自动移栽钵苗输送装置理论分析与试验

金　鑫，刘卫想，姬江涛，杜新武，杨传华

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳　471003；2.佳木斯大学 机械工程学院，黑龙江 佳木斯　154007)



自动移栽钵苗输送装置理论分析与试验

金鑫1，刘卫想1，姬江涛1，杜新武1，杨传华2

(1.河南科技大学 农业工程学院，河南 洛阳471003；2.佳木斯大学 机械工程学院，黑龙江 佳木斯154007)

摘要：针对移栽作业人工喂苗速度低的问题，设计了一种由圆柱凸轮为横移机构、槽轮-链传动为纵移机构所组成的自动移栽钵苗输送装置。利用解析作图法，并结合移栽农艺要求分别对纵移和横移机构进行理论分析，得出了输送装置的核心关键参数：横移凸轮基圆半径r0=65mm，滚子半径r=12mm，滚子宽度B=9mm，槽轮槽数n=5。以苗龄期40天的西红柿穴盘苗(穴盘规格为16×8)为试验对象进行了钵苗输送试验，结果表明：横移机构单次供苗的最大误差为0.76mm，横移7次(供苗时苗盘每行需横移1次)累积误差小于0.2mm，供苗准确率超过97.9%；纵移机构单次供苗的最大误差为0.88mm，纵移7次(每盘8行，需纵向移动7次)累积误差不超过0.3mm，供苗准确率在97.5%以上。该机构在供苗过程中可连续作业，满足钵苗供苗的自动输送需求。

关键词：自动移栽；钵苗输送装置；理论分析

0引言

钵苗输送机构是自动移栽机的核心部件之一[1-3]，作用是代替人工将钵苗输送到取苗位置，其作业质量的好坏，对后续钵苗栽植的质量有着直接的影响[4]。

国外对全自动移栽机的研究起步较早，其自动送盘装置融合了多种先进技术，作业质量及智能化程度都相对较高；但由于其价格昂贵与我国农艺不相符等原因[4]，在我国并未得到推广应用。目前，国内也开展了对苗盘输送装置的研究设计[4-11]，但由于其仍存在送盘准确度不高、可靠性差、效率低等问题[4,12]，并未得到实际的生产应用。

为此，本文提出一种采用圆柱凸轮和槽轮机构为纵、横移动作执行机构的钵苗输送装置，并对该装置的纵、横机构进行理论分析与试验研究，以解决目前自动送苗装置定位准确性差、效率不高等的问题，为全自动移栽机的研究设计提供依据。

1整体结构与工作原理

目前，我国各地蔬菜种植所使用的苗盘规格各异，主要有72、128、200穴等。鉴于取苗效率与取苗机构的空间布置，选用规格为16×8无棱边128穴可弯卷的聚乙烯塑料穴盘(见图1)，具体规格为：整体尺寸600mm×300mm×45mm，穴孔为倒置方形棱台，上边长为a=30mm、底边长为b=15mm、深度h=45mm，底部通水孔直径为d=12mm，长度、宽度方向穴距为m=36.5mm、n=36mm。

图1　128穴塑料苗盘

针对苗盘的规格特点，设计一种苗盘输送装置，使其能够实现苗盘的精确定位和准确步进，定位精度控制在1mm以内，能够实现16×8规格穴盘的连续供盘作业。

该装置在需要满足顶苗时，苗盘静止不动，顶完1排，苗盘纵向运动1个穴距的位移，并保持动作稳定、定位准确，其动作为间歇步进运动。苗爪夹取顶出的基质苗需要一定的空间，而所用的16×8规格的穴盘两穴之间的棱边间隙为6.5mm，空间较小，两相邻的取苗爪会产生干涉。所以，本文采用间隔顶苗的取苗方式，即顶杆间隔布置，1次顶出1排苗的1/2，然后苗盘横移1次，再顶出其余的基质苗。苗盘横移的动作，要求在顶苗时苗盘保持静止不动，在顶苗的间隙时间完成横移动作，该动作是1个间歇直线往复动作。其中，苗盘输送机构纵横移动作时序图如图2所示。

