葉海平

（漳州職業(yè)技術學院智能制造學院，福建 漳州 363000）

0 引言

多肉植物是花卉的一大核心品種，由于其葉子和整體造型奇特，深受廣大花卉愛好者的喜愛。多肉植物主要依靠方形穴盤育苗的種植方式，需要根據幼苗的不同成長階段，完成疏植移栽。福建漳州作為多肉植物的種植一大基地，主要采用人工完成疏植移栽作業(yè)，存在成本高、效率低的問題。因此，根據移栽技術原理，研究多肉植物自動移栽機，實現多肉植物疏植移栽向自動化、智能化發(fā)展是必然趨勢。多肉植物自動移栽機的結構包括運載系統(tǒng)和末端執(zhí)行器。需根據移栽對象的移栽技術要求完成末端執(zhí)行器的開發(fā)設計，末端執(zhí)行器作為自動移栽機的關鍵技術，其工作性能直接關系到自動移栽機的工作效率[1-3]。

國外發(fā)達國家農業(yè)機械化的進程較快，自動移栽機末端執(zhí)行器的研究起步較早，研究領域較廣。韓長杰等設計了一種辣椒穴盤苗自動移栽機，整機主要由全自動取投苗系統(tǒng)與栽植機構組成，采用整排取苗再分苗投苗的方式，實現128（16 列×8 行）穴盤苗的自動取苗、投苗。朱興亮等設計了一種茄果類缽苗自動移栽機，實現自動移栽機自動取放苗、移苗及分苗、移栽功能。李紅陽等設計了一種基于PLC 控制的煙草移栽機，該機構可以完成煙草的取苗、送苗、栽植和回程一系列動作，自動化程度高，靈活性強，結構簡單。國內外對自動移栽機末端執(zhí)行器進行了廣泛研究，主要對象為果蔬和樹木，研究成果均能較好地完成移栽任務，有效提高了移栽作業(yè)的自動化水平。對于多肉植物的自動移栽機研究較少，由于多肉植物的生長環(huán)境和缽苗基質與其他果蔬、樹木具有一定的差異性，無法用果蔬和樹木的末端執(zhí)行器來實現多肉植物移栽作業(yè)[3-6]，為實現多肉植物移栽完全自動化，筆者設計了一種多肉植物末端執(zhí)行器，通過螺紋傳動實現疏密靈活調整，實現不同缽苗的移栽作業(yè)。根據多肉植物的移栽技術要求，完成末端執(zhí)行器的整體結構設計，通過計算和仿真確定末端執(zhí)行器的材質、尺寸和相關參數，最后試制出末端執(zhí)行器，將它搭載在車載系統(tǒng)，對多肉植物進行移栽試驗，驗證其合理性，為多肉植物自動移栽技術提供了有力支撐。

1 總體結構與工作原理

1.1 取苗末端總體結構

多肉植物自動移栽機末端執(zhí)行器作為移栽過程中的重要部件，主要由間距調節(jié)氣缸、連桿、滑塊、取苗氣缸和取苗器構成，株距可調式取苗末端執(zhí)行器結構圖如圖1 所示。由于多肉植物自動移栽機末端執(zhí)行器在工作過程中的負載較小，而且氣壓傳動過程中無污染、氣源充足、工作環(huán)境適應性好，特別是在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射、振動等惡劣工作環(huán)境工作時，安全可靠性高、氣動動作迅速、反應快、調節(jié)方便，且具有氣動元件結構簡單、成本低且壽命長等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)選擇氣動傳動系統(tǒng)。依靠間距調節(jié)氣缸活塞的上下運動，完成4 個取苗器的間隙調整，利用取苗氣缸活塞的上下運動，完成取苗和放苗工作動作[7-8]。

圖1 株距可調式取苗末端執(zhí)行器結構圖

1.2 取苗工作原理

多肉植物自動移栽機末端執(zhí)行器的工作原理：通過間距調節(jié)氣缸活塞下移，調整取苗器的間距移動至與來源穴盤的間距相等，多肉植物自動移栽機將末端執(zhí)行器移動至目標穴盤，間距調節(jié)氣缸活塞下移，調整取苗器的間距移動至與目標穴盤的間距相等。末端執(zhí)行器通過取苗氣缸的伸出，將取苗針斜插進入缽體，穴盤苗在取苗末端執(zhí)行器的帶動下被取出，間距調節(jié)氣缸活塞將穴盤苗間距調整至與目標穴盤間距相等，取苗氣缸帶動取苗針回縮，直至取苗針完全脫離缽體，完成疏植移栽過程[9-10]。

