尹大慶 張諾一 周脈樂(lè) 楊禹超 尹思澤 王金武

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

中國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)[1]，缽苗移栽是蔬菜主要種植方式之一[2]。市場(chǎng)上使用的蔬菜移栽機(jī)以半自動(dòng)機(jī)型為主，人工喂苗勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低[3-5]。國(guó)外移栽機(jī)以歐美和日本、韓國(guó)的為代表，歐美國(guó)家多采用機(jī)、電、液、汽為一體的全自動(dòng)移栽機(jī)，如意大利Ferrari公司的全自動(dòng)移栽機(jī)，效率較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且僅適用于大型農(nóng)場(chǎng)[6]。日本、韓國(guó)多使用小型移栽機(jī)，如日本洋馬公司研制的自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)，栽植機(jī)構(gòu)采用滑道式，滑道易磨損，效率低[7]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了很多針對(duì)性的研究。胡建平等[8]提出一種等速齒輪行星輪系鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)，將鴨嘴固定在行星輪上，能夠滿(mǎn)足多株距移栽要求。俞高紅等[9]對(duì)適用于大株距的不等速行星輪系鴨嘴式蔬菜缽苗栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)非圓齒輪行星輪系的優(yōu)化，解決了固定在行星輪上的鴨嘴工作姿態(tài)問(wèn)題，使其適合大株距移栽作物。王英等[10]、陳建能等[11]基于非圓齒輪行星輪系提出了一系列鴨嘴式移栽裝置，對(duì)栽植回程軌跡、穴口形狀以及動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行了優(yōu)化，使栽植效果良好，且作業(yè)平穩(wěn)。

喂苗速度是制約鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)效率的主要因素，當(dāng)采用自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)并快速取苗、投苗時(shí)，缽苗的快速向下與鴨嘴的較高水平速度產(chǎn)生矛盾。為確保接苗的準(zhǔn)確性，本文采用非圓齒輪行星輪系結(jié)合鴨嘴式植苗器，提出一種配合自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的高速變姿態(tài)接苗鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)，優(yōu)化后接苗點(diǎn)形成“水滴”形軌跡，以實(shí)現(xiàn)不等速傳動(dòng)獲得更優(yōu)良的速度和加速度特性，縮短運(yùn)苗時(shí)間。

1 設(shè)計(jì)要求與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)蔬菜移栽的農(nóng)藝要求，機(jī)構(gòu)在工作時(shí)形成的軌跡既要保證接苗時(shí)鴨嘴方向與缽苗方向一致和植苗時(shí)秧苗的直立度，又要滿(mǎn)足蔬菜缽苗的農(nóng)藝特性，并確保將秧苗植入土中，如圖1所示。要求軌跡形成穴口寬度w≤30 mm，深度u≥45 mm[10-13]。因此要求栽植機(jī)構(gòu)以特定的軌跡實(shí)現(xiàn)接苗、運(yùn)苗、入土開(kāi)穴、栽植4個(gè)階段的周期運(yùn)動(dòng)。

圖1 自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanism schematic of automatic transplanter

1.1.1軌跡與姿態(tài)

栽植機(jī)構(gòu)軌跡與姿態(tài)如圖2、3所示，接苗時(shí)，鴨嘴栽植器應(yīng)盡量靠近投苗點(diǎn)，在最高點(diǎn)(AB段)附近接苗，且通過(guò)在最高點(diǎn)的擺動(dòng)產(chǎn)生停頓，延長(zhǎng)接苗時(shí)間以避免漏苗以及缽苗土缽損傷。植苗時(shí)為保證缽苗直立度，鴨嘴栽植器與土壤約呈90°角(CD段)，入土角與出土角基本一致。綜上所述，針對(duì)高速非圓齒輪行星輪系取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出配套的栽植機(jī)構(gòu)，得到滿(mǎn)足蔬菜缽苗移栽要求的運(yùn)動(dòng)軌跡——“水滴”形軌跡。

圖2 相對(duì)軌跡及姿態(tài)Fig.2 Relative trajectory and attitude

圖3 絕對(duì)軌跡及姿態(tài)Fig.3 Absolute trajectory and attitude

1.1.2工作速度

在栽植過(guò)程中，接苗段速度降低，保證秧苗輸送過(guò)程中無(wú)損傷；運(yùn)苗段速度增加，提高植苗效率；植苗段速度減小且鴨嘴栽植器在最低點(diǎn)栽植速度趨于零速栽植[4]。

1.1.3鴨嘴栽植器開(kāi)合狀態(tài)

