劉念聰，楊程文，劉保林，蔣 浩，吳圣紅，黃 浩

（成都理工大學核技術與自動化工程學院，成都 610059）

0 引 言

蔬菜穴盤育苗可以提高幼苗成活率，從而達到高產穩(wěn)定、提高土地利用率等綜合效益[1-3]。中國蔬菜種植面積僅次于糧食作物，是世界第一大蔬菜生產國和消費國，蔬菜生產需要消耗大量勞動力，勞動成本可占到蔬菜總生產成本的 50%以上，因而移栽機的機械化、自動化是蔬菜產業(yè)發(fā)展的必然趨勢[4]。與此同時，國內旱地蔬菜移栽機主要以半自動移栽機為主，自動化程度低，需人工喂苗，勞動強度大，工作效率低[5-7]。實現(xiàn)取喂苗自動化是推動半自動移栽機向全自動移栽機發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，能夠消除人工作業(yè)帶來的問題，提高機具移栽效率[8]。因此，研制全自動移栽機取喂苗系統(tǒng)具有重要意義。

國內外學者對全自動移栽機取喂苗系統(tǒng)進行了廣泛研究，并提出了插入夾取式[9-12]、頂出式[13]、頂出夾取式[14-16]、氣力式[17-19]等形式多樣的取喂苗系統(tǒng)。Choi等[20]提出了一種曲柄滑道導桿取苗機構，取苗成功率約為 80%～90%，機構振動及沖擊較大，當增加曲柄轉速以提高取苗效率時，會增加苗株基質的損傷，進而增加傷苗率。意大利Ferrari公司研制的Futura全自動蔬菜移栽機采用頂出夾取式機構，傷苗率低，取苗效率高，但整體結構復雜，價格昂貴[21]。Rahul等[22]設計了一種5R二自由度并聯(lián)機械手應用于蔬菜移栽，采用機電一體化方法減少了機構重量，能適應不同的姿態(tài)要求。胡敏娟等[23]提出了一種可成排取苗的插入夾取式取喂苗裝置，取苗效率約為80株/min，但該裝置對苗株夾緊力不夠，運動過程中振動明顯，取苗成功率較低。金利達機械制造有限公司對苗夾進行了改進，克服了夾緊力不足和運動過程中存在振動明顯的問題，但對穴苗適應性差，傷苗率較高。謝守勇等[24]研制了一種斜插夾缽式取喂苗系統(tǒng)，提高了苗株夾取適應性，但由于主動桿轉速限制，取苗效率較低。王蒙蒙等[25]設計了一種曲柄擺桿式夾苗機構，可適應于多種不同尺寸穴盤苗的取苗工作，取苗成功率較高，但需要將苗株頂出后再進行夾取。趙勻等[26]提出了一種探入式番茄缽苗移栽機構，秧夾沿秧盤內壁探入缽穴并完成取苗動作，能夠避免對土缽和根系的損傷，但該裝置對秧苗夾緊力不夠，在輸送過程中遇振動易導致秧苗脫落。

基于以上分析，為滿足辣椒、番茄等蔬菜作物移栽的農藝要求，本文提出一種全自動單擺式取喂苗系統(tǒng)。通過分析苗穴的運動軌跡，結合苗夾取時的運動學模型，得到苗盤輸送機構與夾苗機構的相對運動規(guī)律，完成系統(tǒng)裝置的結構設計與參數(shù)優(yōu)化，并結合樣機進行了田間試驗和相關分析，以期獲得一種結構緊湊，取苗成功率高，傷苗率低，對苗株適應性強的全自動取喂苗系統(tǒng)。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

全自動單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)結構如圖1所示。機構整體呈左右對稱分布，由苗盤輸送機構、縱移機構、旋轉機構、往復機構、夾苗機構和控制系統(tǒng)6個部分組成。穴苗盤對稱傾斜放置，與水平面夾角 40°；A型機架安裝在固定機架上，使其可以繞階梯軸旋轉。每個A型機架上裝有2個直線導軌，直線導軌滑塊與夾苗機構安裝板配合，安裝板上裝配3個夾苗機構，可對3株穴苗成排一次取苗，固定機架下方為接苗筒。