1.3 取苗器的結構設計

取苗手指主要用于移栽作業(yè)時對穴盤苗缽進行抓取，由于取苗器的取苗對象為多肉植物，質量較輕，氣壓傳動具有結構簡單、無污染、動作迅速等優(yōu)點[11-13]，故選取氣壓傳動作為動力源實現移栽作業(yè)，其中氣缸選用行程35 mm的復動型鋁合金筆形氣缸。

取苗針作為取苗手指的關鍵部件，玉露多肉植物的培養(yǎng)基質蓬松，質量較輕，在滿足工作要求的情況下，為簡化取苗針結構，選用2 根扁針直插式的取苗針對苗缽進行抓取作業(yè)。取苗針在作業(yè)過程中，取苗針的插入位置均位于苗缽同側，利用其入土傾角及取苗針斜插傾角，通過豎直方向的作用力提取幼苗，取苗器結構示意圖如圖2 所示。該取苗手指既能在取苗時減少對苗缽的損傷，同時又能夠增加針體與苗缽的接觸面積，從而提高取苗穩(wěn)定性。選取厚度為2 mm 的鋁合金板制作取苗針，適用于多種規(guī)格的穴盤苗缽。

圖2 取苗器結構示意圖

取苗針夾角β 值的設置：為更好完成取苗作業(yè)，取苗針一般都要與豎直平面具有一定的夾角，夾角越大，取苗針越傾斜，在作業(yè)過程中拔取力就越大，但是夾角太大，不利于取苗針插入和拔出作業(yè)；夾角越小，取苗針越豎直，便于插入和拔出，但承載力低，易碰觸穴孔壁。通過理論分析和試驗論證，邊長6.5 mm 的穴苗盤穴孔高度為30 mm，重量13 g 左右，夾角值最佳值為9.2°；邊長10 mm 的穴苗盤穴孔高度為38 mm，重量15 g左右，夾角值最佳值選取9.8°；邊長15 mm 的穴苗盤穴孔高度為42 mm，重量17 g 左右，夾角值最佳值選取10.6°。為保障取苗針能順利完成移栽作業(yè)，取苗針的夾角值選取10.6°。

2 移栽試驗

從漳州市高新區(qū)九湖多肉植物種植基地隨機選取苗齡60 d 的玉露幼苗，育苗基質為有機活性基質，有機質質量分數為38%，總孔隙度60%～90%，人工對試驗對象樣品進行測量，展寬范圍為5.25 mm～6.65 mm，玉露頸寬為3.15 mm～4.56 mm，玉露苗高為4.12 mm～5.56 mm，總質量為13.56 g～16.89 g，缽體濕質量為14.89 g～19.68 g，含水率為45.23%～60.52%。移栽機設備選用山東青州的壽光市菲陽商貿有限公司生產的全自動穴盤苗移栽機，搭載上面設計的多肉植物末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器工作現場如圖3所示。

圖3 末端執(zhí)行器工作現場

利用多肉植物末端執(zhí)行器的自動移栽機分別完成方形邊長6.5 mm、10 mm和15 mm三種規(guī)格穴盤的移栽試驗，完成6.5 mm～10 mm、6.5 mm～15 mm、10 mm～15mm 三種穴盤苗的移栽作業(yè)。每種作業(yè)方式選取100 株品種為玉露的多肉植物進行試驗，每個試驗重復三次取平均值。移栽數據統(tǒng)計表如表1所示。

表1 移栽數據統(tǒng)計表

3 結論

針對多肉植物的移栽自動化程度低、效率低的問題，設計了一種基于氣壓傳動的株距可調式取苗末端執(zhí)行器。通過活塞上下移動帶動連桿和滑塊移動，實現取苗手指氣缸的間隙調節(jié)，使取苗手指在傾斜刺入苗缽時，能夠減少取苗針對幼苗葉片的損傷。搭建穴盤幼苗疏植移栽試驗平臺，進行正交試驗，進行了不同疏植株距要求的驗證試驗，試驗結果表明，移栽成功率為94%以上，移栽成活率為90.56%以上，有效提高了多肉植物移栽的效率。