一種種苗移栽機自動取苗送苗裝置

徐廣鵬，張闖闖，楊鐵鋼，劉存祥，李曉虎

(1.河南農業大學 機電工程學院，鄭州　450002;2.河南省農科院 經濟作物研究所，鄭州　450002)

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一種種苗移栽機自動取苗送苗裝置

徐廣鵬1，張闖闖1，楊鐵鋼2，劉存祥1，李曉虎1

(1.河南農業大學 機電工程學院，鄭州450002;2.河南省農科院 經濟作物研究所，鄭州450002)

摘要：在了解國內外旱地栽植技術和移栽機的發展現狀及存在問題的基礎上，研制了一套種苗自動取苗送苗機構。該裝置采用PLC程序進行控制，使分苗系統和送苗系統按照各自的要求實現其動作，完成所需要的功能。該機構是一種集自動取苗、送苗、放苗于一體的多功能機電氣一體化裝置，可在種苗移栽的過程中代替人力來實現取苗、送苗的操作，且可應用于棉花、番茄、玉米等作物穴盤育苗的種苗移栽。

關鍵詞：移栽機；取苗；送苗；自動

0引言

目前，我國的旱地作物大部分都還是采用播種、自動出苗、間苗、中期管理等階段進行種植。種苗移栽有許多優點：可以延長作物的大田生長周期，減少由于直接種植而出現的漏播、缺苗、苗生長勢差異較大等缺陷[1-2]。研究表明，在適宜的時間段采用機械移栽，能夠使產量大幅度提高(20%～25%，品質更優[3])。因此，多種作物采用了移栽種植方式(如甜玉米、番茄、辣椒、烤煙、棉花等)，種苗移栽種植機械具有廣闊的應用前景。

長期以來，我國旱地作物的移栽，從穴盤育苗到種苗移栽入土，中間的工作環節大部分依靠人力來完成，勞動強度大，且效率低下；特別是農忙季節，由于大部分農民外出打工，勞動力短缺，稍有耽誤，就容易貽誤農時，影響產量[4-5]。我國研制移栽機已有30年多的歷史，某些方面取得了一定突破，對我國旱地作物及大部分蔬菜的發展起到了一定的促進作用[6]，但仍存在如下一些問題：半自動移栽機必須在人工送苗的情況下，才能正常地完成工作；人工取苗、送苗過程中速度不能太快，否則人容易疲勞，造成漏苗現象[7]。目前使用的一些移栽機械，基本都是采取人工取苗、送苗進行移栽作業；人工取苗、送苗環節的速度限制及移栽過程中占用了過多的勞動力，制約了種苗移栽機械的大面積應用[8-9]。

研制新型自動取苗、送苗機構將提高整個移栽機械的效能和價值[10]。因此，開展自動取苗、送苗裝置的設計與試驗研究，對于旱地自動移栽機的發展具有重要意義[11]。

為此，筆者研制了一種種苗移栽機自動取苗、送苗裝置，可在種苗移栽的過程中代替人力來完成取苗、送苗的過程。

1自動取苗送苗機構及工作原理

該裝置由自動取苗和送苗兩部分組成，結構如圖1所示。

1.1自動取苗系統

該系統由無桿氣缸滑塊位置傳感器、起苗工作臺、橫向移動氣缸、氣動制動裝置、無桿氣缸、直線導軌、垂直方向雙桿氣缸及機械手等組成。圖2為夾取動作的工作過程。工作時，由PLC對相應元件進行控制，實現機械手自動連續取苗過程。PLC控制電磁閥給無桿氣缸通入氣體，使無桿氣缸滑塊上的起苗工作臺從起始位置在直線導軌上運動，通過設定相應的無桿氣缸滑塊位置傳感器，使起苗工作臺帶動機械手在到達要抓取種苗行的位置后，在氣動制動裝置作用下停止；通過PLC控制，機械手由張開狀態到閉合狀態，待機械手夾住種苗以后，對垂直方向雙桿氣缸通氣，使機械手帶動種苗向上提升一定的距離；再對無桿氣缸通氣，使無桿氣缸的滑塊帶動與其相連的起苗工作臺回到起始位置上方，對垂直方向雙桿氣缸放氣，使機械手帶動種苗下落到起始位置；松開機械手，種苗由于自重作用掉入導苗管里，完成該行的一次取苗動作；然后，通過PLC控制橫向移動氣缸，推動垂直方向雙桿氣缸的整體位置沿橫向移動滑桿移動1個穴孔距離，使機械手對應該行的間隔孔穴剩下的種苗，再重復前面的取苗動作，把本行剩下的種苗取走，送入導苗管里。