圖1 單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of single pendulum vegetable pot seedling picking and feeding system

1.2 工作原理

該取喂苗系統(tǒng)工作原理如圖2所示。苗盤輸送機構由步進電機驅動，其余機構均由往復式氣缸提供動力。苗盤輸送機構和縱移機構將穴苗盤自動輸送到待取苗位置；往復機構工作，苗夾插入穴苗基質，夾苗機構氣缸工作，兩苗夾夾緊苗株，往復機構工作，帶動夾苗機構從穴苗盤中取出穴苗，此時另一側夾苗機構向下運動實現(xiàn)喂苗，旋轉機構工作，A型機架繞階梯軸旋轉40°，將穴苗輸送至苗筒正上方，隨后夾苗機構苗夾松開，往復機構氣缸工作，穴苗在夾苗機構推力和重力共同作用下落入接苗筒中，完成喂苗。

圖2 取喂苗系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of seedling picking and feeding system

2 關鍵機構設計

2.1 苗盤輸送機構

為保證苗盤撥動機構轉動過程中不會與穴苗盤相互干涉，對轉軸與苗穴的運動軌跡進行分析，如圖3所示。

圖3 苗盤撥動機構與苗穴之間的運動關系Fig.3 Movement relationship between the seedling tray toggle mechanism and the plug seedlings

由圖3可知，由于轉軸1水平速度小于苗穴1，兩者不會發(fā)生干涉，而與苗穴 2不發(fā)生干涉，則需要滿足轉軸1到苗穴2外壁的垂直距離不小于轉軸1的半徑，根據(jù)圖3幾何關系有：

式中z為苗盤撥動機構中的轉軸個數(shù)；H為苗盤撥動機構圓心到苗穴頂部的垂直距離，mm；LBC為苗穴2與轉軸1的水平距離差，mm。

苗盤常規(guī)尺寸為L'=42 mm，c=37 mm，α=80°，苗盤撥動機構轉軸選擇常規(guī)尺寸d'=10 mm。轉軸個數(shù)z太小會使得整體結構偏大，機構笨重；z太大又會增加成本，由式(1)可得z的取值范圍為7～9，本文取z=8，此時苗盤撥動機構半徑R為52 mm，且轉軸與苗盤不發(fā)生干涉。

2.2 旋轉機構

旋轉機構呈左右反對稱布置，主要由固定機架、A型機架、旋轉機構氣缸、軸承座等組成。2個往復式氣缸為機構提供動力，其中單個氣缸負載與翻轉角度之間的關系如圖4所示。

圖4 氣缸負載與A型機架翻轉角度之間的關系Fig.4 Relationship between cylinder load and turning angle of A type frame

穴苗盤與水平面夾角40°，為保證夾苗機構的苗夾較好的插入苗基質中并完成取苗動作，設計A型機架為對稱結構且機架左右兩臂夾角為40°。機架質心在A型機架的中線上，與豎直方向的夾角為(θ-20°)。氣缸負載Fn隨機架旋轉角度的變化規(guī)律為

式中L為A型機架質心到C'點的距離，mm；G為機架重力，N。

根據(jù)山東青州火絨機械制造有限公司的 ZBX-2型懸掛式半自動移栽機的投苗器尺寸，初步設計A型機架單側臂長400 mm，矩形截面，尺寸45×10(mm)，材質為45#鋼。通過三維建模軟件求得機架的質心坐標，進而求得L=175 mm，a1=317 mm，b1=169 mm，α'=41°，γ'=34°，G=225 N，由式(2)可得氣缸負載與機架旋轉角之間的關系，如圖5所示。在A型機架工作行程內，當θ=40°時，氣缸承受負載最大，為66.25 N。根據(jù)氣缸尺寸和氣缸理論出力表，缸徑25、32和40 mm均滿足要求。

