穴盤苗移栽機凸輪間歇式取苗機構的設計*

張寧寧，張振國*，李昊坤，白紫勛

（新疆農業大學機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830052）

穴盤苗移栽機凸輪間歇式取苗機構的設計*

張寧寧，張振國*，李昊坤，白紫勛

（新疆農業大學機械交通學院，新疆 烏魯木齊 830052）

針對目前新疆大面積種植模式，穴盤苗向大田移栽，人工移栽成本高、移栽周期長、成熟期不一致、不利于機械采收等問題，對新疆種植的番茄苗的物料特性進行了測量。根據新疆種植番茄的物料特性，設計了一種凸輪間歇式取苗機械手。本文主要介紹了取苗機構由凸輪間歇式取苗機械手完成苗的夾取和移栽的基本組成和其工作原理，及其關鍵部件凸輪、間歇輪、抓取部分及彈簧的結構和功能參數選取。所設計的凸輪間歇式取苗機構對新疆番茄、辣椒和棉花等經濟作物大面積機械移栽有良好的推動作用，有利于增加團場職工的經濟收入，對新疆的農業經濟發展具有十分重要的意義。

番茄穴盤苗；CAD；凸輪間歇式；取苗機構

1 引言

目前，我國移栽機械技術的研究和應用中還有著許多問題等待解決，農業機械的研究與我國農業生產的需求相對脫節，不能滿足我國農業生產的需要。當前所使用的移栽機移栽質量不穩定，通用性差，自動化程度低，這些都限制了育苗栽植技術的綜合經濟效益，增產效果不佳[1-5]。移栽機械的取苗機構非常關鍵，研究穴盤苗移栽機取苗裝置對實現蔬菜、花卉、棉花等穴盤苗移栽生產過程自動化，減輕穴盤苗移栽作業的勞動強度，提高作物移栽質量，推進我國農作物生產機械化和自動化進程具有積極的意義[5-8]。

新疆地處我國西北，寒冷干燥，無霜期短，不宜于早播。而通過育苗移栽可提前育苗，人為地延長開花結實期，有效地提高新疆經濟作物棉花的產量，大幅度地增加農民的經濟收入[9-12]。

本文主要是基于UG三維實體軟件以及CAD二維制圖軟件研究設計的番茄穴盤苗自動移栽機凸輪間歇式取苗機構。主要介紹了取苗機構由凸輪間歇式取苗機械手完成苗的夾取和移栽的基本組成和其工作原理，及其關鍵部件凸輪、間歇輪、抓取部分及彈簧的結構和功能參數選取。關于穴盤苗移栽機構的研究對于新疆的農產品經濟發展有著非常重要的意義。

2 番茄穴盤苗物料特性

根據新疆農業的實際情況，選用新疆農民普遍使用的倒金字塔型128穴的穴盤（如圖1），每個苗孔上端的長、寬度均為30mm，下端長、寬均為15mm，穴苗孔深度43mm，底部圓孔直徑為7mm，容積為19mL，厚度為1mm。以35d苗齡的“石番36”番茄穴盤苗為試驗對象，對穴盤苗的株高、葉面展幅和莖粗等參數進行了測量，穴盤苗壯苗的平均株高為181.2mm、葉面展幅79.4mm、莖粗3.3mm、真葉片數3～5片。以此對取苗機構的尺寸參數進行設定。

圖1 穴盤參數

3 取苗機構中機械手的基本組成及工作原理

3.1 取苗機構中機械手的基本組成

取苗機構的基本構造如圖2所示。其主要是由凸輪、機架、頂桿、套管架、抓取部分、復位彈簧和間歇輪等機構組成。

圖2 移栽機取苗機構中機械手

3.2 機械手的工作原理

機械手中間歇輪是由電動機帶著轉動，每轉1次的角度為90°，轉360°為1個周期，將凸輪機構連接在間歇輪的從動輪上，將凸輪的最頂端和最底端的連線與間歇輪主動輪平行，由此鏈接在間歇輪從動輪上的凸輪每1次轉動同樣為90°，凸輪就由最低點經過2次轉動到最高點，由此凸輪將頂桿頂到最高點，頂桿連接的抓取部分被頂開，隨著整個機架移動使抓取部分的外端點移動到已經被頂出穴盤的苗的相應位置，當間歇輪再次轉動時帶動凸輪轉動，經過90°的轉動就不再作用頂桿，頂桿在復位彈簧的作用力下被拉回，抓取部分隨之合并，夾住被液壓頂桿頂出的苗從而將苗從穴盤里取出來，再跟隨整個機架的移動，將苗帶到指定的位置，隨著間歇輪的轉動，抓取部分被頂開將苗進行投放，完成整個移栽周期。

