陳 斌 胡廣發(fā) 劉 文 孫松林 孫超然 肖名濤

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410428；2.永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，永州 425100)

0 引言

目前穴盤苗的蔬菜移栽機(jī)械以半自動(dòng)為主，機(jī)械主要完成栽植作業(yè)，取苗投苗需要由人工完成，受人工取投苗速度限制，移栽效率較低，無法滿足蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求，全自動(dòng)移栽機(jī)已成為主要發(fā)展方向。穴盤苗取苗裝置是全自動(dòng)移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，其取苗效率、取苗效果直接影響移栽機(jī)的栽植效率和栽植效果。

針對(duì)不同秧盤、秧苗以及栽植農(nóng)藝要求的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者提出了不同的取苗方式，并在取苗方法的基礎(chǔ)上開發(fā)了多種取苗裝置或者末端。目前主流的取苗方式包括插入莖稈夾持式[1-3]、缽體夾取式[4-6]、缽體頂出式[7-9]、頂出-夾取結(jié)合式[10-11]、氣力式[12-13]等。由于秧苗缽體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度[14-16]，莖稈夾持式和缽體夾取式在取苗過程中對(duì)缽體施加拉力，易對(duì)秧苗缽體造成損傷，破壞秧苗根系，導(dǎo)致缽體破裂。缽體頂出式取苗方式是對(duì)秧苗缽體施加壓力，取苗過程中秧苗損傷程度較低，但由于秧苗與秧盤穴壁之間的粘附力各不相同，因此存在秧苗頂出過程中壓縮程度不同、頂出后落苗軌跡不一致、落苗點(diǎn)不可控等問題。

本文基于頂出-夾取結(jié)合式取苗方式，開展對(duì)置秧盤交替取投苗策略分析，以可彎曲秧盤及用其培育的辣椒缽苗為作業(yè)對(duì)象，設(shè)計(jì)一種曲柄搖桿附加直線氣缸的對(duì)置秧盤交替自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)與送盤、投苗、栽植等機(jī)構(gòu)組成的供苗裝置裝載于大型移栽機(jī)上，配合旋耕裝置、起壟裝置、開溝裝置等，可實(shí)現(xiàn)多行自動(dòng)移栽，相較于傳統(tǒng)多行移栽機(jī)用工量少。針對(duì)該自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，仿真分析關(guān)鍵參數(shù)對(duì)氣動(dòng)苗爪運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，得到符合作業(yè)要求的參數(shù)值；開展多栽植頻率下的取投苗性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證該取投苗方案的可行性。

1 對(duì)置秧盤交替取投苗策略與要求

1.1 取投苗策略分析

取投苗機(jī)構(gòu)是供苗裝置中的核心部件，作業(yè)時(shí)完成秧苗從秧盤到栽植裝置的轉(zhuǎn)移工作，直接影響移栽作業(yè)效率和作業(yè)效果。利用柔性秧盤的可彎曲特性，設(shè)計(jì)一種對(duì)稱布置的秧盤布局，如圖1a所示，秧盤從兩側(cè)進(jìn)入后，在水平階段末端進(jìn)行取苗，進(jìn)入彎曲階段后進(jìn)給方向發(fā)生改變，最后從進(jìn)盤口下方退出，有效減小秧盤輸送機(jī)構(gòu)體積。

圖1 取苗、投苗、落苗原理圖

基于此對(duì)置秧盤布局，提出一種交替取投苗方法。在對(duì)置秧盤中間設(shè)置落苗機(jī)構(gòu)，取投苗機(jī)構(gòu)一側(cè)苗夾在取苗位置時(shí)，另一側(cè)苗夾則位于投苗位置，其理想軌跡如圖1所示，苗夾在取苗位置對(duì)秧苗進(jìn)行夾持后，沿豎直方向?qū)⒀砻绨纬?，然后水平運(yùn)動(dòng)至投苗位置，松開苗夾，秧苗沿豎直方向落入分批落苗裝置中，落苗機(jī)構(gòu)可存放取投苗裝置整行投下的秧苗，并將其按等時(shí)間間隔分批次落入下方栽植裝置中(圖1b)，由栽植裝置完成定植，也可與開溝裝置配合使用，將秧苗直接落入下方植苗溝槽中。

