蔬菜自动移栽机及其关键部件设计与研究

宋元萍

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030031）

0 引言

当前，主要依靠人工移栽或半自动机械设备移栽，不仅移栽效率偏低，也难以有效保证蔬菜移栽质量。为此，有必要对自动移栽机进行设计，实现高质量、高效率的蔬菜移栽作业。笔者在查阅大量相关资料后，设计一款结构简单、性能良好的牵引式自动移栽机。

1 自动移栽机工作原理

本文设计的蔬菜自动移栽机将采用牵引式设计模式，其结构紧凑设计，可以细分为以下几个部分：承载各个机构的机架、取苗机构、放苗机构、移动地轮装置等。苗盘横向有6个蔬菜秧苗移栽穴，纵向有12个蔬菜秧苗移栽穴。

自动移栽机的尾部设置两条输送带，运行期间，需要将苗盘放在输送带上，启动PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制系统，输苗机构将会从等待状态进入工作状态[1]。此时，两条输送带在预热后，以循环往复的交替方式，将苗盘运送到中间位置的推盘上。在确认苗盘已经抵达推盘后，液压缸会通过移动推盘，将苗盘运送到步进移位输送带的预设位置。取苗机构设计平行4连杆，通过电机驱动，采用2次的往复运动，完成蔬菜秧苗的取苗与放苗动作，并进入下一个蔬菜秧苗的取、放动作循环。取苗机构分左、右两侧，共2组，1组拥有6个负责夹取蔬菜秧苗的苗夹，即取苗机构共设置12个苗夹，可以实现一次性进行12个蔬菜秧苗的取苗、放苗动作，极大提升蔬菜移栽效率。需要注意的是，两组苗夹需要保持错位状态，即让蔬菜秧苗保持左前、右后或左后、右前的位置，既可以实现快速放置蔬菜秧苗，提升蔬菜秧苗移栽工作效率，也可以避免蔬菜秧苗间距过小，增加土壤、水分等竞争，影响蔬菜秧苗发育生长质量。苗盘相同的列，以间隔方式夹取蔬菜秧苗，并将其转移到分苗漏斗中。在完成苗盘的取苗工作后，PLC控制系统会控制苗盘以横向方式进行移动。以上是整个自动移栽机行走作业前的所有准备工作。

在自动移栽机进入行走状态时，移栽机构也进入独立运行状态。在移栽机构上设置7个鸭嘴放苗机构，利用链条、链轮的传动方式，配合设计成椭圆形的苗杯，完成间歇行走、移栽间歇性配合。当确认苗杯已经到达分苗漏斗的正下方时，电机会让漏斗口从闭合状态切换成开启状态，进入放苗程序，蔬菜秧苗会放在吊杯中，并在出苗口进行移栽。等到检测出苗盘已经实现6次横向移动后，横向的所有蔬菜秧苗全部移栽完别，之后会将苗盘移动到初始位置，并进行退盘操作，PLC控制系统会自动提示操作人员及时补充苗盘。

自动移栽机的结构，由以下部分组成：①负责承载整个自动移栽机负荷的地轮，镇压轮对已种植蔬菜苗周边土块进行碾碎压实处理，让蔬菜苗和周边土壤保持紧密接触，以减少蔬菜根系裸露土壤外的概率，控制水分蒸发。②蔬菜苗输送机构，为取苗机构运动提供驱动力的电机。③苗盘收集装置。④夹取蔬菜苗夹。⑤用于抓取蔬菜种植的去苗机构。⑥自动移栽机架、液压缸。如果自动移栽机有其他使用需求，也可以在这种结构基础上，配置相应装置，增加自动移栽机的使用功能。

