俞高紅 金 也 常數(shù)數(shù) 葉秉良 顧錦波 趙 雄

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310018；3.浙江小精農(nóng)機(jī)制造有限公司， 紹興 312000)

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外水稻移栽技術(shù)主要分為毯狀苗插秧和缽苗移栽[1]。毯狀苗插秧的均勻性與栽植苗直立度均較好，但取苗作業(yè)會(huì)對(duì)水稻苗根部產(chǎn)生撕扯，對(duì)苗根傷害較大，不能完整保留根部的生長(zhǎng)基質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)成分，延長(zhǎng)了水稻苗的緩苗期[2]；缽苗移栽技術(shù)利用塑料缽苗盤培育水稻缽苗，取苗時(shí)對(duì)苗根幾乎無(wú)傷害，移栽后缽苗根部的營(yíng)養(yǎng)土缽也可以較好地保留，栽植的缽苗分蘗早，此外，將缽苗種在溫度較高的土表，有利于水稻缽苗的生長(zhǎng)[3]。缽苗移栽又分為拋秧和擺栽，拋秧方式的特點(diǎn)是植苗比較淺，缽苗的損傷輕、返青快與分蘗早，但移栽的水稻苗易倒伏，植苗的直立度也比較差；擺栽方式不僅具備拋秧方式的優(yōu)點(diǎn)，且移栽的缽苗直立度較好。日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社研發(fā)了一種水稻缽苗擺栽機(jī)，通過頂出機(jī)構(gòu)、輸送帶機(jī)構(gòu)和擺栽機(jī)構(gòu)的配合完成取苗、送苗和植苗作業(yè)。該擺栽機(jī)移栽質(zhì)量較高，栽植的缽苗均勻有序，但擺栽機(jī)的擺栽臂沒有推秧機(jī)構(gòu)，移栽過程中容易出現(xiàn)帶苗現(xiàn)象，頂出機(jī)構(gòu)對(duì)送秧機(jī)構(gòu)的精度和缽盤育秧質(zhì)量要求很高，且該擺栽機(jī)構(gòu)由3套機(jī)構(gòu)配合完成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格也比較昂貴[4-5]。本課題組設(shè)計(jì)了多種夾苗式非圓齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)[6-11]，該類機(jī)構(gòu)由齒輪傳動(dòng)部分和移栽臂組成，通過非圓齒輪傳動(dòng)使移栽臂形成滿足水稻缽苗移栽要求的姿態(tài)和軌跡，可以依次實(shí)現(xiàn)取苗、送苗和植苗3個(gè)動(dòng)作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高。但該類移栽機(jī)構(gòu)是通過移栽臂上的秧片夾緊缽苗根莖部進(jìn)行取苗，容易夾傷缽苗莖稈，同時(shí)當(dāng)秧片上粘有泥土?xí)r，易導(dǎo)致取苗成功率下降；并且，夾苗式取苗方式存在推秧爪不能完全推土缽的現(xiàn)象，致使缽苗下落初速度不夠大，影響缽苗栽植的直立度。

為了改善水稻缽苗取苗的成功率和栽植的直立度，同時(shí)減少傷苗，本文提出一種移栽機(jī)構(gòu)——夾缽式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)。該移栽機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)一種新的取苗方式——夾缽式取苗，即通過移栽臂的秧針直接插入穴盤中夾住缽苗的缽?fù)吝M(jìn)行取苗，然后送苗至推苗位置，土缽在推秧爪的作用下被推離秧針，實(shí)現(xiàn)插秧作業(yè)，使缽苗栽植后有較好的直立度。該移栽機(jī)構(gòu)是一種非圓齒輪行星輪系機(jī)構(gòu)，在液態(tài)施肥機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)[12-13]和蔬菜缽苗取苗[14-16]中已有類似的應(yīng)用。本文基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和Visual Basic 6.0(VB)軟件平臺(tái)，開發(fā)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化軟件[16-18]，通過人機(jī)交互的方式尋求滿足水稻缽苗移栽要求的工作軌跡和機(jī)構(gòu)參數(shù)；然后進(jìn)行移栽機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試制移栽機(jī)構(gòu)樣機(jī)并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 夾缽式移栽機(jī)構(gòu)工作原理

