蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置研制

2021-01-19文永双张俊雄田金元谭豫之

农业工程学报 2020年22期

文永双，张俊雄，张宇，田金元，袁挺，谭豫之，李伟

（中国农业大学工学院，北京 100083）

0 引言

中国是世界蔬菜生产和消费第一大国，根据国家统计局数据，2019年中国蔬菜种植面积达到20 863×103hm2，产量7.21亿t。大部分蔬菜采用育苗移栽的种植模式，移栽环节以人工移栽和半自动移栽为主，存在劳动强度大、移栽效率低、成本高等问题[1-4]。全自动移栽机在半自动移栽机的基础上增加了自动送盘、取苗、送苗、投苗等机构，单行移栽频率可达70～140 株/min[5-7]。

日本、美国、荷兰等国对育苗移栽技术研究较早，根据本国作物、地理特点和蔬菜种植农艺设计了不同类型的自动移栽机，已得到推广应用[8-11]。意大利 Ferrari公司研制的牵引式多行宽幅全自动移栽机，配套使用特制的硬质穴盘，采用顶夹式取苗，移栽效率较高；日本洋马研制的PF2R型乘坐式全自动蔬菜移栽机，配套使用挠性软穴盘，采用单行回转臂驱动 2个插入夹持式取苗机械手进行取苗，性能稳定可靠。国外机型不能完全适合中国蔬菜种植农艺，且结构复杂，价格昂贵[12-13]。国内对全自动移栽机也进行了相关研究，杨传华等[14]利用高速伺服电动缸驱动推杆将整排钵苗顶出，实现高速精准取苗；倪有亮等[15-16]设计了纵/横向移盘机构、顶夹式取苗机构等，完成钵苗的隔穴顶出和夹取，通过理论分析和建模仿真，获得关键部件参数；文献[17-20]设计了非圆齿轮行星轮系取苗机构，建立机构动力学模型，进行了机构动力学仿真分析和台架试验，减小了机构振动、改善了其动力学性能；文献[21-24]设计了滑道式插入夹持取苗装置，采用整排取苗间隔投苗和整排取苗再分苗的方式进行取投苗，提高了取苗效率和稳定性；王蒙蒙[25]提出了气动柔性下压式取苗，对压钵头进行优化，该机构取苗频率较高，但仅适于展宽较小的钵苗；袁挺等[26]提出气吹振动复合式取苗，振动打破钵苗与穴盘的粘结力，气吹辅助取苗，取苗性能稳定，该取苗方式同样仅适于展宽较小的钵苗。而现有取投苗装置也存在结构复杂、伤苗率高等问题[27-29]。

顶出式取苗结构简单，取苗效率较高，但钵苗与穴盘粘结力不同，抛出后的钵苗存在翻滚、落苗轨迹不可控、落苗位置一致性差等问题。插入夹持式取苗工作性能稳定，但机械手结构复杂，取苗轨迹规划困难。本文结合顶出式和插入夹持式取苗特点，根据钵苗盘根由下向上逐渐稀疏的特点和基质-根系复合特性[30]，设计一种插入顶出式取苗装置，并通过理论分析与取苗试验，完成装置的结构优化和参数优选。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

72穴穴盘（6×12）钵苗疏密适中，适用于多种蔬菜作物育苗，应用广泛，本文以72穴蔬菜穴盘苗为移栽对象，采用机-电-气相结合的驱动方式实现自动送盘、取苗、送苗、投苗、空盘回收等作业过程，包括穴盘和钵苗的间歇有序输送、穴盘苗的插入顶出、空盘的回收和码垛等动作。蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置由、送盘机构、插入顶出机构、翻板机构、梳理板、送苗机构、空盘回收机构等组成，如图1所示。

图1 插入顶出式取苗装置结构图Fig.1 Structural diagram of insertion and ejection type seedling taking device

送盘机构由侧板、带固定块的同步带、仿形杆等组成，通过侧板倾斜安装在空盘回收机构上方。固定在两侧同步带上的仿形杆卡住穴盘，步进电机驱动穴盘间歇移动；梳理板位于送盘机构前方，送苗机构上方，起梳理穴盘苗和固定穴盘的作用；插入顶出机构设置在送盘机构内部，由气缸驱动整排顶针沿直线导轨前后滑动；翻板机构由旋转气缸驱动翻板往复转动；送苗机构由步进电机驱动，钵苗位于输送带隔板内，实现精确间歇有序送苗，通过投苗漏斗将钵苗竖直投入到栽植机构；取苗完成后的空盘，由空盘回收输送带送至码垛机构完成空盘码垛。触摸屏-PLC控制系统控制各机构协调配合，共同完成自动取苗作业。取苗装置总功率800 W，供电电压为直流24 V，穴盘规格72穴，整体尺寸（长×宽×高）1.45 m×1.37 m×1.22 m，最高取苗频率160 株/min，取苗合格率＞90%。

