俞高紅 王系林 劉建剛 葉秉良 李 祥 趙 雄

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310018；3.農(nóng)機(jī)智能控制與制造技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武夷山 354300)

0 引言

機(jī)械移栽可以克服由季節(jié)導(dǎo)致的作物不能連作接茬的問題，育苗移栽技術(shù)有利于緩和季節(jié)對(duì)作物的影響，保證作物生長條件和發(fā)育的一致性，有利于作物的穩(wěn)定生長，提高土地的利用率和復(fù)種指數(shù)[1-2]。由于小青菜種植的行距和株距都比較小，目前沒有適用的自動(dòng)移栽機(jī)，主要依靠人工種植，蔬菜缽苗密植移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)小青菜全自動(dòng)密植移栽的關(guān)鍵，且穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)是自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)的核心部件，因此研制結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定和取推苗精度高的穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)精密移栽的前提[3-6]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)寬行距移栽的取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了諸多研究[7]。CHOI等[8]研發(fā)了一款多連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的滑道式取苗機(jī)構(gòu)，通過搖桿和滑道控制取苗秧針的位置和姿態(tài)，但是該取苗機(jī)構(gòu)取苗效率較低。韓國PARK等[9]研制了一種連桿組合式單臂取苗機(jī)構(gòu)，該取苗機(jī)構(gòu)通過在取苗單臂上安裝夾緊式取苗秧針進(jìn)行取苗，該取苗機(jī)構(gòu)取苗速度慢、效率低，且難以繼續(xù)提高。日本學(xué)者[10-14]利用齒輪系和連桿滑道設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)，但是該移栽機(jī)移栽效率約50株/min，且滑道易磨損。田昆鵬等[15]設(shè)計(jì)了一種曲柄滑槽門形組合取苗機(jī)構(gòu)，該取苗裝置由曲柄門形導(dǎo)桿和軌跡執(zhí)行機(jī)構(gòu)、取苗爪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)組成，取苗速度為40～70 r/min，該取苗爪不能完全夾持缽體，且該機(jī)構(gòu)是凸輪滑機(jī)構(gòu)，不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)。袁挺等[16]設(shè)計(jì)了一種蔬菜移栽機(jī)，采用氣吹振動(dòng)復(fù)合式取苗機(jī)構(gòu)及其配套苗盤進(jìn)行取苗，取苗成功率為92%，存在體積較大和取苗效率較低的問題。廖慶喜等[17]提出了一種油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，取苗效率為400株/min，取苗成功率93.0%，但是該取苗機(jī)構(gòu)存在氣缸運(yùn)動(dòng)沖擊及取苗機(jī)構(gòu)振動(dòng)導(dǎo)致油菜紙缽苗提前滑落問題。俞高紅等[18]提出了一種橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過不完全非圓齒輪間的變速傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)取苗所需的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡，其取苗效率為90株/min，取苗成功率95%，取苗機(jī)構(gòu)中的凹凸鎖齒弧存在一定的沖擊而不利于機(jī)構(gòu)的高速運(yùn)行。葉秉良等[19]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)的偏心齒輪-非圓齒輪行星系自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，取苗效率可以達(dá)到90株/min，取苗成功率95%左右，但是其設(shè)計(jì)過程較為繁瑣。目前學(xué)者對(duì)于蔬菜密植移栽機(jī)方面的研究較少，韓國研制的A5-1200型半自動(dòng)密植移栽機(jī)，移栽作業(yè)行數(shù)為8行，移栽行距為15 cm，株距為10～50 cm，但需要2名投苗手投苗，機(jī)器間歇前進(jìn)，移栽效率較低，只有600株/(行·h)。國內(nèi)滁州禾田農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司研究了一種高密度移栽機(jī)械，適用于人工供苗的半自動(dòng)方式。該移栽機(jī)作業(yè)行數(shù)最大為8行，可根據(jù)移栽要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，行距為150 mm，株距在10～800 mm，由于該移栽機(jī)為人工供苗的半自動(dòng)式移栽機(jī)，需要兩個(gè)人同時(shí)投苗，機(jī)器間歇前進(jìn)，故移栽效率低。