夾缽式水稻缽苗移栽機(jī)要求移栽機(jī)構(gòu)模擬人手把缽苗從缽苗盤中取出，到達(dá)推苗位置后以一定的初速度推出，使缽苗植入水田中，接著移栽機(jī)構(gòu)重復(fù)上述動(dòng)作。通過分析現(xiàn)有的移栽機(jī)構(gòu)的軌跡特點(diǎn)，為了順利從缽盤中夾取缽苗，要求有一段具有一定長(zhǎng)度的“尖嘴型”移栽軌跡，同時(shí)移栽臂進(jìn)入和退出缽盤的軌跡段之間的夾角不能太大，并且進(jìn)入和退出段的軌跡要盡量平直。

圖1 夾缽式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)Fig.1 Schematics of potted rice seedling transplanting mechanism1.移栽軌跡 2、12.行星橢圓齒輪 3、9.第一中間非圓齒輪 4、10.第二中間橢圓齒輪 5、11.凹鎖止弧 6.凸鎖止弧 7.太陽(yáng)輪 8.行星架 13、14.移栽臂 15.缽盤 16.凸輪 17.撥叉18.彈簧 19.彈簧座 20.推秧?xiàng)U 21.秧針 22.秧爪 23.缽苗

為了實(shí)現(xiàn)上述工作要求，本文參考文獻(xiàn)[14-15，19]，仍采用文獻(xiàn)[19]的移栽機(jī)構(gòu)構(gòu)型，提出一種如圖1a所示的移栽機(jī)構(gòu)，該移栽機(jī)構(gòu)的工作原理如下(該機(jī)構(gòu)屬于對(duì)稱機(jī)構(gòu)，現(xiàn)以一側(cè)的齒輪傳動(dòng)為例說(shuō)明工作原理)：太陽(yáng)輪7與機(jī)架固接，行星架8繞回轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，第一中間非圓齒輪3與太陽(yáng)輪7有齒部分嚙合，第二中間橢圓齒輪4與行星橢圓齒輪2嚙合，第一中間非圓齒輪3與第二中間橢圓齒輪4同軸固連，通過兩對(duì)非圓齒輪嚙合傳動(dòng)，使移栽臂14相對(duì)行星架8做非勻速間歇轉(zhuǎn)動(dòng)；ABC段為移栽機(jī)構(gòu)的取秧段，移栽臂14進(jìn)入缽盤15前秧針21完全張開，凸輪16推動(dòng)撥叉17，秧針21在秧爪22的作用下開始夾緊缽苗23的土缽，當(dāng)移栽臂尖點(diǎn)到達(dá)缽盤底部時(shí)(B點(diǎn))，秧針21完全夾緊土缽，然后缽苗23隨著秧針21一起往缽盤外運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取苗。CD段為移栽機(jī)構(gòu)的持秧段，此時(shí)第一中間非圓齒輪3與太陽(yáng)輪7脫開嚙合，與第一中間非圓齒輪3固連的凹鎖止弧5和與太陽(yáng)輪7固連的凸鎖止弧6相對(duì)滑動(dòng)，移栽臂14與行星架8保持相對(duì)靜止，夾持缽苗23運(yùn)動(dòng)。DE段為移栽機(jī)構(gòu)的推秧段，推秧?xiàng)U20在彈簧18作用下向下推苗，秧針21完全張開，秧爪22迅速推出，缽苗23以一定的初速度植入水田中，實(shí)現(xiàn)栽植苗。EA段為移栽機(jī)構(gòu)的回程段，秧針21在推完苗后一直保持張開狀態(tài)，直到下一次取苗開始。移栽臂14一方面隨著行星架作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又相對(duì)行星架8作反方向的非勻速間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，在這兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合下，形成了可以滿足移栽工作要求的移栽軌跡ABCDEA。

