海帶夾苗鉗機械結構設計

王 慧， 于 泳， 王東旭

(煙臺南山學院，山東 煙臺 265713)

海帶夾苗鉗機械結構設計

王 慧， 于 泳， 王東旭

(煙臺南山學院，山東 煙臺 265713)

很多沿海城市海帶栽培采用人工操作，工作強度很大。傳統海帶夾苗設備進苗率低，夾苗繩的使用壽命較短。鑒于此，對海帶夾苗機的傳動部分做了改進。首先介紹了海帶夾苗機設計方案選擇依據，其次對海帶夾苗機典型機械結構進行改進，最后通過實驗對比確定了海帶夾苗機破扣的最佳參數。結果表明：連桿、凸輪機構合理融合在海帶夾苗鉗的協調動作中，同時完成“夾緊—扭松—靠攏成孔”3個動作，實現了海帶苗繩“夾緊—破扣—插苗”的自動化；通過實驗確定了海帶苗繩裝夾長度為60 mm，扭轉5°～10°時夾苗所需的扭力小，成孔容易。結論：改進后的海帶夾苗鉗短時間內即可完成海帶苗裝夾動作，可以為海產植物類夾苗裝置的開發和應用提供參考，有較好的開發前景。

海帶養殖；夾苗鉗；夾苗機；機械結構；結構設計

海帶養殖過程中的夾苗工作一般在冬季進行，用手將幼苗分開后，用拇指、食指將直徑約20 mm的棕繩扭松成孔，讓板或盤口上的苗根全部進入松開的孔后再放手，讓苗根在孔內夾緊[1]。依次往復，勞動強度大，經常弄得雙手紅腫、手指開裂[2]。本文所設計的海帶夾苗鉗，在總結傳統的海帶夾苗設備和相關自動夾苗機的基礎上，對傳動過程做了改進，采用簡單的機械結構，性能更可靠。

1 方案設計

1.1常用海帶夾苗機的種類及特點

自20世紀80年代初開始，先后研制有3種夾苗機：繩夾式、分繩機頭式和腳踏式海帶夾苗機[3-4]。

繩夾式夾苗機是模仿人工夾苗動作而設計的，目的是為了保證夾苗質量，提高夾苗速度[5-6]。該機把主動的繩子固定成孔，用手把苗推入繩孔中完成夾苗動作。繩夾式夾苗機形成的孔能在120°范圍內轉動，但位置難以固定，進苗率低[7]。腳踏式夾苗機由鞋底車加上繩子等距定位置和自動送苗機構組成[8-9]。腳踏式夾苗機提高了夾苗速度，但線的松緊度和苗柄的最大承受壓力難以一致，太緊了會切斷柄部，太松又會壓不牢，且長期處于縫紉線的壓力下，苗柄部被壓迫段就難以粗壯。分繩機頭式夾苗機包括支架、驅動機構及分繩機構[10]，分繩機頭式夾苗機孔位置固定，雖然能形成較大面積的孔，但其實際有效面積并不大，影響繩子的使用壽命[11-13]。

1.2海帶夾苗機設計要求

本設計的海帶苗繩結構如圖1所示。它是1根由3小股尼龍繩擰結而成的繩子，直徑約為20 mm，長度為2.5 m左右。現設計一種能使海帶繩成孔的機構，要求每隔20 cm種植1株，種植速度20～30株/min。

圖1 海帶苗繩實物圖Fig.1 Physical map of kelp rope

1.3海帶夾苗機方案設計

海帶夾苗機通過機械傳動驅動一雙模擬手指動作的海帶夾苗鉗進行夾苗，實現海帶種植自動化，主要包括機架、夾苗鉗、傳動桿組等。夾苗機構的傳動系統由電動機驅動，通過凸輪、槽輪等間歇運動機構控制。電動機帶動凸輪回轉，通過桿組將滾子移動從動件的上下移動轉為鉗子擺動，斜面凸輪的移動又帶動鉗子做橫向移動，從而實現鉗子夾緊并靠攏成孔的動作。本設計利用連桿和凸輪機構工作原理(圖2)，采用電機驅動，機械傳動的方式，基本實現了海帶種植的自動化，大大減輕工人的勞動強度。

