小型穴盘苗全自动移栽机取苗机构的设计与试验

2022-01-17赵晓琪杨启志黄冠龙赫明胜毛罕平

江苏大学学报（自然科学版） 2022年1期

赵晓琪，杨启志，2，黄冠龙，赫明胜，毛罕平

(1.江苏大学农业工程学院，江苏镇江 212013；2.江苏大学智能机器人研究所，江苏镇江 212013)

据统计，2019年我国蔬菜种植面积已突破3亿亩，产量在7亿t以上[1]，发展蔬菜种植机械自动化作业势在必行，且我国蔬菜种植面积中，移栽种植占四分之一，移栽种植是未来国家农业生产的方向[2-3].取苗装置作为自动移栽机的标志性部件[4]，已经成为自动移栽领域研究中的热点[5],综合国内外对蔬菜移栽机的研究现状，对取苗机构已经有所研究.欧美日等发达国家，在20世纪80年代已经开始自动取苗的研究.近年来，随着自动控制技术、传感器技术、驱动技术及机器视觉技术在取苗装置中的应用，取苗自动化程度也越来越高，已有成熟产品应用于实际生产中[6-7].虽然国内对取苗机构的研究起步较晚，但目前已经取得一定的成果.叶秉良等[8-9]提出了2种非圆齿轮行星系旋转式取苗机构，这2种取苗机构虽然结构相对简单，取苗效率高，但制造成本高，作业时有刚性冲；2015年南京农业机械化研究所的倪有亮等[10]设计了一种钵苗自动移栽机取送苗系统，该系统能够自动实现钵苗盘的固定和移位，能够自动完成顶苗、夹苗、接苗、拨苗、输苗和落苗等工作，为移栽机自动化取苗提供了参考；2017年西南大学赵镭[11]研制了一种穴盘苗取投送苗装置，主要由斜面移盘装置、斜插取投苗装置、循环送苗装置及安装平台组成，采用两斜插取投苗装置并联的方式进行取投苗，一次能取投2株穴苗.通过PLC控制实现了斜面移盘装置、斜插取投苗装置与循环送杯装置的协调配合.

目前，我国温室蔬菜种植以中小型拱棚和塑料大棚穴盘苗移栽种植为主[12-13].中小拱棚肩高1.2～1.5 m，脊高1.6～2.5 m，塑料大棚肩高1.0～1.8 m，脊高1.8～3.2 m[14]，均存在肩高和脊高的尺寸限制，大田移栽机械很难直接使用，温室穴盘苗移栽时完全靠人力，效率低.国内目前尚未出现适用于空间低矮狭小的中小型设施蔬菜移栽的全自动移栽机械.

针对以上问题，文中设计一种小型全自动的蔬菜移栽机以节省人力物力，提高生产效率，该全自动蔬菜移栽机采用气动式翻转取苗，刹车线柔性变距投苗的取苗机构，与直动往复式分苗机构配合使用.优势在于用气动加刹车线柔性变距，机构简单，可以有效地减少冲击振动，除此之外整个机构可以实现静态投苗、静态接苗，提高投苗成功率，防止出现挂苗现象.

1 整机结构及工作原理

该移栽机整机结构如图1所示.

图1 整机结构图

移栽机整机高度约1.45 m，宽度约1.3 m，尺寸较小，可用于中小型拱棚与塑料大棚中，主要由移箱进给部件、取苗部件、分苗部件、栽植部件、移栽机底盘和控制系统组成.空压机在使用时安装在移箱进给部件下方，用于给移栽机各气缸提供能源；电池盒安装在移栽机底盘后方电气柜旁，用于给整机供电.该移栽机工作时通过移箱进给部件完成对穴盘的输送和定位，实现自动供苗功能.再由取苗部件将钵苗从穴盘中取出并带苗运动到分苗部件的上方，完成对钵苗的投放.分苗部件采用齿轮齿条往复移动式分苗方式，可以将钵苗分批次通过导苗筒投入到栽植部件中.最后通过栽植部件完成开沟、覆土和镇压工作.为避免使用内燃机驱动在较封闭的温室大棚内产生废气污染蔬菜的品质，本设计采用锂电池作为动力源，节能环保.且采用无人乘坐的无线遥控自走式底盘，代替传统的人工驾驶，大大减小了整机质量，增加移栽机的续航能力并降低了整机高度，同时也降低了劳动强度.

