園林業小型樹木一體式移栽機設計與試驗

李 寧

(1.北京林業大學 機械電氣工程學院,北京 100083;2.廊坊市自然資源與規劃局, 河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著我國城市化建設進程的不斷加快,城市街景和城市環境也得到了很大程度的優化,而盆栽的小樹有著良好的裝飾性和短期的適時性,比較適用于慶祝大型節日和美化城市環境[1]。因此,盆栽小樹的自動植樹裝置的需求越來越大。與此同時,小規模植樹技術的應用大大縮短了作物的生長周期,提高了作物產量,成為了現代溫室植木生產的重要栽培技術。可以說,自動植入小型植樹技術的研究開發,既是適應移栽小型樹木生產的快速增長趨勢的重要舉措,同時也是促進我國農業朝著現代化發展的重要舉措[2〗。根據移栽小型數目的高強度勞動、低效率、高成本的特點,發現小盆自動苗采集機構現有的問題主要是栽培不均勻[3]。通過分析國內外收集設施的現狀,找出能夠改善小型植樹的自動苗采集機構的設計方法,改善苗的收集精度并實現自動化,開發出適合我國設施農業現狀的苗采集機構。我國是以蔬菜和小規模的栽培為主體的設施農業的大國,園藝設施面積約為179km2,園藝設施面積和產量均為世界第一[4]。因此,樹苗采集機構的開發和普及在我國有著廣泛的市場需求和應用前景[5]。但是,對小盆栽樹的自動苗采集機構的研究還存在很多問題,還處于初期階段:①苗收精度和自動化機構未滿足實際生產需求,苗采樣機構的成功率基本上達到86%～97%,傷害率為2%～6%;但是實用化的成功率基本為82%～92%,傷害率為6%～12%。②農機和農藝脫節。由于我國小盆栽的移栽和育苗的不均勻,導致盆栽和盆栽實體無統一標準。孔托盤的尺寸從335mm變為266mm,且缽實體的尺寸也不同,導致小樹移栽操作速度較慢,可靠性低,與農業快速發展的需求不相符。一般來說,在我國小型盆栽收集設施的適用范圍非常小,部分蔬菜公司、小型木材公司、樹苗均引進了外國產苗收獲設備,但存在價格、復合操作、適應性等實用性問題[6]。

國內裝置大都模仿外國移栽機構的摘苗裝置,種苗采摘機構主要采用直接插入的針插入方式;但由于小樹的葉子蔓延較大,從上面垂直生長較小的樹木,采用針插入結構會使真正的葉子受到較大損傷,且使用系統夾類型也會因為不能很好地控制夾緊力而導致莖受到較大損傷。因此,本文通過對小型樹木移栽機構的工作過程的解析,以現有的機構裝置為基礎,對小型樹木移栽機構進行改進優化,以期設計出具有較優性能的小型樹木自動移栽機構。

1 總體設計

小樹移栽機構應模擬人手將小樹苗從托盤中取出,移栽過程中在移栽軌道最低處釋放它們,陸地機構重復上述動作。小樹移栽機構由齒輪驅動部和移栽臂部構成。圖1為小樹移栽機構的運動簡圖,圖2為移栽臂的結構圖。齒輪傳遞的一部分由非圓齒輪、4個相同的橢圓齒輪、凹形和凸形止弧、行星框架構成,是能夠實現不均勻間歇運動的游星齒輪列。移栽用臂主要由凸輪、叉子、彈簧板、彈簧桿、推桿、發針及苗爪等構成,通過旋轉運動實現植苗、種苗的目的。移栽臂未取苗與夾緊小型樹木缽苗時的狀態如圖3所示。圖3中,移栽用臂能夠不取苗而夾緊小樹苗。當太陽齒輪被固定在框架上時,在它移動時行星框架逆時針旋轉,同時驅動了行星橢圓齒輪和中間橢圓齒輪之間的咬合。凹鎖弧線用針固定在中間橢圓齒輪上,凸鎖定弧用針固定在太陽輪上,當凹形鎖定弧與凸鎖定弧匹配時,移栽臂相對于游星幀靜止。移栽臂由鍵固定為行星軸,相對于行星框進行逆時針旋轉和不均勻地旋轉。在這兩個運動合成下,移栽臂可根據所需角度位移及軌道運動獲得必要的移栽軌道,以滿足移栽合并后的小樹自動移栽機構的軌跡。