1.2 取投苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

1.2.1交替自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)

在實(shí)際運(yùn)行過程中，為減少運(yùn)行過程中速度方向急變?cè)斐傻臎_擊，物體的運(yùn)動(dòng)軌跡一般由平滑曲線組成，綜合考慮往復(fù)運(yùn)動(dòng)和平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提出一種由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和直線氣缸共同驅(qū)動(dòng)的交替自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 交替取投苗機(jī)構(gòu)簡化模型

該機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿組件OABCD、平行桿組件CDD′C′、平面旋轉(zhuǎn)組件EFF′組成。在平面旋轉(zhuǎn)組件EFF′中，F(xiàn)F′兩端分別安裝苗夾，F(xiàn)F′可在氣缸HI的驅(qū)動(dòng)下繞旋轉(zhuǎn)圓心E的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)夾持秧苗的豎向拔起。在曲柄搖桿組件OABC中，搖桿CD通過連桿AB與曲柄OA相連，通過其連續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)，平行桿組件CDD′C′中CD與C′D′平行，DD′處于水平狀態(tài)，可隨搖桿CD進(jìn)行左右擺動(dòng)，且一直處于水平狀態(tài)。平面旋轉(zhuǎn)組件EFF′通過旋轉(zhuǎn)圓心E與DD′連接，DD′的往復(fù)擺動(dòng)可帶動(dòng)FF′兩端苗夾夾持秧苗從取苗位置運(yùn)動(dòng)至投苗位置。

1.2.2推盤機(jī)構(gòu)與苗夾橫向位移原理

取投苗過程中，秧盤需配合取投苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行步進(jìn)式移動(dòng)，保證取苗位置秧苗供給。考慮到秧盤移動(dòng)時(shí)刻以及利用平行桿組件CDD′C′中CD和C′D′的擺動(dòng)，設(shè)計(jì)一套雙搖桿組件CKLM，桿件MN通過連桿KL與搖桿CK相連，可隨其進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)，N處安裝有推盤鉤，通過往復(fù)擺動(dòng)推動(dòng)秧盤步進(jìn)式進(jìn)給。

為避免因葉片交錯(cuò)造成秧苗掛在接苗筒隔斷上，需在投苗前進(jìn)行苗夾間的橫向位移，破壞葉片交錯(cuò)，同時(shí)增大接苗筒橫截面積，讓秧苗有更大下落空間。苗夾橫向位移過程如圖3所示，苗夾在取苗位置整排取出秧苗后運(yùn)動(dòng)至投苗位置，此過程中苗夾在橫向位移氣缸的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生橫向位移，其間隔距離增加，并通過苗夾之間的柔性連接控制最終間隔距離，使其對(duì)齊接苗筒中心位置。

圖3 苗夾橫向位移過程示意圖

1.3 運(yùn)動(dòng)軌跡要求

考慮機(jī)械的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以及秧苗位置、速度的變化，以氣動(dòng)苗夾夾持點(diǎn)為觀察對(duì)象，拔苗、運(yùn)苗以及投苗過程中各機(jī)構(gòu)配合運(yùn)行所形成的運(yùn)動(dòng)軌跡需滿足如下要求：①拔苗階段軌跡：夾持點(diǎn)軌跡近似豎直，水平方向上的位置變化越小，對(duì)秧苗莖稈的彎折越小，豎直方向上的高度變化不小于秧盤穴深度。②運(yùn)苗階段軌跡：各位置的秧苗從取苗點(diǎn)到達(dá)投苗點(diǎn)的移動(dòng)距離不同，中間小兩側(cè)大，同排秧苗應(yīng)在運(yùn)苗階段完成位置偏移，偏移時(shí)長越長，偏移速度越慢，偏移過程中對(duì)秧苗的晃動(dòng)越小。③投苗階段軌跡：由于一側(cè)投苗時(shí)另一側(cè)在進(jìn)行取苗，因此兩者軌跡呈中心點(diǎn)對(duì)稱關(guān)系，在氣動(dòng)苗夾松開時(shí)刻，秧苗應(yīng)整體呈豎直狀態(tài)，其瞬時(shí)速度方向及其中心軸線與分批投苗機(jī)構(gòu)中心線重合時(shí)最理想。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)分析