圖5 氣缸負載隨θ的變化Fig.5 Variation of cylinder load with θ

2.3 往復機構

往復機構主要由基座、氣缸和夾苗機構安裝板組成。每個基座上放置 3個夾苗機構，夾苗機構間隔取苗，相鄰夾苗機構之間的間距為苗穴寬度的 2倍。夾苗機構可在基座的間隙槽里滑動來調節(jié)其間距以適應不用型號的穴苗盤。直線導軌的負載主要是基座、3個夾苗機構和3個苗株的總質量，計算可得直線導軌承受的最大負載約為 30 N，小于氣缸理論出力值?？紤]到往復機構動作時滑塊的位移，選用HGH15CA方形滑塊和HGR15-200型直線導軌。本文試驗選用規(guī)格為6×12的常規(guī)苗盤，苗穴深度為40 mm，需要保證氣缸行程≥40 mm?？紤]安全距離和偶發(fā)因素，選用MAL20×75型氣缸，缸徑20mm，行程75 mm，氣缸理論出力值75.4 N。

2.4 夾苗機構

夾苗機構如圖6所示。2個苗夾1穿過擋板2上的小孔，苗夾尾部有約20 mm的間距。氣缸伸長時，2個苗夾頂端的間距須小于苗盤頂部的寬度，使用不同型號苗盤時可以通過調節(jié)浮動接頭以適應不同尺寸。取苗氣缸的活塞桿伸出時，苗夾擋板會受迫運動，2個苗夾尾部的間距增大。

圖6 夾苗機構Fig.6 Seedling clamping mechanism

夾苗機構示意圖如圖7所示。

為保證苗夾能可靠插入苗株基質，由氣缸與浮動接頭的幾何關系可得：

由于穴苗盤深度較小，取苗氣缸無需較大行程，經過前期實驗驗證，氣缸行程為10 mm時，插入苗基質深度為 35 mm，可實現(xiàn)有效取苗。本文中使用的苗盤底徑邊長為 18×18(mm)，為減少苗夾對基質的損傷，同時又要避免與苗盤內壁發(fā)生干涉，故取L1為20 mm。夾苗機構夾緊時，苗夾頂端的距離要合適，避免夾碎基質或夾緊力過小，綜合考慮取L2=10 mm。苗夾基座到擋板的距離C1測得為38 mm，可得苗夾基座長度j為50 mm，苗夾擋板長度d為40 mm，苗夾長度l為120 mm。夾苗機構間隔取苗，相臨兩夾苗機構的間距為 84 mm，且大于苗夾基座的長度。苗夾受力模型如圖8所示。

圖7 夾苗機構示意圖Fig.7 Schematic diagram of seedling clamping mechanism

圖8 夾苗機構力學模型Fig.8 Mechanical model of seedling clamping mechanism

由于兩側苗夾對稱分布，對其中一側進行受力分析。各力之間的關系如下：

為使苗夾順利插入苗基質，需保證苗夾在運動過程中與穴苗盤內壁平行，故取θ2=α=80°。試驗苗株重力mg為2.6 N，l1為39 mm，l2為100 mm，靜摩擦系數(shù)μ為0.5。計算出氣缸所需的理論出力值為6.7 N，根據(jù)氣缸尺寸和氣缸理論出力表，缸徑為10 mm的氣缸在0.4 MPa氣壓下出力20 N，滿足實際要求。故選擇CDJPB10-10D微型針式氣缸，缸徑10 mm，行程10 mm，氣缸理論出力值20 N。

3 取喂苗控制系統(tǒng)設計

3.1 驅動系統(tǒng)

系統(tǒng)選用三菱FN2N-32MT型PLC控制。輸入信號6個，包含控制程序啟動開關1個、定位開關1個、急停開關1個和常開光電傳感器3個。輸出信號13個由步進電機和氣缸執(zhí)行。取喂苗系統(tǒng)選用3個E3F-DS30C4三線NPN常開光電傳感器，其中2個常開光電傳感器安裝在苗盤輸送機構上用于保證苗夾與穴盤苗孔的精確定位，另一個光電傳感器用于檢測下方接苗筒是否到位。步進電機由PLC通過M860H步進電機驅動器實現(xiàn)控制。系統(tǒng)選用亞德客的氣缸和氣動元件，共有 4種型號的往復式氣缸，氣缸驅動系統(tǒng)如圖9所示，包括MAL25×100型旋轉機構氣缸、MAL20×75型往復機構氣缸、TN/TDA25×45-S型縱移機構氣缸和 CDJPB10-10D型夾苗機構氣缸。旋轉機構氣缸數(shù)量為2個，共用1個電磁換向閥；往復機構氣缸數(shù)量為2個，共用1個電磁換向閥；2個縱移機構氣缸共用1個電磁換向閥。夾苗機構氣缸為微型氣缸，每側3個對稱排列，總共為6個，共用1個電磁換向閥。氣缸A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1～D6使用三位五通電磁換向閥。夾苗機構氣缸的氣動控制閥配有獨立減壓閥和壓力表，可以在移栽不同作物時實現(xiàn)夾苗壓力的調節(jié)。

