陳 錦，崔 巍，劉云強(qiáng)，劉立晶，劉芳建，孔德航，張學(xué)東

（1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083；2.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

蔬菜是人們生活必不可缺少的食物，富含多種營養(yǎng)素，是無機(jī)鹽和維生素的主要來源。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021 年全國蔬菜產(chǎn)量為7.75 億t，播種面積為2 198.571 萬hm2，蔬菜出口數(shù)量為899 萬t，蔬菜出口金額為122.9 億美元。

育苗移栽對作物抗御干旱、寒冷、病蟲害，縮短田間生長期，提高單位面積產(chǎn)量，發(fā)展高產(chǎn)、高效農(nóng)業(yè)具有重要意義，在中國特別是北方寒地的蔬菜生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[1-2]。

發(fā)達(dá)國家對旱地移栽機(jī)的研究起步較早，在20 世紀(jì)早期歐洲一些國家開始研究適用于作物移栽的機(jī)械，50 年代研制出多種不同結(jié)構(gòu)形式的半自動(dòng)移栽機(jī)和簡易制缽機(jī)，80 年代半自動(dòng)移栽機(jī)已經(jīng)在生產(chǎn)中廣泛使用，這些機(jī)型比較成熟，工作可靠性好，推廣應(yīng)用較為廣泛[3]。但目前歐美主要農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的全自動(dòng)移栽機(jī)多適用于大地塊作業(yè)，配備復(fù)雜的機(jī)電液氣系統(tǒng)，價(jià)格昂貴，維修成本高[4]。

目前自動(dòng)移栽機(jī)取苗方式主要包括頂出式、夾取式和直落式等，其實(shí)現(xiàn)形式有機(jī)械式、氣動(dòng)式和機(jī)電一體化式等多種方案[1,5-6]。文永雙等[7]設(shè)計(jì)了一種插入頂出式取苗裝置，對缽苗拋出后的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和受力分析，并對該結(jié)構(gòu)的送盤機(jī)構(gòu)和取苗裝置進(jìn)行了受力分析和參數(shù)優(yōu)化。武東東[8]對草莓定向移栽機(jī)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，確定了分苗過程中最佳落苗點(diǎn)，對不同栽植頻率下分苗過程中缽體破碎率和翻轉(zhuǎn)角度進(jìn)行了仿真分析，并試制了物理樣機(jī)，進(jìn)行了田間試驗(yàn)。馮天翔[9]對現(xiàn)有移栽手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對紅掌缽苗基質(zhì)物理及力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行測量，采用不同斜插方式進(jìn)行夾苗，利用EDEM 軟件進(jìn)行了仿真，分析了不同的插入角度、深度和插入點(diǎn)的位置對于基質(zhì)破損情況的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。姚穎杰[10]采用有限元分析軟件ANSYS/FLUENT 和ANSYS/LSDYNA 相結(jié)合的方式，模擬了水稻拋秧過程中缽苗運(yùn)動(dòng)情況，并通過高速攝影試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。目前國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中在取苗方式和取苗過程方面，對于取苗速度和缽苗運(yùn)動(dòng)理論分析方面研究比較少，有必要開展相關(guān)研究[11-14]。

頂出式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、取苗效率高，但由于缽苗與穴盤黏結(jié)力不同，存在落苗軌跡不可控、落苗位置一致性差等問題。針對上述問題，設(shè)計(jì)一種移栽機(jī)取苗裝置頂出機(jī)構(gòu)，通過對取苗頂桿和缽苗進(jìn)行靜力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為取苗裝置和控制邏輯設(shè)計(jì)提供理論支撐，并進(jìn)行取苗試驗(yàn)，以期為取苗裝置頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 取苗裝置

1.1 總體結(jié)構(gòu)

取苗裝置由同步帶、導(dǎo)向桿、同步帶輪、導(dǎo)苗盤側(cè)板、限位塊、水平傳送帶、張緊輪、底板、頂出機(jī)構(gòu)和導(dǎo)苗筒等組成，如圖1 所示。其中，頂出機(jī)構(gòu)是取苗裝置的核心部分，進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

圖1 取苗裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of seedling retrieval device