4 取苗機構中機械手的設計

4.1 抓取裝置的設計

圖3 移栽機取苗機構中機械手抓取裝置局部

抓取裝置是由頂桿、抓取部分、復位彈簧3個機構組成。該抓取裝置的主要作用是將由液壓頂桿頂出穴盤中的苗進行抓取。其抓取部分的長度為60mm，2個抓取部分根部的中心距為90mm。經過測量穴盤苗中苗基質上底面的邊長為30mm左右，所以抓取部分張開時頂端之間的距離必須在30mm以上。抓取部分是由頂桿被凸輪頂起從而打開抓取部分對苗進行抓取，再由整個機架帶動從而對苗進行移栽。抓取裝置張開時如圖3所示（圖中b=30mm）。

由于考慮到移栽時對苗基質和苗莖和葉的損傷，所以張開時抓取部分的頂端之間的距離必須要大于30mm。但是張角不宜過大，必須要在支架兩端的延長線之間，可以有效的防止彈簧對抓取部分做無用功。在安裝彈簧時可以不使用垂直的方向也可以向抓取部分的垂向傾斜，有利于提高彈簧對抓取部分作用力的利用效率，同時也增加了彈簧的使用壽命。

4.1.1 對于抓取部分張角和頂桿的設計

對于張角大小的設計就必須要提到頂桿的長度問題，頂桿不能過長但是也不可以過短。抓取部分根部的中心距為90mm，2個抓取邊的長度為60mm，由于抓取部分頂部張開時間距長度必須 ＞30mm（圖4先按間距為b=30mm計算）。

圖4 機械手抓取部分（閉合時）

如圖4所示，設底角的大小為x。

解得：x=41°

通過計算，頂端閉合時底角大小為41°，頂角的大小為，當張開時頂部距離為30mm時，底角的大小也隨之改變：

圖5 機械手抓取部分（張開時）

如圖5所示，設改變后的底角的大小為y。

可得：y=60°

由上式的計算可以得到機械手抓取部分的張角大小，抓取部分張開時，頂端之間的距離由頂桿平移的長度所決定，對于頂桿的設計不能過長，但是如果頂桿過短，在機械手作業當中，由于苗的長度是182mm左右，本設計是以一定的傾角去抓取被頂出來的苗，由此頂桿上半部的分支長度可以相對較短，因為這段頂桿的長度多少直接影響凸輪的設計。在抓取部分頂端未張開之前，頂桿頂端之間的距離為45mm，張開之后頂桿頂端之間的長度為60mm，最后將長度設定為60mm。

4.1.2 彈簧部分的設計

在彈簧的設計當中，由于基質是由土壤和一定的水以及一定的營養物質組成，由于之前所研究基質含水量在30%左右時基質的強度最強，在機械手對苗進行抓取時對基質的損傷降低。在這個基礎上認為彈簧的拉力不應當過大，但是也不能太小。過大容易破壞基質，過小基質容易掉落。彈簧作為彈性元件，其性能的優劣對機器設備的性能及安全性有直接影響，特別是彈簧的動態特性及可靠性對保證機器設備的穩定工作具有十分重要的意義。在計算中可不考慮簧圈的振動，近似認為彈簧中各簧圈在任意時刻t的速度沿彈簧軸向呈線性分布。

通過對彈簧的計算，對于彈簧距離支撐面的距離、活動機件在彈簧作用下的速度、整個彈簧的長度和彈簧的質量進行公式的推導得出

再對上式中的彈簧長度進行積分，得

從上式可以看出，在計算時，考慮到彈簧自身質量對整個機械手運動的影響，在彈簧作用下機械手運動的抓取部分質量加上1/3的彈簧質量，作為虛擬活動機件質量，即認為彈簧是沒有質量的運動體。當彈性體產生的形變量由a變為b時，彈力F對彈性體所做的變力功W為：

式中，為形變量由a變化到b時彈性勢能的變化量，整理后，上式可寫成：

也就是說，在忽略能量損耗的情況下，彈簧的彈力大小等于彈性勢能與形變量的變化率[13-16]。再加上考慮到抓取裝置的自重的情況下，將彈簧的彈力設定10N。

4.2 間歇輪和凸輪部分的設計

4.2.1 間歇輪部分的設計

圖6 移栽機取苗機構中機械手間歇輪

間歇輪的設計，其中b輪為主動輪，a輪為從動輪。其中主動輪與從動輪之間的作用是由主動輪上凸起的圓柱對應卡在從動輪的凹槽內，從而由主動輪帶動從動輪轉動，在間歇輪轉中主動輪轉動1周，從動輪相應轉動90°，在主動輪轉動1周的時間內只有1/4的時間是在對從動輪做功。在剩下的3/4的時間內主動輪在空轉，也因此實現了由主動輪對從動輪的間歇控制。間歇輪時間的具體控制，那是由主動輪轉動的角速度來確定的。

4.2.2 凸輪部分的設計

頂桿部分的設計會涉及到凸輪的設計，頂桿將抓取部分頂開的這一過程中，頂桿的底端所移動的距離設為xmm。在頂桿的上端分支部分的單個長度為60mm（如圖7所示）。圖7中左圖為抓取裝置未被頂開時的運動簡圖，右圖為抓取裝置被頂開30mm時的運動簡圖。