取苗部件的主要功能是从移箱进给部件夹取钵苗，然后投苗到分苗部件的分苗杯中，是连接移箱进给部件和分苗部件的关键部件.目前移栽机所使用的取苗机构的取投苗方式大多为将钵苗从穴盘取出之后，投到旋转运动的分苗杯中.由于取投苗过程中不可避免的会出现振动冲击，当取投苗速度提高时振动冲击会更加强烈，会出现钵苗遗落和损伤的情况.在投苗的瞬间，钵苗与分苗杯之间存在相对运动，易出现挂苗的现象，当移栽的钵苗较大时，挂苗的概率会极大地增加.针对以上问题，设计一种取苗之后变距投苗的取苗机构，配合直动式分苗机构实现静态取投苗，降低挂苗的概率；且取苗之后的变距由变距气缸与刹车线配合实现，可以有效减少冲击振动对取投苗成功率的影响.

2 取苗机构的设计

2.1 取投苗运动轨迹分析及变距参数要求

设计的取苗机构采用门架式翻转取苗的方式，其运动轨迹如图2所示，当小门架带动滚动轴承运动到滑槽右边最低处时，取苗爪垂直于苗盘对钵苗进行夹取动作；随后滚动轴承沿滑槽运动直至滑槽左边最高处时，取苗爪带苗运动到垂直分苗杯的位置；滚动轴承在滑槽中的运动由气缸提供动力，带动取苗门架进行翻转运动的同时使轴承沿着滑槽运动.

图2 取苗部件翻转轨迹

本设计配合直动往复式分苗机构使用.为防止挂苗直动式分苗机构的托杯间距设置较大，而穴盘孔间距较小，故取苗机构需要间隔取苗，变距后再投苗.其间隔取苗示意图如图3所示，相邻取苗抓之间间隔133.5 mm，对应3个穴盘孔之间的距离.变距投苗示意图如图4所示，相邻两分苗杯间隔225.0 mm，所以取苗爪取苗之后要使两取苗抓之间的距离变为225.0 mm才可以进行投苗.故该取苗机构应有变距装置，使取苗爪之间的距离在133.5～225.0 mm变化.

图3 间隔取苗示意图

图4 变距投苗示意图

2.2 取苗机构结构设计

通过上述对移栽机取苗机构的运动分析和设计要求，设计了一种翻转取苗、变距投苗的取苗机构.整体结构示意图如图5所示，主要由支撑板、取苗装置、变距装置和门架式翻转装置构成.门架式翻转装置由翻转气缸带动取苗门架沿滑槽轨迹运动，取苗门架的翻转运动可实现取苗爪取苗与投苗时的运动轨迹，当取苗门架运动到滑槽底部时，取苗爪处于垂直苗盘的位置，当取苗门架运动到滑槽最高处时，取苗爪带苗运动到分苗机构的正上方.变距装置由变距气缸和刹车线构成，满足取苗与投苗时的距离变化，实现静态取苗与静态投苗，同时减少冲击振动，提高取投苗的成功率.

图5 取苗机构示意图

取苗机构所采用的翻转气缸与变距气缸均为圆形气缸，在气缸运行到位时，速度突然降为0，会带来严重的冲击振动.因此在翻转气缸和变距气缸运行的末端增加油压缓冲器，使高速运动的翻转气缸和变距气缸在运动到位时有足够的缓冲，减少气缸速度突变带来的冲击振动.

2.3 柔性变距机构设计

为满足移栽机移栽速度的要求，取苗和投苗所用时间应在保证取投苗成功率的基础上尽可能少，要求取苗机构翻转与变距的速度足够快，这使得冲击振动加强，影响取投苗成功率，故设计一种柔性变距机构来减少气缸速度突然降为0时的冲击振动.该取苗机构中所设计的柔性变距机构由气缸和刹车线构成，由气缸提供取苗爪变距的动力，且在两滑块之间使用刹车线连接实现动力传递与定位的功能.当取苗机构进行翻转取苗动作时，变距气缸收缩，各个取苗爪之间的间距柱合并在一起，确保取苗爪之间的间隔符合穴盘孔的间距，如图6a所示；当取苗机构进行变距投苗动作时，变距气缸推出，各个取苗爪之间的刹车线拉直，使每个取苗爪对准分苗机构的托杯，如图6b所示.

图6 变距机构取投苗状态

变距机构采用气动加刹车线柔性变距的方式，一方面可以减轻取苗机构中心部位的重量，减轻翻转取苗时的惯性力冲击振动；另一方面，由于刹车线为柔性体，有一定的弹性，在变距到位时，变距机构的速度会有所缓冲，可减轻取苗机构的左右晃动.两滑块之间刹车线的安装示意图如图7所示，刹车线一端的穿孔接头与滑块通过螺栓固定安装，另一端螺杆通过双螺母固定在L型安装板上.由于刹车线的安装位置处于两滑块的边缘，当取苗爪之间保持225.0 mm时测得刹车线两安装孔之间的距离为170.0 mm.因此设计所使用的刹车线的穿孔接头长度大约30.0 mm，钢丝绳长度为120.0 mm，螺杆长度为50.0 mm.安装刹车线时，通过调节螺杆的安装位置改变取苗爪之间的间距，直到4个取苗爪均对准分苗部件的分苗杯时，拧紧双螺母防止螺杆转动.