1.2 工作原理

人工將苗盤放置在同步帶的上端，通過同步帶和中間的導(dǎo)向桿進(jìn)行初步定位，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪進(jìn)行苗盤的間歇移動(dòng)，待苗盤運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)觸發(fā)限位開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)停止動(dòng)作，取苗頂桿進(jìn)行缽苗頂出，導(dǎo)苗盤側(cè)板進(jìn)行苗盤限位，防止苗盤因頂苗運(yùn)動(dòng)影響位置不準(zhǔn)確，取苗頂桿設(shè)置在底板背面，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)軌中做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，將缽苗頂出至水平傳送帶上，水平傳送帶通過間歇進(jìn)給，將缽苗逐個(gè)送至導(dǎo)苗筒中。其中缽苗通過頂出機(jī)構(gòu)從穴盤中取出，頂出機(jī)構(gòu)性能好壞直接決定缽苗破碎率及取苗合格率等各項(xiàng)指標(biāo)，故對頂出機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 基質(zhì)頂出力測定

基質(zhì)與穴盤之間存在一定的黏結(jié)力，頂出式取苗裝置需要克服該黏結(jié)力和自身重力將缽苗頂出至輸送帶上，故進(jìn)行缽苗頂出力的測定，為后續(xù)取苗裝置設(shè)計(jì)提供參考。

試驗(yàn)選用西紅柿苗作為試驗(yàn)用苗，測力計(jì)選用艾德堡推拉力計(jì)，測力模式采用峰值力。頂出力測試過程如圖2 所示。試驗(yàn)前將缽苗間隔1 d 進(jìn)行澆水，使用快速水分測量儀對缽苗含水率進(jìn)行測量，以測試?yán)徝缭诓煌氏碌捻敵隽?。試?yàn)時(shí)將苗盤保持傾斜放置，使用6 mm 頂桿將缽苗緩慢頂出，保持勻速，以降低加速度對頂出力的影響，重復(fù)試驗(yàn)10 次，取平均值，測量結(jié)果如表1 所示，由測量結(jié)果可得，各組缽苗的頂出力平均值為 2.10～3.25 N。

表1 頂出力測量結(jié)果Tab.1 Results of ejection force measurement

圖2 頂出力測試過程Fig.2 Ejection force test process

3 取苗頂桿靜力學(xué)及速度分析

頂出機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌、取苗頂桿、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)和固定架等組成，如圖3 所示。頂苗過程中，步進(jìn)電機(jī)通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)取苗頂桿進(jìn)行頂出運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)方向安裝固定導(dǎo)軌，對取苗頂桿運(yùn)動(dòng)方向加以限制。

圖3 頂出機(jī)構(gòu)三維圖Fig.3 3D diagram of seedling harvesting mechanism

3.1 靜力學(xué)分析

由于取苗裝置結(jié)構(gòu)較為緊湊，對安裝空間及精度要求較高，采用3D 打印進(jìn)行取苗頂桿的制造。為保證取苗頂桿符合工作要求，采用ANSYS 對該組件進(jìn)行靜力學(xué)分析，以確保其可靠性。

采用ANSYS 中的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行分析，頂桿材料選用樹脂，密度為1.117 g/cm3，剪切模量為1 GPa，泊松比為0.32，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，單元尺寸為3 mm，最大尺寸為5 mm。通過前期對頂出力的實(shí)際測量，選取頂出力峰值F=6 N 作為每個(gè)端部的作用力，作用面積選擇頂桿橫截面，選取螺栓和軸承孔作為固定位置。通過圖4 仿真結(jié)果可知，最大應(yīng)力點(diǎn)集中在兩側(cè)彎曲處，最大應(yīng)力為4.9 MPa，符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖4 取苗頂桿靜力學(xué)分析Fig.4 Static analysis of ejector rod assembly

3.2 取苗頂桿速度分析

取苗頂桿運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為1 m/s。在ADAMS 中進(jìn)行建模，定義運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)方式，對取苗頂桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在后處理中得到其速度與加速度曲線，如圖5所示。