2.1 交替取投苗機(jī)構(gòu)簡化模型參數(shù)

機(jī)構(gòu)作業(yè)過程中苗夾的運(yùn)動(dòng)軌跡是三維曲線，其中拔苗和運(yùn)苗過程是順利完成取投苗的關(guān)鍵，從豎直平面分析秧苗夾持點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，為優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)以及零部件選型提供參考。根據(jù)圖2所示交替取投苗機(jī)構(gòu)模型，以曲柄OA中O為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。F和F′為前后兩側(cè)苗夾夾持點(diǎn)；桿件HI為拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸，計(jì)算過程中其長度為變量。確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需變量符號(hào)及含意見表1。

表1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)

2.2 作業(yè)過程關(guān)鍵點(diǎn)位移方程

2.2.1后側(cè)秧苗夾持點(diǎn)F豎直平面位移方程

根據(jù)圖2以及氣動(dòng)苗夾運(yùn)動(dòng)原理，簡化后得到如圖4所示苗夾驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖。

圖4 苗夾驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖

以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)OABC和四桿機(jī)構(gòu)HEFI建立封閉矢量方程

lOA+lAB=lOC+lCB

(1)

lHE+lEF=lHI+lIF

(2)

將矢量方程(1)轉(zhuǎn)換為解析形式，得到動(dòng)點(diǎn)A、B的位移方程

(3)

(4)

對(duì)點(diǎn)B位移方程(4)進(jìn)行移項(xiàng)、平方后，消除α2，得到

2lBC[(xC-xA)cosα3+(yC-yA)sinα3]=0

(5)

連接點(diǎn)A、C，設(shè)AC與x軸夾角為β1，則有

(6)

綜合方程(4)、(6)，根據(jù)余弦定理可得

(7)

因?yàn)棣?-β1為△ABC的內(nèi)角，因此有

0<α3-β1<π

(8)

求解β1、α3-β1、α3后，通過式(4)即可求解α2。求得α3后，根據(jù)點(diǎn)D、E、G、H之間的位置關(guān)系，可依次求得其位移方程

(9)

將矢量方程(2)轉(zhuǎn)換為解析形式，可得

(10)

其中

將方程(10)中已知量簡化后移項(xiàng)、平方再相加，消去α7，得到

2lEF[(xE-xI)cosα6+(yE-yI)sinα6]=0

(11)

連接E、I，設(shè)連線EI與x軸夾角為β2，則

(12)

綜合方程(10)、(12)，根據(jù)余弦定理可得

cos(β2-α6)=

(13)

因?yàn)棣?-α6為△EFI的內(nèi)角，因此有

0<β2-α6<π

(14)

求解β2、β2-α6、α6后，通過式(10)求解得到α7。

2.2.2后側(cè)推盤驅(qū)動(dòng)點(diǎn)N位移方程

根據(jù)圖2以及推盤搖桿運(yùn)動(dòng)原理，簡化后得到如圖5所示推盤搖桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖，該機(jī)構(gòu)可看作是由CKLM組成的一套雙搖桿機(jī)構(gòu)，建立矢量方程

圖5 推盤搖桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖

lCK+lKL=lCM+lML

(15)

CKLM雙搖桿機(jī)構(gòu)中，主動(dòng)搖桿CK為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)OABC的搖桿BC一部分，因此可得點(diǎn)K位移方程

(16)

將矢量方程(15)轉(zhuǎn)換為解析形式，求解點(diǎn)L位移方程

(17)

將方程(17)進(jìn)行移項(xiàng)、平方后，消除α9，得到

2lKL[(xK-xM)cosα8+(yK-yM)sinα8]=0

(18)

連接點(diǎn)K、M，設(shè)KM與x軸夾角為β3，則有

(19)

綜合方程(17)、(19)，根據(jù)余弦定理可得

(20)

因?yàn)棣?-β3為△KML的內(nèi)角，因此有

0<α8-β3<π

(21)

求解β3、α8-β3、α8后，通過式(17)即可求解α9。由于推盤驅(qū)動(dòng)點(diǎn)N在桿ML延長線上，因此可得點(diǎn)N位移方程

(22)