目前學(xué)者們對(duì)寬行距移栽的取苗機(jī)構(gòu)研究較多，但對(duì)于窄行距密植移栽的取苗機(jī)構(gòu)研究則較少，還未見針對(duì)小青菜全自動(dòng)密植移栽的相關(guān)機(jī)具的研究。在理論上可以采用8個(gè)取苗機(jī)構(gòu)緊湊布置并且同時(shí)取苗實(shí)現(xiàn)8行取苗，但是由于空間的限制，8個(gè)取苗機(jī)構(gòu)緊湊布置無法實(shí)現(xiàn)窄行距多行密植移栽，此外，8個(gè)取苗機(jī)構(gòu)同時(shí)使用的移栽機(jī)質(zhì)量過大、成本也過高。

因此，本文提出一種適合密植移栽的8行同步取苗非圓齒輪行星輪系取苗機(jī)構(gòu)，同時(shí)開展取苗機(jī)構(gòu)的取苗爪設(shè)計(jì)和大重合度非圓齒輪的齒廓設(shè)計(jì)。根據(jù)密植移栽要求設(shè)計(jì)適合密植移栽的取苗軌跡，利用B樣條曲線對(duì)取苗軌跡進(jìn)行擬合，基于取苗軌跡對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，開發(fā)密植移栽取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件完成取苗機(jī)構(gòu)的仿真分析，試制取苗機(jī)構(gòu)的樣機(jī)，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 密植移栽多行取苗機(jī)構(gòu)方案與工作原理

小青菜一般采用密植移栽，要求栽植缽苗的行距和株距為10～12 cm，密植數(shù)量為80株/m2。在設(shè)計(jì)方案中，秧箱上并排放置兩個(gè)穴盤，兩個(gè)穴盤橫向距離為124 mm；所用穴盤為128穴，每行有8個(gè)穴，每列有16個(gè)穴。取苗機(jī)構(gòu)的推苗角盡可能接近90°左右，以使缽苗盡可能接近直立狀態(tài)推出，利于與其配套的植苗機(jī)具的接苗環(huán)節(jié)；秧箱上的穴盤一般與水平方向呈50°左右，從取苗到推苗位置，缽苗應(yīng)該轉(zhuǎn)過秧箱的安裝角度(50°左右)，因此推苗角和取苗角之間的角度差控制在50°左右；由于缽穴深度為44 mm，根據(jù)前期所設(shè)計(jì)的取苗機(jī)構(gòu)的取苗試驗(yàn)可知[18]，秧針進(jìn)入缽穴的深度需為35 mm左右，以保證缽苗能順利從缽穴中夾取出來；為避免取苗機(jī)構(gòu)的秧針進(jìn)出缽穴時(shí)和穴盆發(fā)生干涉，取苗軌跡中入缽段軌跡應(yīng)為65 mm左右的近似直線段。

如圖1所示，該取苗機(jī)構(gòu)由兩套對(duì)稱的齒輪箱(Ⅰ和Ⅱ)和兩套夾苗部件(Ⅲ和Ⅳ)組成，齒輪箱為取苗機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分，通過法蘭固定在機(jī)架上。齒輪箱的單側(cè)各連接一套夾苗部件，每套夾苗部件由2個(gè)移栽臂、8套取苗爪(每套取苗爪包括2片秧針、2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)銷和1個(gè)推苗爪，其中，秧針長為 80 mm、寬為10 mm、厚度為1.2 mm)、1塊秧針安裝板和1塊推苗板組成。兩側(cè)齒輪箱采用錐齒輪作為動(dòng)力傳輸裝置以驅(qū)動(dòng)兩側(cè)齒輪箱同步旋轉(zhuǎn)，保證兩側(cè)移栽臂運(yùn)動(dòng)的同步性，從而使固定于兩側(cè)移栽臂上的夾苗部件的8套取苗爪同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同步取苗。取苗機(jī)構(gòu)工作時(shí)，動(dòng)力同時(shí)帶動(dòng)左右兩側(cè)的齒輪箱旋轉(zhuǎn)，齒輪箱內(nèi)部的齒輪嚙合傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)夾苗部件按特定軌跡運(yùn)動(dòng)；張開狀態(tài)的取苗爪以合理的取苗角進(jìn)入缽穴，8套取苗爪進(jìn)入到缽穴一定深度后同時(shí)夾緊缽苗的土缽；隨后，夾苗部件夾著土缽快速離開缽穴，夾持到相應(yīng)位置后完成推苗動(dòng)作。取苗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，取完兩個(gè)穴盤中同一行的所有缽苗，當(dāng)取完一行缽苗后，縱向送秧裝置自動(dòng)縱向送苗一次，取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一周期的取苗工作。

