全自動移栽機送取分裝置空間協調設計與試驗研究

徐 飛 ，毛罕平，胡建平，韓綠化

(江蘇大學 現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

0 引言

移栽可使得蔬菜有效避開育苗期凍害、干旱等自然災害，并充分利用光熱資源，具有對氣候補償和幫助作物提早成熟及增產的作用。近年來，隨著全自動移栽機的發展，移栽帶來的巨大的經濟效益和社會效益日益突出[1-2]。目前，我國全自動移栽多為自主研制的移栽樣機和根據國外移栽方案改進設計的移栽樣機，大部分全自動移栽機都還不成熟，仍存在這樣或那樣一些問題。其中，一部分主要體現為移栽各環節空間關系不協調造成的各移栽環節移栽成功率低，從而導致整體移栽質量差，不能投入生產供廣大農戶使用[3-6]；而要保證移栽各環節的移栽成功率，關鍵是如何找出影響相互接觸的執行機構的關鍵因素，并確定其最佳值。

針對本課題組研制的乘坐式全自動移栽機的送苗、取苗、分苗3個關鍵移栽環節進行空間關系協調設計。通過分析找出影響取苗及投苗成功率的關鍵影響因素，并通過試驗的方法確定關鍵影響因素在最佳移栽成功下的最佳值，從而實現移栽送取分環節間的空間關系協調設計，保證本乘坐式全自動移栽機的移栽質量。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

乘坐式全自動移栽機主要由動力底盤、送苗裝置、取苗裝置、分苗裝置、導苗機構、栽植裝置、覆土裝置、升降機構、控制系統和氣源裝置等功能部件組成，如圖1所示。

1.動力底盤 2.送苗裝置 3.取苗裝置 4.分苗裝置 5.導苗機構 6.栽植裝置 7.覆土裝置 8.升降機構 9.控制系統 10.氣源裝置

1.2 工作原理

移栽作業時，放秧人員將穴盤苗放置在送苗裝置上，啟動車載觸摸屏，通過PLC控制系統控制送苗裝置上的步進電機驅動苗盤至指定取苗位置；取苗裝置會沿固定滑槽軌跡運動至指定取苗位置，在此過程中，取苗爪會按設定的時序動作取出缽苗，并沿著滑槽軌跡返回分苗裝置上方準備投苗；當分苗裝置上的傳感器檢測到信號時，反饋信息，此時第1個取苗爪開始投苗，并依此間隔投苗，直至6個取苗爪全部投完；落入苗杯中的穴盤苗在輸送鏈的輸送下，旋轉至導苗筒上方，此時苗杯底蓋打開，穴盤苗落入導苗筒中，經導苗筒喂入栽植器中，由栽植裝置完成栽植工作，并經覆土和鎮壓，依次重復運動可實現兩行穴盤苗的送苗、取苗、分苗、導苗和栽植的連續作業過程。

2 送取分裝置空間關系協調設計

2.1 空間協調基本要求

1)根據送苗裝置與取苗裝置的工作原理關系，本文認為兩者空間協調配合應滿足以下幾點基本要求：

(1)取苗時，取苗爪應處于被取缽苗穴孔的中心位置，與穴孔邊緣上下居中，左右居中[8]，避免取苗時，取苗爪因靠近穴孔一側造成缽體損傷而降低取苗質量。

(2)取苗工作過程中，取苗爪應垂直插入被取缽苗孔穴中，避免取苗時，取苗爪因傾斜插入穴孔增大缽體損傷或者扎破穴盤。

(3)取苗爪應能插入理想的夾苗深度以確保取苗成功率[8]。因為，取苗時，取苗爪插入缽體過淺，會因夾取力小于脫盤力而造成缽苗損傷；取苗爪插入缽體過深，則會因缽體下端體積小而造成缽體下端在取苗爪夾持力下基質松散或扎到穴盤。