2.3 拔苗過程力學(xué)模型與頂苗機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

圖6a所示為拔苗過程示意圖，苗夾在到達(dá)取苗位置后通氣，夾持秧苗莖稈后在拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸的作用下向上移動(dòng)完成拔苗。秧苗被夾持時(shí)其莖稈、缽體分別受到苗夾作用力和苗盤的反作用力，取P、P′為研究點(diǎn)，分析取苗過程中秧苗受力關(guān)系，如圖6b所示。

圖6 拔苗過程原理圖

分析點(diǎn)P、P′，苗夾對(duì)秧苗莖稈分別有夾持力F1和提升力F2、苗夾與秧苗莖稈的摩擦力f2；秧盤對(duì)缽體分別有正壓力FN、秧盤與缽體粘附力Ni[14，17]、秧盤與缽體之間的摩擦力f1；秧苗還受本身重力GM。為了將秧苗拔起，并保持穩(wěn)定狀態(tài)，氣動(dòng)苗夾對(duì)秧苗的提升力F2要滿足

π(R+r)h(f1cosθ+Nisinθ+

GM-FNsinθ-f2)≤F2

(23)

式中R——秧苗缽體上端截面半徑，mm

r——秧苗缽體下端截面半徑，mm

h——秧苗缽體高度，mm

θ——秧苗缽體側(cè)邊角，(°)

秧苗抗脫拉能力反映秧苗夾取的難易程度，將秧苗豎直方向的合力擬定為抗脫拉力Fq，即

Fq≈π(R+r)h[FN(μ1cosθ-sinθ)+

Nisinθ+GM-μ2[F1]]

(24)

式中μ1——秧盤穴壁與秧苗間摩擦因數(shù)

μ2——秧苗莖稈與苗夾間摩擦因數(shù)

[F1]——秧苗徑向抗壓許用力，N

為保證秧苗順利脫出，苗夾對(duì)秧苗提升力F2要滿足

Fq≤F2

(25)

為減少取苗過程中取苗驅(qū)動(dòng)氣缸負(fù)荷，在拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸作業(yè)前設(shè)置有頂苗工序，由氣缸驅(qū)動(dòng)頂苗桿從秧盤穴底部進(jìn)入秧盤穴，接觸到缽體后繼續(xù)向上，直至缽體與秧盤穴脫離。頂苗過程中，頂出距離、頂苗桿直徑以及頂出速度等對(duì)頂出效果有較大影響[18-19]。參考文獻(xiàn)[19]中進(jìn)行的缽體頂出特性試驗(yàn)，在頂苗桿直徑8 mm、頂苗氣缸驅(qū)動(dòng)氣壓 0.6 MPa、節(jié)流閥開度100%的情況下進(jìn)行頂出距離優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)頂苗桿頂出距離為 7 mm 時(shí)，95%的秧苗缽體能脫離秧盤穴，頂苗過程用時(shí)約0.8 s。

3 苗夾運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

苗夾在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)是其繞拔苗旋轉(zhuǎn)中心軸旋轉(zhuǎn)及其隨曲柄搖桿機(jī)構(gòu)往復(fù)擺動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡受拔苗氣缸作用時(shí)刻和作用時(shí)長以及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中各桿件長度、安裝和連接位置影響。根據(jù)上文分析結(jié)果對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行取值，通過仿真軟件分析各因素對(duì)秧苗夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，確定優(yōu)選參數(shù)。對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和虛擬裝配，得到自動(dòng)供苗裝置。

3.1 取苗驅(qū)動(dòng)氣缸選型與部分參數(shù)設(shè)計(jì)分析

分析秧盤彎折半徑以及考慮分批落苗裝置安裝空間需求，兩側(cè)取苗點(diǎn)距離dQ取420 mm，則單側(cè)取苗點(diǎn)與投苗點(diǎn)之間距離dQT為210 mm。育苗選用的亞美柯D220P型秧盤穴深dX為35 mm，考慮拔苗過程中機(jī)具震動(dòng)以及夾持點(diǎn)打滑對(duì)夾持點(diǎn)豎直方向?qū)嶋H提升高度的影響，要求設(shè)計(jì)提升高度dT需大于 35 mm，設(shè)拔苗過程中桿EF與x軸方向最大夾角為α6max，將以上約束條件整理為

(26)

計(jì)算后對(duì)結(jié)果進(jìn)行取整，當(dāng)lEF=107 mm、α6max=11°時(shí)可滿足要求，此時(shí)提升高度dT=40.8 mm。