2 关键部件设计

2.1 送苗机构

考虑到在自动移栽机的取苗机构拥有相对固定的位置。在送苗机构设计时，就需要让尾部的两条输送带以交替运动方式，让苗盘移动到步进移位输送带上，等到苗盘完成6次横向移动后，会将没有蔬菜秧苗的苗盘移动到后方的收集筐中，步进移位输送带也会移动到初始位置，等到接收下一个苗盘，再进行下次的蔬菜秧苗移栽作业。正因为取苗机构具有间歇性取苗的工作特性，在设计步进移位输送带时，要考虑到结构受力问题，避免出现取苗间隔期间，结构负荷失衡，增加自动移栽机侧翻概率。可以利用横向直线上的间歇性运动模式，解决以往步进移位输送带设计的结构受力问题，保障自动移栽机的正常运行。

同时，需要在其后侧下方设置若干滚轮，并在其前方设置滑块，利用滚动作业方式，合理控制步进移位输送带的摩擦系数，避免出现苗盘移动速度过快、取苗频率不可控的问题。在参考大量文献后，拟采用丝杆电机机构，实现高效、稳定的往复运动，保证苗盘移动速度的稳定性[2]。选用拥有较大刚性与转动精度的螺杆转动、螺母移动设计。螺杆直径为25 mm，导程为10 mm。将自动移栽机的行走速度阈值锁定在0.4 m/s，这意味着吊杯轮盘周长预估为2 m，在吊杯轮盘转动1周后，需要消耗5 s的时间，需保证丝杆电机机构推动步进移位输送带回到初始位置的时间低于5 s。又因为提升步进电机的转速，力矩则会降低，如果转速过快，会出现丢步现象，即步进电机获得步进电源输出，却没有达到步进电源的输出脉冲数。在原设计中，步进电机的转速为5转/s，想要让苗盘回到初始位置，则要横向移动约220 mm。对以上数据整理、计算可以获得，丝杆的最小导程应为8.8 mm。考虑到步进移位输送带处于横向匀速运动状态，苗盘位置精度要求不高，可以通过以下公式计算：

式中，T代表驱动扭矩，丝杆导程L为10 mm。Mg约等于300 N，因为步进移位输送带与相关配件、填土苗盘的总重需要控制在30 kg，取最大值即为300 N。摩擦系数μ选择0.1。给进丝杆的工作效率η选择0.85，可以获得步进移位输送带的驱动扭矩T为M×0.056 N，M为苗盘重量。

对于送苗机构的结构，简单分为以下几部分：①对苗盘在纵向位置进行限位的感应装置。②基于步进机械设备的移位输送带。③提供移位输送带动力的步进电机。④调整苗盘左右位置的尾部输送带。⑤在苗盘到达指定位置时，进行下一步操作的苗盘到位感应。⑥用于向前推动苗盘的苗盘推板。⑦与螺母配合，将步进电机转动转变为直线运动，实现精准位移控制的丝杠。

2.2 苗盘推送机构

苗盘推送机构可以细分为用于承载苗盘的托板、负责感应苗盘移栽情况的感应器、提供整个推动机构的液压缸组件等部分。苗盘托板与液压缸，需要和自动移栽机的机架进行连接固定，并在苗盘托板的底部安装感应器。在苗盘输送装置获得苗盘后，托板底部的感应器会感知苗盘已经到达预设位置，并进行相应的推送程序。等到感应器获得退盘信号后，液压缸则会进入启动状态，在推动苗盘后，移动到初始位置[3]。

苗盘推送机构的结构，可以简单分为：①负责托起苗盘的盘托板。②用于短距离运输苗盘的输送机构。③唯一可随意拆卸、更换的苗盘。④用于感应苗盘是否抵达预设位置的感应器。⑤推动苗盘的推板。⑥提供推板前进动力的液压缸。

2.3 液压缸的选型

液压缸结构较简单，需要先获得液压能，再将其转化成机械能，带动其他机械部件进行直线往复运动。因为液压缸工作原理较为简单，整体结构并不复杂，所以工作性能可靠，在自动移栽蔬菜秧苗的环境中，可以正常工作，不会出现严重的系统故障。在液压缸运动过程中，没有传动间隙，不需要额外设置减速装置，可以保持全过程的平稳运动。又因为填土苗盘总重量偏轻，液压缸在自动移栽机运动中主要负责推盘作业，所以在选择液压缸型号时主要考虑其行程是否满足自动移栽机的工作需求。