(4)取苗爪取出缽苗后，帶苗至投苗位置這個運動過程中，缽苗不能與其他部件發生碰撞，以免造成缽苗損傷。

2)根據取苗裝置與分苗裝置的工作原理關系，本文認為兩者空間協調配合應滿足以下幾點基本要求：

(1)取苗機構投苗時，為保證缽苗精準落入分苗杯中，取苗爪應垂直于分苗杯口以保證苗順利落入苗杯中，且前后居中；

(2)取苗機構投苗時，取苗爪與分苗杯口之間應有足夠的高度空間供取苗爪推苗，以免缽體底部與杯體碰撞，造成缽苗損傷；

(3)取苗裝置應與分苗裝置前后應有足夠的空間供分苗機構旋轉，以免分苗杯開合板與取苗裝置發生干涉。

2.2 空間關系分析

根據送苗、取苗、分苗裝置相互間的空間關系基本要求，合理調整送苗、取苗、分苗3裝置的相對空間位置關系，如圖2所示。

1.送盤機構 2.取苗機構 3.分苗杯 4.取苗爪推苗環

Fig.2 Spatial coordination diagram of plug conveyor，taking seeding mechanism and seedlings separation mechanism

圖2中：Ⅰ和Ⅱ為局部放大圖，b1為取苗爪推苗環下平面距取苗爪末端的垂直距離，b2為取苗爪末端距被取缽苗底部的垂直距離，b3為推苗環距被取缽苗底部的垂直距離，b4為被取缽苗底部距分苗杯上平面的垂直距離；c1為取苗裝置轉動中心距取苗爪末端的垂直距離，c2為取苗爪末端距取苗點A的垂直距離，c3為取苗裝置轉動中心距分苗杯中心的垂直距離，c4為取苗點A距分苗杯中心的垂直距離；d1為取苗裝置轉動中心距安裝平臺的高度，d2為取苗爪末端距取苗裝置旋轉中心的垂直距離，d3為分苗杯高度，d4為取苗爪取苗時，取苗末端距取苗裝置轉動中心的垂直高度，d5為取苗爪取苗時，取苗末端距送苗裝置取苗點A的垂直高度，d6為送苗裝置取苗點A距安裝平臺的高度。

送苗裝置、取苗裝置和分苗裝置要實現協調配合應滿足以下空間關系，即

d1=d3+b4-d2

(1)

c4=c1+c2+c3

(2)

d6=d1+d4-d5

(3)

由上式可知：d1在d3和d2高度不變時，其主要受b4的影響。理論上b4為取苗爪末端距缽體底面的距離，但實際上取苗爪夾取缽苗后，會因缽苗盤根性和重力問題產生下滑，所以b4應大于其理論值。因此，為保證取苗裝置與分苗裝置的空間關系協調是在最佳投苗成功率下，應合理確定b4的高度。

由上式可知：在取苗裝置的旋轉中心距安裝平臺的高度d1確定的情況下，取苗爪取苗時，在d4不變的情況下，d6的高度主要受d5的影響；c1和c3的數值不變時，c4主要受c2的影響；而d5、c2的數值大小主要受取苗爪取苗時的取苗深度影響。因此，為保證送苗裝置與取苗裝置的空間關系協調是在最佳取苗成功率下，應合理確定取苗深度的大小。

3 取苗深度和投苗高度試驗

3.1 試驗條件與方法

3.1.1 試驗條件

為確定在最佳取苗成功率和投苗成功率下送苗裝置、取苗裝置和分苗裝置的空間協調關系，以苗齡在20天左右、含水率在60%左右、整體生長情況較好，以及無倒伏和缺苗現象的黃瓜苗為試驗對象，進行取苗深度試驗和投苗高度試驗。試驗時，取苗頻率均在120株/min。

本課題組研制的乘坐式全自動移栽機同時適應128孔(8×16)和72孔(6×12)兩種規格穴盤苗，兩種穴盤規格參數如表1所示。故針對128孔和72孔兩種穴盤苗進行不同夾取深度取苗試驗，以確定最佳取苗成功率下的取苗深度大小，為送苗裝置與取苗裝置的空間關系協調提供參數依據。但因72孔穴盤苗缽體高度及體積均大于128孔穴盤缽苗，生長周期同為20天的72孔穴黃瓜苗盤根包絡性相對較差，故投苗高度試驗以72孔穴盤苗為試驗對象。

表1 分體式小麥免耕播種機試驗性能結果

3.1.2 試驗方法

1)取苗深度試驗方法。在進行缽苗夾取深度試驗時，為保證取苗成功率，參考兩種規格穴盤高度h，這里選取25、30、35mm3個夾取深度進行試驗，每組試驗取苗64株，用數碼相機記錄試驗情況，以取苗失敗率S1、傷苗率S2作為評價指標[9-10]，取苗成功率公式表示為

(4)

(5)

S=1-S1-S2

(6)