鴨嘴栽植器在運(yùn)苗、開(kāi)穴、接苗前保持閉合狀態(tài)，當(dāng)鴨嘴栽植器處于最低點(diǎn)時(shí)，打開(kāi)鴨嘴栽植器進(jìn)行缽苗栽植，在下一次接苗前(鴨嘴栽植器最低點(diǎn)高于秧苗頂端一段距離時(shí))鴨嘴栽植器閉合，避免發(fā)生帶苗現(xiàn)象。

鴨嘴栽植器開(kāi)合大于秧苗缽體尺寸，且滿(mǎn)足凸輪加工工藝要求，保證鴨嘴栽植器開(kāi)合運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，減少栽植部件開(kāi)合振動(dòng)，故要求鴨嘴栽植器張開(kāi)角40°≥α0≥30°。

1.2 工作原理

栽植機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)和栽植兩部分，如圖4所示。傳動(dòng)部分由5個(gè)相互嚙合的非圓齒輪及行星軸、中間軸、太陽(yáng)軸、齒輪箱、法蘭盤(pán)組成；栽植部分由凸輪、推桿、推板、支撐板、前鴨嘴支撐架、前鴨嘴、后鴨嘴支撐架、后鴨嘴、彈簧組成。動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)齒輪箱勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使其內(nèi)部的非圓齒輪相互嚙合，驅(qū)動(dòng)支撐板做不等速運(yùn)動(dòng)。凸輪固接在齒輪箱上，隨著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)在滑道中的推桿平動(dòng)，推桿的另一側(cè)與推板連接，并在推板的滑槽中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)固接在推板上的前鴨嘴支撐架繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使前鴨嘴打開(kāi)，后鴨嘴支撐架固接在支撐板上，從而達(dá)到打開(kāi)鴨嘴栽植器的目的，待凸輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，彈簧復(fù)位驅(qū)動(dòng)鴨嘴栽植器閉合，實(shí)現(xiàn)鴨嘴栽植器開(kāi)合動(dòng)作。

圖4 栽植機(jī)構(gòu)原理圖Fig.4 Principle diagrams of seedling planting mechanism1.上錐齒輪 2.下錐齒輪 3.動(dòng)力輸出軸 4.太陽(yáng)輪 5.中間輪 6.中間軸 7.行星輪 8.行星軸 9.齒輪箱 10.后鴨嘴支撐架 11.前鴨嘴支撐架 12.推桿 13.支撐板 14.凸輪 15.后鴨嘴 16.前鴨嘴 17.滑道 18.推板槽 19.彈簧

2 理論模型建立

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)理論模型

圖5 栽植機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic of seedling planting mechanism1.鴨嘴栽植器 2.行星輪 3.中間輪 4.太陽(yáng)輪

以太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心O1為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。工作過(guò)程中，行星架順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。針對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一側(cè)進(jìn)行研究，M為太陽(yáng)輪與中間輪的嚙合點(diǎn)，N為中間輪與行星輪的嚙合點(diǎn)，R1為太陽(yáng)輪的向徑，R2為中間輪的向徑，φ0為整體轉(zhuǎn)角，α為太陽(yáng)輪初始安裝角，規(guī)定行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。當(dāng)行星架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)φ時(shí)，行星架的絕對(duì)轉(zhuǎn)角φh(φ)為

φh(φ)=φ0+φ+α

(1)

太陽(yáng)輪的相對(duì)轉(zhuǎn)角φ1h(φ)和絕對(duì)轉(zhuǎn)角φ1(φ)分別為

(2)

中間輪的相對(duì)轉(zhuǎn)角φ2h(φ)和絕對(duì)轉(zhuǎn)角φ2(φ)分別為

(3)

式中a——齒輪中心距，mm

為便于機(jī)構(gòu)可調(diào)，引入行星架拐角β0，則行星輪的相對(duì)轉(zhuǎn)角φ3h(φ)和絕對(duì)轉(zhuǎn)角φ3(φ)分別為

(4)

式中φ30——行星輪初始安裝角，rad

太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為

x1(φ)=y1(φ)=0

(5)

中間輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為

(6)

行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為

(7)

由于機(jī)構(gòu)關(guān)于太陽(yáng)輪中心呈180°對(duì)稱(chēng)，另一側(cè)齒輪分析同理。

根據(jù)以上幾何關(guān)系及栽植點(diǎn)、接苗點(diǎn)軌跡方程，利用Visual Basic 6.0編程求解傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)值。