圖1 取苗機(jī)構(gòu)整體方案Fig.1 Seedling picking mechanism scheme1.法蘭 2.取苗凸輪 3.移栽臂 4.推苗板 5.秧針安裝板 6.轉(zhuǎn)動(dòng)銷 7.秧針 8.推苗爪 Ⅰ、Ⅱ.齒輪箱 Ⅲ、Ⅳ.夾苗部件

2 密植移栽取苗軌跡設(shè)計(jì)

取苗機(jī)構(gòu)的取苗軌跡是自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。取苗機(jī)構(gòu)的取苗過程主要分為以下階段(圖2)：A-C和C-G為取苗階段的秧針尖點(diǎn)軌跡，秧針沿A-C段軌跡進(jìn)入穴盤后夾緊土缽，秧針夾持土缽沿著C-G段軌跡夾出缽苗；G-D段軌跡為持苗階段軌跡，缽苗沿著G-D段軌跡被夾持到推苗位置點(diǎn)；D-E段軌跡為推苗階段軌跡，秧針上的缽苗在推苗爪的推動(dòng)下在點(diǎn)E之前被推入植苗機(jī)構(gòu)中；E-A段軌跡為回程階段軌跡，秧針保持最大張開狀態(tài)沿E-A段軌跡快速回到最初的取苗位置，重復(fù)下一次的取苗動(dòng)作。

圖2 取苗軌跡示意圖Fig.2 Schematic of seedling taking track1.缽穴 2.缽苗 3.移栽臂 4.取苗爪

為滿足密植移栽取苗機(jī)構(gòu)的取苗要求，其取苗軌跡的設(shè)計(jì)(秧針尖點(diǎn)軌跡)需要達(dá)到取苗軌跡設(shè)計(jì)目標(biāo)[18]，如表1所示。

表1 取苗軌跡設(shè)計(jì)目標(biāo)Tab.1 Design objectives of seedling picking trajectory

據(jù)此設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)了一個(gè)滿足密植移栽要求的取苗軌跡，如圖3所示。為了設(shè)計(jì)理想的密植移栽取苗機(jī)構(gòu)，本文基于Matlab軟件開發(fā)密植移栽取苗機(jī)構(gòu)的反求設(shè)計(jì)平臺(tái)。采用三次非均勻B樣條曲線對(duì)密植移栽取苗軌跡進(jìn)行擬合，通過改變角位移曲線上控制點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)取苗軌跡的調(diào)整[20]。利用型值點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)矢量U∈(u0,u1,…,un+k+1)，再反求B樣條曲線控制點(diǎn)，最終利用控制點(diǎn)計(jì)算出取苗軌跡上任意數(shù)據(jù)點(diǎn)。型值點(diǎn)的選取影響著軌跡的擬合效果，是軌跡擬合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。取苗軌跡的取苗和推苗階段至關(guān)重要，且機(jī)構(gòu)回程階段為凹凸鎖止弧傳動(dòng)，故應(yīng)選取更貼近取苗和推苗階段對(duì)應(yīng)軌跡的型值點(diǎn)。本文選擇的25個(gè)型值點(diǎn)如圖3所示，其中型值點(diǎn)1～9為控制秧針入缽段需要調(diào)整的軌跡，型值點(diǎn)9～13為控制秧針出缽段軌跡，型值點(diǎn)18～25為控制推苗段軌跡。

