計(jì) 東 胡 熙 哲旋瑞 白曉虎 宮元娟 田素博,2

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110866； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 沈陽(yáng) 110866)

0 引言

盆栽花卉和蔬菜多采用育苗移栽技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，機(jī)械化栽植具有可降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)[1-4]。國(guó)外移栽機(jī)械已逐漸向智能化方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)移栽機(jī)械以半自動(dòng)移栽機(jī)為主。我國(guó)對(duì)花卉的需求量逐年增加，已經(jīng)成為世界最大的花卉生產(chǎn)基地[5-9]。利用移栽機(jī)械手將穴盤(pán)中幼苗取出并移栽到缽盆中是整個(gè)移栽機(jī)作業(yè)的關(guān)鍵步驟[10-12]，因此，亟待研制出高效且性能可靠的自動(dòng)移栽裝置。

KUTZ等[13]基于Puma560設(shè)計(jì)了苗圃移栽機(jī)器人，可以將96穴的穴盤(pán)苗移栽入36穴的生長(zhǎng)盤(pán)中； TING等[14]研制的移栽機(jī)器人可以通過(guò)視覺(jué)傳感器檢測(cè)穴苗的位置，力覺(jué)傳感器感應(yīng)取苗力度，極大地降低了穴盤(pán)苗損傷率；荷蘭Visser PIC-O-Mat型自動(dòng)移栽機(jī)，可根據(jù)需求提供不同數(shù)量的移栽機(jī)械手，且單個(gè)機(jī)械手移栽效率可達(dá)1 700株/h[15]。國(guó)外基于機(jī)器人技術(shù)為主體研制了多款全自動(dòng)移栽機(jī)，但這些機(jī)型均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本過(guò)高，且與我國(guó)的育苗技術(shù)不配套等問(wèn)題。

范云翔等[16]設(shè)計(jì)了一種利用負(fù)壓空氣整理水稻根系并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化投苗的移栽機(jī)，傷苗率低，精度較高，但只適用于水稻秧苗，不適合移栽花卉；郁玉峰等[17]開(kāi)發(fā)了一種移栽機(jī)器人，其末端執(zhí)行器在3組驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的聯(lián)合控制下可在工作空間內(nèi)任一位置停留，但占用空間大，移栽效率過(guò)低；張麗華等[18]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)移栽機(jī)，利用并排放置的2條傳送帶分別運(yùn)送穴盤(pán)苗和花盆，可實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格穴盤(pán)的花卉幼苗移栽；馮青春等[19]設(shè)計(jì)了一款智能移栽機(jī)，可快速檢測(cè)幼苗生長(zhǎng)狀態(tài)，能將不合格的幼苗剔除，提高了移栽成功率；韓綠化等[20]設(shè)計(jì)的鉗夾式移栽機(jī)，移栽機(jī)械手采用兩指四針式結(jié)構(gòu)，可穩(wěn)定夾持苗坨；李福[21]運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思路研制了一款移栽設(shè)備，抓取效果好，不易傷苗。

我國(guó)花卉移栽機(jī)還處于研究初期，目前研制的移栽裝置在移栽精度、移栽效率方面均有待提高[22-24]。本文設(shè)計(jì)一種雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽裝置，以期為高速移栽機(jī)的研制奠定基礎(chǔ)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽裝置，主要包括機(jī)架、導(dǎo)軌滑塊、移栽臂氣缸、步進(jìn)電機(jī)、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶導(dǎo)軌的移栽臂、移栽機(jī)械手、移栽臂上升到位傳感器、移栽機(jī)械手取苗位置傳感器和移栽機(jī)械手栽苗位置傳感器等部分，如圖1所示。該裝置是盆栽花卉高速自動(dòng)移栽機(jī)的一部分。栽植效率可達(dá)6 000株/h。

圖1 雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of double row transplanting manipulator linkage high speed transplanting device1.前排移栽機(jī)械手 2.取苗一側(cè)限位開(kāi)關(guān) 3.步進(jìn)電機(jī) 4.豎直導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 5.機(jī)架 6.多管路氣排導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 7.多管路氣排 8.移栽臂氣缸 9.后排移栽機(jī)械手 10.移栽臂上升到位傳感器 11.同步帶輪箱 12.栽苗一側(cè)限位開(kāi)關(guān) 13.水平導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 14.同步帶 15.移栽機(jī)械手限位擋塊