圖9 氣動驅動系統(tǒng)圖Fig.9 Diagram of pneumatic control system

3.2 控制策略

為保證取喂苗系統(tǒng)的運動平順性，減小因加速度曲線不連續(xù)而引起的系統(tǒng)振動和沖擊[27-29]，對機構中氣缸活塞桿的位移、速度和加速度的起始點和停止點進行約束，共6個邊界條件，因而采用6個系數(shù)的五次多項式插值法來使時間位移曲線平滑連續(xù)，旋轉機構位移方程表達式為

將旋轉機構位移方程對時間t求導，加入約束條件后可得

式中θ0為氣缸活塞桿起始時的伸長量，mm；θf為活塞桿停止時的位移，mm；θ0′為活塞桿起始時的速度，mm/s；θf′為活塞桿停止時的速度，mm/s；θ0″為活塞桿起始時的加速度，mm/s2；θf″為活塞桿停止時的加速度，mm/s2；c0,c1,c2,c3,c4,c5分別為五階函數(shù)的系數(shù)；tf為活塞桿停止運動時的時間，s。

該方程組的通解為

將旋轉機構氣缸的位移、速度和加速度值作為方程組的初始條件。根據(jù)實際工況，開始移栽時，即t=0時，氣缸活塞桿伸長量和速度均為0，為避免沖擊振動，加速度為0；t=1 s時，活塞桿伸長量為0.1 m，此時速度和加速度均為0；t=1～2 s時，氣缸保持靜止，t=2 s時，氣缸收縮，初始加速度為0；t=3 s時，氣缸收縮停止，為保證收縮完成沒有較大碰撞，速度和加速度為 0；t=3～4 s時，氣缸保持靜止，伸長量為 0。代入式(7)可得：

同理可得往復機構氣缸的控制策略為

4 田間試驗

4.1 試驗條件

田間性能試驗于2020年6—7月間在山東青州火絨機械制造有限公司進行。試驗對象為辣椒苗和番茄苗，苗盤規(guī)格為6×12，苗齡50 d，平均苗高分別為156和174 mm，苗平均苗寬為102和113 mm，缽體口徑邊長為37×37 (mm)，高度為 45 mm。苗基質主要由泥炭、珍珠巖和蛭石按照體積比3∶1∶1混合，含水率分別為35%、55%、75%，出苗率100%，基質緊實，達到試驗用苗要求，樣機和田間試驗如圖10所示。

圖10 樣機和田間試驗Fig.10 Prototype and field experiment

4.2 試驗方法

移栽機與拖拉機掛接方式為三點懸掛，根據(jù)旱地栽植機械行業(yè)標準（JB/T10291—2013）中相關技術要求進行試驗方案設計[30]，自動移栽機的移栽效率≥90株/min屬于高速移栽。為驗證本文設計的移栽機作業(yè)性能，在雙行移栽、取苗效率90株/min條件下進行試驗，研究不同試驗參數(shù)對取喂苗系統(tǒng)取苗成功率和苗株完整率的影響。不同種類苗的根系與生長狀況不同，夾苗機構的取苗效果存在差異。不同基質含水率會導致夾苗機構與苗株之間的作用力不同從而影響取苗效果。在取苗深度及工作氣壓較小時，夾苗機構不易取出苗株或在送苗過程中易掉落，反之則容易傷苗。所以選擇苗株種類z、基質含水率w、取苗深度h與工作氣壓p作為試驗參數(shù)。根據(jù)前期預試驗確定每種試驗參數(shù)的水平，如表1所示。