圖3 取苗軌跡型值點(diǎn)及其取苗段軌跡Fig.3 Value point of seedling taking trajectory type and its seedling taking segment trajectory

將B樣條曲線上選取的25個(gè)型值點(diǎn)qi(i=0,1,…，m)代入B樣條曲線的數(shù)學(xué)模型[21]，可得公式

(1)

式中dj(j=0,1,…,n)為曲線的控制點(diǎn)，Ni,k(u)(i=0,1,…,n)為三次B樣條基函數(shù)，且u∈[ui,ui+1]?[u3,un+1]，對(duì)公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終得到三次非均勻B樣條曲線控制點(diǎn)的矩陣形式為[22-24]

(2)

其中

(3)

式中Δi=μi+1-μi，綜合公式(2)、(3)和25個(gè)型值點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即可求解出本次擬合軌跡上的所有控制點(diǎn)。

3 密植移栽取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖4為單側(cè)取苗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。L1為太陽輪回轉(zhuǎn)中心O與行星斜齒輪回轉(zhuǎn)中心O1距離，L2為行星斜齒輪回轉(zhuǎn)中心O1與移栽臂尖點(diǎn)S距離，L3為太陽輪回轉(zhuǎn)中心O與移栽臂尖點(diǎn)S距離。

圖4 單側(cè)取苗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(初始位置圖)Fig.4 Schematic of single side seedling taking mechanism1.太陽輪 2.凸鎖齒弧 3.凹鎖齒弧 4.中間非圓齒輪 5.中間斜齒輪 6.行星斜齒輪 7.取苗臂 8.行星架

對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。點(diǎn)M1位移方程為

(4)

其中

Y1=β1+φ50+φ5

式中β1——太陽輪回轉(zhuǎn)中心和中間輪回轉(zhuǎn)中心連線與太陽輪回轉(zhuǎn)中心和行星輪回轉(zhuǎn)中心連線的夾角

φ5——太陽輪回轉(zhuǎn)中心和行星輪回轉(zhuǎn)中心連線與x軸正方向的夾角

φ50——取苗機(jī)構(gòu)處于初始位置時(shí)φ5的角位移

a1——第一級(jí)中心距

點(diǎn)O1位移方程為

(5)

其中

W1=β1+φ50+π-γ+φ5

式中γ——太陽輪回轉(zhuǎn)中心和中間輪回轉(zhuǎn)中心連線與中間輪回轉(zhuǎn)中心和行量輪回轉(zhuǎn)中心連線的夾角點(diǎn)S位移方程為

(6)

其中Z1=β1+φ50+π-γ+φ5+φ3

式中φ3——行星斜齒輪相對(duì)行星架轉(zhuǎn)過的角位移

對(duì)式(4)～(6)求一階導(dǎo)數(shù)可求得點(diǎn)M1、O1、S的速度表達(dá)式

(7)

(8)

(9)

3.2 取苗機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)總傳動(dòng)比計(jì)算

如圖4所示，取苗機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)時(shí)，行星架繞著回轉(zhuǎn)中心O以角速度ω逆時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)，移栽臂秧針尖點(diǎn)S至回轉(zhuǎn)中心的距離L3計(jì)算公式為

(10)

取苗機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)過程L3的長度變化分為：當(dāng)移栽臂秧針尖點(diǎn)S由初始位置運(yùn)動(dòng)到取苗軌跡最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，φ6=0，φ1=π，Max(L3)=L1+L2，式中φ6為太陽輪回轉(zhuǎn)中心和移栽臂秧針尖點(diǎn)連線與太陽輪回轉(zhuǎn)中心和行星輪回轉(zhuǎn)中心連線的夾角，φ1為太陽輪回轉(zhuǎn)中心和行星輪回轉(zhuǎn)中心連線與行星輪回轉(zhuǎn)中心和移栽臂秧針尖點(diǎn)連線的夾角，當(dāng)移栽臂秧針尖點(diǎn)S再由取苗軌跡最遠(yuǎn)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到取苗軌跡最近點(diǎn)時(shí)，φ6=φ5-φ4=π，φ1=2π，Min(L3)=L2-L1，式中φ4為太陽輪回轉(zhuǎn)中心和移栽臂秧針尖點(diǎn)連線與x軸正方向的夾角，移栽臂秧針尖點(diǎn)S再從軌跡最近點(diǎn)回到初始點(diǎn)位置。

