)反轉(zhuǎn)成正立姿態(tài)，然后被移入植種裝置進行播種，對定位各機構(gòu)的參數(shù)進行合理設(shè)計，輔以PLC控制實現(xiàn)各機構(gòu)協(xié)同動作。該方法簡便易行、可靠性高、效果顯著，便于大規(guī)模推廣應(yīng)用。

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〔編輯：張雅麗〕

2095－6835（2018）19－0139－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.139

吳軍（1971—），男，遼寧北鎮(zhèn)人，講師，研究方向為數(shù)控技術(shù)、機電一體化技術(shù)。