图2　苗盘输送装置动作时序图

因此，将苗盘输送装置(见图3)分为横移机构和纵移机构。苗盘的纵移为槽轮间歇机构，槽轮间歇转动，主动轴带动苗盘纵移链轮转动，链条中穿有可固定苗盘的横连杆，使苗盘纵向间歇进给。横移机构作用是实现单排两次顶出，由凸轮带动苗架在顶苗的间隙完成横移。机构的主体由两根成60°角的角钢焊接搭成，中间用圆钢连接，最大限度减轻质量。为了预留出空间布置顶苗机构，3个链轮呈三角形布置，以防顶苗杆与钢丝在工作时发生干涉。苗盘输送装置中添加了托苗板支撑苗盘，纵向有两根导向杆约束苗盘，防止苗盘横向窜动。

图3　苗盘输送装置

2横移机构理论分析

2.1　横移机构凸轮的运动方程

苗盘横移机构的作用是实现钵苗的单排两次顶出，在顶苗间隙完成横移动作，其动作为间歇直线往复动作，采用凸轮机构实现；通过凸轮的轨迹控制从动件的停留和横移时间，从而带动苗架完成横移。

横移机构凸轮从动杆的运动方程为

(1)

式中h—凸轮横移的行程(mm)；

2.2　横移凸轮廓面方程的建立及压力角分析

建立圆柱凸轮的坐标系( 见图4) ，将“反转运动”分析法[13]引入到苗盘横移凸轮的建模中，以圆柱凸轮旋转的中心线为z 轴，苗盘在图4最低位置时，苗盘架上的滚子与横移圆柱凸轮的交点为原点O，x轴为从动件刚到达最低位置时滚子的中心线方向，y轴与x和z轴垂直。现已知横移圆柱凸轮的最小半径为Rmin，以及苗盘的运动规律S(θ)，θ为横移凸轮的角位移，θ= ω2t 。

建立横移凸轮理论廓面的参数坐标的方程[13]为

(2)

式中Σ1—横移凸轮的理论廓面；

Rmin—横移凸轮的最小柱面半径(mm)。

其中，l∈[0,B]，θ∈[0,2π]，B为从动件滚子的宽度，Σ1的坐标网格曲面就是由l和θ在区间内随时间变化而形成的。

图4　横移圆柱凸轮坐标系

横移凸轮为圆柱凸轮，从动件滚子是一个圆柱形滚针轴承，当与滚子和凸轮的实际廓面啮合时，接触线与滚子的中心线平行，距离为滚子半径r。也就是说，理论廓面和实际廓面在其公法线方向上是距离相等的，横移凸轮的实际廓面是理论廓面的等距曲面，则横移圆柱凸轮的实际廓面参数坐标方程[13]为

(3)

式中r—从动件滚子半径(mm)。

S‘(θ)—类速度，即运动规律S(θ)对θ的导数。

由式(3) 可知: 横移圆柱凸轮的实际廓面Σ2 是相对于理论廓面Σ1对称布置的; 两个曲面通过式(3)中参数l与θ在定义区间内变化，就构造出无数点，从而构造出横移凸轮的实际廓面Σ2。而当参数θ为定值时，1为变量在变化区域内变化，那么式( 3)就成了一条滚子与凸轮实际廓面接触的空间曲线，所有的空间曲线的集合就构成了啮合的空间曲面，则横移圆柱凸轮机构的啮合曲面方程[13]为

(4)

横移圆柱凸轮机构任意一点压力角公式[13]为

(5)

其中，l与θ为变量。利用三维设计软件Autodesk Invetor的设计加速器(Design Accelerator)模块对横移圆柱凸轮实际廓面和从动件在啮合时所有接触点的压力角值进行模拟计算。在参数r0=35mm、滚子半径r=12mm，滚子宽度B=9mm、推程和回程相位角为60°时，得出的机构最大压力角为57.41°，压力角较大，超出直动推杆许用压力角[α]较多，将基圆半径增大到r0=65mm，推程和回程相位角调整到90°，其他参数不变，最大压力角αmax=29.32°，αmax<[α]，符合设计要求。其计算结果和参数示意分别如图5、图6所示。

图5　Inventor设计加速器计算结果

图6　设计加速器中参数示意

3纵移机构理论分析

苗盘纵移是一个步进运动，靠槽轮机构实现间歇输送。根据设计要求，每次的步进距离为苗盘的横向穴距36mm。苗盘输送采用链传动，在链条的连接处穿以细钢柱，卡住苗盘(见图7)，这种固定苗盘的方法需要保证链条的节距与苗盘成一定的倍数关系匹配。