受交替取投苗機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中各桿件位置變化的限制，拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸的運(yùn)行空間較小，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)緊湊要求。同時(shí)應(yīng)選用帶有緩沖功能的氣缸作為拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸，減少氣缸到達(dá)極限位置時(shí)的沖擊。星辰氣動(dòng)CDJ2D系列迷你氣缸采用氣緩沖，符合要求。具體選用CDJ2D10-20-B型氣缸，缸徑10 mm，行程20 mm，使用壓力范圍0.06～0.7 MPa，活塞速度0.05～0.75 m/s，收縮狀態(tài)長度lHImin=107.5 mm，伸出狀態(tài)長度lHImax=127.5 mm。

初選lDG=173.4 mm，lGH=60 mm，根據(jù)苗夾拔苗過程中初始和終止位置，圖解法得到lEJ=48.2 mm，lIJ=40 mm?；趯?shí)際電機(jī)安裝情況，初選點(diǎn)C位置為(-234.6 mm,-142.2 mm)，根據(jù)2.2節(jié)進(jìn)行計(jì)算取整，取lOA=51.5 mm，lAB=234.5 mm，lBC=151 mm，lCD=309 mm，lDE=210 mm，該條件下的交替取投苗機(jī)構(gòu)滿足關(guān)鍵點(diǎn)位置要求。

3.2 夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡影響因素分析

3.2.1運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

對(duì)裝置虛擬裝配后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，添加驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)函數(shù)，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型[20]。在模型中改變氣缸伸出時(shí)刻、氣缸伸出速度、取投苗搖桿長度以及驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速，記錄秧苗夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，將軌跡坐標(biāo)導(dǎo)入繪圖軟件進(jìn)行分析，得到不同因素條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡疊加圖，分析各因素對(duì)秧苗夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響方式。

3.2.2關(guān)鍵因素影響分析

以后側(cè)秧苗夾持點(diǎn)為觀察對(duì)象，定義以下參數(shù)為基準(zhǔn)參數(shù)：機(jī)構(gòu)取苗速度為100株/(min·行)，對(duì)應(yīng)曲柄轉(zhuǎn)速10 r/min，驅(qū)動(dòng)氣缸伸出速度20 mm/s，伸出時(shí)刻為驅(qū)動(dòng)搖桿旋轉(zhuǎn)至右極限位置前0.5 s，1 s完成拔苗驅(qū)動(dòng)，取投苗搖桿長度309 mm。此參數(shù)下的夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示，該軌跡可分為接近段ab、拔苗段bc、轉(zhuǎn)運(yùn)段cd以及投苗段da，其中接近段ab和轉(zhuǎn)運(yùn)段cd為苗夾隨曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行的擺動(dòng)，拔苗段bc和投苗段da為苗夾繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)與曲柄搖桿擺動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。拔苗段bc在x軸上的投影長度變化即為拔苗過程中苗夾對(duì)秧苗莖稈的橫向位移，位移越大則對(duì)秧苗莖稈的拉扯作用越明顯，導(dǎo)致秧苗在拔取過程中發(fā)生晃動(dòng)，易損壞秧苗莖稈；在y軸上的投影長度變化即為拔苗始末位置高度變化，即理論拔苗高度。

圖7 基準(zhǔn)參數(shù)下夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡及分段區(qū)間

圖8a為基準(zhǔn)參數(shù)下，拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸伸出時(shí)刻分別為驅(qū)動(dòng)搖桿旋轉(zhuǎn)至右極限位置前0.25、0.50、0.75 s時(shí)的秧苗夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。由于拔苗氣缸完全伸出時(shí)長為1 s，當(dāng)伸出時(shí)刻為驅(qū)動(dòng)搖桿旋轉(zhuǎn)至右極限位置前0.50 s時(shí)，拔苗段a、b兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)重合，夾持點(diǎn)在x軸方向上的累計(jì)位移為0 mm，當(dāng)伸出時(shí)刻為前0.25 s時(shí)累計(jì)位移為負(fù)，伸出時(shí)刻為前0.75 s時(shí)累計(jì)位移為正。由此可得出結(jié)論：在其他參數(shù)一定的情況下，若拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸伸出時(shí)長為t1，當(dāng)拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸伸出時(shí)刻為驅(qū)動(dòng)搖桿旋轉(zhuǎn)至右極限位置前0.5t1時(shí)，拔苗階段秧苗莖稈橫向累計(jì)位移為0 mm，將此時(shí)刻稱為橫向位移對(duì)稱時(shí)刻。