2 移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

如圖2所示，以不完全非圓齒輪(太陽(yáng)輪)1的固定中心O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系XOY。太陽(yáng)輪1固定不動(dòng)，行星架6繞O點(diǎn)從初始位置順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。移栽機(jī)構(gòu)的初始位置如圖2a，圖2b為行星架轉(zhuǎn)過角度φ1時(shí)機(jī)構(gòu)的位置狀態(tài)(以逆時(shí)針方向?yàn)檎较?。參考文獻(xiàn)[19]，得到第一中間非圓齒輪的節(jié)曲線表達(dá)式

圖2 移栽機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematics of transplanting mechanism1.不完全非圓齒輪(太陽(yáng)輪) 2.凸鎖止弧 3.凹鎖止弧 4.第一中間非圓齒輪 5.第二中間橢圓齒輪 6.行星架 7.行星橢圓齒輪 8.移栽臂

式中m1、m2、m3、m4——待定系數(shù)

φ2——中間非圓齒輪相對(duì)行星架OF的角位移

秧針尖點(diǎn)A的位移方程與速度方程為

(1)

(2)

式中L1——第一級(jí)齒輪中心距(OF)

φ0——行星架初始角位移

φ3——行星橢圓齒輪相對(duì)行星架角位移

φ30——初始位置時(shí)行星橢圓齒輪7相對(duì)行星架OFG的角位移

a——橢圓齒輪長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度

δ0——行星架OF與FG的夾角

S——行星橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心G到秧針尖點(diǎn)A的距離

λ——初始位置時(shí)秧針尖點(diǎn)A與行星橢圓齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心G點(diǎn)之間的連線相對(duì)行星橢圓齒輪長(zhǎng)軸的夾角

2.1 移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)與優(yōu)化變量

為了使移栽機(jī)構(gòu)的秧針能夠直接插入缽穴夾取缽苗的土缽進(jìn)行取苗，并在推苗位置進(jìn)行推苗，需要保證移栽機(jī)構(gòu)有較好的移栽軌跡和姿態(tài)。優(yōu)化目標(biāo)具體要求如下：①兩移栽臂間不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。②移栽臂不能與秧箱和未被移栽的缽苗發(fā)生干涉。③尖點(diǎn)軌跡在取苗階段的軌跡盡可能接近直線，使秧針可以直進(jìn)直出完成取苗作業(yè)，保證取出缽苗時(shí)不與缽盤發(fā)生干涉。④移栽軌跡進(jìn)入穴盤的深度約14 mm，保證兩秧針可以?shī)A緊缽苗的缽?fù)敛课?。⑤取秧?秧針夾緊缽苗時(shí)與水平線的夾角)要求在5°～12°之間。⑥秧針插入缽穴進(jìn)行取苗時(shí)，不能碰到該缽穴缽苗的莖稈，否則會(huì)導(dǎo)致缽苗莖稈的損傷。⑦推秧角(推秧時(shí)，秧針與水平線的夾角)要求在55°～60°之間，推秧角與取秧角的差值越接近缽苗盤與水平線的夾角，栽植后水稻苗的直立度就越好，本文設(shè)定缽盤的傾角為50°。⑧移栽靜軌跡高度大于260 mm，避免“搭橋”問題(前一株水稻苗的葉子隨著后一株水稻苗的根一起被植入田間)[20]，移栽靜軌跡是移栽機(jī)靜止，移栽機(jī)構(gòu)繞中心軸回轉(zhuǎn)時(shí)，秧針尖點(diǎn)形成的軌跡。⑨在移栽動(dòng)軌跡中，秧針尖點(diǎn)的回程段軌跡要求先朝上然后再向前，移栽臂在完成推苗后不會(huì)推倒已植好的缽苗，移栽動(dòng)軌跡是移栽機(jī)構(gòu)隨著移栽機(jī)前進(jìn)時(shí)繞著中心軸回轉(zhuǎn)，秧針尖點(diǎn)形成的軌跡。