2.2 栽植嘴機(jī)構(gòu)理論模型

栽植嘴機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示，以太陽(yáng)輪中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。太陽(yáng)輪固連在機(jī)架上，隨底盤(pán)前進(jìn)，因行星輪中心與凸輪中心原點(diǎn)相同。以凸輪中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，整體繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，移栽機(jī)前進(jìn)方向與X軸正向相同。令x0、y0為參數(shù)在以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量，x′0、y′0為參數(shù)在O′點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量。行星架OO′為原動(dòng)件，點(diǎn)F為前鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心，點(diǎn)G為前鴨嘴與推板鉸接點(diǎn)，點(diǎn)A1為栽植點(diǎn)，OO′順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鴨嘴開(kāi)合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪隨行星架OO′以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，判斷鴨嘴栽植器位置來(lái)優(yōu)化栽植機(jī)構(gòu)軌跡與姿態(tài)。

圖6 栽植嘴機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Schematic of planting mechanism

通過(guò)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位置坐標(biāo)可求出栽植臂拐點(diǎn)坐標(biāo)為

xD1(φ)=x3(φ)+s1cos(γ+φ-φ3h)

(8)

yD1(φ)=y3(φ)+s1sin(γ+φ-φ3h)

(9)

通過(guò)栽植臂拐點(diǎn)可以求出栽植點(diǎn)坐標(biāo)

xA1(φ)=xD1(φ)+H1cos(φ-φ3h+γ-θ)

(10)

yA1(φ)=yD1(φ)+H1sin(φ+γ-φ3h-θ)

(11)

其中

γ=φ0+β0+δ0

式中s1——支撐板長(zhǎng)度，mm

θ——鴨嘴栽植器相對(duì)支撐板轉(zhuǎn)角，rad

δ0——支撐板與行星架轉(zhuǎn)角，rad

當(dāng)鴨嘴栽植器處于閉合位置時(shí)，各點(diǎn)坐標(biāo)為

(12)

(13)

式中H1——鴨嘴栽植器高度，mm

b——鴨嘴栽植器半徑，mm

β——鴨嘴栽植器斜角，rad

當(dāng)鴨嘴栽植器張開(kāi)角α0時(shí)，各點(diǎn)坐標(biāo)為

(14)

(15)

由于鴨嘴栽植器開(kāi)合角度由凸輪控制，故根據(jù)鴨嘴栽植器張開(kāi)角α0，可以推出凸輪推程

c=dα0/sin(180°-ψ-α0)

(16)

式中c——凸輪推程，mm

d——轉(zhuǎn)動(dòng)中心與推桿間距離，mm

ψ——轉(zhuǎn)動(dòng)中心與推桿間轉(zhuǎn)角，rad

根據(jù)以上幾何關(guān)系求解前后鴨嘴栽植點(diǎn)、接苗點(diǎn)的每時(shí)刻坐標(biāo)值并擬合運(yùn)動(dòng)軌跡以圖形的形式輸出，便于進(jìn)行栽植機(jī)構(gòu)軌跡及姿態(tài)優(yōu)化。

3 軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)已經(jīng)建立的理論模型，開(kāi)發(fā)栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，便于解決多目標(biāo)、多參數(shù)、強(qiáng)耦合性的問(wèn)題，縮短栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)周期。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)蔬菜缽苗移栽的農(nóng)藝要求及栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，選取羊角椒栽植株距400 mm進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并確立蔬菜栽植機(jī)構(gòu)需要滿(mǎn)足的目標(biāo)要求，共設(shè)立7個(gè)優(yōu)化目標(biāo)：入土與出土?xí)r鴨嘴栽植器相對(duì)于地面擺動(dòng)角度差在0°～20°之間；齒輪箱與地面距離大于25 mm；軌跡高度大于200 mm；齒輪模數(shù)大于2.5 mm(由齒數(shù)及節(jié)曲線周長(zhǎng)確定，節(jié)曲線周長(zhǎng)通過(guò)優(yōu)化軟件優(yōu)化參數(shù)獲得)；穴口寬在0～30 mm之間；穴口直立度(穴口中點(diǎn)與栽植最低點(diǎn)偏移量)小于等于15 mm；栽植臂不干涉[14-19]。

3.2 優(yōu)化軟件及參數(shù)確定

本軟件通過(guò)調(diào)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量(齒輪節(jié)曲線參數(shù)及鴨嘴栽植器結(jié)構(gòu)參數(shù))，達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)栽植機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、軌跡的模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)栽植機(jī)構(gòu)的優(yōu)化[20]。通過(guò)數(shù)學(xué)模型將圖形可視化，使栽植機(jī)構(gòu)更直觀且易于操作，優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件界面如圖7 所示。