圖8 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)秧苗夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響

當(dāng)拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸伸出速度vQ分別為13.33、20.00、26.67 mm/s時(shí)，對(duì)應(yīng)氣缸伸出時(shí)長分別為1.50、1.00、0.75 s，根據(jù)上文結(jié)論，仿真過程中應(yīng)將拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸伸出時(shí)刻分別改為前0.750、0.500、0.375 s，其他參數(shù)為基準(zhǔn)值。運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果如圖8b所示。由圖可知，拔苗氣缸伸出速度越快，夾持點(diǎn)橫向位移距離越短，拔苗過程中秧苗莖稈的橫向拉扯程度越小，但秧苗在縱向上脫離秧盤穴的速度也越快，易導(dǎo)致夾持點(diǎn)打滑和秧苗缽體破碎。因此，在保證夾持點(diǎn)穩(wěn)定和秧苗缽體完整的情況下，拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸伸出速度越快越好。

圖8c為基準(zhǔn)參數(shù)下，取投苗搖桿長度lCD分別為289、309、329 mm時(shí)的秧苗夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖中可以看出，隨著取投苗搖桿長度的增加，夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡高度增加，且接近段ab和轉(zhuǎn)運(yùn)段cd的長度增長，但拔苗段bc和投苗段da無明顯變化。由此可得出結(jié)論，取投苗搖桿長度主要影響夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡高度位置，其次影響取苗點(diǎn)和投苗點(diǎn)之間距離，在實(shí)際取苗過程中可根據(jù)秧苗和分批落苗裝置之間的位置關(guān)系調(diào)節(jié)取投苗搖桿長度，使得夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡符合實(shí)際要求。

圖8d為基準(zhǔn)狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速nD分別為10、12、15 r/min時(shí)的秧苗夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖可知，驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速越快，夾持點(diǎn)在拔苗段的橫向位移越大，對(duì)應(yīng)秧苗莖稈橫向拉扯越明顯。因此可得出結(jié)論，驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速對(duì)夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響主要在于拔苗段橫向位移，在實(shí)際取苗過程中雖然轉(zhuǎn)速越快取苗效率越高，但應(yīng)同步提高取苗氣缸伸出速度，以抵消由轉(zhuǎn)速增加帶來的夾持點(diǎn)拔苗段橫向位移的增加，同時(shí)在調(diào)節(jié)過程中由于拔苗速度和轉(zhuǎn)運(yùn)速度的加快，應(yīng)綜合考慮夾持點(diǎn)莖稈以及秧苗缽體的抗拉扯能力。

3.3 優(yōu)選結(jié)果

綜合上述秧苗夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡分析過程及結(jié)論，在滿足交替取投苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡要求前提下選定參數(shù)：根據(jù)交替取投苗速度要求，選定驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速10 r/min，對(duì)應(yīng)取投苗速度100株/(min·行)；根據(jù)供苗裝置整機(jī)安裝實(shí)際布局限制，選定取投苗搖桿長度309 mm，此時(shí)搖桿固定端與秧盤輸送裝置平齊，便于布置；根據(jù)取苗速率和拔苗過程中夾持點(diǎn)的橫向位移，設(shè)定驅(qū)動(dòng)氣缸伸出速度25 mm/s，0.8 s內(nèi)完成拔苗；根據(jù)上文分析結(jié)果中的橫向位移對(duì)稱時(shí)刻，將伸出時(shí)刻設(shè)定為驅(qū)動(dòng)搖桿旋轉(zhuǎn)至右極限位置前0.4 s。該參數(shù)組合下夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖9所示。

圖9 優(yōu)選參數(shù)下夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡及氣缸執(zhí)行時(shí)刻

