那明君 滕 樂(lè) 周振響 周 坤 王金武 周脈樂(lè)

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

缽苗移栽是有效提高土地利用率、提升復(fù)種指數(shù)、增加產(chǎn)量的現(xiàn)代栽培技術(shù)[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究[4]，JEONG-HYEON等[5]研究的凸輪式移栽機(jī)構(gòu)，取苗作用力小，不易傷苗，但秧苗栽植軌跡不理想，秧苗栽植直立度低。YOUNG-BONG等[6]提出了一種四連桿凸輪式移栽機(jī)構(gòu)，栽植軌跡理想，但取苗振動(dòng)大，取苗成功率低。王蒙蒙等[7]提出了曲柄連桿式取苗機(jī)構(gòu)的全自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)構(gòu)夾取力小不易傷苗，但栽植段軌跡不理想，秧苗栽植直立度差；童俊華等[8]設(shè)計(jì)了三臂回轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)，移栽效率高，但取苗角度偏大，取苗成功率低；趙勻等[9]提出了非圓齒輪行星系式取苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)移栽效率高，不易傷苗，但在運(yùn)動(dòng)軌跡曲率半徑較小時(shí)齒輪易發(fā)生根切。

上述研究在同一機(jī)構(gòu)中難以保證取苗或栽植運(yùn)動(dòng)軌跡同時(shí)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)滑道式移栽機(jī)構(gòu)，通過(guò)滑道控制栽植臂，實(shí)現(xiàn)由一套機(jī)構(gòu)來(lái)完成取苗、送苗、栽植和復(fù)位4個(gè)功能動(dòng)作，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行理論推導(dǎo)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到滿足移栽農(nóng)藝要求的取苗和栽植的理想運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度。

1 設(shè)計(jì)要求與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

全自動(dòng)移栽機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)從秧盤中自動(dòng)取苗, 將秧苗放入打好的穴坑后進(jìn)行覆土完成移栽作業(yè)。其中成穴機(jī)構(gòu)由固定在桿機(jī)構(gòu)上的成穴鏟在回轉(zhuǎn)曲柄驅(qū)動(dòng)下垂直壟面做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與移栽機(jī)合成運(yùn)動(dòng)擠壓土壤形成穴坑[10-11]。通過(guò)對(duì)人工取苗、送苗、栽植的作業(yè)過(guò)程和現(xiàn)有的取苗和栽植機(jī)構(gòu)及其試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下要求：

(1)為了提高從苗盤中夾取秧苗的質(zhì)量，要求取苗軌跡應(yīng)垂直缽盤，以減小栽植器對(duì)秧苗造成損傷；軌跡長(zhǎng)度應(yīng)大于缽穴深度，確保營(yíng)養(yǎng)缽?fù)耆珡睦徰ㄖ腥〕鯷12]；取苗速度應(yīng)由慢逐漸加快，以減小取苗裝置對(duì)秧苗產(chǎn)生沖擊。

(2)為確保栽植的直立度，栽植機(jī)構(gòu)在栽植區(qū)域運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)保持與地面垂直[13]，在秧苗缽體培土結(jié)束時(shí)，栽植器對(duì)秧苗上提一段距離后松開(kāi)并迅速離開(kāi)秧苗，避免其刮帶。為實(shí)現(xiàn)“零速移栽”，栽植器入土、觸底、提升、松開(kāi)這一栽植過(guò)程中水平方向的絕對(duì)位移應(yīng)趨于零。

1.2 工作原理

設(shè)計(jì)的全自動(dòng)滑道式移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由滑道部件、驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)法蘭、曲柄、曲柄臂、導(dǎo)輪、栽植臂部件等組成。該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，動(dòng)力由鏈傳動(dòng)到驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)法蘭與驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)鍵連接，驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，栽植臂與曲柄臂通過(guò)曲柄臂軸同曲柄鉸連，導(dǎo)輪在滑道內(nèi)滾動(dòng)通過(guò)曲柄臂來(lái)控制栽植臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而形成預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡。夾指開(kāi)啟導(dǎo)板與機(jī)架固定，當(dāng)夾指開(kāi)啟臂與夾指開(kāi)啟導(dǎo)板接觸時(shí)，將會(huì)觸動(dòng)夾指開(kāi)啟臂通過(guò)夾指桿來(lái)控制夾板的張開(kāi)實(shí)現(xiàn)放苗動(dòng)作，當(dāng)兩者脫離接觸時(shí)，夾板在復(fù)位彈簧的作用下閉合實(shí)現(xiàn)取苗動(dòng)作，從而完成取苗、送苗、栽植和復(fù)位的移栽全過(guò)程。