圖7 栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件界面Fig.7 Software interface for optimal design of seedling mechanism

應(yīng)用栽植機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件得到一組較優(yōu)的滿(mǎn)足蔬菜栽植農(nóng)藝要求的參數(shù)，齒輪節(jié)曲線參數(shù)包括(ri為齒輪節(jié)曲線的向徑，θi為齒輪節(jié)曲線的極角)：r1=29 mm，r2=28 mm，r3=24.8 mm，r4=26 mm，r5=31 mm，θ1=0°，θ2=5°，θ3=110.7°，θ4=230°，θ5=351°，θ6=360°；結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：鴨嘴栽植器相對(duì)支撐板轉(zhuǎn)角θ=235°，太陽(yáng)輪初始安裝角α=25°，機(jī)構(gòu)及軌跡相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)轉(zhuǎn)角φ0=149°，支撐板相對(duì)行星架轉(zhuǎn)角δ0=6°，支撐板長(zhǎng)度s1=75 mm，行星架拐角β0=-50°，鴨嘴栽植器高度H1=150 mm。機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)值：入土與出土?xí)r鴨嘴栽植器相對(duì)于地面擺動(dòng)角度差M1=18°，齒輪箱與地面距離M2=27 mm，軌跡高度M3=229 mm，齒輪模數(shù)M4=2.7 mm，穴口寬M5=14 mm，穴口直立度M6=12 mm，栽植臂最小距離M7=45 mm，皆滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)要求。

4 三維模型建立與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)栽植機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件所得的參數(shù)對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及三維模型建立，包括非圓齒輪行星輪系以及鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)，并按照初始安裝位置完成栽植機(jī)構(gòu)的整體裝配。高速變姿態(tài)接苗鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)三維模型如圖8所示，對(duì)鴨嘴栽植器相關(guān)參數(shù)根據(jù)蔬菜秧苗物理特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖8 高速變姿態(tài)接苗鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)三維模型Fig.8 Three-dimensional model of high speed duckbill planting mechanism with variable catch-seedling attitude1.前鴨嘴支撐架 2.前鴨嘴 3.支撐板 4.后鴨嘴支撐架5.凸輪 6.齒輪箱 7.后鴨嘴 8.行星軸

4.1 基于ADAMS的仿真分析

將裝配好的模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真，邊界條件設(shè)置：轉(zhuǎn)速40 r/min、前進(jìn)速度0.53 m/s、重力加速度9.8 m/s2,可得栽植機(jī)構(gòu)的相對(duì)、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡(圖9)與理論軌跡(圖10)基本一致。

圖9 虛擬仿真軌跡Fig.9 Virtual simulation track

圖10 優(yōu)化軟件理論軌跡Fig.10 Theoretical trajectory of optimization software

4.1.1鴨嘴栽植器擺角

支撐板初始位置相對(duì)于Y軸正方向轉(zhuǎn)角為6°，鴨嘴栽植器相對(duì)于Y軸正方向擺動(dòng)角度變化如圖11所示。支撐板轉(zhuǎn)角為19°～45°時(shí)鴨嘴栽植器擺角在11°～-10°之間變化，為鴨嘴栽植器入土栽植階段。當(dāng)支撐板轉(zhuǎn)角為28° 時(shí)鴨嘴栽植器運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)位置(A點(diǎn))且鴨嘴栽植器擺角為0°，為最佳栽植點(diǎn)，保證栽植的起始直立度。當(dāng)支撐板轉(zhuǎn)角為52°～15°時(shí)鴨嘴栽植器擺角在-20°～17°之間變化，為接苗階段。當(dāng)支撐板轉(zhuǎn)角為28°時(shí)(B點(diǎn))為最佳接苗點(diǎn)，此時(shí)鴨嘴栽植器擺角為0°，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖11 鴨嘴栽植器擺角變化曲線Fig.11 Variation curve of angle for duckbill planter

4.1.2速度曲線

在移栽效率為80株/min時(shí)，仿真后接苗點(diǎn)水平方向速度如圖12所示。栽植點(diǎn)水平方向速度如圖13所示。

圖12 接苗點(diǎn)水平方向速度曲線Fig.12 Horizontal direction velocity curves of jointing point

由圖12、13可知，栽植機(jī)構(gòu)在ADAMS仿真中得到的速度曲線與計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化軟件中得到的曲線趨勢(shì)相同。鴨嘴栽植器在接苗的一段時(shí)間內(nèi)水平速度趨近于零，便于接苗平穩(wěn)準(zhǔn)確，不損傷苗缽。在鴨嘴栽植器入土階段，栽植點(diǎn)的水平速度也接近于零，有利于實(shí)現(xiàn)零速栽植，從而保證秧苗的直立度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2 高速攝影試驗(yàn)驗(yàn)證