其中，N為取苗總數；N1為未取出缽苗個數；N2為取苗機構取出的缽苗苗斷折斷及缽體破損過半的個數；S位取苗成功率。

2)投苗高度試驗方法。為確定乘坐式全自動移栽機取苗機構的投苗點高度b4以保證投苗成功率，這里應用高速攝像儀對試驗臺架取苗爪以最佳取苗深度30mm夾取缽苗時，對其缽苗待投位置進行統計分析，以確定最佳投苗點高度。

試驗開始后，用高速攝像(高速圖像采集系統OLYMPUS)監拍一盤缽苗，用ispeed軟件處理已經用高速攝像儀得到的hsv格式的文件，并進行標定(這里的像素值標定在624.7pixel/mm)處理；這里用取苗爪氣缸寬度來標定比例(實物與圖片中的尺寸比例)，取苗爪氣缸實際尺寸W0=32mm。如圖3所示：取苗爪氣缸寬度W1=4.23mm，并在高速攝影圖像中測量每個缽苗推苗環距缽體底部的高度b5。

則實物取苗爪氣缸寬度W0與圖片中寬度尺寸W1比例λ為

(7)

圖3 標定測量圖

由圖2知：取苗爪推苗環下平面距取苗爪末端的垂直距離b1與推苗環距被取缽苗底部的垂直距離b3和取苗爪末端距被取缽苗底部的垂直距離b2存在以下關系，即

b2=b3-b1

(8)

根據高速攝影圖像中測量的缽苗推苗環距缽體底部的高度b5和式(4)得到的參數λ知，實際中缽苗底部距取苗爪末端距離b2應為

b2=b5×λ-b1

(9)

其中，取苗爪推苗環下平面距取苗爪末端的垂直距離b1，由穴盤苗全自動移栽機氣動取苗裝置可知, 取b1=45mm[11]。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 取苗深度試驗結果與分析

查看數碼像機取苗質量，并統計分析計算，取苗深度試驗結果如表2所示。

表2 不同取苗深度下取苗試驗結果

由試驗結果可知：當不同夾苗深度下取苗爪對72孔穴盤進行取苗時，取苗深度為30mm和35mm兩種取苗成功率較高且比較接近，造成這種現象的原因：取苗深度為30mm和35mm時，夾持針夾持部分占缽體高度比重大，且距穴孔底部距離相對遠，缽體容易取出。而128孔穴盤與72孔穴盤相比，較突出的是當夾持深度為35mm時，取苗成功率相對夾持深度為30mm時的取苗成功率相差比較明顯，造成這種現象的原因是：夾持針距離穴孔底部較近，且128穴孔底面積較小，容易造成缽體損傷。綜合對比兩種穴盤在不同夾持深度下的取苗成功率，128孔穴盤取苗成功率相比72孔穴盤取苗成功率偏高，主要原因是本取苗機構夾持針角度是以128孔穴盤苗為參考對象設計的；另外，相同天數的缽苗，72孔穴盤穴孔大，則盤根性相對較差等。因此，綜合考慮兩種穴盤的取苗成功率，取苗爪夾取深度選定為30mm。

3.2.2 投苗高度試驗結果與分析

由表1可知：72孔穴盤孔深為45mm，在最佳取苗深度30mm下，缽苗底部距取苗爪末端距離b2理論值為15mm，故對缽苗數據進行分析時，為方便分析，這里僅列出取苗爪末端與缽苗底部距離b2大于15mm的缽苗的數據，如圖4所示。

綜合圖4可知：取苗爪末端距被取缽苗底部的垂直距離b2因缽苗盤根性和重力問題產生的最大下滑垂直距離為29.7mm，為保證缽苗等待投苗時，分苗杯不碰撞到缽苗，b4應適當大于b2，故這里將取苗爪末端與分苗杯上平面的垂直距離b4，即投苗高度定為35mm。

圖4 取苗爪末端與缽苗底部距離變化范圍

4 結論

1)對乘坐式全自動移栽機的送、取、分裝置間的空間關系協調配合進行了分析，確定了取苗深度和投苗高度是分別影響送取環節和取分環節空間協調的關鍵影響因素，可為提高送、取、分裝置的移栽成功率提供參數依據。

2)對全自動移栽機的送、取、分裝置進行了試驗研究，在取苗時缽苗夾取深度為30mm時，送苗裝置與取苗裝置可進行空間協調配合；投苗高度為35mm時，取苗裝置與分苗裝置進行空間協調配合。