2 移栽機(jī)構(gòu)模型建立

2.1 移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡建立

對(duì)栽植臂運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡用CAD軟件進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，即給定軌跡曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)，再應(yīng)用Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合得出運(yùn)動(dòng)軌跡，在建立的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，由栽植臂的運(yùn)動(dòng)軌跡反推出滑道導(dǎo)軌的軌跡曲線，然后根據(jù)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型開(kāi)發(fā)出計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化軟件，根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，對(duì)初始設(shè)計(jì)的栽植臂軌跡做調(diào)整，直到滿足軌跡要求。圖2為CAD軟件繪制的機(jī)構(gòu)軌跡曲線。對(duì)CAD軟件繪制的栽植軌跡曲線采用微分的方法取出致密的點(diǎn)，然后將這些致密的點(diǎn)分段依次輸入Matlab軟件中，通過(guò)編程將這些點(diǎn)進(jìn)行擬合得出數(shù)學(xué)函數(shù)，修改調(diào)整不合適的數(shù)學(xué)函數(shù)，直到擬合出的軌跡曲線與CAD軟件繪制的軌跡曲線基本一致為止，這樣栽植臂運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡建立完成。圖3為Matlab軟件擬合出的軌跡曲線。

2.2 移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

如圖4所示，建立以曲柄旋轉(zhuǎn)中心O為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系，考慮到該機(jī)構(gòu)3個(gè)曲柄的Y型布置形式，為了表達(dá)直觀清晰，只選取一套曲柄栽植臂機(jī)構(gòu)作為分析對(duì)象，建立移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[14-17]。

2.2.1機(jī)構(gòu)位移方程

在缽苗移栽機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，曲柄逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，由圖4可建立機(jī)構(gòu)的位移矢量方程為

lOA+lACi=lOCi

(1)

將矢量方程轉(zhuǎn)換為解析方程，點(diǎn)Ci的位移方程為

(2)

式中L1——曲柄OA長(zhǎng)度，mm

L2——栽植臂ACi長(zhǎng)度，mm

α1——曲柄OA轉(zhuǎn)角，(°)

α2——栽植臂ACi轉(zhuǎn)角，(°)

在△OACi中，根據(jù)余弦定理有

(3)

式中αci——曲柄與栽植臂連線OCi的轉(zhuǎn)角，(°)

對(duì)點(diǎn)Ci進(jìn)行分析可得

(4)

因?yàn)棣?-αci是△OACi的內(nèi)角，所以0<α1-αci<π。而點(diǎn)Ci軌跡的α1、L2數(shù)學(xué)表達(dá)式已經(jīng)由Matlab軟件擬合得出，故可以求出α2。

鉸接點(diǎn)A的位移方程為

(5)

又因?yàn)?/p>

(6)

α3=α2-α21

(7)

式中α3——曲柄臂AB轉(zhuǎn)角，(°)

α21——曲柄臂與栽植臂之間夾角，(°)

由式(5)、(6)可以求解出α2，因?yàn)榍跘B與栽植臂ACi固連，所以其夾角α21為已知常量，可求出α3。

曲柄OA的質(zhì)心點(diǎn)M坐標(biāo)為

(8)

式中LOM——點(diǎn)O到曲柄OA質(zhì)心的距離，mm

曲柄臂與栽植臂BACi整體的質(zhì)心點(diǎn)N坐標(biāo)為

(9)

式中LAN——點(diǎn)A到機(jī)構(gòu)BACi質(zhì)心的距離，mm

α2A——曲柄臂AB與AN連線之間夾角，(°)

點(diǎn)B的位移方程為

(10)

式中L3——曲柄臂AB的長(zhǎng)度，mm

點(diǎn)B軌跡即為滑道的軌跡。

2.2.2機(jī)構(gòu)速度方程

對(duì)點(diǎn)A的位移方程進(jìn)行一階求導(dǎo)，便可求出點(diǎn)A的速度方程為

(11)

對(duì)點(diǎn)M的位移方程進(jìn)行一階求導(dǎo)，便可求出曲柄OA質(zhì)心M的速度方程為

(12)

點(diǎn)Ci-1到點(diǎn)Ci所用的時(shí)間為

(13)

點(diǎn)Ci-1到點(diǎn)Ci的平均角速度為

(14)

點(diǎn)Ci到點(diǎn)Ci+1所用的時(shí)間為

(15)

