蔬菜移栽機凸輪-連桿組合式取苗機構設計與試驗

賈畢清，葉夢蝶，翟曉南，韓綠化,呂建強

(1.江蘇聯合職業技術學院 淮安生物工程分院，江蘇 淮安 223001；2.江蘇大學 a.機械工程學院；b.現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013；3.淮陰工學院 機械與材料工程學院，江蘇 淮安223003)

0 引言

近年來，蔬菜集約化育苗技術快速發展[1]，年產商品苗達800億株以上；但我國蔬菜苗移栽主要采用傳統手工勞作方式，用工多，勞動強度大，導致生產效率低，不能及時、快速地實現種苗大面積田間定植，蔬菜生產成本居高不下。雖然已研發出吊杯式、導苗管式等各型半自動移栽機，解決了栽插作業，但仍需配備相當人力進行取苗、分苗、投苗等操作。當栽植頻率較高且連續作業時，人工取苗等操作難以適應[2]。

取苗機構能代替人工勞動，實現穴盤苗自動夾取和釋放，是蔬菜穴盤苗全自動移栽機研究熱點之一，國內外學者對其進行了深入研究，并提出了多種形式的取苗方案[3-10]。Choi等人[3]設計了一種由固定滑道-連桿-滑塊組合而成的取苗機構，驅動連桿推動滑塊在特定滑道上移位，產生要求的工作軌跡。通過仿真分析該機構的運動和動力學特性，并經試驗測試表明：使用苗齡23天的生菜苗在取苗頻率為30株/分鐘時，取苗成功率達到97%。崔巍等人[4]報道了一種齒輪-五桿取苗機構，運用仿真分析手段優化了工作軌跡和結構參數。俞亞新、趙雄、葉秉良等人[7, 9-10]圍繞非圓齒輪行星系缽苗取苗機構進行了動力學分析與試驗研究，為蔬菜移栽機的發展做出了重要貢獻。我國蔬菜穴盤育苗廣泛使用聚苯乙烯塑料盤，要求穴盤平直輸送，需要取苗機構垂直穴盤進行取苗作業[11]。此外，穴盤苗是有生命的柔性體，采用機器取苗時應保證取苗時不傷苗、不傷缽[11]，為機械定植提供極盡完整的缽體苗，旨在有效提高蔬菜苗后期的生長力。

本文基于我國蔬菜生產實踐，設計一種凸輪-連桿組合式取苗機構，通過仿真分析驗證了機構可行性，并進行樣機試驗，考察其工作效能。

1 取苗機構設計

旱地移栽機取苗機構的功能是從生長穴盤里自動夾取幼苗，轉移并釋放到栽植單元里，最后由栽植器栽入土壤里。為了產生合適的取苗軌跡，所設計的取苗機構需滿足以下要求：

1)在提取幼苗時，取苗機構應驅動取苗末端執行器的夾取針垂直于穴孔接近苗缽。這樣，夾取針能以最大深度刺入缽體，保證對苗缽最大的抓取量。

2)當取苗機構轉移取出的幼苗時，從取苗點到投苗點的距離應大于穴盤平直輸送的距離。

3)在釋放幼苗時，取苗機構應移動幼苗呈直立狀態，使幼苗能以最小的慣性落入到栽植單元里。

通過機構組合與創新，設計出滿足垂直穴盤取苗、直立投苗軌跡要求的取苗機構，如圖1所示。該機構由凸輪擺桿機構、雙搖桿機構及擺桿滑塊機構經Ⅰ型串聯組合而成[12]。

1.驅動凸輪 2、4'、4.擺桿 3、5.連桿 6.滑塊 7.L型滑道 8.取苗末端執行器

圖1中，擺桿滑塊機構為后置子機構，由L型滑道、擺桿、滑塊和連桿等組成。L型滑道為曲線導軌，取苗段垂直于穴孔，是直線段構型，用于垂直穴盤取苗；投苗段直立于栽植單元正上方，也是直線段構型，用于調整投苗姿態；中間過渡段為連接圓弧，實現取苗與投苗光順連通。凸輪擺桿機構為前置子機構，通過合理的凸輪輪廓曲線控制后置子機構的運動規律，實現取苗和投苗姿態按需調整、零速度工作的要求。中間子機構為雙搖桿機構，將前置子機構的控制規律轉換放大到后置子機構上，增加取苗到投苗移位距離，讓出穴盤下落空間。