優(yōu)化變量包括：第一中間非圓齒輪的節(jié)曲線參數(shù)m1、m2、m3和m4；橢圓齒輪長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度a；太陽(yáng)輪有齒部分對(duì)應(yīng)的圓心角α；移栽臂的初始安裝角α0；移栽機(jī)構(gòu)的行星架OF與FG的夾角δ0；太陽(yáng)輪的初始安裝角φ0；移栽臂尖點(diǎn)到行星輪旋轉(zhuǎn)中心的距離S。

移栽機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化是一類多參數(shù)多目標(biāo)耦合的復(fù)雜優(yōu)化問題，某一個(gè)目標(biāo)的改變都會(huì)引起其他目標(biāo)的變化，都會(huì)對(duì)移栽軌跡的形狀和移栽臂的姿態(tài)造成比較大的影響，所以本文設(shè)定以上目標(biāo)要求為主要優(yōu)化目標(biāo)，借助專家經(jīng)驗(yàn)，通過人機(jī)交互方式，尋求一組“非劣”解，滿足移栽機(jī)構(gòu)取苗和插秧的工作要求。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)移栽軌跡的影響

圖3 優(yōu)化軟件主界面Fig.3 Optimizing software main interface

根據(jù)建立的移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并依托VB軟件平臺(tái)，開發(fā)夾缽式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，見圖3。影響移栽臂姿態(tài)和移栽軌跡形狀的參數(shù)較多，各參數(shù)影響的效果不同且相互關(guān)聯(lián)。因此，分析各個(gè)參數(shù)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響從而總結(jié)出相應(yīng)的變化規(guī)律，使用控制變量法分析單個(gè)參數(shù)對(duì)移栽機(jī)構(gòu)工作軌跡的影響。人機(jī)交互參數(shù)優(yōu)化軟件主界面主要有：菜單及編輯欄、圖形顯示區(qū)、輸入?yún)?shù)區(qū)和輸出結(jié)果區(qū)。

由構(gòu)造的第一中間非圓齒輪節(jié)曲線表達(dá)式R2(φ2)，根據(jù)試湊法得出，當(dāng)m2=0.5、m3=-0.5時(shí)，第一中間非圓齒輪節(jié)曲線比較光滑，且這兩個(gè)參數(shù)的值上下微變時(shí)，移栽軌跡變化幅度很小，所以在此不做過多分析。主要考慮系數(shù)m1與m4的變化對(duì)移栽軌跡的影響規(guī)律。如圖4a所示，當(dāng)m1由15增大到16時(shí)，移栽軌跡在取秧段發(fā)生了明顯變化，推秧段幾乎一致，取秧段部分越來(lái)越尖；由16增大到17時(shí)，取秧段軌跡尖嘴變大。因?yàn)閵A缽式移栽機(jī)構(gòu)是要插進(jìn)缽盤中進(jìn)行取苗，所以取秧段寬度不宜太大，防止秧針在穴盤中擺動(dòng)過大傷到缽苗。如圖4b所示，當(dāng)m4逐漸增大時(shí)，取秧段的環(huán)扣越來(lái)越大，但推秧的直立度逐漸變好。m1、m2、m3和m4的選值具有強(qiáng)耦合性，需同時(shí)優(yōu)化。

如圖4c所示，a不僅影響軌跡的整體大小，還會(huì)影響取秧角和推秧角。當(dāng)a增大時(shí)，取秧角逐漸變小，推秧角逐漸變大，這比較符合移栽軌跡的要求，但是夾缽式的移栽機(jī)構(gòu)需要考慮軌跡在穴盤內(nèi)一段的形狀，在穴盤內(nèi)軌跡段與水平面夾角太小將會(huì)導(dǎo)致秧針插破缽盤，并且移栽機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)需要盡可能緊湊。