1.2 工作原理

控制系統(tǒng)采用PLC控制，通過(guò)安裝在各位置的傳感器接收信號(hào)控制氣缸伸縮和電機(jī)啟動(dòng)、停止及正反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)移栽臂精確定位和移栽機(jī)械手精準(zhǔn)取栽苗作業(yè)。工作過(guò)程分為以下步驟:①穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)與缽盆輸送機(jī)構(gòu)分別將穴盤(pán)與缽盆運(yùn)送至高速移栽裝置的正下方。此時(shí)，移栽臂氣缸收縮。②步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步齒形帶帶動(dòng)第一個(gè)與同步帶固連的移栽機(jī)械手，依次推動(dòng)其余9個(gè)移栽機(jī)械手到達(dá)第10排穴盤(pán)苗的正上方。③移栽臂氣缸帶動(dòng)移栽臂向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)移栽機(jī)械手底端離穴盤(pán)苗坨表面3 mm時(shí)，移栽手爪針伸出，夾緊苗坨。④移栽臂氣缸帶動(dòng)移栽臂向上運(yùn)動(dòng)，同步帶帶動(dòng)前排移栽爪展開(kāi)，此時(shí)前排移栽機(jī)械手移動(dòng)到缽盆正上方，與此同時(shí)后排移栽機(jī)械手也在同步帶的帶動(dòng)下，到達(dá)第11排穴盤(pán)苗正上方。⑤移栽臂氣缸帶動(dòng)移栽臂向下運(yùn)動(dòng)，前排移栽機(jī)械手將穴盤(pán)內(nèi)第1排花苗移栽到缽盆內(nèi)，后排的移栽機(jī)械手抓取第11排的穴盤(pán)苗坨，在后排移栽機(jī)械手完成取苗動(dòng)作后，穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)將穴盤(pán)向前輸送1個(gè)穴的距離，進(jìn)行下一排花苗的取栽作業(yè)。依此類(lèi)推連續(xù)工作，直至完成整盤(pán)花卉幼苗的移栽作業(yè)。

本裝置能實(shí)現(xiàn)高速移栽的關(guān)鍵在于：前后雙排移栽機(jī)械手在一條同步帶和氣缸的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)交替取、栽苗，與單排移栽機(jī)械手的移栽裝置相比，去除了移栽機(jī)械手栽完后從缽盆上方移動(dòng)到穴盤(pán)上方取苗這一空行程所造成的時(shí)間浪費(fèi)，移栽效率提高1倍。穴盤(pán)苗移栽位置工作邏輯如圖2所示。

圖2 移栽位置工作邏輯圖Fig.2 Logical diagram of transplanting location allocation

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽機(jī)械臂設(shè)計(jì)

雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽機(jī)械臂采用龍門(mén)結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)、同步帶輪箱、同步帶、移栽機(jī)械手固定鋁型材、安裝板、導(dǎo)軌、固定塊和移栽機(jī)械手限位擋塊組成，如圖3所示。移栽臂上可安裝20個(gè)移栽機(jī)械手，通過(guò)安裝板安裝在移栽機(jī)械手所在鋁型材上，安裝板通過(guò)固定塊固定在齒形帶上，并安裝有傳感器感應(yīng)元件，齒形帶可以帶動(dòng)移栽機(jī)械手實(shí)現(xiàn)分合。兩排移栽機(jī)械手分別在兩個(gè)相互平行的面內(nèi)呈“門(mén)”字型往復(fù)移動(dòng)。

圖3 移栽臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of transplanted arm structure1.移栽機(jī)械手限位擋塊 2.步進(jìn)電機(jī) 3.同步帶輪箱 4.導(dǎo)軌 5.安裝板 6.移栽機(jī)械手固定鋁型材 7.同步帶