點(diǎn)Ci到點(diǎn)Ci+1的平均角速度為

(16)

則點(diǎn)Ci時(shí)栽植臂近似角速度為

(17)

對(duì)點(diǎn)N的位移方程進(jìn)行一階求導(dǎo)，便可求出BACi質(zhì)心N的速度方程為

(18)

對(duì)點(diǎn)B的位移方程一階求導(dǎo)，得點(diǎn)B速度方程為

(19)

導(dǎo)輪在滑道內(nèi)運(yùn)動(dòng)的切線方向角為

(20)

3 移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)所建立的移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于Visual Basic 6.0可視化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出“全自動(dòng)滑道式缽苗移栽機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件”。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)及變量

根據(jù)旱地缽苗移栽的農(nóng)藝要求，結(jié)合機(jī)構(gòu)特性，選取曲柄長(zhǎng)度L1、栽植臂長(zhǎng)度L2、曲柄臂長(zhǎng)度L3和曲柄臂與栽植臂之間的夾角α21作為優(yōu)化變量，并提出如下優(yōu)化目標(biāo)：

(1)取苗段軌跡的方向盡可能垂直缽盤且長(zhǎng)度大于缽盤深度40 mm，取苗速度應(yīng)緩慢增加。

(2)栽植段軌跡應(yīng)保證栽植臂垂直于地面，即栽植臂夾板在栽植階段的水平分速度為零。栽植段提升過(guò)程中需完成避讓動(dòng)作。

(3)為避免滑道體與壟面干涉，要保證滑道體最低點(diǎn)與壟面之間的距離h≥100 mm。

3.2 優(yōu)化過(guò)程及結(jié)果

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求在軟件中輸入農(nóng)藝參數(shù)：栽植株距選為300 mm、作業(yè)頻率90株/min(曲柄轉(zhuǎn)速30 r/min)和機(jī)構(gòu)初始參數(shù)，界面顯示對(duì)應(yīng)的移栽機(jī)構(gòu)工作軌跡和姿態(tài)。操作者對(duì)軌跡和姿態(tài)做出判斷，通過(guò)人機(jī)交互的方式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的初始參數(shù)，直至優(yōu)化出滿足要求的理想軌跡[18-21]。同時(shí)對(duì)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出一組較優(yōu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)：曲柄長(zhǎng)度L1=272 mm，栽植臂長(zhǎng)度L2=285 mm，曲柄臂長(zhǎng)度L3=60 mm，曲柄臂與栽植臂之間的夾角α21=60°。

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.3.1栽植臂端點(diǎn)軌跡及姿態(tài)分析

圖5為計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化出的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。圖中顯示取苗段軌跡近似直線，滿足取苗段軌跡方向垂直于缽盤的要求；取苗軌跡長(zhǎng)度約75 mm，大于設(shè)定目標(biāo)值40 mm；滑道體最低點(diǎn)距壟面為156 mm，滿足設(shè)定目標(biāo)值h≥100 mm。在栽植區(qū)，栽植夾板垂直入土、上提，松開(kāi)秧苗后迅速離開(kāi)栽植區(qū)，避免對(duì)秧苗產(chǎn)生刮帶現(xiàn)象，表明在栽植區(qū)的運(yùn)動(dòng)軌跡滿足優(yōu)化目標(biāo)要求。在該組優(yōu)化參數(shù)下，移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)干涉，保證了移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3.3.2栽植臂端點(diǎn)速度分析

圖6為計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化出的機(jī)構(gòu)栽植臂端點(diǎn)相對(duì)于機(jī)架的速度曲線。經(jīng)分析可得，栽植臂端點(diǎn)在栽植過(guò)程(圖中曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角在240°～300°范圍內(nèi))，x方向速度與機(jī)具前進(jìn)速度保持大小一致、方向相反，使得其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)在x軸方向分速度趨于零。而后x方向速度稍有下降，絕對(duì)速度提高，完成了避讓動(dòng)作(如圖6a所示)；在栽植過(guò)程中，y方向速度由快至慢，直至速度降為0觸底，而后由慢到快(如圖6b所示)，栽植器端點(diǎn)速度變化保證了缽苗栽植的直立度，符合機(jī)構(gòu)方案中對(duì)栽植段速度的要求。栽植臂端點(diǎn)取苗過(guò)程(圖中曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角在10°～30°范圍內(nèi))中，取苗速度緩慢提升，如圖6c所示，滿足取苗端的設(shè)計(jì)要求，保證了取苗質(zhì)量。