1.2 工作原理

插入顶出式取苗装置工作原理如图2所示。送盘机构通过仿形杆拨动穴盘供苗，使穴盘底孔逐行对准取苗孔，在顶苗气缸驱动下，顶针穿过穴盘底部排水口，将整排钵苗从穴盘顶出输送带上方，翻板机构翻转，顶针收回，钵苗落入输送带苗格内。取苗后的空盘脱离送盘机构后，落到下方空盘回收输送带，空盘回收输送带的挡块驱动空盘移动，并将空盘推入码垛机构，码垛气缸将穴盘顶起，止落板由水平转动至倾斜，当空盘到达止落板上方时，止落板回转至水平位，码垛气缸收回，止落板托住空盘，完成空盘码垛。

图2 取苗原理Fig.2 Principle of plug seedling taking

2 取苗过程的钵苗力学模型

为研究取苗过程钵苗翻滚机理，消除或减轻钵苗翻滚现象，对取苗过程钵苗力学模型进行分析。

2.1 钵苗顶出过程动力学分析

从钵苗脱离穴盘到钵苗脱离顶针为钵苗加速过程，穴盘对钵苗有支持作用，且顶杆作用于钵苗的行程及时间较短，因此，假设此过程钵苗为直线运动，以顶杆和钵苗接触中心点为原点，钵苗运动方向为横坐标正方向，建立直角坐标系oxy，钵苗受力分析如图3所示。

图3 顶出过程钵苗受力分析Fig.3 Force analysis of plug seedlings during ejection

钵苗所受的惯性力F1=ma，N；∑Fx、∑Fy为惯性力系在x、y轴的投影，N；∑Mo为惯性力系对点o的主矩，N·m；由达朗贝尔原理列平衡方程有

即

整理可得：

取苗过程钵苗做匀加速直线运动且钵苗不发生翻滚需满足式（1），因此，钵苗不发生翻滚必备条件是ε需满足式（3）。

2.2 钵苗斜抛过程运动学分析

钵苗脱离穴盘但未脱离顶杆时，顶杆和钵体存在摩擦力，钵苗底部受力点和顶杆相对静止，而钵苗茎叶和钵体由于重力作用向下运动，因此，钵苗脱离顶杆时存在一定翻滚角速度ω。顶出后的钵苗做斜抛运动，最终落入接苗装置或送苗装置，抛出轨迹如图4所示。

图4 钵苗斜抛轨迹Fig.4 Oblique throwing track of plug seedlings

钵苗水平方向位移为

式中t为钵苗在空中运行的时间，s；

竖直方向位移为

钵苗翻滚角度ξ为

由式（4）～（5）可得钵苗斜抛运行轨迹方程为

令Y=0，可得钵苗的水平位移为

式（8）对η求导得：

将η0代入式（8），则最远水平抛苗距离为

由式（4）～（8）可得落苗时间为

当η=0即钵苗做平抛运动时，由式（12）可得最短抛苗距离的时间为

将t(η)代入式（6）可得钵苗斜抛翻滚角度为

由式（14）可知，减小钵苗斜抛初始角速度、斜抛角度和钵苗下落垂直高度可减小ξ，从而减轻钵苗斜抛过程的翻滚，钵苗最小翻滚角度为

通过设定ε，减小ω、η、H可减轻钵苗翻滚，但固定参数ε无法适应各种钵苗，顶杆须作用在钵体的中心位置，钵苗斜抛过程仍可能因相邻钵苗的茎叶缠绕、茎叶和梳理板的摩擦发生翻转，造成落苗不整齐。