1.苗盘　2.钢丝　3.链条

则有

(6)

式中P—链条节距；

N个链条节距下对应的穴距数，其中n、N均为整数。

结合滚子链规格及式(6)可得链条节距P=8mm，即此处选用05B链条，其销轴直径为2.31mm，每个穴距对应的链节数为36/8=4.5。

设链轮齿数为Z，则槽轮步进一次链轮转动的角度为

γ=4.5×360°/Z

(7)

外槽轮机构简图如图8所示。其主动件拨杆2的匀速转动，转换成从动件槽轮的间歇转动。

图8　槽轮机构简图

由外槽轮机构简图可得

(8)

式中r1—主动拨盘2与从动槽轮3的中心距；

r2—圆销轴心与主动拨盘2轴心的距离；

r3—圆销轴心与从动槽轮3轴心的距离；

α—主动拨盘的转角；

β—从动槽轮的转角。

其中，令r2/r1=λ，则从动件槽轮角位移为

(9)

β=γ/2

(10)

当圆销进入和离开径向槽时，其速度方向沿着径向槽的中心线，即此时有

α+β=π/2

(11)

λ=sin(π/n)

(12)

式中n—槽轮的槽数。

根据放置苗盘的空间位置，链轮的分度圆直径d>160mm，此时Zmin=63。将Zmin=63代入式(7)，得γ=25.71°。

联立式(9)～式(12)，并将γ=25.71°代入其中，可得出槽轮槽数n=14。而当槽轮槽数过多时，槽轮结构增大，其惯性力矩将过大，为了保证其动力性能，采用添加齿轮副为槽轮机构减速的方法进行匹配，即在槽轮和输送链轮之间添加齿轮机构。因此，选定齿轮副减速比为i=5/16，链轮齿数选z=72，则有

(13)

将z=72代入式(7)，得γ=22.5，联立式(9)、式(11)～(12)和式(13)，并将γ=22.5代入其中，得槽轮槽数n=5。

4试验

4.1试验条件与方法

4.1.1试验材料

试验对象为蔬菜穴盘苗，选取苗龄期为40d的西红柿穴盘苗若干盘，苗钵含水率40%～60%之间，穴盘苗出苗率85%～95%之间。

4.1.2仪器设备

1)蔬菜穴盘苗自动供苗装置(动力源为变频调速电机)；

2)量程500mm的钢板尺、量程2m的卷尺及500mm×250mm的直角尺各1把；

3)量程150mm、精度0.01mm的数显游标卡尺1把；

4)量程400mm、精度0.04mm的激光测距传感器(型号：ZLDS100)。

4.1.3试验方法

钵苗输送装置的准确移动是确保取苗成功的必要条件[14]。因此，以送苗准确率[15]为试验指标来验证所设计装置的可行性。根据试验用苗盘规格，设定横向逐格移动位移量标准值为36.5mm，纵向逐格移动位移量标准值为36mm，则送苗准确率[15]的计算公式为

(14)

式中η—供苗准确率(%)；

A—位移量实测值(mm)；

A0—位移量标准值(mm)。

钵苗输送装置性能试验(见图9)分别安排横、纵向移动28次(相当于移完3个苗盘)，即每个穴盘横、纵向分别移动7次，穴盘的最后1排苗不再进行横移动作。试验中，通过控制步进电机的转向、转速及脉冲数，使输送装置带动苗盘完成间歇性横、纵向进给。其中，控制系统采用手动模式，横、纵向供苗测试间隔进行；取苗机构连续运转，通过取苗爪位置传感器向控制系统发送开关信号，使苗盘不断产生逐个穴格的横、纵向移动。试验结果即为测得装置逐格移动的实际位移量值，如表1所示。

图9　苗盘输送装置性能试验

4.2　结果与分析

表1中，误差是指机构单次逐格移动位移量与标准值的偏差，误差的正负则表示测量值与标准值的大小情况。

根据设计要求，装置逐个穴格移动位移量误差在(±1)mm范围内变化时，判断钵苗输送装置设计合格。从试验结果可以看出：横移机构单次供苗的最大误差为0.76mm，累积误差小于0.2mm，供苗准确率超过97.9%；纵移机构单次供苗的最大误差为0.88mm，累积误差不超过0.3mm，供苗准确率在97.5%以上，且苗盘的给入与空盘的回收无需暂停机器，对钵苗输送作业状况基本没有影响。