采用L9(12×33)正交試驗，每組試驗24次，每次取3株（即取完一整盤苗，共72株）。每完成1組試驗，測量取苗成功率S1和苗株完整率S2，共9組216次試驗。S1，S2計算方法如下：

式中N為穴苗盤中苗株總數(shù)；S1為取苗成功率，%；N1為苗夾將苗株從穴苗盤中夾出并成功送入接苗筒的苗株數(shù)；S2為苗株完整率，%；N2為喂苗成功苗株中莖葉和基質破損較小的苗株數(shù)[31]。

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 試驗結果

試驗方案及結果如表2所示。對試驗結果進行方差分析，如表3所示。根據(jù)方差分析結果計算出試驗因素對取苗成功率和苗株完整率的貢獻率，如圖11所示?；|含水率對取苗成功率及苗株完整率影響最大，貢獻率分別為 58.92%和 50.58%，其次是取苗深度，分別為28.97%和29.43%，苗株種類影響最小，分別為5.59%和6.31%。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels

表2 試驗方案與結果Table 2 Test plan and results

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

圖11 試驗因素對取苗成功率與苗株完整率的貢獻率Fig.11 Contribution rate of experimental factors to the success rate and integrity rate of seedlings

4.3.2 苗株種類對取喂苗效果的影響

根據(jù)表2計算2種苗株的取苗成功率和苗株完整率可知，番茄苗的取苗成功率與苗株完整率均高于辣椒苗，番茄苗的平均取苗成功率為93.05%，辣椒苗為91.67%。這是由于番茄苗的根系較辣椒苗更發(fā)達，能承受更大的突變力與加速度，基質不易潰散。在不同取喂苗工況下，2種苗株的取苗成功率均大于90%，苗株種類對取苗成功率和苗株完整率的貢獻率分別為5.59%和6.31%，說明單擺式取喂苗系統(tǒng)對不同苗株具有很好的適應性。

4.3.3 含水率對取喂苗效果的影響

根據(jù)表2計算3種基質含水率下的取苗成功率和苗株完整率可知，當苗株的基質含水率為 35%時，平均取苗成功率與苗株完整率最高，分別為96.29%和94.45%。適量的水分可增強基質的黏合能力，但含水率繼續(xù)增加，會降低取苗效果。當基質含水率為 75%時，苗株根系與基質破壞較嚴重，平均取苗成功率和苗株完整性較低，分別為89.35%和88.89%。

4.3.4 取苗深度對取喂苗效果的影響

根據(jù)表2計算3種取苗深度下的平均取苗成功率和苗株完整率可知，當取苗深度為35 mm時，平均取苗成功率為89.81%，平均苗株完整率為88.89%，此時苗夾與基質的接觸較小，基質易被夾碎。當取苗深度為 40 mm時，平均取苗成功率與苗株完整率最高，分別為94.91%與93.52%。當取苗深度為45 mm時，由于苗夾易受苗盤影響，且苗株與苗夾間的摩擦力較大，不易落苗，降低了取苗成功率，平均苗株完整率為89.82%。

5 結 論

1）本文設計了一種全自動單擺式取喂苗系統(tǒng)。確定了苗盤輸送機構與苗穴的運動軌跡，苗盤撥動機構的結構參數(shù)，旋轉機構氣缸負載隨旋轉角度的變化規(guī)律，優(yōu)化了氣動夾苗機構結構參數(shù)，設計了其控制系統(tǒng)及控制策略，實現(xiàn)了對苗株的快速平順移栽。

2）針對全自動取喂苗系統(tǒng)進行了田間試驗。以苗株種類z、基質含水率w、取苗深度h和工作氣壓p為試驗參數(shù)進行正交試驗，得到在不同因素水平下取苗成功率與苗株完整率均保持在 90%左右，滿足設計要求。當苗株種類為辣椒，基質含水率為35%，取苗深度為40 mm，工作氣壓為0.6 MPa時，取苗成功率與苗株完整率最高，分別為98.61%與97.22%。