3 关键机构设计

3.1 优化目标

根据上文分析，针对顶出式取苗送盘定位精度要求高，顶出后的钵苗易发生翻滚，容易受梳理板和相邻钵苗干扰造成落苗不整齐等问题。对插入顶出式取苗进行以下优化：1）设置钵苗中线与顶杆顶出方向夹角为ε，以减轻取苗时钵苗翻滚；2）在顶杆末端设置一体式扁平针尖，取苗过程中针尖先插入钵体，固定钵苗姿态，再将钵苗顶出，顶出过程钵苗保持固定姿态；3）增加顶杆长度，将钵苗从穴盘一直顶至输送带上方，顶针提供恒定推力和支持力，以克服梳理板或其他钵苗的干扰，并避免顶杆瞬间冲撞钵体造成散坨；4）增加翻板机构，顶针顶出钵苗，翻板翻转后再收回顶针，翻板限制顶针回带钵苗，提高落苗整齐度；5）使用气缸加导轨的方式直接顶苗，以简化结构提高顶苗精度；6）使用仿形杆送盘，消除送盘间隙，通过闭环控制，消除连续送盘产生的累积误差，实现穴盘精准定位，使穴盘底孔精确对准顶针。

3.2 送盘机构

为使穴盘可靠定位和均匀受力，根据穴盘底部锥形间隙设计截面为圆角梯形的仿形杆，间隔布置在穴盘底部间隙，穴盘横向放置，每个穴盘用3条仿形杆拨动，由于穴盘四周存在边沿，增大了相邻穴盘之间拨杆距离，实现连续送盘。主动轴、从动轴和张紧轴将2条圆弧同步带（型号5M，宽30 mm，长1 195 mm）支撑为三角形，同步带上设置有固定块，仿形杆两端固定在两侧同步带固定块上，固定块3个为1组，共7组，由于72穴穴盘中钵苗株距为43 mm，穴盘四周存在9.5 mm的边沿，固定块组内间距为 86 mm，组间间距为105 mm，取苗孔间距均为 43 mm。左右同步带限制穴盘左右移动，根据穴盘横向尺寸，同步带内侧间距为503 mm。步进电机（型号：86BYG250H 6N）驱动主动轴间歇转动，根据取苗频率 160 株/min的供苗要求，送盘速度为0.05 m/s，根据穴盘中钵苗株距和穴盘边沿尺寸，同盘苗间歇送盘距离为43 mm，两穴盘衔接时送盘距离为62 mm，实现穴盘底孔逐行对准取苗孔，送盘机构如图5所示。

图5 送盘机构Fig.5 Plug seedling tray conveying mechanism

输送穴盘苗时，为防止穴盘脱离仿形杆、倾覆或钵苗提前脱落，底板应为倾斜面[31]，根据穴盘和钵苗受力情况确定底板（钵体底面）与水平面夹角β。

分别以穴盘和钵苗质心为原点，穴盘和钵苗滑落方向为横坐标轴建立直角坐标系，整盘钵苗受力如图6a所示，整盘钵苗所受主动力为穴盘苗重力，被动力有仿形杆的支持力、穴盘与仿形杆的摩擦力、底板支持力、穴盘与底板的摩擦力；单个钵苗受力如图6b所示，钵苗所受主动力为钵苗重力，被动力有穴盘支持力、钵体与穴盘的粘结力、钵体与穴盘的摩擦力。

穴盘苗和钵苗主动力均为重力，滑动方向相同，滑动临界角度相同，因此，仅对钵苗进行分析，钵苗沿穴盘向外滑移的分力Gx为

当-θ/2≤α＜0 时，底板与水平面夹角β∈(90-θ/2,90]，Gx＞0，钵苗沿穴盘向外滑动；当α=0时，β=90-θ/2，Gx=0，钵苗无滑动；当 0＜α≤90-θ/2 时，β∈[0,90-θ/2)，Gx＜0，钵苗沿穴腔向内滑动，钵苗不发生脱落。测得钵体锥角θ=29.4°，为防止钵苗脱落，β应小于 75.3°，取 75°。

图6 送盘过程受力分析Fig.6 Force analysis of plug seedling tray conveying process

3.3 插入顶出式取苗机构

插入顶出机构和翻板机构配合完成取苗，取苗过程为：送盘机构将穴盘底孔逐行对准取苗孔；顶苗气缸驱动顶针顶出；顶针穿过取苗孔和穴盘底孔，将整排钵苗顶入输送带上方；翻板顺时针转动 90°；顶针收回，钵苗掉落到输送带相应苗格内；翻板返回原位，完成1次取苗。

取苗机构如图7所示，顶针支架均匀安装12支顶针，顶针间距和取苗孔间距相同，根据送盘机构和送苗机构相对位置尺寸，顶针总长为142 mm。顶针由轴承钢光轴经线切割加工而成，包括一体式顶杆和针尖，针尖与针杆结合处有凸台。顶针直径大，则顶苗受力面积较大，有利于取苗，但对送盘机构定位精度要求高，顶针直径过小，则顶针易刺穿钵体，根据送盘精度和钵体力学特性，确定顶杆直径为6 mm，顶针凸台与钵体底面平行，由取苗气缸（型号：MA20-125S）驱动整排顶针沿导轨方向前后移动，顶苗行程为125 mm。取苗时，针尖先插入钵体，顶针凸台再将钵苗从穴盘顶出，钵苗到达输送带上部时，翻板机构翻转，顶针收回，钵苗落入输送带苗格内。