根據(jù)公式(10)及L3最大值和最小值，可得桿長度L1和L2分別為

(11)

移栽臂秧針尖點(diǎn)S回轉(zhuǎn)過程中φ6和φ1角度變化關(guān)系

(12)

其中

(13)

其中

式中L30表示初始位置時(shí)L3的長度，由圖4可知，φ5=φ6+φ4，當(dāng)移栽臂秧針尖點(diǎn)S在第三象限時(shí)，φ4=arctan(yS/xS)-π，在其他象限時(shí)，φ4=arctan(yS/xS)。由于二級(jí)傳動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)圓斜齒輪傳動(dòng)，所以機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比實(shí)際為一級(jí)非圓齒輪傳動(dòng)比，即總傳動(dòng)比iZ=dφ5/dφ1?？倐鲃?dòng)比曲線如圖5所示，其中β2表示非圓齒輪在凹凸鎖齒弧作用時(shí)其傳動(dòng)比為無窮大。

圖5 總傳動(dòng)比曲線Fig.5 Total transmission ratio curve

3.3 取苗機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)中心距確定

提高齒輪嚙合重合度可以減小齒輪傳動(dòng)誤差。假設(shè)第一級(jí)中心距為a1和第二級(jí)中心距為a2，保證第二級(jí)斜齒輪傳動(dòng)重合度為2左右的情況下，先確定第二級(jí)中心距a2，再通過a2和總傳動(dòng)比iZ計(jì)算出第一級(jí)中心距a1。根據(jù)圖4單側(cè)取苗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，a1、a2和L1之間存在三角形關(guān)系，關(guān)系簡(jiǎn)圖如圖6所示。由于在調(diào)整取苗軌跡的過程中，軌跡最遠(yuǎn)點(diǎn)和最近點(diǎn)固定不變，由公式(5)、(6)分別計(jì)算出L1=93.337 7 mm,L2=163 mm。由圖6可知，L1為定值時(shí)，a1和a2及行星架拐角γ(a1和a2的夾角)有多種組合。確定三者數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)滿足：取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)大小適宜，即a1和a2取值不宜過大，夾角γ取值不能太??；由于第一級(jí)傳動(dòng)比為總傳動(dòng)比，a1應(yīng)比a2大，如果a1比a2小，會(huì)出現(xiàn)非圓齒輪節(jié)曲線偏小，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的非圓齒輪易產(chǎn)生根切。

圖6 兩級(jí)中心距方案示意圖Fig.6 Schematic of two-stage center distance scheme

根據(jù)上述分析可知，選取a1、a2和拐角γ的數(shù)值時(shí)，先確定斜齒輪參數(shù)，通過斜齒輪參數(shù)計(jì)算出重合度[25]，再根據(jù)總傳動(dòng)比計(jì)算出a2的值。取斜齒輪法向模數(shù)mn=2 mm，螺旋角β取值范圍為8°～20°，取齒數(shù)z1=21，齒數(shù)z2=21，由于取苗機(jī)構(gòu)的齒輪箱箱體寬度不宜過大，齒寬B取9 mm。齒寬B和法向模數(shù)mn不變，選取螺旋角和齒數(shù)計(jì)算重合度，最終確定了斜齒輪參數(shù)并計(jì)算得到傳動(dòng)重合度ε=1.935 8，符合設(shè)計(jì)要求。因此得到行星輪系第二級(jí)斜齒輪傳動(dòng)的中心距為

a2=mn(z1+z2)/cosβ=44.6 mm

(14)

由于桿Ⅰ長度L1和第二級(jí)中心距a2已知，再給定行星架拐角γ=150°，則可計(jì)算出第一級(jí)中心距a1為

(15)