其中移栽機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)通過(guò)移栽臂上的滑軌和與移栽機(jī)械手固連的滑塊來(lái)導(dǎo)向，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶進(jìn)而帶動(dòng)最靠近缽盆輸送系統(tǒng)一側(cè)的移栽機(jī)械手(主動(dòng)移栽機(jī)械手)提供動(dòng)力。通過(guò)柔性緩沖帶與微型鏈條將10個(gè)移栽機(jī)械手串聯(lián)，向栽苗一側(cè)移動(dòng)時(shí)，主動(dòng)移栽機(jī)械手依次將從動(dòng)移栽機(jī)械手拉動(dòng)至缽盆上方，當(dāng)傳感器感應(yīng)元件觸碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止，完成分散過(guò)程。向取苗一側(cè)移動(dòng)時(shí)，主動(dòng)移栽機(jī)械手依次推動(dòng)從動(dòng)移栽機(jī)械手運(yùn)動(dòng)至穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)上方，當(dāng)傳感器感應(yīng)元件觸碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止，完成合攏過(guò)程。

2.2 移栽機(jī)械手設(shè)計(jì)

2.2.1取苗夾持受力分析

移栽機(jī)械手爪針在抓取苗坨時(shí)既需一定的剛性來(lái)抓緊，又需一定的彈性保證苗坨不被破壞。移栽機(jī)械手執(zhí)行取苗動(dòng)作時(shí)，兩根苗針以一定角度插入苗坨，當(dāng)苗針插入到一定深度后，以角度α夾持苗坨，在移栽臂帶動(dòng)下將苗坨從苗盤(pán)中取出，如圖4a所示。移栽機(jī)械手取苗時(shí)苗坨受力分析如圖4b所示。其中d為爪針扎入苗坨時(shí)與苗坨中心的距離，h為爪針扎入苗坨的深度。

圖4 取苗受力分析Fig.4 Stress analysis diagrams of seedling taking

取苗時(shí)，苗針對(duì)苗坨產(chǎn)生兩側(cè)夾持力FN1、FN2，苗針和苗坨相對(duì)靜止，苗針對(duì)苗坨產(chǎn)生靜摩擦力Ff1、Ff2，理論上有Ff1=Ff2=μFN1=μFN2，μ為苗針和苗坨的靜摩擦因數(shù)。當(dāng)取苗成功時(shí)，苗針應(yīng)克服穴盤(pán)苗從穴盤(pán)孔里拉拔出來(lái)的力FL，包括重力G和穴盤(pán)對(duì)苗坨的摩擦力Z。通過(guò)穴盤(pán)苗拉拔試驗(yàn)，測(cè)得100穴歐石竹含水率為40%時(shí)，拉拔力FL平均為2.5 N。

當(dāng)成功取苗時(shí)，有

FL=G+Z=(Ff1+Ff2)cosα+(FN1+FN2)sinα

(1)

由式(1)可看出，拉拔力FL取決于夾持力FN、靜摩擦因數(shù)μ、夾持角α，其中夾持力FN為

FN=σAN

(2)

(3)

式中AN——苗針夾持苗坨面積，mm2

σ——苗坨抗壓強(qiáng)度，Pa

F——苗坨抗壓力，N

AY——苗針壓縮面積，mm2

穴盤(pán)苗苗坨抗壓力-變形量x關(guān)系為非線性曲線，關(guān)系式為

F=0.065 0x3-0.674 2x2+3.602x-0.754 8

(4)

聯(lián)立式(1)～(4)可得

(5)

經(jīng)過(guò)以上分析，在測(cè)定穴盤(pán)苗的拉拔力FL、苗坨抗壓力F、苗坨與夾取針的靜摩擦因數(shù)μ等3個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)上，建立夾取針的夾持角α、苗針壓縮的面積AY、苗坨夾持變形量x之間關(guān)系[25]。

2.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于穴盤(pán)苗苗坨尺寸較小，移栽機(jī)械手采用兩爪針式結(jié)構(gòu)，主要由基座、爪針、壓苗擋板、微型氣缸及連接件組成，如圖5a所示，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如5b所示。抓苗時(shí)，氣缸桿伸出，苗針進(jìn)入苗坨，推桿越低，苗針角度越大，越夾緊苗坨，當(dāng)推桿下降到最低處時(shí)，苗針對(duì)苗坨的夾持力達(dá)到最大；栽苗時(shí)，推桿上升，苗針對(duì)苗坨的夾持力減小，當(dāng)推桿上升到最高處時(shí)，苗坨撞擊壓苗擋板，脫離爪針，依靠重力落入缽盆中。