該取苗機構設計的關鍵在于構造L型滑道的輪廓形狀，以形成J→K→L工作軌跡。考慮到滑道和滑塊之間的熱摩擦和磨損，1對連體的調心球軸承塊作為滑塊運行。由于采用夾取針插入缽體進行取苗，整個滑塊在傾斜取苗段運動的尺寸應大于穴孔的高度，還應保證將幼苗從穴孔完整提取出來不碰到穴孔邊緣。在設計中，取苗段滑道為90mm，2倍于我國常用穴盤穴孔的高度[11]。我國常用穴盤的外廓尺寸為280mm 寬 × 540mm 長，假設穴盤以65°傾斜平直輸送，最大的水平進給跨度為118mm (280mm × cos65°) 和 228mm (540mm × cos65°)，則從取苗到投苗設計的轉移距離為368mm，滿足穴盤平直輸送要求。確定好取苗和投苗兩個極限位置后，使用圓弧構型光順連接，從而完成L型滑道的設計。同時，根據已定的取苗和投苗兩個極限位置，考慮取苗機構的結構空間布局，能確定出四桿機構桿組的基本尺寸。在給出凸輪擺桿機構的頂點位置，相應地驅動凸輪的升程高度能確定。設計簡單的諧波運動作為凸輪的推程和回程規律，這樣沒有任何加速度和沖擊的突然變化。最后，使用SolidWorks凸輪插件設計出驅動凸輪的輪廓曲線。所設計的L型滑道和驅動凸輪的整體尺寸如圖2所示。

圖2 L型滑道和驅動凸輪的整體尺寸圖Fig.2 The overall dimension drawing of the L-type slot and the driving cam

2 虛擬仿真分析

使用SolidWorks軟件建立所設計取苗機構的三維裝配模型，以中性文件格式Parasolid(.x-t)導入ADAMS中進行仿真分析。對仿真環境進行設置，根據后期加工制造的生產條件為零件添材料屬性。同時，在運動桿件之間添加轉動副、固定副等運動副和接近實際工作環境的摩擦因數。對于有接觸運動的滑道和滑塊，施加合理的接觸力進行運動限位。設定驅動凸輪轉速為40 r/min(等同于取苗頻率)，仿真步數為200 步/s，進行仿真計算。取苗機械仿真分析結果如圖3所示。

圖3 取苗機構仿真分析結果Fig.3 The virtual prototype analysis of the seedling pick-up device in motion

圖3(a)記錄了取苗機構3個工作姿態，整個取苗軌跡看似彎鐮刀狀。在鐮刀頭部，夾取針垂直于穴孔夾缽取苗，經鐮刀柄部姿態變換后在尾部呈直立狀態投苗。從幼苗提取到釋放，工作軌跡平順，再次取苗時夾取針沿相同的工作軌跡返回。

圖3(b)和圖3(c)顯示了夾取針末端的運動速度和加速度變化曲線圖。在40r/min工作頻率下，最大取苗速度和加速度分別為1.61m/s 和65.57m/s2，而Choi等人[3]設計五桿取苗機構的峰值加速度達到440 m/s2，可以看出本文所設計的取苗機構表現出較好的運動特性。此外，在取苗點和投苗點運動速度和加速度均為零速度，能平穩夾缽取苗并釋放。在機構設計中，構造了20°驅動凸輪轉角量來夾缽和80°轉角量來釋放穴盤苗，這樣幼苗能被穩健夾取和自由落體運動釋放，保證了自動取苗和投苗質量。從幼苗提取到幼苗釋放有120°凸輪轉角量，而從幼苗釋放到幼苗再次提取有140°凸輪轉角量，于是該取苗機構的取苗工作行程與非工作行程時間比為0.86，表明該取苗機構能快速提取幼苗，慢速返回再次提取幼苗。

如圖3(d)中，通過測量得到在40r/min工作頻率下驅動凸輪峰值扭矩為3.40N·m。經一步仿真,在50r/min工作頻率下驅動凸輪峰值扭矩為3.67 N·m。該驅動凸輪峰值扭矩的增大主要來自仿形滑槽直線段連接處的熱摩擦，在實際應用中采用雙溝球軸承作滑塊滾子，并進行油潤滑，能改善這一狀況。

取苗機構驅動功率計算公式為

(1)