其中U1=π-β1-γβ1=arcsin(a2sinγ/L1)

3.4 非圓齒輪設(shè)計(jì)

如圖4所示，為了設(shè)計(jì)一級(jí)傳動(dòng)非圓齒輪的節(jié)曲線，假設(shè)太陽輪向徑R1、第一中間非圓齒輪向徑R2和第一級(jí)傳動(dòng)比i1三者存在以下關(guān)系：R1=a1-R2和R2=a1i1/(1+i1)。即太陽輪節(jié)曲線坐標(biāo)為

(16)

(17)

式中φ2——中間輪相對(duì)行星架轉(zhuǎn)過的角位移

x1、y1——太陽輪節(jié)曲線橫、縱坐標(biāo)

x2、y2——第一中間非圓齒輪節(jié)曲線橫、縱坐標(biāo)

3.5 取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

為了便于取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本文基于Matlab開發(fā)密植式移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)反求設(shè)計(jì)平臺(tái)，反求設(shè)計(jì)平臺(tái)界面如圖7所示。反求設(shè)計(jì)平臺(tái)導(dǎo)入取苗軌跡的25個(gè)數(shù)據(jù)型值點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)以下功能：反求取苗機(jī)構(gòu)的各級(jí)傳動(dòng)比；計(jì)算一級(jí)非圓齒輪節(jié)曲線及二級(jí)傳動(dòng)節(jié)曲線及精確的取苗軌跡；取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬和測(cè)量；取苗機(jī)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)。

圖7 反求設(shè)計(jì)平臺(tái)界面Fig.7 Reverse design platform

本文基于圖3取苗軌跡，應(yīng)用自主開發(fā)的設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行行星輪系取苗機(jī)構(gòu)的反求設(shè)計(jì)，由圖3理論取苗軌跡和圖7反求設(shè)計(jì)平臺(tái)所求得的取苗軌跡可知，通過反求設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)的取苗機(jī)構(gòu)的取苗軌跡接近于理論取苗軌跡，其最終設(shè)計(jì)的一、二級(jí)齒輪節(jié)曲線和對(duì)應(yīng)的取苗軌跡如圖8所示，具體設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)對(duì)比如表2所示，最終設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 最終設(shè)計(jì)的齒輪節(jié)曲線和對(duì)應(yīng)的取苗軌跡Fig.8 Final designed gear pitch curve and corresponding seedling taking track1.太陽輪 2.凸鎖止弧 3.凹鎖止弧 4.第一中間非圓齒輪 5、6.斜齒輪

表2 取苗機(jī)構(gòu)反求設(shè)計(jì)結(jié)果和設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison between design results and design goals of seedling taking mechanism

4 密植移栽取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 大重合度非圓齒輪設(shè)計(jì)

通過增大齒頂高系數(shù)提高取苗機(jī)構(gòu)一級(jí)傳動(dòng)非圓齒輪的重合度，根據(jù)非圓齒輪節(jié)曲線的曲率半徑及齒頂高系數(shù)，可計(jì)算非圓齒輪不同齒頂高系數(shù)的重合度ε[26]

(18)

其中

(19)

(20)

式中α0——嚙合線與節(jié)曲線在嚙合點(diǎn)切線之間的夾角

ρ1、ρ2——節(jié)曲線在嚙合點(diǎn)處的曲率半徑

α——非圓齒輪節(jié)曲線壓力角

ha1、ha2——齒輪1和2的齒頂高系數(shù)

m——非圓齒輪模數(shù)

不同齒頂高系數(shù)的非圓齒輪重合度曲線如圖9所示。本文最終采用1.2的齒頂高系數(shù)對(duì)非圓齒輪進(jìn)行大重合度設(shè)計(jì)。