為使爪針伸出后能成功取苗，兩爪針連接件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸間距應(yīng)大于限位孔間距，設(shè)計(jì)中受移栽機(jī)械手寬度及轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)限制，確定轉(zhuǎn)動(dòng)軸間距為20 mm。限位孔間距決定爪針入土?xí)r爪針尖端距離，也控制著爪針完全伸出后對(duì)穴盤(pán)苗苗坨的夾緊程度。

圖5 移栽機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagrams of feeding claw1.壓苗擋板 2.爪針 3.氣缸桿與爪針連接件 4.基座 5.氣缸

利用SolidWorks Motion模塊分析移栽機(jī)械手爪針尖端空載時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。限位孔間距越大，運(yùn)動(dòng)軌跡越平直，表明實(shí)際扎取穴盤(pán)苗苗坨時(shí)爪針的變形量越小，則爪針對(duì)穴盤(pán)苗苗坨的壓力越小，產(chǎn)生的摩擦力和爪針對(duì)穴盤(pán)苗苗坨向上的分力也減小。若限位孔中心距過(guò)小，爪針完全伸出時(shí)兩爪針尖端會(huì)產(chǎn)生干涉，且隨著限位孔中心距減小，兩爪針尖端的初始間距也減小，導(dǎo)致兩爪針間夾取的基質(zhì)量變少，也會(huì)導(dǎo)致夾取成功率降低。

圖6 爪針尖端空載時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Trajectory of claw needle tip when it was unloaded

選用微型氣缸作為移栽機(jī)械手的動(dòng)力源，為使爪針能夾取到穴盤(pán)苗苗坨底部，根據(jù)穴盤(pán)深度35 mm，設(shè)計(jì)爪針伸出長(zhǎng)度為35 mm，相應(yīng)地選取行程與之對(duì)應(yīng)的微型氣缸作為動(dòng)力源。

2.2.3移栽機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖7 受力分析Fig.7 Force analysis

各移栽機(jī)械手分散時(shí)的受力情況如圖7所示。由圖7可得

(6)

式中Fd——同步帶拉力，N

f——阻力，N

a——主動(dòng)移栽手加速度，m/s2

x0——緩沖帶原長(zhǎng)，m

x1——緩沖帶長(zhǎng)度，m

K——緩沖帶彈性系數(shù)，N/m

m——單個(gè)移栽機(jī)械手質(zhì)量，kg

第2個(gè)移栽爪受力平衡方程

Kx1-f-K(x2-x0)=ma2

(7)

式中a2——第2個(gè)移栽機(jī)械手加速度，m/s2

第n個(gè)移栽爪受力平衡方程

K(xi-1-xi+x0)-f=man

(8)

式中xi-1——第i-1段柔性緩沖帶張緊長(zhǎng)度，m

xi——第i段柔性緩沖帶張緊長(zhǎng)度，m

an——第n個(gè)移栽機(jī)械手加速度，m/s2

從式(8)可以看出，若K=0時(shí)，表示各個(gè)移栽機(jī)械手之間是剛性連接，在移栽機(jī)械手展開(kāi)時(shí)，前面的移栽機(jī)械手帶動(dòng)后面的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)剛性連接的行程時(shí)，后面的移栽機(jī)械手突然啟動(dòng)，瞬時(shí)加速度過(guò)大，會(huì)在移栽過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，造成苗坨脫落，降低移栽成功率[26]。所以，為減小移栽機(jī)械手的瞬時(shí)加速度，在相鄰兩移栽機(jī)械手間添加柔性緩沖帶，設(shè)置柔性緩沖帶長(zhǎng)為25 mm，在SolidWorks Motion模塊中經(jīng)過(guò)多次仿真驗(yàn)證，當(dāng)柔性緩沖帶彈性系數(shù)為0.007 N/mm時(shí)，各移栽機(jī)械手在加速和減速過(guò)程均較穩(wěn)定，各移栽機(jī)械手速度如圖8所示。