2 海帶夾苗機典型機構設計

由設計要求可知，電機通過減速器減速后帶動凸輪回轉，滾子從動件將轉動轉變成鉗子的裝夾松弛動作。另外，通過帶傳動，將減速器輸出軸一部分動力傳到滾輪上，確保苗繩進給[17-19]。

2.1海帶夾苗機工作原理

海帶夾苗機由電動機、減速器、夾苗鉗、凸輪、滾輪、帶輪、傳動桿等組成(圖2)，可以完成“夾緊—扭松—靠攏成孔”3個動作。海帶夾苗鉗是一雙模擬手指動作的機械，其外形是仿照V型塊對中定位原理設計制造。夾苗鉗不工作時，由彈簧張開(圖3)。夾苗鉗由兩個半只鉗口拼合而成，每半只鉗口上各有一只活動銷軸，由夾緊弧、過渡夾緊弧組成。夾苗鉗左側鉗口只能繞鉗軸轉動，不能軸向移動；右側鉗口既能繞鉗軸轉動又能軸向移動。

圖2 海帶夾苗機結構圖Fig.2 Structure chart of the gripper for kelp seedling

圖3 海帶夾苗鉗模型圖Fig.3 Model diagram of the gripper for Kelp seedling

兩個夾苗鉗不工作時，由彈簧張開60 mm(圖3)。在右側鉗的右側安裝有凸輪，凸輪拉桿只能沿豎直方向移動。當凸輪拉桿沿導軌豎直向下運動時，凸輪受到向左的推力，推動凸輪向左滑移，間接推動右側夾苗鉗向左滑移，實現兩鉗靠攏。當夾苗鉗開始工作時，先拉下垂直拉桿，聯動四根連桿、搖桿和拉桿(圖4)，使半圓連桿向中心收斂，此時夾苗鉗夾緊苗繩，且通過半圓連桿使夾苗鉗成兩相反方向繞苗繩中心線轉動。轉動方向與苗繩絞緊方向相反，在半圓連桿轉動10°左右后，被夾緊的這段苗繩被扭轉5°～10°，但不成孔。此時，垂直拉桿繼續拉下時，便拉動了斜面凸輪，使該凸輪向左滑移，迫使已被扭松的棕繩相對靠攏成孔。當機器工作后，操作工人只需在此時用手取一棵海帶苗將根部插入成孔中，即可完成“夾緊—扭松—靠攏成孔”3個動作。

2.2連桿機構設計

設計連桿機構(圖4)時考慮剛體引導問題，布置桿組時需要有一系列的預定位置；連架桿的轉角應滿足預定的對應位置，當拉桿下端停留在最上方位置時，鉗子開30°，張口最大，兩鉗口相距約35 mm，而繩子直徑20 mm，足夠苗繩順利通過；機構運動過程中半圓連桿可繞定點作旋轉運動，當兩半圓連桿各旋轉10°后，可讓繩子夾緊[20]。

圖4 連桿機構圖Fig. 4 Diagram of linkage mechanism

2.3凸輪設計

海帶夾苗機的凸輪機構在夾苗鉗的右側，凸輪有移動滾子傾斜端面，滾子可在其上滾動，當凸輪拉桿豎直向下時，滾輪推動凸輪沿鉗軸向左滑移，實現兩鉗靠攏。在凸輪機構中，必須使滾子始終與凸輪之間保持接觸，即封閉(圖5)。

圖5 直動滾子從動件盤形凸輪機構的設計Fig.5 Translation roller followerdisc CAM mechanism design

夾苗鉗及連桿機構重力較小，不能利用機械重力實現封閉，因此采用形封閉。形封閉消除了從動件與凸輪脫離接觸的現象。將凸輪表面加工出溝槽，為減小從動件與凸輪的磨損，采用滾子變滑動為滾動，可延長凸輪機構的壽命(圖6)。