圖9 非圓齒輪重合度變化曲線Fig.9 Variation curves of coincidence degree of non-circular gear

非圓齒輪重合度受齒頂高系數(shù)及模數(shù)影響，圖9a為非圓齒輪模數(shù)m=2 mm時(shí)齒頂高系數(shù)對(duì)其重合度的影響，由此可知，非圓齒輪的重合度隨著齒頂高系數(shù)的增大而增大。圖9b為非圓齒輪齒頂高系數(shù)ha1=1.2時(shí)模數(shù)對(duì)其重合度的影響，由重合度變化曲線可知，非圓齒輪的重合度隨齒高系數(shù)的增大而增大，非圓齒輪重合度隨模數(shù)的增大而減小。

圖10 最終設(shè)計(jì)的齒輪結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Gear structure drawings of final design

4.2 取苗機(jī)構(gòu)夾苗部件和試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

如圖11所示，八行密植移栽取苗機(jī)構(gòu)的秧針通過秧針安裝板安裝在取苗臂盒體和推苗爪上，而推苗爪通過推苗板安裝在取苗臂推苗桿上，實(shí)現(xiàn)八行同時(shí)取苗和推苗動(dòng)作的一致性，最終實(shí)現(xiàn)密植移栽取苗機(jī)構(gòu)八行同步取苗功能。

圖11 密植移栽取苗爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.11 Structure of claw for seedling taking in close planting and transplanting1.取苗臂 2.固定板 3.推苗板 4.推苗桿

根據(jù)秧箱及八行密植移栽機(jī)構(gòu)的工作原理設(shè)計(jì)了如圖12所示的試驗(yàn)臺(tái)模型。秧箱上并排放置兩個(gè)秧盤，兩個(gè)秧盤橫向距離為124 mm。所用穴盤為128穴，每行有8個(gè)穴，每列有16個(gè)穴，取苗機(jī)構(gòu)要求從兩個(gè)秧盤中同時(shí)取苗，每隔一個(gè)缽穴夾一株缽苗，一次夾取8株缽苗，取苗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，取完兩個(gè)穴盤中同一行的所有缽苗，當(dāng)取完一行缽苗后，縱向送秧裝置自動(dòng)縱向送苗一次，取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一周期的取苗工作。

圖12 密植移栽取苗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)模型Fig.12 Test bench model of seedling picking mechanism for close planting and transplanting1.秧箱 2.傳動(dòng)箱 3.取苗機(jī)構(gòu) 4.錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.電機(jī)

5 密植移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)仿真與試驗(yàn)

5.1 取苗機(jī)構(gòu)仿真分析

基于Adams仿真軟件對(duì)八行取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，設(shè)置行星架的旋轉(zhuǎn)速度為360(°)/s，得出取苗機(jī)構(gòu)秧針尖點(diǎn)Q的x、y方向位移曲線和x、y方向速度曲線，取苗機(jī)構(gòu)秧針尖點(diǎn)Q的理論位移和速度曲線如圖13所示。

圖13 秧針尖點(diǎn)Q運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對(duì)比Fig.13 Comparison of Q kinematic parameters of seedling needle tip

由圖13可知，取苗機(jī)構(gòu)秧針尖點(diǎn)Q的位移和速度曲線基本一致，驗(yàn)證了八行取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

5.2 取苗機(jī)構(gòu)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)

本文根據(jù)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)量取苗機(jī)構(gòu)的取苗角和推苗角，圖14a、14b所示分別為測(cè)量取苗角和推苗角?；贏DAMS軟件對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真，得出取苗機(jī)構(gòu)的取苗軌跡仿真值如圖15b所示。基于高速攝像技術(shù)測(cè)量的取苗軌跡試驗(yàn)值如圖15c所示。

圖14 取苗機(jī)構(gòu)取苗角和推苗角的測(cè)量Fig.14 Measurement of seedling taking angle and seedling pushing angle of seedling taking mechanism

圖15 軌跡對(duì)照Fig.15 Track comparison

取苗角和推苗角的理論數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。取苗角測(cè)量值比理論值大0.24°，推苗角測(cè)量值比理論值大0.06°，二者角度差相差0.18°。從對(duì)比結(jié)果知，測(cè)量值和理論值接近，驗(yàn)證了取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

表3 理論數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of theoretical data and measured data (°)