測(cè)得秧苗莖稈在拔苗段的最大橫向位移為 9.6 mm，累計(jì)橫向位移為0 mm，理論提升高度為 44 mm。在各氣缸動(dòng)作時(shí)刻方面，將苗夾通氣夾持時(shí)刻設(shè)定在b，斷氣松夾時(shí)刻設(shè)定在e，該位置下瞬時(shí)速度方向接近豎直；苗夾橫向位移氣缸在夾苗狀態(tài)下的伸出通氣時(shí)刻設(shè)定在f，到達(dá)g位置時(shí)完成橫向擴(kuò)張位移，空載狀態(tài)下的收縮通氣時(shí)刻設(shè)定在h，到達(dá)i位置時(shí)完成橫向收攏移動(dòng)，以達(dá)到1.3節(jié)所提出的交替取投苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡要求。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)供苗裝置如圖10所示，其主要由兩側(cè)秧盤輸送機(jī)構(gòu)、交替自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)、分批落苗機(jī)構(gòu)以及安裝機(jī)架等組成。兩側(cè)秧苗輸送機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)秧盤供給，限定秧盤沿既定滑槽路線移動(dòng)，按預(yù)設(shè)移栽機(jī)前進(jìn)方向分為前側(cè)和后側(cè)，其中后側(cè)安裝有電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置。分批落苗機(jī)構(gòu)位于裝置正中間位置，接住交替取投苗機(jī)構(gòu)投放的整排秧苗后，以相同時(shí)間間隔將其落入下方植苗溝槽或栽植裝置中，具體原理可參考圖1b。

圖10 自動(dòng)供苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

交替自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)參照?qǐng)D1進(jìn)行設(shè)計(jì)。氣動(dòng)苗夾總成是該裝置的關(guān)鍵部件，需要在作業(yè)過程中進(jìn)行秧苗夾取與投放、橫向位移破壞秧苗交錯(cuò)，同時(shí)其通過拔苗旋轉(zhuǎn)中心軸安裝在水平連桿上，可通過拔苗氣缸的伸縮實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)拔苗。為提高秧苗夾持穩(wěn)定性，減少夾持過程中苗夾對(duì)秧苗莖稈的損傷[21]，基于EPSMC-MINI-E型氣動(dòng)機(jī)械手對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖11所示。該總成氣動(dòng)機(jī)械手通過輔助夾持塊對(duì)秧苗莖稈進(jìn)行夾持，輔助夾持塊上粘貼有柔性夾持材料，用于增加與秧苗莖稈之間的摩擦力，減少夾持損傷。機(jī)械手通過安裝板安裝在直線導(dǎo)軌滑塊上，且整排氣動(dòng)苗夾之間通過棉線互相連接，可在橫向位移氣缸的牽引下沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)。

圖11 氣動(dòng)苗夾總成結(jié)構(gòu)示意圖

4 樣機(jī)取投苗性能試驗(yàn)

4.1 樣機(jī)研制與育苗

樣機(jī)如圖12所示，外形尺寸(長×寬×高，不含空氣壓縮機(jī)和電器控制元件安裝板)989 mm×429 mm×450 mm，使用24 V直流電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)以及氣動(dòng)控制系統(tǒng)工作。

圖12 自動(dòng)供苗裝置樣機(jī)

氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖13所示，圖中AS為氣源，RV為減壓閥，EV為電磁閥，TV為節(jié)流閥，LMJ為前側(cè)苗夾，LD為前側(cè)頂苗氣缸，LH為前側(cè)橫向位移氣缸，RMJ為后側(cè)苗夾，RD為后側(cè)頂苗氣缸，RH為后側(cè)橫向位移氣缸，BM為拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸。氣源輸出的高壓空氣由氣動(dòng)調(diào)壓閥調(diào)控后輸送至各處氣動(dòng)元件。氣動(dòng)苗夾均由兩位三通閥控制，苗夾夾持力大小由氣動(dòng)減壓閥調(diào)節(jié)氣壓控制。氣缸均由二位五通電磁閥控制，運(yùn)行速度通過節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后氣缸運(yùn)行平穩(wěn)，行程末端無沖擊現(xiàn)象。

圖13 氣動(dòng)元件連接圖

試驗(yàn)用興蔬215辣椒秧苗在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)周邊大棚進(jìn)行培育，育苗時(shí)間2022年6月5日至7月20日，苗齡45 d。育苗基質(zhì)采用袋裝營養(yǎng)土，主要成分為椰糠、泥炭、珍珠巖。隨機(jī)取40株秧苗進(jìn)行物料學(xué)特性試驗(yàn)，測(cè)得秧苗平均高度(不包含缽體)104.3 mm，平均最大葉展幅度82.8 mm，平均質(zhì)量9.3 g。