圖6 凸輪與滾子的接觸Fig. 6 Contact between CAM and roller

3海帶夾苗機破扣參數確定

影響海帶苗繩破扣的主要參數包括苗繩裝夾長度、扭轉力和扭轉角度[21-22]。傳統的海帶夾苗鉗在裝夾時，將海帶繩扭轉成孔需要的夾緊力比較大，有的成孔較小，不容易裝夾海帶苗。為了更好地設計鉗子的動作以及具體的動作過程，進行了實驗。采用手夾苗繩的方法初步確定影響海帶苗繩破扣的最佳參數。

實驗(1)：改變苗繩的裝夾長度，分別在40(a)、60(b)和80 mm(c)位置裝夾，各自扭轉后，相向靠攏10 mm，記錄各自最大成孔狀態(圖7)。可以看出，在40 mm處裝夾時，扭轉成孔及靠攏力比較大，成孔比較難；在60 mm處裝夾，再扭轉靠攏，用力小，扭轉角度較小時，成孔較大；在80 mm處裝夾時，即使扭轉很大角度后，仍很難成孔。分析可知，苗繩裝夾的長短對破扣是有影響的，裝夾苗繩太短，扭轉成孔需要的扭力大，裝夾苗繩太長，很難聚攏成孔，就會失去破扣功能，而苗繩裝夾長度為60 mm時，成孔容易且扭力小。因此，海帶苗在60 mm裝夾時最合適。

實驗(2)：苗繩的裝夾長度(60 mm)不變，改變扭轉的角度，分別為0°(a)、5°～10°(b)、20°(c)，分別記錄3次成孔狀態(圖8)。可以看出，不同的扭轉角度對破扣也是有影響的，扭轉0°靠攏力比較大，成孔比較難；扭轉5°～10°時，不僅扭力小，再靠攏成孔比較容易；扭轉再大的角度后，扭力會隨扭轉角度的增大而增大，雖然迫使鉗子靠攏的作用力不大，但成孔不會變大，所以最佳扭轉角度為5°～10°。

圖7 不同裝夾位置結果Fig.7 Different installation locations for grippers

圖8 不同扭轉角度實驗結果Fig.8 Different torsion angles

4 結論

設計的夾苗機將連桿、凸輪機構原理合理地融合在海帶夾苗鉗的協調動作中，可同時完成“夾緊—扭松—靠攏成孔”3個動作，可實現海帶苗繩“夾緊-破扣-插苗”過程的自動化，降低工人勞動強度。通過實驗分析，確定了海帶苗繩最佳裝夾位置，即在海帶苗繩裝夾長度60 mm、扭轉5°～10°時最合適裝夾。

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Mechanicalstructuredesignofgrippingforcepsforkelpseedling

WANGHui,YUYong,WANGDongxu

(YantaiNanshanUniversity,Yantai265713,China)

Kelp seedling cultivation is operated manually in many coastal cities, which is highly labor-consuming. For the traditional gripping equipment for kelp seedling, the rate of seedling is low, and the service life of the grippers is short. In view of this, improvements have been made to the driving parts of the gripper for kelp seedling. In this paper, the selection basis of the design scheme of the gripper for kelp seedling gripping was firstly introduced; then the typical mechanical structure of the gripper for kelp seedling gripping was improved; finally, the optimal parameters of the loosening of the gripper for kelp seedling gripping are determined by experiment. The results showed that the connecting rod and CAM mechanism have been reasonably merged into the coordinated action of the gripper for kelp seedling gripping, meanwhile the three movements "gripping-loosening-drawing close to form a hole" was completed, thus the kelp rope for inserting seedling "clamping-loosening- inserting seedlings" automation was achieved; By experiment, it is determined that the length of the gripping length is 60 mm, the torque required for changing the angle of 5°-10° is small, and the hole is easy to be formed. The research shows that the gripping motion can be completed in a short time, which can provide a reference for the development and application of the seedling gripping device of Marine plants, thus having a good prospect for development.

kelp seedling cultivation；gripping forceps；gripper；mechanical structure；structure design

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.05.007

2017-06-14

山東省職業教育教學改革研究項目(2017248)；山東省高等學校科技計劃項目(J17KB038)

王慧(1981—)，女，講師，碩士，研究方向：農業機械。E-mail：46727902@qq.com

S968.4

A

1007-9580(2017)05-035-05