4 仿真分析

4.1 移栽機(jī)構(gòu)數(shù)字化模型建立與裝配

根據(jù)優(yōu)化出的機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用SolidWorks軟件完成全自動(dòng)滑道式缽苗移栽機(jī)構(gòu)的各零部件數(shù)字化三維模型的建立，并將各零部件的三維模型進(jìn)行裝配，完成虛擬樣機(jī)的建立。在移栽機(jī)構(gòu)數(shù)字化模型裝配的過(guò)程中，根據(jù)各零部件的實(shí)際安裝位置以及它們之間的配合關(guān)系可以檢驗(yàn)出零部件設(shè)計(jì)是否合理，以便及時(shí)修改，避免加工出的物理樣機(jī)出現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題。移栽機(jī)構(gòu)的整體裝配如圖7所示。

4.2 仿真結(jié)果

將裝配好的移栽機(jī)構(gòu)數(shù)字化樣機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS軟件中。為提高ADAMS的仿真效率，減少數(shù)據(jù)運(yùn)算的工作量，在不影響仿真結(jié)果的前提下，對(duì)數(shù)字化樣機(jī)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化：只保留一套曲柄栽植臂機(jī)構(gòu)來(lái)探究其運(yùn)動(dòng)的軌跡姿態(tài)以及速度特性；為了便于觀察，將機(jī)架部分簡(jiǎn)化。更改設(shè)置零部件屬性，添加約束和驅(qū)動(dòng)，完成移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到運(yùn)動(dòng)軌跡曲線[22-23]，如圖8所示。

將該軌跡曲線與計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化出的軌跡曲線進(jìn)行對(duì)比，可以看出兩者的運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，只是在換向機(jī)構(gòu)處的軌跡曲線有些偏差，但在取苗和栽植等關(guān)鍵部位的軌跡曲線滿足設(shè)計(jì)的要求，驗(yàn)證了移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的準(zhǔn)確性，同時(shí)也得出了部分零部件(換向機(jī)構(gòu))結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所存在的缺陷，為移栽機(jī)構(gòu)零部件的改進(jìn)及物理樣機(jī)加工制造和試驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。

進(jìn)入ADAMS后處理模塊，對(duì)移栽機(jī)構(gòu)的栽植臂夾板尖點(diǎn)的速度特性進(jìn)行分析，如圖9所示?？梢钥闯龇抡嫠俣惹€存在一定的波動(dòng)，特別是換向機(jī)構(gòu)處有著較大的沖擊波，產(chǎn)生此現(xiàn)象是因?yàn)樵贏DAMS仿真時(shí)添加了碰撞約束和彈簧約束；同時(shí)，換向時(shí)的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致速度曲線的波動(dòng)。

5 試驗(yàn)

試驗(yàn)平臺(tái)主要由滑道式缽苗移栽機(jī)構(gòu)、送苗機(jī)構(gòu)和動(dòng)力部分組成，如圖10所示。送秧機(jī)構(gòu)主要由支撐架、缽盤移動(dòng)架、角度調(diào)節(jié)桿和壓盤桿組成。壓盤桿可以壓住缽盤，控制缽盤的穩(wěn)定性；通過(guò)角度調(diào)節(jié)桿可以調(diào)節(jié)缽盤與機(jī)架之間的夾角，從而改變?nèi)∶缃嵌?；缽盤移動(dòng)架高度可調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)送苗機(jī)構(gòu)與移栽機(jī)構(gòu)的匹配；動(dòng)力部分是由三相異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)經(jīng)減速器傳遞到移栽機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸上，從而帶動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)。

試驗(yàn)時(shí)用到的儀器設(shè)備還有變頻調(diào)速控制柜、數(shù)顯角度尺、鋼板尺、坐標(biāo)紙、相機(jī)等。

5.1 高速攝像試驗(yàn)

將裝配好的物理樣機(jī)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，利用高速攝像試驗(yàn)驗(yàn)證其性能及軌跡和姿態(tài)。