1.無桿氣缸滑塊位置傳感器　2.起苗工作臺　3.橫向移動氣缸　4.氣動制動裝置　5.無桿氣缸　6.直線導軌　7.垂直方向雙桿氣缸

圖2　夾取動作的工作過程

橫向移動氣缸運動規律如圖3所示。每盤苗第1次抓取苗后橫向移動1個穴孔距離，此后每兩次抓取苗后橫向移動1個穴孔距離；如此往返運動，直到把穴盤中所有行數的種苗全部送入導苗管里。

1.2自動送苗系統

該系統(見圖1)由導苗管、鏈輪傳動裝置、活門、水平固定板、步進電機等組成。工作時，通過PLC控制步進電機轉動，從而帶動鏈輪傳動裝置上的導苗管在水平固定板上滑動；待導苗管轉到水平固定盤上的拱形缺口時，活門在其自身重力、種苗及所帶基質重力的作用下，向下自動打開，種苗由于自重掉入下邊的移栽機吊籃內；吊籃轉動到地面自動打開放下種苗，覆土輪覆土固定種苗，完成種苗移栽操作。

圖3　橫向移動氣缸運動規律

2自動取苗系統的研制

該系統利用機械手取苗，然后將種苗送入導苗管。依據取苗的工作原理，該系統的研制主要包括兩部分：①機械手系統；②氣動定位系統。

2.1機械手系統

該系統的應用對象是種苗，種苗高度范圍定為100～200mm。依據各種機械手的特點，該系統選用Y型氣動手指(缸徑16mm)作為取苗的工具，也可以選用液壓、電動和機械式驅動機械手作為取苗的工具。鑒于種苗易于被夾傷，在氣動手指上固定了較軟的海綿墊片。由于單個機械手的寬度為30.6mm,而選用苗盤的規格為10×20(行×列)穴，其外形尺寸為280mm×540mm，所以采用1排固定5個機械手的方案對種苗進行隔行抓取，1次可以抓取5棵種苗，1行種苗需要2次抓取。圖4為氣動手指的排布方案。

圖4　氣動手指的排布方案

選用PLC(型號為CP1H-X40DR-A)作為控制單元，通過PLC對相應元件的控制實現機械手自動連續取苗過程，其動作包括帶動機械手自動上升、下降、前移、后移、左移和右移，以及機械手夾緊、松開。這些動作分別由各自的電磁閥來控制相應執行元件，完成相應的動作；此外，可手動控制機械手完成夾住種苗和松開種苗的功能。在編寫程序中，增加了互鎖回路保護，以防止發生誤動作而引起事故。

2.2氣動定位系統

根據該系統的研制要求，選用了型號為CY1B25-900的磁偶式無桿氣缸，其定位原理如圖5所示。氣動定位系統由氣缸控制閥(三位五通)、制動閥(二位五通)、無桿氣缸滑塊位置傳感器(圖1中序號1)、無桿氣缸(圖1中序號5)及無桿氣缸滑塊位置控制器(即圖1中氣動制動裝置4)等組成，可實現任意點的柔性定位和無級調速。

圖5　氣動伺服定位系統原理示意圖

當取苗時，要求無桿氣缸滑塊帶動氣動手指到達正確位置±5mm范圍內停止。筆者采用不同的壓力來測試氣動手指的停止位置，以確定無桿氣缸的可靠性。分別采用0.20、0.25、0.30、0.35MPa的壓力，結果顯示氣動手指停止的位置距離正確的位置相差很大，因此僅靠無桿氣缸自身不能精確定位，無法滿足工況要求。因此，設計了一個氣動制動裝置(見圖6)，在氣動手指到達正確位置需停止時，無桿氣缸滑塊位置信號傳給PLC，PLC控制圖中的氣缸進氣，氣缸推動摩擦片與直線導軌摩擦，起到制動的作用，使無桿氣缸滑塊帶動氣動手指停止在要求位置。