本设计中，选择的苗盘总长度为540 mm，当苗盘移动到输送带的3/4位置，就可进行相应的推盘动作，以此即可获得液压缸的行程范围，即400～450 mm。在参考市面上的大部分液压缸后，最终选择缸径20 mm、行程450 mm、压力14 Mpa的液压缸。可以满足苗盘移动需求，也可以为自动移栽机提供足够的动力，且价格低廉。

3 曲柄摇杆的参数设计

摆杆主要功能是驱动苗夹，完成取苗与放苗动作，需要确保运动的稳定性，避免蔬菜秧苗脱落。需要在设计曲柄摇杆机构时，取消其急回特性。如果选择没有急回特性的曲柄摇杆机构，其行程速比系数将没有极位夹角，即k=1。在摇杆达到最远、最近的极限位置时，曲柄和连杆处于同一直线上。设计摆杆长度为100 mm，摆角为120°，机架长度为335 mm。在机架与连杆、机架与极限位置的角度分析中，需要考虑到曲柄与连杆在极限位置的特殊情况下，拥有共线的特性。所以，设计曲柄长度86.6 mm，连杆长度331.2 mm，可满足自动移栽机在工作状态下的曲柄摇杆运动要求。

4 取苗机构的工作原理与运动轨迹设计

4.1 工作原理

取苗机构主要由平行四连杆机构、曲柄摇杆、苗夹、带轮机构等部分构成。在实际工作中，苗夹需要预先固定于平行四连杆机构的竖杆位置，并让苗夹维持开口向下的工作状态。四连杆的两端通过铰接进行固定，另外两端则做水平布置，固定端与水平端相垂直，固定端与横杆形成摇杆机构，水平端与竖杆形成平行四连杆机构。水平端的一侧在获得电机驱动力后，会对横杆做圆周运动，并联动平行四连杆的竖杆做往复运动。

对于取苗机构的结构，简单分为：①作为核心部件的右平行四连杆机构与左平行四连杆机构。②基于步进机械设备的步进皮带。③实现取苗动作的步进移位输送机构。④在抵达最大位移距离时拉回步进移位输送机构的回位弹簧。⑤与回位弹簧构成一个整体的磁吸。⑥用于夹取蔬菜的苗夹。⑦进行往复运动的摇杆机构。⑧提供取苗机构运动动力的电机。

4.2 运动轨迹

取苗机构的各项参数如下：曲柄86.6 mm、连杆331.2 mm、摇杆100 mm、机架335 Mm，长杆310 mm、短杆80 mm。再使用欧德克连杆仿真设计软件，对取苗机构做运动仿真，可以从取苗机构的运动轨迹中看出，连杆机构可以保持稳定运行状态，不会出现相互干涉情况。因为苗夹在取苗机构运动过程中保持不对称弓背式的运行轨迹，所以在使用过程中，操作人员可以根据蔬菜移栽要求，对摇杆与平行四连杆长杆之间的夹角进行调整，维持苗夹对称运动轨迹，提升蔬菜移栽的效率与质量。

5 结论

当前，我国蔬菜移栽主要采用半自动移栽模式，相较于人工移栽模式，可以有效提升蔬菜秧苗移栽效率。但是需要额外配置3～4名/台的种植人员，没有彻底解决劳动强度偏大的问题。本设计的自动移栽机，整体结构较为简单，不涉及更为复杂的机械结构。而且，整体结构制造成本偏低，符合大多数种植户的经济条件。尽管在移栽效率与移栽质量上，和欧美等发达国家的自动移栽机有一定差距，在实际应用中需要种植人员对蔬菜秧苗进行二次调整，但是本设计的自动移栽机仍具有较高的实用价值，可以适应大多数蔬菜秧苗的移栽条件。另外，如果种植人员有额外的蔬菜秧苗移栽需求，可以将其他机械设备安装到自动移栽机上，具有二次改造可能性。