基于高速攝像技術(shù)描繪出如圖15c所示的取苗軌跡試驗(yàn)值，對(duì)比圖15a、15b可知，三者軌跡基本一致，驗(yàn)證了密植式取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

5.3 取苗機(jī)構(gòu)取苗試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所用幼苗為西蘭花缽苗，如圖16所示，缽苗根系較少、缽苗高度為80～100 mm、單株缽苗有4～5片葉子，所用培養(yǎng)基質(zhì)由草灰、蛭石及珍珠巖等材料組成，基質(zhì)含水率為45%左右，土缽的上端面和秧盤上端表面存在5～10 mm的距離，缽苗培育周期為30 d左右。

圖16 西蘭花缽苗Fig.16 Broccoli pot seedling

對(duì)密植移栽的取苗機(jī)構(gòu)開展不同轉(zhuǎn)速的取苗試驗(yàn)。圖17所示為取苗機(jī)構(gòu)不同位置取苗姿態(tài)圖。表4所示為轉(zhuǎn)速20、25、30 r/min下取苗機(jī)構(gòu)的取苗成功數(shù)和成功率。

圖17 取苗機(jī)構(gòu)不同位置取苗姿態(tài)圖Fig.17 Seedling taking posture at different positions of seedling taking mechanism

由表4可知，不同轉(zhuǎn)速下的取苗成功率都在95%左右，而取苗試驗(yàn)中取苗和推苗失敗原因主要有：①缽苗從其他秧盤移植進(jìn)試驗(yàn)用的秧盤中，基質(zhì)沒有填滿缽穴，土缽上端面和秧盤上端表面還有5～10 mm的距離，導(dǎo)致秧針在理論取苗深度時(shí)，夾住土缽的部分偏少，不能完全夾出缽苗或持苗過程脫落。②部分缽苗根系較少，不能形成規(guī)則的土缽，秧針只能夾住部分基質(zhì)。③帶苗現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，秧盤上一行中的缽苗莖葉被秧針夾住或莖葉纏繞在土缽上，導(dǎo)致下次取苗時(shí)出現(xiàn)空穴現(xiàn)象。④夾苗部件夾緊力不夠，取苗機(jī)構(gòu)要同時(shí)夾住8株土缽，而缽苗所受到的夾緊力僅靠移栽臂內(nèi)部的壓簧提供，導(dǎo)致出現(xiàn)土缽無法被夾出或在夾持中脫落。⑤缽苗上的莖葉會(huì)與秧盤上的壓盤鐵絲纏繞，導(dǎo)致出現(xiàn)缽苗被夾出缽穴后懸掛在秧盤上的現(xiàn)象。總之，該密植式移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下的取苗成功率達(dá)到95%左右，在可行性和實(shí)用性等方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Test data

6 結(jié)論

(1)根據(jù)小青菜缽苗密植移栽農(nóng)藝要求，提出了一種大重合度非圓齒輪行星輪系八行取苗機(jī)構(gòu)。依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和取苗要求對(duì)取苗軌跡進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，并采用B樣條曲線擬合取苗軌跡，設(shè)計(jì)了適合小青菜密植移栽的取苗軌跡，開發(fā)取苗機(jī)構(gòu)的逆求設(shè)計(jì)軟件。

(2)取苗機(jī)構(gòu)采用非圓不完全齒輪行星輪系進(jìn)行傳動(dòng)，行星輪系一級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用大重合度的非圓齒輪傳動(dòng)，二級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用斜齒輪傳動(dòng)，兩級(jí)齒輪傳動(dòng)的重合度均接近2，降低因齒輪間的齒側(cè)間隙引起的傳動(dòng)誤差，提高了齒輪傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性。

(3)基于高速攝像技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行取苗軌跡試驗(yàn)并與理論軌跡進(jìn)行對(duì)比，三者軌跡一致驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行取苗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得出在3種不同轉(zhuǎn)速下，取苗機(jī)構(gòu)的取苗成功率都在95%左右，進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)密植移栽取苗機(jī)構(gòu)的實(shí)用可行性。