α直接決定移栽軌跡中移栽臂持秧段的長(zhǎng)度。如圖4d所示，當(dāng)α增大時(shí)，移栽軌跡在推秧段保持不變，在取秧段有了明顯變化，持秧段開始的時(shí)間越來(lái)越早，并且取秧段的軌跡與水平面夾角越來(lái)越小?？紤]到缽苗盤與水平面的角度，取秧段與水平面夾角太大，就會(huì)出現(xiàn)移栽臂在取苗前撞傷缽苗的問題；夾角太小，秧針進(jìn)入穴盤內(nèi)的深度就會(huì)很小，取不出缽苗。

如圖4e所示，α0主要影響移栽軌跡的推秧角和取秧段的形狀，當(dāng)α0由20°增大到22°時(shí)，移栽軌跡取秧段由環(huán)扣逐漸變?yōu)榧庾?，逐漸符合移栽軌跡的要求，但隨著α0由22°繼續(xù)增大到24°時(shí)，取秧段的軌跡長(zhǎng)度越來(lái)越小，導(dǎo)致取秧深度變淺；此外，推秧角越小，移栽后的缽苗的直立度越差。

圖4 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)移栽軌跡的影響Fig.4 Effect of key parameters on transplant trajectory

如圖4f所示，δ0對(duì)移栽軌跡的取秧段和推秧段均有影響。當(dāng)行星架OF與FG的夾角增大時(shí)，移栽軌跡整體上移，取秧角逐漸變小，但取苗效果變差，推秧角也逐漸變小并且軌跡后傾。

如圖4g所示，在φ0取值不同時(shí)，移栽軌跡的大小和形狀保持不變，只有取秧角和推秧角在變化。當(dāng)φ0增大時(shí)，取秧角逐漸減小，但是推秧角也逐漸變小且推秧段軌跡后傾越來(lái)越嚴(yán)重，移栽臂回程中會(huì)撞倒已栽植的缽苗。

如圖4h所示，當(dāng)S增大時(shí)，移栽軌跡整體逐漸變大，在取秧段有較大變化，取秧段軌跡的尖嘴越來(lái)越長(zhǎng)、越來(lái)越尖，使秧針可以達(dá)到插入缽盤中取苗的效果。但是S值過大將會(huì)導(dǎo)致兩移栽臂之間互相干涉。

2.3 移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)移栽軌跡影響的分析，基于自主編寫的優(yōu)化軟件，最終得出一組既符合移栽軌跡形狀要求又符合移栽臂姿態(tài)要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)化后的參數(shù)為m1=16、m2=0.5、m3=-0.5、m4=0.9、a=24.5 mm、α=280°、α0=22°、δ0=30°、φ0=55°、S=165 mm。

優(yōu)化后秧針尖點(diǎn)的移栽靜軌跡如圖5所示，從圖中可以看出，取秧段軌跡呈“尖嘴”型，取苗時(shí)秧針運(yùn)動(dòng)接近直進(jìn)直出，優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果如表1所示。表中傾角θ如圖6所示。

圖5 移栽機(jī)構(gòu)靜軌跡 Fig.5 Relative motion trajectory of transplanting mechanism

由優(yōu)化軟件可以看出，在整個(gè)移栽過程中兩移栽臂之間、移栽臂與秧箱間都沒發(fā)生干涉現(xiàn)象。因此，這組機(jī)構(gòu)參數(shù)可以滿足文中設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件。圖6所示為一個(gè)移栽周期內(nèi)兩個(gè)移栽臂尖點(diǎn)的動(dòng)軌跡，水稻缽苗的株距H為180 mm。在優(yōu)化軟件中減小株距H，移栽機(jī)構(gòu)動(dòng)軌跡的前傾現(xiàn)象會(huì)有明顯改善，即秧針尖點(diǎn)在回程段軌跡先朝上然后再向前運(yùn)動(dòng)，移栽臂在完成推苗后不會(huì)推倒已植的缽苗。

表1 優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果Tab.1 Optimized objective results

圖6 移栽機(jī)構(gòu)動(dòng)軌跡Fig.6 Absolute motion trajectory of transplanting mechanism1、2.移栽動(dòng)軌跡 3.水稻缽苗