圖5 速度與加速度曲線Fig.5 Velocity and acceleration curve

由圖5 可知，取苗頂桿運(yùn)動(dòng)過程分為加速和減速兩個(gè)階段。對頂苗過程進(jìn)行分析，當(dāng)處于加速階段時(shí)，取苗頂桿將缽苗頂出瞬間，容易插進(jìn)缽苗基質(zhì)中，造成缽苗與取苗頂桿分離困難，收回時(shí)易發(fā)生缽苗重新被帶回穴盤的現(xiàn)象，使缽苗無法準(zhǔn)確落到傳送帶上，造成取苗失??；當(dāng)處于減速階段時(shí)，取苗效果較好，但為精簡機(jī)構(gòu)尺寸，使取苗頂桿運(yùn)動(dòng)行程盡可能利用完全，選擇運(yùn)動(dòng)過程中最大速度時(shí)進(jìn)行頂苗最為合理。

4 取苗裝置控制邏輯設(shè)計(jì)

全自動(dòng)移栽機(jī)工作時(shí)，水平傳送帶需持續(xù)工作，故需確保水平傳送帶上缽苗連續(xù)不間斷且每個(gè)格子中只有一個(gè)。為保證栽植過程中不出現(xiàn)漏苗情況，需精確計(jì)算缽苗在頂出過程中所需要時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算傳送帶的提前量，以此確保缽苗的連續(xù)性，為控制邏輯設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

4.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在頂出過程中，缽苗基質(zhì)受頂出機(jī)構(gòu)作用，經(jīng)過短暫加速運(yùn)動(dòng)，獲得一定初速度。通過前期對苗冠下垂量測量可得，苗冠平均下垂量約為5 cm，經(jīng)過計(jì)算，將h設(shè)置為8 cm 可確保水平傳送帶在工作時(shí)不會對苗冠造成損傷，苗盤傾斜角度為45°。

當(dāng)缽苗進(jìn)行斜拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂出速度為v1，可以分解為水平和豎直兩個(gè)方向的分運(yùn)動(dòng)，其中水平方向進(jìn)行初速度為vx的勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向進(jìn)行初速度為vy的豎直上拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)示意如圖6 所示，斜拋運(yùn)動(dòng)時(shí)間t和水平運(yùn)動(dòng)距離x可由式（1）獲得。

圖6 缽苗運(yùn)動(dòng)Fig.6 Pot seedling movement

經(jīng)過計(jì)算，缽苗的水平距離x=5.3 cm。

缽苗在頂出和飛行過程中均需一定時(shí)間，并且水平傳送帶處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故頂出機(jī)構(gòu)需設(shè)定提前動(dòng)作時(shí)間來確保缽苗下落位置的準(zhǔn)確。缽苗頂出過程總時(shí)間為t，v2為水平傳送帶運(yùn)動(dòng)速度，總時(shí)間應(yīng)與傳送帶提前動(dòng)作時(shí)間相同，速度配比示意如圖7 所示，因此傳送帶提前量x1為

圖7 速度配比Fig.7 Speed ratio

經(jīng)過計(jì)算，傳送帶的提前量x1=3.4 cm。

4.2 控制邏輯設(shè)計(jì)

主控制器是取苗裝置控制系統(tǒng)的核心部分，通過接收電感式接近開關(guān)的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，并控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)頂出機(jī)構(gòu)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主控制器需要在短時(shí)間內(nèi)對接收的信號做出反應(yīng)，因此對其運(yùn)算性能提出了要求。綜合各種控制器優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了基于Cortex-M3體系結(jié)構(gòu)的STM32 單片機(jī)，主芯片采用STM32F407芯片，電機(jī)選用森創(chuàng)步進(jìn)電機(jī)，型號為56BYG250Ek，步距角為1.8°，傳感器采用金屬傳感器。軟件系統(tǒng)采用ST 意法半導(dǎo)體推出的STM32CubeMX 作為開發(fā)環(huán)境，編程語言為C++語言，主控制器具體參數(shù)如表2 所示。