圖11 氣缸動(dòng)作時(shí)序圖Fig.11 Cylinder action timing charts

圖8 各移栽機(jī)械手在彈性系數(shù)0.007 N/mm緩沖帶下 的運(yùn)動(dòng)速度Fig.8 Movement speed of each transplanting manipulator

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用PLC作為控制主機(jī)，包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要由PLC控制器、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、電磁開(kāi)關(guān)等組成，如圖9所示。開(kāi)始工作前，先按下復(fù)位按鈕，進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，然后按下啟動(dòng)按鈕，整個(gè)移栽裝置按照程序運(yùn)行，完成移栽作業(yè)。

圖9 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.9 Hardware composition of control system

本機(jī)器氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖10所示，需控制的氣缸有3組，分別為移栽機(jī)械臂升降氣缸、前排移栽機(jī)械手氣缸、后排移栽機(jī)械手氣缸。其動(dòng)作時(shí)序圖如圖11所示，可較直觀地表示出某一時(shí)刻下各個(gè)氣缸的狀態(tài)，進(jìn)而了解整個(gè)工作流程[27-28]。

圖10 氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.10 Pneumatic system schematic

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

選取穴盤(pán)型號(hào)為10×20的歐石竹作為本次試驗(yàn)的對(duì)象，按照試驗(yàn)規(guī)定條件以及試驗(yàn)需求對(duì)穴盤(pán)苗進(jìn)行管理。試驗(yàn)樣機(jī)如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.12 Experimental prototype

3.2 試驗(yàn)因素和指標(biāo)

穴盤(pán)苗苗坨含水率對(duì)基質(zhì)的抗壓能力影響較大，含水率較低時(shí)，基質(zhì)較堅(jiān)硬且易破碎，不利于花卉幼苗生長(zhǎng)；當(dāng)苗坨含水率過(guò)大時(shí)，基質(zhì)抗壓能力變小，松散易變形，影響取苗；苗齡越大則穴盤(pán)苗根部發(fā)育越充分，但抓取過(guò)程中容易破壞根系，苗齡越小則苗坨越松散，不易抓??；由于扎取深度為最大固定值并由上文分析可知，限位孔中心距的大小影響著夾取苗坨基質(zhì)的多少，進(jìn)而影響移栽成功率。因此，選取苗坨含水率、苗齡和爪針限位孔中心距為試驗(yàn)因素。

選擇試驗(yàn)指標(biāo)為移栽成功率，移栽成功的標(biāo)準(zhǔn)是把苗坨從穴盤(pán)中取出，苗坨完好，并準(zhǔn)確移栽到缽盆中。移栽成功率η計(jì)算式為

(9)

式中W——每組試驗(yàn)總株數(shù)

M——未取出株數(shù)

N——取出苗坨松散株數(shù)

V——未栽入缽盆株數(shù)

3.3 單因素試驗(yàn)

選取歐石竹為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行苗坨含水率單因素試驗(yàn)，限定苗齡為45 d，爪針限位孔中心距為16 mm的條件下，在苗坨含水率為15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%左右時(shí)進(jìn)行移栽試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖13a所示，穴盤(pán)苗苗坨含水率在35%左右時(shí)取苗成功率最高。因此選取較優(yōu)的苗坨含水率區(qū)間為25%～45%。

苗齡的單因素試驗(yàn)，限定爪針限位孔中心距為16 mm，穴盤(pán)苗苗坨含水率為35%，選取苗齡為35、38、41、44、47、50、53 d的幼苗進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖13b所示，可以看出苗齡對(duì)取苗成功率的影響極顯著。苗齡在35～44 d區(qū)間內(nèi)，取苗成功率隨苗齡的增加而明顯提高，在44～53 d區(qū)間內(nèi)，取苗成功率隨苗齡增加而緩慢下降。苗齡在45 d左右時(shí)取苗成功率最高，因此選取較優(yōu)的培養(yǎng)時(shí)間為40～50 d。