3 移栽機(jī)構(gòu)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)(圖7)主要包括機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、送秧裝置和移栽機(jī)構(gòu)。送秧裝置包含秧箱、橫向送秧機(jī)構(gòu)和縱向送秧機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示，動(dòng)力從主動(dòng)橢圓齒輪1處輸入，通過主動(dòng)橢圓齒輪1與從動(dòng)橢圓齒輪2嚙合實(shí)現(xiàn)雙螺旋軸3的非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滑塊4嵌入雙螺旋軸3溝槽實(shí)現(xiàn)秧箱14的橫向往復(fù)非勻速移動(dòng)。擺桿6和平行四連桿7固連在秧箱上。當(dāng)滑塊4移動(dòng)到左右2個(gè)極限位置時(shí)，與雙螺旋軸固連的凸輪5撞擊擺桿6，實(shí)現(xiàn)平行四連桿7的間歇運(yùn)動(dòng)，平行四連桿7驅(qū)動(dòng)棘輪8實(shí)現(xiàn)縱向單向間歇運(yùn)動(dòng)。棘輪8和主動(dòng)鏈輪10固連在主動(dòng)鏈輪軸9上，輸送鏈條11上安裝有鋼絲12，嵌入缽盤13背面的溝槽中，主動(dòng)鏈輪10間歇轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輸送鏈條11將缽盤13向下移動(dòng)一個(gè)缽距，實(shí)現(xiàn)縱向換行。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)模型圖Fig.7 Model chart of test bed1.機(jī)架 2.縱向送秧機(jī)構(gòu) 3.擺桿 4.凸輪 5.橫向送秧機(jī)構(gòu)6.傳動(dòng)系統(tǒng) 7.移栽機(jī)構(gòu) 8.秧箱

圖8 送秧裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structural sketch of seedling feeding device1.主動(dòng)橢圓齒輪 2.從動(dòng)橢圓齒輪 3.雙螺旋軸 4.滑塊 5.凸輪 6.擺桿 7.平行四連桿 8.棘輪 9.主動(dòng)鏈輪軸 10.主動(dòng)鏈輪 11.輸送鏈條 12.鋼絲 13.缽盤 14.秧箱 15.從動(dòng)鏈輪 16.從動(dòng)鏈輪軸

縱向送秧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)缽苗的縱向間歇輸送，每次輸送1行缽苗，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖9所示，由雙螺旋軸上的凸輪驅(qū)動(dòng)主動(dòng)擺桿1擺動(dòng)，通過連桿2帶動(dòng)從動(dòng)搖桿8擺動(dòng)，再由棘爪6驅(qū)動(dòng)棘輪10轉(zhuǎn)過1個(gè)齒，實(shí)現(xiàn)縱向送秧1次。

圖9 縱向送秧機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.9 Schematic of longitudinal rice seedling delivery mechanism1.主動(dòng)擺桿 2.連桿 3.解鎖桿 4.解鎖桿扭簧 5.解鎖桿擋板 6.驅(qū)動(dòng)棘爪 7.驅(qū)動(dòng)棘爪扭簧 8.從動(dòng)搖桿 9.平行四連桿扭簧 10.驅(qū)動(dòng)棘輪 11.止動(dòng)棘輪 12.止動(dòng)棘爪 13.止動(dòng)棘爪扭簧

橫向送秧利用橢圓齒輪傳動(dòng)和雙螺旋軸傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)非勻速移動(dòng)，使得移栽機(jī)構(gòu)在取苗時(shí)，橫向送秧速度較慢，有利于提高取苗的成功率，當(dāng)移栽機(jī)構(gòu)不取苗時(shí)，橫向送秧速度較快，保證取苗的效率。

橢圓齒輪傳動(dòng)關(guān)系式為

(3)

式中θ1——主動(dòng)橢圓齒輪角位移

θ2——從動(dòng)橢圓齒輪角位移

k——橢圓齒輪偏心率

夾缽式移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，秧針需要插入缽盤進(jìn)行取苗，秧針從插入缽盤到拔出缽苗的過程中，秧箱仍在橫向移動(dòng)，存在橫向偏移。由于雙螺旋軸的螺距P=20 mm，所以隨著雙螺旋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，秧箱的橫向偏移量為