图7 插入顶出机构和翻板机构Fig.7 Insertion and ejection mechanism and plate turning mechanism

钵苗顶出过程中，顶杆做匀速直线运动，顶针顶出方向和钵体下侧面平行，顶针凸台中心与钵体底部中心重合。以顶针凸台中点为原点，以顶杆顶出方向为x轴，建立坐标系，插入顶出式取苗过程钵苗受力如图8所示。

图8 插入顶出取苗过程钵体受力分析Fig.8 Force analysis of plug seedling during the process of insertion and ejection type seedling taking

对钵苗进行受力分析，根据式（1）：

整理可得

根据θ=29.4°，γ=8.05°，fz≥0，由式（19）可知s≤l，钵体为倒锥体（上边长37 mm，下边长16 mm，高38 mm），计算可得钵体质心到底部距离s=23.75 mm，为防止钵苗翻滚，l应尽可能大，但针尖过长影响针尖强度，且钵体顶部缺少根系包裹，力学性能较差，针尖应作用在钵体底部的根系密集区，本文取l＝25 mm。

3.4 翻板机构

顶针回程过程中顶针脱离钵苗时，由于针尖与钵体存在摩擦力，并且摩擦力大小存在差异，造成落苗不整齐，甚至钵苗落至输送带外侧。翻板机构可防止钵苗回带，翻板机构由旋转气缸（型号：CRB2BW20-90S）通过齿轮传动，驱动翻板往复转动 90°。根据穴盘宽度和单个钵苗钵体尺寸，设置翻板长508 mm，宽40 mm，为防止翻板与梳理板、顶针发生干涉，翻板设置有梳理板槽（宽×长：8 mm×34 mm）和顶杆槽（宽×长：5 mm×29 mm）。

4 取苗试验

4.1 试验条件

为测试取苗装置性能，于2020年5月4-10日在山东华龙农业装备股份有限公司实验室（山东青州）进行取苗试验（图9）。试验用苗为72穴辣椒（中荷5605）、甘蓝（泽鸿韩绿）、花椰菜（松美75），在青州双福农业科技有限公司育苗，育苗基质成分为丹麦品氏泥炭土和珍珠岩，体积比为3∶1。试验用苗长势均匀，壮苗率为100%。

图9 取苗试验Fig.9 Experiment of seedlings taking

4.2 试验因素和指标

在标准育苗环境和苗期管理条件下（蔬菜穴盘育苗通则NY/T 2119—2012），苗龄决定钵苗根系和茎叶的形态，大苗龄钵苗根系发达，钵体具有良好的基质-根系复合特性，针尖插入钵体和顶出钵苗时不易散坨，但大苗龄钵苗展宽较大，茎叶易发生缠绕，穴盘苗在进入梳理板过程中，梳理板将钵苗强行分离，容易造成茎叶损伤，小苗龄钵苗则相反，因此，苗龄是影响取苗性能的关键因素。辣椒苗苗龄30 d时，钵苗已开始盘根，钵体具有一定强度，茎叶基本没有交织重叠，具备取苗条件；36 d时，钵苗根系更加发达，叶片相互交错遮挡，梳苗时易造成茎叶损伤，选取苗龄分别为30、33和36 d。基质含水率影响钵体力学特性、钵体与穴盘的粘结力、钵苗重心等[32]，从而影响取苗性能。基质含水率过低（＜20%）时，钵苗易发生脱水，影响定植后的成活率，含水率过高（＞60%）时，钵体抗压能力降低[33]，并且不便于包装和运输，因此，选取基质含水率水平为20%、40%和60%；取苗频率是衡量取苗装置性能的关键技术参数，根据取苗装置整体性能，设定取苗频率分别为80、120和160 株/min；以辣椒苗为取苗对象，以基质含水率、苗龄和取苗频率为影响因素，以取苗合格率、基质损失率和伤苗率为考察指标进行三因素三水平三指标正交试验，研究不同参数组合对取苗性能的影响，因素水平如表1所示。