爪針限位孔中心距的單因素試驗(yàn)中，在苗坨含水率為35%、苗齡為45 d的條件下，爪針限位孔中心距分別為14、15、16、17、18、19 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖13c所示，可看出爪針限位孔中心距在16 mm左右時(shí)取苗成功率最高。因此選取較優(yōu)的爪針限位孔中心距為15～18 mm。

圖13 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Results of single factor tests

3.4 多因素試驗(yàn)

為了獲得上述3個(gè)因素的最優(yōu)參數(shù)值，選取穴盤(pán)苗苗坨含水率x1、苗齡x2、爪針限位孔中心距x3為試驗(yàn)因素，取苗成功率Y為指標(biāo)進(jìn)行三元二次回歸正交組合試驗(yàn)。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，得出因素編碼如表1所示。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。方差結(jié)果如表3所示。

對(duì)回歸模型進(jìn)行顯著性分析，在α=0.05顯著性水平下，由方差分析結(jié)果可知，回歸方程模型P=0.000 4<0.01，說(shuō)明此回歸方程為極顯著。由于失擬項(xiàng)P=0.377 8>0.05，說(shuō)明失擬項(xiàng)不顯著，所以該擬合可以用于取苗成功率的預(yù)測(cè)。苗齡對(duì)成功率的影響為極顯著，苗坨含水率和爪針限位孔中心距為顯著，影響由大到小為：苗齡、爪針限位孔中心距、苗坨含水率。苗坨含水率和爪針限位孔中心距的交互作用對(duì)成功率的影響顯著(P<0.05),去除不顯著項(xiàng)，得出簡(jiǎn)化后回歸方程為

表1 因素編碼Tab.1 Coding of factors

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.2 Test plan and results

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

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3.5 優(yōu)化分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

以移栽成功率為試驗(yàn)優(yōu)化目標(biāo)，使用Design-Expert軟件進(jìn)行優(yōu)化分析。將Y的上限設(shè)為100%，下限設(shè)為80%，X1、X2、X33個(gè)因素的上下限均設(shè)為1.525、-1.525?？傻卯?dāng)苗坨含水率為32.6%、苗齡為46 d、爪針限位孔中心距為16.7 mm時(shí)，成功率為94.2%。

對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，利用雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽裝置重復(fù)進(jìn)行3組試驗(yàn)，每組抓取10次(100株)，得到成功率分別為95%、94%、95%，平均值為94.7%，與預(yù)測(cè)值94.2%相比相差很小，表明試驗(yàn)分析得出的結(jié)果與實(shí)際工作效果相符合。且3次取苗用時(shí)分別為58.2、60.5、61.3 s，栽植效率可達(dá)到6 000株/h。

分析試驗(yàn)過(guò)程中的失敗案例，可知主要以苗坨未能成功取出為主，其原因是苗坨部分破碎，導(dǎo)致爪針無(wú)法抓取。而引起缽體破碎的原因可能是根系發(fā)育不良所致，為提高取苗成功率也可在移栽前對(duì)穴盤(pán)苗進(jìn)行松脫處理。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)了一套雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽裝置。通過(guò)對(duì)取苗過(guò)程進(jìn)行受力分析，設(shè)計(jì)了一種兩針式移栽機(jī)械手；通過(guò)分析移栽機(jī)械手的水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一種柔性連接裝置，并通過(guò)仿真確定柔性緩沖帶的最優(yōu)工作參數(shù)；最后利用PLC完成該裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)穴苗盤(pán)的快速準(zhǔn)確移栽。

(2)選取200穴規(guī)格的歐石竹為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行單因素試驗(yàn)和多因素正交試驗(yàn)，以穴盤(pán)苗苗坨含水率、苗齡、爪針限位孔中心距為試驗(yàn)因素，探究雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽裝置移栽成功率的最優(yōu)工作參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)穴盤(pán)苗苗坨含水率為32.6%、苗齡為46 d、爪針限位孔中心距為16.7 mm時(shí)，雙排移栽機(jī)械手聯(lián)動(dòng)式高速移栽裝置成功率為94.7%。試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，該裝置滿足設(shè)計(jì)需求。