(4)

式中 Δθ2——秧針開始插入缽苗盤到秧針完全退出缽苗盤的過程中，從動(dòng)橢圓齒輪轉(zhuǎn)過的角度

夾缽式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)移栽臂從秧針開始插入缽苗盤到秧針完全退出缽苗盤的過程中，移栽機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過了59°，主動(dòng)橢圓齒輪與移栽機(jī)構(gòu)之間存在傳動(dòng)比i=2的齒輪傳動(dòng)，主動(dòng)橢圓齒輪應(yīng)轉(zhuǎn)過118°。因此，為了使橫向偏移量最小，當(dāng)θ1=120°時(shí)，移栽機(jī)構(gòu)秧針開始插入缽苗盤，而當(dāng)θ1=240°時(shí)，移栽機(jī)構(gòu)秧針完全退出缽苗盤。

(5)

橢圓齒輪偏心率k越大，橫向送秧速度變化越劇烈，但是送秧時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，不利于取苗。偏心率k對(duì)橫向送秧偏移量l的影響如圖10所示。

圖10 偏心率k對(duì)橫向送秧偏移量l的影響Fig.10 Effect of eccentricity k on transverse seedling displacement l

綜合考慮橫向送秧偏移量、變速效果和機(jī)構(gòu)振動(dòng)的影響，選擇偏心率k為0.3的橢圓齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)秧箱橫向的非勻速移動(dòng)，此時(shí)取秧時(shí)橫向移動(dòng)產(chǎn)生的偏移量l=3.838 mm，而采用圓柱齒輪傳動(dòng)時(shí)，橫向移動(dòng)產(chǎn)生的偏移量為6.667 mm。

3.2 移栽機(jī)構(gòu)靜軌跡分析

將移栽機(jī)構(gòu)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，拍攝移栽機(jī)構(gòu)工作視頻，利用Photoshop軟件分析繪制移栽機(jī)構(gòu)靜軌跡如圖11b所示，圖11a為移栽機(jī)構(gòu)仿真分析靜軌跡，圖11c為移栽機(jī)構(gòu)理論計(jì)算靜軌跡，移栽機(jī)構(gòu)物理樣機(jī)的測(cè)試靜軌跡與仿真靜軌跡基本保持一致，而理論計(jì)算靜軌跡的底部有一個(gè)尖點(diǎn)，是在不完全非圓齒輪(太陽(yáng)輪)與第一中間非圓齒輪剛開始嚙合時(shí)產(chǎn)生，這個(gè)嚙合時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)沖擊，為了減少?zèng)_擊，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在太陽(yáng)輪與第一中間非圓齒輪之間加裝了緩沖裝置，使軌跡下端尖點(diǎn)變?yōu)閳A弧，其余部分軌跡與測(cè)試靜軌跡均一致。

圖11 移栽機(jī)構(gòu)靜軌跡對(duì)比Fig.11 Comparison of relative movement trajectories of transplanting mechanism

3.3 移栽機(jī)構(gòu)取苗試驗(yàn)

圖12 夾缽式水稻缽苗移栽試驗(yàn)臺(tái)Fig.12 Rice bowl seedling transplanting test stand with bowl type

為了檢驗(yàn)移栽機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中的移栽工作性能，將裝配好的移栽機(jī)構(gòu)安裝在水稻缽苗試驗(yàn)臺(tái)(圖12)上，開展機(jī)構(gòu)的取苗與推苗試驗(yàn)，試驗(yàn)采用14×29穴的缽盤。

通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，移栽臂從開始取苗到夾緊缽苗的過程中，進(jìn)入缽穴的深度為14 mm，取苗角約為7°，推苗角約為58°，推苗角與取苗角的差值為51°。圖13所示為移栽機(jī)構(gòu)在推苗時(shí)刻的位置與移栽臂的姿態(tài)。