1.氣缸固定板　2.氣缸　3.摩擦片　4.直線導軌

安裝氣動制動裝置以后，再次對制動系統進行測試，氣動手指停止位置距離正確位置的距離均在±5mm內，能夠滿足試驗的要求。

3自動送苗系統的研制

該系統受同一PLC控制，利用步進電機的精確定位，帶動送苗機構運動，保證完成機械手放種苗到導苗管的同步，并使導苗管里的種苗行走一段距離后落入移栽機的吊籃里。種苗的送苗機構的結構如圖7所示。

1.鏈條　2.導苗管　3.鏈輪

依據送苗的工作原理，該系統選用了型號為2S130Y-063R8的步進電機，采用鏈條作為傳動方式。其余的研制內容主要包括以下3個部分：①導苗管的設計；②活門機構的設計；③導苗嘴的設計。

3.1導苗管

由于種苗在育苗期間肥水不均，造成個別種苗枝葉較大，導苗管直徑的大小直接影響落苗的通暢性。通過多次試驗確定導苗管直徑為50mm、高度為135mm時，不出現掛苗現象。導苗管比種苗高些時，種苗在投送的過程中會有一定的初速度，在慣性的作用下使枝葉合攏，而合攏后的種苗在重力作用下可順利地向下滑落。

3.2活門機構

為使種苗在導苗管中隨導苗管運動時不至于夾苗根(直接讓種苗底部與固定盤相互摩擦運動容易傷苗根)，在導苗管下側安裝45°傾斜活門機構，使活門在行至拱形缺口處自然打開；落苗完成后，活門隨導苗管繼續前行，由水平固定板關閉活門。

3.3導苗嘴

為使種苗順利地從導苗管落入移栽機的吊籃內，將導苗嘴設計成上大下小的倒椎形；且一側板傾斜15°～20°，以便當種苗下落時獲得水平橫向運動的速度，從而減小種苗落入吊籃時所受到的沖擊。

4結論及建議

該樣機在室內進行試驗，實現了自動取苗、送苗的過程，達到了預期效果。由于時間倉促，樣機沒有和移栽機相連進行大田試驗，尚需進一步的改進。建議如下：

1)在后續開發或者生產中，可考慮采用絲杠螺母機構、滾珠絲杠機構傳動來代替無桿氣缸傳動，以減少可能由于定位不準出現的問題。

2)由于整機涉及的部件較多，需要大量試驗以便發現設計制造中的缺陷；針對出現的缺陷進行研究分析，確定解決方案，提高其可靠性。

3)后續開發或者生產中，增加檢測導苗管有無種苗系統，以克服漏栽現象。

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An Automatic Picking Seedling and Feeding Seedling Device of the Seedling Transplanting Machine

Xu Guangpeng1, Zhang Chuangchuang1, Yang Tiegang2, Liu Cunxiang1, Li Xiaohu1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Henan, Zhengzhou 450002, China; 2.Economic Crops Research Institute ,Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China)

Abstract：This paper designed an automatic picking seedling and feeding seedling device on the foundation of knowing the development status and existing problems of dry land transplanting technology and transplanting machine at home and abroad. The control system took advantage of PLC program so that the picking seedling and feeding seedling system realized action to complete required functions according to the respective requirements.This system was a multifunctional electrical integration device that could pick, send and feed seedling in one set, which could replace manpower in the process of transplanting. It could be applied to plug seedling transplanting of cotton, tomato, corn and other crop.

Key words：transplanting machine; picking seedling; feeding seedling; automatic

文章編號：1003-188X(2016)06-0249-04

中圖分類號：S223.92

文獻標識碼：A

作者簡介：徐廣鵬(1990-)，男，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)xuguangpeng@163.com。通訊作者：劉存祥(1958-)，男，鄭州人，教授，(E-mail)13598881238@139.com。

基金項目：河南省科技攻關計劃項目(142102110055)

收稿日期：2015-04-30