图7 刹车线安装图

变距气缸作为取苗部件进行变距运动的主要驱动元件，在选型和设计时需要考虑其驱动力的大小、行程大小和安装位置等.其中气缸所需的驱动力大小，可根据实际测量变距机构运动所需的推拉力得出，利用拉力计对变距机构的变距销进行测试，测得变距机构推拉所需驱动力约为20 N.气缸行程的选择根据气缸所连接的末端滑块位移来确定，当4个取苗爪并拢时取苗爪之间间距为135.5 mm，变距分开时取苗爪之间间距为225.0 mm.因此末端滑块位移为

ΔS=3l分-3l合=274.5 mm.

(1)

根据末端滑块位移距离可得出所选气缸的最小行程应为274.5 mm.

变距气缸安装位置的设计需要考虑气缸的固定方式.利用Solidworks软件对变距机构进行三维建模，如图8所示.

图8 变距气缸安装位置图

变距气缸通过配套的气缸支架将两端固定，气缸支架通过螺栓连接固定在两块钢板上并将钢板固定在滑块的相应位置.取苗爪并拢时变距气缸处于收缩状态，将变距气缸活塞杆一端通过变距销和鱼眼接头与末端滑块连接.

3 变距机构动力学分析

通过理论分析和三维建模，初步选择一款圆柱形的气缸作为变距气缸后，为保证所制作的样机能实现既定的运动要求，需要利用Adams软件对变距机构进行动力学仿真分析.通过Adams仿真得出变距机构在要求运动状态的情况下气缸运行的速度及加速度，进一步验证初选气缸是否满足使用要求，同时通过Adams动力学仿真得到取苗机构末端运动的速度与加速度曲线，验证滑块运动是否满足设计要求，是否存在冲击等，为取苗机构气缸选型的确定与结构优化提供依据.

3.1 仿真模型的建立与导入

文中采用solidworks软件对变距机构进行三维模型的建立，检查是否存在干涉之后需要对模型进行简化处理，将不参与运动的机构去掉，减少仿真的计算时间.然后将建立的简化模型导入到Adams软件中，进行动力学仿真.导入Adams软件后的模型如图9所示.

图9 Adams模型图

将模型的属性设置好之后，需根据实际在模型各零件之间添加运动副约束.包括最右侧滑块与导轨之间的固定副、导轨与地面之间的固定副、其他滑块与导轨之间的移动副、滑块与刹车线之间的固定副、气缸推杆与滑块之间的固定副等.最后给气缸添加位移驱动.为了检验移栽机取苗部件的变距机构能够适应不同的移栽频率，对气缸施加两种频率的位移驱动.为提高移栽速率，达到高速移栽的要求，取苗机构完成取苗后带苗返回，当钵苗完全脱离穴盘时，变距气缸开始进行变距运动，实现翻转与变距复合运动.当移栽机以40 株·min-1·行-1的移栽频率工作时，取苗部件一个工作循环需要在3.0 s内完成.其中变距气缸运行总耗时2.2 s，其具体过程为气缸推杆推出1.0 s，投苗动作0.2 s，气缸推杆缩回1.0 s.根据设定的参数在Adams中编写驱动函数，如图10所示.

图10 位移驱动函数

当移栽机以60 株·min-1·行-1的移栽频率工作时，取苗部件一个工作循环在2.0 s内完成.其中变距气缸运行总耗时1.7 s，具体过程为气缸推杆推出0.8 s ，投苗动作0.1 s，气缸推杆缩回0.8 s，根据设定的参数在Adams编写驱动函数进行仿真分析.

3.2 仿真结果分析

当移栽机以40 株·min-1·行-1的移栽频率工作时，气缸杆的位移变化如图11所示，末端滑块位移变化如图12所示.

图11 气缸杆位移变化

图12 末端滑块位移

由图11可知气缸杆的最大位移量为274.5 mm，可以确定所需气缸的行程最小为274.5 mm，仿真结果和理论分析计算的结果相符，可知初选气缸的行程满足设计要求.

气缸运行的速度如图13所示，加速度变化如图14所示.由仿真结果可看出，当栽植频率为40株·min-1·行-1时，气缸速度最高为410 mm·s-1，加速度最高为1 600 mm·s-2.