圖7 移栽機取苗機構中抓取裝置

圖8 移栽機凸輪狀態

圖8對應圖7抓取部分閉合與張開的狀態圖，頂桿定位于抓取部分的中點處，因此2個狀態時的抓取部分中點間的距離分別為45mm和60mm，抓取部分底端間的中心距為90mm。

設被頂開狀態時的頂桿分支部分的垂直高度為b；未被頂開是的頂桿分支部分的垂直高度為a；2個狀態時2個抓取部分中點連線的垂直距離為c；得：

由于基質上端面的邊長為30mm，在設計時抓取部分頂端張開后的間距為30mm，在這樣的情況下對凸輪的行程進行計算其結果是9.8mm。因為在計算時將抓取部分頂端張開后的間距設為30mm，在抓取苗的過程中會對苗造成不必要的損傷，所以將凸輪的行程由9.8mm改為10.0mm，以減少移栽過程中對苗所產生的不必要的損傷。

上述各式中，φ表示由推程起始點算起凸輪的轉角。

凸輪輪廓線影響從動件，所以輪廓線的設計至關重要，如果沒有設計好，會直接影響到從動件運行的準確性、有效性和耐久性。這其中的檢驗指標是壓力角和輪廓線的曲率半徑。

壓力角是實際的輪廓線上隨機的某一個點與其鏈接的從動件相接觸時，前提是不計摩擦力的條件下，在這個點的法線與從動輪的速度的方向上的線所形成的夾角（銳角）。壓力角是對凸輪與從動件之間力的傳遞特性好壞進行衡量的重要參數。在從動件上所受的力可以分為2個相互垂直方向上的力，一個是沿速度方向上的分力，另一個是垂直與速度方向上的力，其中沿速度方向的為有效的分力，而與其垂直方向上的是無效的分力。由于壓力角的增大，從而使無效的分力增大，由此所產生的摩擦力也隨之增大，降低了整個凸輪機構的工作效率，當壓力角增大到一定的角度時，會使凸輪機構發生自鎖現象。要使整個凸輪機構正常工作，所以必須規定壓力角的許用值，許用值的值的大小是隨著凸輪類型的變化而產生變化[17]。

為了使壓力角的值減小，應當使凸輪的基圓半徑的值增大，只是這樣又會導致機構的體積變大。機構的尺寸特性和傳力特性相互制約，應兩者兼顧，在滿足壓力角條件的前提下，基圓半徑取較小值。

4.3 間歇時間部分的設計

所設計的是一個凸輪間歇式取苗機構，在移栽苗的這一個周期的時間內要完成將苗從穴盤中頂出、抓取和投放這整個動作過程，所以時間的安排尤為重要。在抓取部分被凸輪頂開的這四分之一周期的時間內，要將苗從穴盤苗中頂出，所以在這四分之一周期的時間內要完成將苗頂出和機械手有機架帶動到抓取苗基質的位置，其中機械手的抓取裝置應處于張開的最大時刻。

圖9 移栽機機械手中抓取裝置（打開時）

隨后間歇輪帶動凸輪轉動抓取部分由復位彈簧的拉力拉緊，從而使抓取部分將苗抓取，在這剩下的3/4周期的時間內，抓取部分將苗抓取，再由機架帶動將機械手移動到相應的位置時，有1個空閑的鴨嘴對應，在凸輪轉動1個周期回到最頂端時，將抓取部分頂開后接住機械手投放的苗，隨后再由整個機架帶動去抓取正在從穴盤苗中被頂出來的苗，在這一段時間內，穴盤苗要完成從原來的位置下降一格，并且頂桿要再次將穴盤中的苗頂出的動作過程。完成整個循環過程的一次循環。

5 結論

當前大部移栽機的機械手主要抓取的對象是穴盤苗的莖稈，但是夾取莖稈會對苗造成一定的損傷，從而降低移栽的質量和苗的成活率。

本研究設計的機械手主要抓取的對象是穴盤苗的基質，這樣可以進一步減少移栽過程中對苗所產生的損傷程度，從而保證了一定的移栽質量和苗的成活率；使用凸輪和間歇機構在一定程度上保證了機械手的精度和耐久度；復位彈簧的選取也尤為重要，將保證其操作的精度和質量。

目前新疆生產建設兵團所面臨的問題是勞動力的缺失，由于大部分的人從事第二、三產業，致使從事農業生產的勞動力不足，再者人工移栽不僅費時費力，而且成本也非常大，這樣導致收獲時農作物的成熟期不一致，不利于農業機械的統一收獲。

本文通過對凸輪間歇式移栽機械手的設計，對新疆兵團的番茄、辣椒和棉花等經濟作物大面積機械移栽具有良好的推動作用，并且提高效率，同時對整個新疆的農產品經濟的發展有著重要的促進意義。

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2015—10—09

新疆農業大學校前期資助課題，項目編號：XJAU201409。

*通訊作者：張振國（1986-），男，山東滕州人，講師，研究方向為農業機械裝備創新與性能設計。E-mai：bigbearsun@163.com。