其中，P為功率(kW)；T為扭矩(N·m)；n為轉速(r/min)。

經計算，該取苗機構在40 r/min和50 r/min工作頻率下，所需要的峰值驅動功率分別為0.014kW和0.019kW。考慮工程因素，實際需要的驅動功率要大于理論設計，為取苗機構驅動動力分配提供了依據。整體來看，取苗機構的仿真分析顯示該機構能較好地完成取苗和投苗工作要求，論證了機構方案的可行性。

3 取苗試驗與結果

3.1 試驗基本條件

根據所設計的取苗機構，試制試驗樣機，加裝前期研發的T型開合槽型輔推機械式取苗末端執行器[13]到取苗滑塊上，配置穴盤苗機電輸送裝置和控制系統，構建出自動取苗試驗臺，用于開展自動取苗試驗研究，如圖4所示。

1.取苗機構 2.控制器 3.取苗末端執行器 4.穴盤苗 5.栽植器 6.導苗筒 7.機架 8.張緊彈簧

以可移栽的番茄穴盤苗為自動取苗對象，育苗基質為江蘇省淮安市中諾農業科技發展有限公司生產的精裝通用型有機基質營養土，品種為“合作908”粉紅番茄，使用浙江省盛世金農128孔穴盤育苗，育苗管理遵從我國農業行業標準《蔬菜穴盤育苗通則(NY/T2119-2012)》。試驗時，穴盤苗兩葉一心，缽體含水率為60%±2%。試驗進行3次，每次試驗用3盤苗，記錄自動取苗過程中提取失敗、根土破碎、傷苗、投苗失敗等情況，統計分析成功取苗并投苗的比率。

3.2 試驗結果

自動取苗試驗結果如表1所示。從實際效果來看，當取苗頻率為40株/min時，自動取苗和投苗的成功率最大值為92.35%，最小值為91.58%，平均值為92.03%，具有較好的取苗和投苗效果。

對取苗不成功的情況進行分析，可以看出：雖然采用標準化方式育苗，待夾取的穴盤里仍然存在空苗，3次取苗的穴盤里分別有18、14、16株空穴，且機械機構無法智能判斷，空穴存在影響了自動取苗效率。為此，保證育苗質量，培育長勢均勻的齊苗，是提高自動取苗效果的有力保障。使用柱塞頂出提取失敗的穴盤苗，并對比察驗根土破碎的苗缽，結果發現：提取失敗及苗缽根土破壞較大等情況下穴盤苗缽體盤根不完全，所培育的穴盤苗根系未能緊密包裹基質體，造成了機械化取苗時夾碎缽體，或者取出的苗缽不完整。為了提高自動取苗的質量，要求待移栽的苗缽根系發達[11]。傷苗情況主要發生在幼苗提取過程中，當取苗機構驅動末端執行器沿直線段軌跡插入缽體夾取幼苗時，幼苗枝葉糾纏夾取針，夾取針對苗缽實施夾取作用就造成了斷葉、斷莖。對于大多數蔬菜穴盤苗而言，葉子掉了并不影響后期生長[3]，但幼苗莖干折斷不能成活，達不到育苗移栽的綜合效益。當使用矮壯苗時，明顯改善了取苗末端執行器夾缽提取時傷苗情況。在未成功投苗方面，試驗發現部分番茄苗植株冠幅較大，自動釋放時幼苗葉子會牽掛在夾取針上，難以依靠自重自由落體脫離，對所用取苗末端執行器需進一步優化設計。整體來看，對于機器自動取苗而言，提供根系發達的矮壯苗有利于夾取和釋放作業[11]。

表1 取苗性能試驗結果Table 1 Experimental performance results of picking up seedlings from the tray cells

取苗成功率：夾取、轉移、釋放過程中缽體完整且幼苗無損傷的穴盤苗占進給苗總數的百分比。

4 結論

根據我國穴盤育苗生產特點，設計了一種具有最短取苗路徑的凸輪-連桿組合式取苗機構。該取苗機構為Ⅰ型串聯組合式創新機構，工作軌跡如彎鐮刀狀，能垂直穴盤取苗，經姿態變換后帶苗返回至投苗位置直立投苗。采用虛擬樣機技術分析了取苗機構的運動規律，在取苗點和投苗點運動速度和加速度均為零速度，能平穩夾缽取苗并釋放。研制了物理樣機，進行自動取苗性能測試。結果表明：當取苗頻率為40株/min時，自動取苗成功率平均值為92.03%，較好地滿足了穴盤苗自動夾取和釋放要求。