图13 气缸运行速度变化

图14 气缸运行加速度

当移栽机以60 株·min-1·行-1的移栽频率工作时，末端滑块的速度变化情况如图15所示，加速度变化情况如图16所示，末端滑块运行的最大速度为510 mm·s-1，最大加速度为2 500 mm·s-2.

图15 末端滑块速度变化

图16 末端滑块加速度

通过动力学分析可知，此变距机构在运动过程中速度曲线未出现尖点，运行平稳，速度变化均匀，振动较小,变距气缸行程至少为274.5 mm，根据标准气缸行程可选择气缸内径为16 mm，行程为275 mm的气缸.

3.3 变距气缸选型

单杆气缸推拉力计算公式：

(2)

式中：F为理论气缸推力；P为空气气压；d为活塞杆直径.

移栽机上空压机的正常工作气压选定为P=0.5 MPa，根据推拉力的计算公式与标准气缸缸径尺寸，选择了一款亚德客型不锈钢气缸，具体参数如下：安装形式为摆尾型；气缸内径为16 mm；活塞杆直径为6 mm；行程为275 mm；工作气压为0.5 MPa.

4 控制系统设计

本设计采用PLC作为控制系统，实现取苗抓取苗后变距投苗，具体的程序流程图如图17所示.

图17 取苗装置程序流程图

当移箱进给部件将穴盘运送到位后，移箱上的对射式光电传感器接收到信号，PLC通过控制电磁阀的开合实现取苗部件上的翻转气缸推出，进行取苗动作.翻转气缸上有3个磁性开关，分别对应翻转气缸最高点、取苗爪即将接触穴盘、取苗爪接触钵苗底部3个位置，变距气缸上安装有2个磁性开关，分别装在变距气缸的左右2个极限位置.通过判断各磁性开关接收信号的情况来决定气缸的动作，进而控制取苗机构各部件的运动.

5 取苗机构取投苗试验与分析

5.1 试验过程

取苗机构主要完成全自动移栽机的自动取苗和投苗工作.文中所研制的移栽机取苗机构可适应不同品种的钵苗，为了验证其机械性能，故通过试验测试该取苗机构在不同栽植频率下的取投苗成功率，以此验证移栽机取苗机构设计的合理性和运动协调性.试验选择72孔标准穴盘的黄瓜苗和辣椒苗2种不同的钵苗，其具体参数如表1所示.

表1 钵苗参数

选择不同的栽植频率对黄瓜苗和辣椒苗的取投苗成功率进行试验，包括：在栽植频率为40、50、60株·min-1·行-1时，试验黄瓜苗的取投苗成功率;在栽植频率为60株·min-1·行-1时，试验辣椒苗的取投苗成功率.取投苗试验如图18所示.

图18 取投苗试验图

5.2 试验结果与分析

取苗机构的取投苗成功率对后期的分苗和栽植至关重要，是衡量全自动移栽机性能的重要指标.文中定义取投苗成功率为成功投入分苗杯中的钵苗数量与穴盘中钵苗总数的比值，以S表示；取苗成功率为成功夹取的钵苗数与钵苗总数的比值，用S1表示；投苗成功率为成功投入分苗杯的钵苗数与总投苗数的比值，用S2表示.统计试验过程中未取出钵苗数量a，未投入分苗杯钵苗数量b，运送过程中钵苗损伤数量c，以N表示试验钵苗的总数，则取投苗成功率为

(3)

取苗成功率为

(4)

投苗成功率为

(5)

通过对移栽机设定不同的栽植频率，对取苗机构进行连续取投苗成功率试验，记录未取出数、未入分苗杯数、损伤数，试验结果如表2所示.

表2 取投苗成功率试验结果

当栽植频率为40株·min-1·行-1时，黄瓜苗的取苗成功率为99.31%，投苗成功率为99.31%，综合取投苗成功率达到98.61%，在此栽植频率下，取苗机构的取投苗成功率较高.当栽植频率为60株·min-1·行-1时，黄瓜苗的取苗成功率为98.61%，投苗成功率为99.29%，综合取投苗成功率97.22%.由于栽植频率的越高，取苗机构完成一个循环所允许的时间减少，要求气缸的速度加快，并且各个动作之间的停顿时间逐渐减少，使取苗机构所产生的振动增加，影响取投苗的质量，会导致移栽机的取投苗成功率下降.通过试验数据表也可以发现，取苗机构的取投苗成功率随着栽植频率的提升而降低.通过同频率下黄瓜苗与辣椒苗的试验数据对比，发现辣椒苗在栽植频率为60株·min-1·行-1时，取投苗成功率为95.83%，满足蔬菜穴盘苗移栽要求，因此说明该取苗机构可以适用于不同品种钵苗的取投苗.