圖13 推苗位置Fig.13 Seedling position

開展移栽機(jī)構(gòu)取苗試驗(yàn)，共進(jìn)行了兩組試驗(yàn)。使移栽機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速分別為50、60、70、80 r/min，采用攝像機(jī)拍攝移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程，記錄缽盤空穴與取苗失敗數(shù)，分析機(jī)構(gòu)取苗成功率。

第1組試驗(yàn)用的缽苗長(zhǎng)勢(shì)茂盛，但是空穴數(shù)量較多，缽苗土質(zhì)為泥土，第1組取苗試驗(yàn)結(jié)果見表2。第2組試驗(yàn)用的缽苗生長(zhǎng)整齊一致，空穴數(shù)量較小，缽苗土質(zhì)為基質(zhì)，第2組取苗試驗(yàn)結(jié)果見表3。

當(dāng)移栽機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)，共進(jìn)行了5組試驗(yàn)，實(shí)際取苗總數(shù)為677，失敗總數(shù)為47，平均取苗成功率為93.06%，成功率隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)，共進(jìn)行了2組試驗(yàn)，平均取苗成功率為88.89%。

表2 第1組缽苗移栽試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of plug-seedlings transplanting in the first group

表3 第2組缽苗移栽試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of plug-seedlings transplanting in the second group

由于第2組缽?fù)翞榛|(zhì)，與缽盤間的吸附力較小，當(dāng)移栽機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速增大到70 r/min后，縱向送秧?yè)Q行時(shí)容易引起缽?fù)琳鹇洌虼说?組試驗(yàn)70 r/min時(shí)的空穴率較其他轉(zhuǎn)速有顯著提高。第2組試驗(yàn)缽盤空穴數(shù)量較少，但是相鄰缽苗根系盤在一起，取苗時(shí)容易將相鄰穴內(nèi)的缽苗一起帶出，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)空穴數(shù)量比實(shí)際偏高。

移栽機(jī)構(gòu)的臺(tái)架試驗(yàn)表明，移栽臂能夠精確實(shí)現(xiàn)取苗和推苗動(dòng)作，對(duì)于生長(zhǎng)較好的缽苗，可以得到良好的試驗(yàn)效果。但在速度較快的情況下，取苗成功率降低，這與育苗的質(zhì)量、機(jī)構(gòu)的加工精度、移栽臂上兩秧針尖點(diǎn)張開時(shí)的距離、夾緊缽苗時(shí)的閉合程度及試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行誤差都有較大關(guān)系。通過后期的改善，增大兩秧針尖點(diǎn)張開時(shí)的距離，增加秧針插入土缽的角度使得秧針更好的夾緊缽苗；改進(jìn)秧針形狀使得剛進(jìn)入缽盤時(shí)夾緊缽苗的速度較低，而當(dāng)秧針尖點(diǎn)到達(dá)缽盤底部時(shí)，夾緊速度存在一個(gè)突變，“突然”的夾緊使得移栽臂更好的夾緊缽苗。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)水稻缽苗移栽要求，提出了一種新型旋轉(zhuǎn)式移栽機(jī)構(gòu)——夾缽式水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)，分析了該移栽機(jī)構(gòu)的工作原理。

(2)開發(fā)了移栽機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，分析了各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)移栽軌跡的影響，獲得了一組適合水稻缽苗移栽要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)，m1=16，m2=0.5，m3=-0.5，m4=0.9，a=24.5 mm，α=280°，α0=22°，δ0=30°，φ0=55°，S=165 mm。

(3)對(duì)移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真分析，設(shè)計(jì)了水稻缽苗移栽試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，仿真分析得到的靜軌跡與試驗(yàn)測(cè)試、理論計(jì)算得到的靜軌跡進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的正確性；進(jìn)行了移栽機(jī)構(gòu)的取苗試驗(yàn)，移栽機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)，平均取苗成功率為93.06%，當(dāng)轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)，平均取苗成功率為88.89%，取苗成功率隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低，表明該機(jī)構(gòu)具有較高的取苗效率和取苗成功率，可應(yīng)用于水稻缽苗移栽機(jī)上。