取苗合格率η1为

基质损失率η2为

伤苗率η3为

式中W为每组试验钵苗总株数；W1为未顶出穴盘苗株数；W2为输送过程钵苗脱离原苗格株数；V1为茎叶破损或折断株数；V2为散坨钵苗株数（根据企业标准Q/3201 LL《2ZQ-2（PF2R）全自动移栽机作业技术规范》，散坨质量与原坨质量比≥20%的植株为散坨苗）；P为取苗前穴盘苗总质量（g）；N为取苗后钵苗质量和（g）；M为穴盘质量（g）。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels

4.3 试验方法

在取苗装置控制软件中设定取苗频率分别为 80、120和160 株/min，送盘速度0.05 m/s，送苗速度0.09 m/s，翻板翻转时间0.2 s，使用节流阀调整气缸顶苗速度0.25 m/s，使用稳压阀调整系统气压为0.4 MPa。穴盘苗均匀浇水后，放置在透风处，用水分测量仪检测钵体含水率，当钵体含水率降至60%、40%和20%时，分别进行取苗试验。每组试验取苗2盘（144株），10组试验共20盘穴盘苗，其中，9组为正交试验，1组为优选方案验证试验。取苗时依次完成自动送盘、穴盘苗梳理、钵苗顶出、送苗等环节，每组试验完成后统计试验数据。选取L9(34)正交表进行试验，对试验结果进行极差分析和方差分析，得出各因素对考察指标的影响主次顺序和显著性，采用综合分析法确定最佳组合取苗方案，并进行试验验证。

4.4 试验结果与分析

试验过程取苗装置运行良好，送盘机构和送苗机构工作平稳，定位精准；在PLC控制系统控制下，各机构可高速协调运行，试验结果如表2所示。

采用极差分析法对试验结果进行分析如表3所示。

表2 取苗正交试验方案和结果Table 2 Orthogonal experiment scheme and results of seedling taking

由表3、表4可知，极差分析和方差分析的各因素对各指标影响的显著性顺序一致，采用综合平衡法对每种因素进行分析，通过各因素对各指标的综合分析，得出较好取苗方案为A1B3C2，即苗龄为30 d、钵体含水率为 60%和取苗频率为 120 株/min。优选方案验证试验结果显示：未顶出株数、脱离苗格株数、茎叶损伤株数和散坨株数各为1株，取苗合格率为97.22%，基质损失率 18.06%，伤苗率 1.39%，优选方案取苗合格率高于正交试验各组取苗方案，满足蔬菜穴盘苗自动旱地移栽取苗要求。对比发现，取苗频率120 株/min时，插入顶出式取苗合格率明显高于传统顶出式取苗合格率78.06%[34]。

表3 极差分析Table 3 Range analysis

采用方差分析法对试验结果进行分析，如表4所示，对于伤苗率，B、C因素的影响较小，可归入为误差，重新计算F临界值得F0.01(2,6)=10.90＜11.19，因素A对伤苗率的影响极显著。

表4 方差分析Table 4 Variance analysis

试验发现，基质损失主要由取苗过程中珍珠岩和泥炭土洒落造成，钵体顶部的部分珍珠岩和泥炭土由于粘结性较差，缺少根系包裹，穴盘倾斜、钵苗从穴盘落入输送带、钵苗从输送带落入接苗装置时，造成部分珍珠岩和泥炭土洒落。促进钵苗根系发育，减轻钵苗与输送带和其他机构的碰撞，可降低基质损失率。取苗频率提高，送盘机构和送苗输送带转动频率提高，仿形杆和送苗输送带间歇停止时间缩短，但送盘和顶针顶苗速度不变，因此取苗频率对伤苗率和基质损失率影响较小。调整取苗机构结构参数可对其他规格的穴盘苗进行取苗，但穴盘过密（如 200穴穴盘）时，钵苗间交错缠绕较严重，取苗性能还需进一步试验验证。

不同蔬菜作物钵苗形态和生物特性存在差异，但钵体基质-根系复合特性具有相似性，为验证该取苗装置的通用性，对苗龄25 d的72穴甘蓝苗和花椰菜苗进行2组取苗试验，每组试验取苗2盘（144株）。25 d的甘蓝和花椰菜苗根系发育良好，具备取苗条件，控制基质含水率为60%，取苗频率为120 株/min，取苗合格率分别为93.75%和95.14%，基质损失率分别为17.21%和16.67%，伤苗率分别为4.17%和3.47%。甘蓝和花椰菜为叶菜类蔬菜，钵苗展宽较大且直立度较差，导致茎叶易与梳理板等发生摩擦，钵苗之间存在缠绕，对取苗性能有一定影响。