通过试验观察可知：当设定纵向移盘步进电机连续运转时，两同步链传动带动苗盘连续纵向移动，若苗盘纵向进给速度过快，电机驱动会偶有阻转现象发生，说明两同步链传动平行度尚存一定的缺陷；考虑到苗盘带苗作业质量增加，且作业过程苗叶可能会与压苗板交缠引起阻力矩增大，为纵向移盘步进电机匹配1:10的减速机，增大驱动扭矩，同时进一步校正两链轮轴间的平行度。

总体而言，该钵苗输送装置的作业性能，满足蔬菜钵苗自动供苗需求，供苗准确率不低于97.5%，累积误差不超过0.3mm，符合设计要求。

表1　横、纵向供苗试验结果

续表1

5结论

1)对设计要求和动作功能进行分析，确定了功能—工作原理—工艺动作路线，将钵苗输送装置动作分解为苗盘横移、苗盘纵移2个动作，并确定采用圆柱凸轮和槽轮机构为纵、横移动作的执行机构。

2)建立了横移机构的运动方程，利用三维设计软件Autodesk Inventor对横移圆柱凸轮的压力角进行了分析建模，得出在参数r0=65mm、滚子半径r=12mm、滚子宽度B=9mm、推程和回程相位角为90°时，压力角小于许用压力角，使推程和回程相位角满足了机构要求，减小了动作冲击。根据设计要求对纵移动作执行机构的参数方程进行分析，得出纵移机构齿槽轮槽数n=5。

3)钵苗输送性能试验表明：横、纵向供苗机构逐格移动苗盘至待取苗位置的位移准确率均达到97.5%以上，且苗盘的给入与空盘的回收均不影响供苗作业精度，钵苗输送装置满足设计使用要求。

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Theoretical Analysis and Test on Conveying Device of Automatic Transplanting for Pot Seedling

Jin Xin1, Liu Weixiang1, Ji Jiangtao1, Du Xinwu1, Yang Chuanhua2

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;

2.School of Mechanical Engineering, Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

Abstract：Aimed at the problem of the low efficiency of manual feeding in seedling transplanting. The conveying device of automatic transplanting for pot seedling was designed. The horizontal moving mechanism of conveying device was cylindrical cam mechanism and the lengthways moving mechanism of conveying device was a geneva-chain transmission combination mechanism. Theoretical analysis about the horizontal moving mechanism and the lengthways moving mechanism of conveying device was carried out by using analytical graphic method and combining with the agrotechnical requirements of seedling transplanting. And then, The critical structure parameter of the tray conveying device was obtained, i.e., the datum circle radius (r0) of cam was 65mm, the roller radius (r) of cam mechanism was 12mm, the roller width (B) of cam mechanism was 9mm and the slot number (n) of the geneva gear was 5. At last, the tray conveying test was carried out by using the tomato seedling as the test object. And the seedling age was 40d and the tray specifications was 16×8. The results showed that maximum error of the horizontal moving mechanism was 0.76mm in single times of feeding seedling, the cumulative error of 7 times of horizontal movement was less than 0.2mm, and the accuracy was over 97.95%.The maximum error of the lengthways moving mechanism was 0.88mm in single times of feeding seedling, the cumulative error of 7 times of lengthways movement was less than 0.3mm, and the accuracy was over 97.5%. At the same time, the tray conveying device could continuous operation in the process of seedling tray conveying.The study results meet the demands of the automatic seedling conveying.

Key words：automatic transplanting; seedling conveying device; theoretical analysis

中图分类号：S223.9

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0018-07

作者简介：金鑫(1986-)，男，河南新县人，讲师，博士，(E-mail)jx.771@163.com。通讯作者：杜新武(1975-)，男，河南洛阳人，副教授，博士，(E-mail)dxw@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51505130)；黑龙江省科学基金面上项目(E2015042)；河南科技大学青年基金项目(2015QN004)

收稿日期：2015-12-10