通過(guò)高速攝像機(jī)及分析軟件獲得了全自動(dòng)滑道式缽苗移栽機(jī)構(gòu)在取苗、投苗和避讓等實(shí)際工作關(guān)鍵位置與時(shí)刻的軌跡與姿態(tài)圖像。通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理,得到物理樣機(jī)夾片運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖11所示。將物理樣機(jī)所得實(shí)際軌跡與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件所得理論軌跡及虛擬仿真軌跡對(duì)比可知,結(jié)果基本保持一致，驗(yàn)證了移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性與合理性。理論軌跡與實(shí)際軌跡之間略有差別，分析原因主要有: 物理樣機(jī)加工的過(guò)程中存在誤差; 在實(shí)際作業(yè)的過(guò)程中栽植器換向時(shí)存在沖擊振動(dòng)。經(jīng)過(guò)分析可知軌跡存在的誤差在允許范圍內(nèi)，不會(huì)影響移栽機(jī)構(gòu)的實(shí)際作業(yè)效果。

5.2 物理樣機(jī)移栽試驗(yàn)

5.2.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用的玉米品種為沃普嫩單18號(hào)，缽盤選用旱地育苗用秧盤，其規(guī)格為72孔，單個(gè)穴孔為口徑38 mm、底部22 mm、穴深40 mm的截錐體，土壤種類為東北黑土。在苗齡30 d左右，平均苗高為14 cm，呈三葉一心狀態(tài)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)作物莖稈直徑為3～5 mm。試驗(yàn)時(shí)間為2020年9月16—30日，試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)具實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)用玉米缽苗如圖12所示。

5.2.2試驗(yàn)指標(biāo)

選取取苗成功率、缽苗直立度和缽苗直立度合格率為試驗(yàn)指標(biāo)[24-25]，評(píng)價(jià)指標(biāo)定義為：

(1)取苗成功率：每組試驗(yàn)中，移栽機(jī)構(gòu)從缽盤中成功取出缽苗的數(shù)量占該組總缽苗數(shù)量的百分比。

(2)秧苗直立度：缽苗在被栽植臂夾板釋放瞬間的直立狀態(tài)，以缽苗莖稈與水平面之間的夾角θ來(lái)評(píng)價(jià)，θ(0°≤θ≤90°)越接近90°秧苗直立度越好。

(3)秧苗直立度合格率：根據(jù)移栽農(nóng)藝規(guī)范，栽植后秧苗與地面的水平夾角大于45°視為栽植合格。每組栽植合格的秧苗數(shù)與該組總缽苗數(shù)量的百分比為該組的栽植合格率。

5.2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)前對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行極限作業(yè)測(cè)試，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到22 r/min時(shí)，機(jī)構(gòu)出現(xiàn)振動(dòng)并隨轉(zhuǎn)速增加振動(dòng)加劇，移栽質(zhì)量明顯下降。為了進(jìn)一步驗(yàn)證缽苗移栽機(jī)構(gòu)的實(shí)用性，設(shè)定本試驗(yàn)在機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下最大栽植頻率(62株/min)下進(jìn)行，共對(duì)5組缽苗共500株缽苗進(jìn)行取苗和栽植試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程如圖13所示。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental result

試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，試驗(yàn)結(jié)果符合農(nóng)藝要求，驗(yàn)證了移栽機(jī)構(gòu)性能的合理性與實(shí)用性。經(jīng)過(guò)分析，移栽過(guò)程中取苗失敗的原因如下：受穴盤內(nèi)秧苗種植和生長(zhǎng)特性的影響，部分秧苗生長(zhǎng)位置偏離盤穴橫截面中心，夾取時(shí)與秧苗的橫向夾取角度增大，產(chǎn)生傷苗情況，降低了取苗成功率。影響栽植直立度的原因如下：移栽機(jī)運(yùn)行中，受滑道加工精度影響，使機(jī)構(gòu)在換向位置產(chǎn)生振動(dòng)，部分缽苗在輸運(yùn)過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)土散落，影響了秧苗栽植的直立度。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)滑道式缽苗移栽機(jī)構(gòu)，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析，并建立了該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

(2)開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，應(yīng)用該軟件優(yōu)化出滿足移栽農(nóng)藝要求的理想軌跡，該軌跡下相對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)參數(shù)為：曲柄長(zhǎng)度L1=272 mm，栽植臂長(zhǎng)度L2=285 mm，曲柄臂長(zhǎng)度L3=60 mm，曲柄臂與栽植臂之間的夾角α21=60°。應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，將得到的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線與計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化出的軌跡進(jìn)行分析對(duì)比，驗(yàn)證了移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

(3)采用高速攝像試驗(yàn)可得理論軌跡、虛擬仿真軌跡和臺(tái)架實(shí)際軌跡基本一致，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，移栽機(jī)構(gòu)取得了較好的作業(yè)效果，取苗平均成功率為95%、秧苗平均直立度為82°、缽苗平均直立度合格率為93.4%。