4.2 試驗(yàn)方案與評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考JB/T 10291—2013《旱地栽植機(jī)械》，高速移栽機(jī)栽植頻率大于或等于90株/(min·行)，結(jié)合實(shí)際栽植需求，分別選取70、80、90、100、110、120株/(min·行)為目標(biāo)栽植頻率T，分組進(jìn)行取投苗性能試驗(yàn)，單次試驗(yàn)從兩邊各取1行秧苗，共計(jì)20株，每組進(jìn)行3次。通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變?nèi)⊥睹缢俾剩D(zhuǎn)速測(cè)量儀器為TA8146A型非接觸式光電轉(zhuǎn)速計(jì)，最低測(cè)量轉(zhuǎn)速2.5 r/min，分辨率0.1 r/min。試驗(yàn)過程如圖14所示。

圖14 交替取投苗機(jī)構(gòu)取投苗試驗(yàn)

試驗(yàn)選取取苗成功率Y1、投苗成功率Y2、總體成功率Y3為取投苗性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。取苗成功率用于衡量機(jī)構(gòu)取苗性能，投苗成功率用于衡量機(jī)構(gòu)對(duì)已成功夾取秧苗的投苗作業(yè)性能，總體成功率則用于衡量機(jī)構(gòu)取投苗作業(yè)性能。取苗、投苗分開計(jì)算的目的是后期判斷栽植頻率對(duì)各作業(yè)階段的影響。

Y1=n2/n1×100%

(27)

Y2=n3/n2×100%

(28)

Y3=n3/n1×100%

(29)

式中n1——單組試驗(yàn)用缽苗總數(shù)，株

n2——取苗成功株數(shù)，株

n3——投苗成功株數(shù)，株

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

取投苗性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 取投苗試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)在T≤100株/(min·行)情況下取苗效果穩(wěn)定，基質(zhì)損失較小，失敗的主要原因是秧苗莖稈偏離秧盤穴中心位置較大，脫離苗爪捕捉范圍。T>100株/(min·行)時(shí)取苗成功率開始下降，失敗的主要原因是受機(jī)構(gòu)急回特性影響機(jī)架變形，苗夾與取苗位置發(fā)生偏移。

(2)在T≤110株/(min·行)情況下投苗效果穩(wěn)定，失敗的主要原因是秧苗下落過程中葉片被苗夾卡住。T>110株/(min·行)時(shí)投苗成功率開始下降，該階段投苗失敗的主要原因是取苗過程中夾持效果較差，移動(dòng)過程中秧苗提前掉落。

(3)T≤100株/(min·行)情況下總體成功率大于85%，處于可靠工作狀態(tài)，T>100株/(min·行)后總體成功率明顯下降，該取投苗方案不再可靠。

5 結(jié)論

(1)基于頂出-夾取結(jié)合式取苗方式，設(shè)計(jì)了一種基于可彎曲秧盤的交替取投苗機(jī)構(gòu)，分析了工作原理，建立了關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和取苗過程力學(xué)模型。

(2)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和虛擬裝配，分析了機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)對(duì)夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，確定了關(guān)鍵參數(shù)取值：驅(qū)動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)速10 r/min，取投苗搖桿長度為309 mm，拔苗驅(qū)動(dòng)氣缸運(yùn)行速度 25 mm/s，0.8 s完成拔苗，伸出時(shí)刻為提前0.4 s。該參數(shù)組合下秧苗夾持點(diǎn)在拔苗段最大橫向位移為9.6 mm，累計(jì)橫向位移為0 mm，理論提升高度為 44 mm，滿足取投苗作業(yè)理論要求。

(3)設(shè)計(jì)了氣動(dòng)系統(tǒng)并研制了樣機(jī)。開展了多取苗頻率下的取投苗性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該取投苗機(jī)構(gòu)在取苗效率100株/(min·行)時(shí)可達(dá)到取苗成功率93%，投苗成功率95%，總體成功率88%，驗(yàn)證了方案可行性。