為縮短研發(fā)周期，采用3D打印技術(shù)制造物理樣機(jī)。將裝配好的樣機(jī)安裝在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高速攝影試驗(yàn)，測(cè)量鴨嘴栽植器栽植端點(diǎn)及上端中心點(diǎn)形成的實(shí)際軌跡。對(duì)高速攝影得到的實(shí)際軌跡與計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件中得到的優(yōu)化軌跡進(jìn)行比對(duì)，如圖14所示，理論軌跡與實(shí)際軌跡基本一致。

圖13 栽植點(diǎn)水平方向速度曲線Fig.13 Horizontal velocity curves of planting point

圖14 高速攝影與優(yōu)化軌跡對(duì)比Fig.14 Comparison of high-speed photography and optimized trajectory

4.3 物理樣機(jī)接苗與栽植試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證高速變姿態(tài)接苗鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)的性能，對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行接苗與栽植試驗(yàn)，試驗(yàn)選取的羊角椒缽苗如圖15所示，當(dāng)缽苗6片子葉、缽苗苗齡為45 d時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)選用特定軟質(zhì)秧盤(pán)進(jìn)行育苗，穴數(shù)為72穴，上穴口尺寸為40 mm×40 mm，下穴口尺寸為20 mm×20 mm，穴口深度為45 mm[21]。隨機(jī)選取50株缽苗進(jìn)行物理特性統(tǒng)計(jì)分析，缽體高度最大值為44.8 mm，缽苗高度最大值為137.2 mm，葉冠直徑最大值為88.2 mm，缽體上端尺寸最大值為39.3 mm，缽體下端尺寸最大值為18.8 mm。

試驗(yàn)采用課題組研制的多功能缽苗移栽試驗(yàn)臺(tái)[8,22-23]，栽植試驗(yàn)如圖16所示，安裝物理樣機(jī)，設(shè)置試驗(yàn)臺(tái)工作轉(zhuǎn)速為30 r/min，并以0.4 m/s的速度移動(dòng)土槽。取144株缽苗進(jìn)行試驗(yàn)，處理數(shù)據(jù)時(shí)去除前后5株缽苗取134株為一組進(jìn)行試驗(yàn)，并重復(fù)3次，栽植效果如圖17所示。

圖16 接苗-栽植試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.16 Seedling-planting test diagram1.栽植機(jī)構(gòu) 2.試驗(yàn)臺(tái)架 3.傳動(dòng)部件 4.秧苗 5.土槽

圖17 接苗-栽植試驗(yàn)效果Fig.17 Seedling-planting test effect diagram

栽植性能驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)如下：秧苗莖稈與地面的夾角α1≤45°為倒伏，45°<α1<70°為合格，α1≥70°為優(yōu)良，栽植深度h滿(mǎn)足32 mm≤h≤60 mm為合格[24-25]。

對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，參考旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10291—2013要求，栽植效果需達(dá)到傷苗率小于等于5%，栽植合格率大于等于90%，栽植深度合格率大于等于75%[19,25]。在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：平均栽植合格率為99.8%，平均栽植深度合格率為 99.2%，結(jié)果證明機(jī)構(gòu)能夠較好地滿(mǎn)足栽植要求。

表1 栽植性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results for verification of seedling performance

5 結(jié)論

(1)根據(jù)蔬菜缽苗在移栽農(nóng)藝上對(duì)軌跡、姿態(tài)、接苗與栽植的要求，建立了目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化獲得“水滴”形接苗點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)鴨嘴栽植器在接苗點(diǎn)的停留和擺動(dòng)延長(zhǎng)接苗時(shí)間。

(2)提出了一種高速變姿態(tài)接苗鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)，建立了栽植機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)優(yōu)化軟件，優(yōu)化得出滿(mǎn)足工作要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)通過(guò)分析比較理論軌跡、ADAMS仿真軌跡和高速攝影軌跡，驗(yàn)證了栽植機(jī)構(gòu)的理論模型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性與可行性。通過(guò)仿真分析得到接苗點(diǎn)以及栽植點(diǎn)的速度曲線，驗(yàn)證了接苗與栽植時(shí)的速度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(4)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，栽植機(jī)構(gòu)的平均栽植合格率為99.8%，平均栽植深度合格率為 99.2%，滿(mǎn)足直立度與移栽要求，驗(yàn)證了該栽植機(jī)構(gòu)的實(shí)用性。