表2 主控制器參數(shù)Tab.2 Parameter of master controller

取苗裝置控制邏輯如下。人工將苗盤放置于同步帶上，系統(tǒng)進(jìn)行初始化。同步帶帶動(dòng)苗盤運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到既定位置時(shí)，觸發(fā)限位開關(guān)，同步帶電機(jī)停止動(dòng)作，頂出機(jī)構(gòu)進(jìn)行頂出，將穴盤中的缽苗頂出到水平傳送帶上，水平傳送帶進(jìn)給兩格，初始化部分完成。開始栽植作業(yè)時(shí)，鴨嘴進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，傳感器通過檢測鴨嘴轉(zhuǎn)速發(fā)送信號給控制器，然后水平傳送帶電機(jī)進(jìn)行間歇進(jìn)給，將缽苗依次送入導(dǎo)苗筒中，同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。由于1 次頂出缽苗數(shù)為6 個(gè)，故水平傳送帶間歇進(jìn)給6次后，穴盤縱向進(jìn)給一個(gè)缽苗槽，當(dāng)水平傳送帶隔板距離頂出缽苗間距為3.4 cm 時(shí)，頂出機(jī)構(gòu)將缽苗再次頂出，保證傳送帶上缽苗連續(xù)性。苗盤中的剩余缽苗均按照這種方式進(jìn)行取苗、送苗和投苗?？刂七壿嬃鞒虉D如圖8 所示。

圖8 控制邏輯流程Fig.8 Control logic flow chart

5 臺架試驗(yàn)

為了對上述設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了取苗裝置試驗(yàn)臺，如圖9 所示。試驗(yàn)前在穴盤底部劃出十字孔，試驗(yàn)苗為西紅柿苗，苗齡為33 d。試驗(yàn)用苗由北京市沱沱公社生態(tài)農(nóng)業(yè)股份有限公司培育，育苗基質(zhì)采用國產(chǎn)基質(zhì)，泥炭、珍珠巖和蛭石比例為3∶1∶1，試驗(yàn)用苗長勢均勻。將缽苗均勻澆水后，放置于陰涼通風(fēng)處，用水分測量儀進(jìn)行含水率測量，當(dāng)含水率降至40%時(shí)，進(jìn)行取苗試驗(yàn)。取苗時(shí)依次完成送盤、取苗和送苗等環(huán)節(jié)，重復(fù)進(jìn)行12 次，每組試驗(yàn)完成后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

圖9 驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.9 Verification test

試驗(yàn)以取苗合格率和破碎率為評價(jià)指標(biāo)，按式（3）和式（4）計(jì)算。

式中n1?苗合格率，%

W?總株數(shù)

W1?出穴盤苗株數(shù)

V1?莖葉破損或折斷數(shù)

V2?散坨數(shù)

式中n2?破碎率，%

P?取苗前每個(gè)缽苗的平均質(zhì)量，kg

M?單次取苗后每個(gè)缽苗平均質(zhì)量，kg

經(jīng)過重復(fù)試驗(yàn)計(jì)算合格率和破碎率，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，取苗裝置取苗合格率為91.7%，破碎率為14.2%，符合取苗裝置設(shè)計(jì)要求。通過試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，缽苗基質(zhì)損失主要由于取苗過程中取苗裝置與基質(zhì)之間、水平傳送帶與基質(zhì)之間的碰撞導(dǎo)致，損失部分主要為基質(zhì)外部的泥炭及珍珠巖，對內(nèi)部的基質(zhì)-根系復(fù)合的主體部分基本未造成損傷。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results

6 結(jié)束語

（1）設(shè)計(jì)了一種移栽機(jī)取苗裝置頂出機(jī)構(gòu)，并對缽苗頂出力進(jìn)行測定，各組缽苗頂出力平均值為3.25 N。使用ANSYS、ADAMS 對取苗頂桿進(jìn)行靜力學(xué)和速度分析，對取苗頂桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，確定速度最大的位置為最佳取苗點(diǎn)。

（2）為確保取苗精度，對缽苗頂出過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到缽苗水平運(yùn)動(dòng)距離和取苗瞬間傳送帶的提前量，進(jìn)而進(jìn)行了取苗裝置控制邏輯設(shè)計(jì)。

（3）搭建取苗裝置試驗(yàn)臺，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，取苗合格率為91.7%，破碎率為14.2%。