1.非圓齒輪 2.凸鎖止弧 3.凹鎖止弧 4.中間橢圓齒輪 5.行星橢圓齒輪 6.移栽臂 7.移栽軌跡 8.穴盤 9.移栽體 10.傳送帶 11.行星架

1.凸輪 2.撥叉 3.推桿 4.彈簧 5.夾苗針

圖3 移栽臂未取苗與夾緊小型樹木缽苗時的狀態

小樹木移栽機構由齒輪驅動部和移栽臂兩部分組成,如圖4所示。

1.行星橢圓齒輪 2.凹鎖止弧 3.中間橢圓齒輪 4.太陽輪 5.凸鎖止弧 6.齒輪箱體

齒輪箱作為逆時針方向的游星框旋轉,以驅動齒輪機構和移栽臂以完成移栽。圖5為齒輪驅動裝置的結構圖,圖6為輸送臂的結構圖。

2 主要結構及參數設計計算

2.1 主要功能介紹

根據移栽機構的最佳設計目標及參數的運動學模型,開發了輔助解析和優化移栽機構的軟件。優化軟件初始界面如圖7所示。圖7中,軟件的初始接口由4個部件構成,即菜單和編輯欄、圖形顯示區域、參數輸入區域及結果輸出區域。

1.螺絲 2.齒輪體 3.行星齒輪 4.軸套 5.行星軸 6.軸承 7.緩沖裝置 8.定位銷 9.中間齒輪 10.中心軸 11.太陽緩沖裝置 12.軸承 13.軸承 14.太陽輪 15.鎖緊銷 16.中心軸套 17.凸鎖止弧 18.凹鎖止弧 19.消除齒隙凸輪 20.軸承 21.凸輪 22.移栽臂

1.夾苗針 2.苗爪 3.轉動片 4.苗爪固定部分 5.移栽臂殼體 6.彈簧座 7.撥叉 8.頂蓋 9.推桿 10.連接桿

1)菜單及編輯欄。菜單及編輯欄如圖8所示。菜單欄包含“文件”“編輯”“參數計算”“功能選項”“視圖”“出口”按鈕。其中,“文檔”、“編輯”、“視圖”、“退出”是普通按鈕,在此省略詳細內容。工具欄包含“打開”“保存”“復制”“剪切”等快捷方式。

圖7 優化軟件初始界面

圖8 菜單及編輯欄

功能選項下拉菜單如圖9所示。“功能選項”的下拉菜單包括“移栽機構的初始位置”“米穗移動的移動趨勢”“米穗相對運動狀態的模擬”“稻穗的絕對運動”“稻穗的相對速度曲線”及稻穗尖端的相對加速度曲線。圖10為移栽機相對移動過程。其中,橢圓曲線為橢圓形齒輪的間距曲線被保存,并提供重要數目以供后續分析。

圖9 功能選項下拉菜單

圖10 移栽機構運動的相對模擬

2)圖形顯示區。圖形顯示區域可在輸入參數下實時顯示小樹移栽機構的相對運動,當輸入參數發生變化時,設計者便于調整參數,能夠及時掌握移栽軌道的變化和移栽臂的姿勢。

3)參數輸入區。該區域展示影響小托盤移栽機構軌道的8個主要參數,包括與其相關聯的3個參數。其余參數的意義如下:N為與不完全的非圓形齒部分對應的中央角,H為小樹的間隔,W為中心軸的角速度,Xa為孔托盤的橫軸,Ya為孔。盤的垂直坐標、從行星輪的旋轉中心到實生針的垂直距離、凸鎖的圓弧半徑與第1中心距離的比,以及實生銷的后退時間為H1。設計者可以通過參數文本框直接修改參數,或利用文本框旁邊的微調按鈕來調整參數[7]。

4)結果輸出區。該區域主要包括軌道高度、從初始位置到樹苗位置的角度、從橢圓的中心到焦點的角度、從行星橢圓齒輪到行星框的角度及初始角度,如圖11所示。通過分析輸出參數,可以及時確定參數調整的方向,并且能夠迅速獲得滿足優化目標的最佳結構參數組。

圖11 結果輸出區

2.2 a對移栽軌跡的影響

a值的變化直接影響中央橢圓齒輪和行星橢圓齒輪的中心距離大小,如圖12所示。圖12中,與a值對應的移栽軌跡是24、25、26mm。圖12中,當移栽軌跡由24mm增加到26mm時,苗的采摘角度逐漸降低,樹苗的栽培角度逐漸增加,并根據移栽軌道的必要條件而增加。因為要滿足自動移栽機構的要求,整棵移栽需要充分的長度,所以a值必須足夠大。

圖12 a對移栽軌跡的影響

2.3 k對移栽軌跡的影響

K為橢圓短軸的長軸比,其對移栽軌跡的影響如圖13所示。當K為0.99、0.995、0.999時,K主要受到位置、平滑度、角度的影響。如果K由0.99增加到0.999,移栽軌道左側的軌道變大,移栽苗的角度變大,苗的移栽位置變大。

圖13 k對移栽軌跡的影響

2.4 a0對移栽軌跡的影響

a0表示移栽扶手的初始設置角度。當a0值為25°、30°、35°時,對應的移栽軌跡如圖14所示。a0為25°～35°時,植林軌跡的苗采部由輪狀的背包向尖銳的嘴變化,逐漸滿足移栽軌道的要求[8];隨著實際生選拔階段的軌跡長度由25°增加到35°,苗采摘階段的軌跡長度變小,實生深度變小,苗的深度變小。因此,應當考慮這3個因素來確定選擇值。

圖14 a0對移栽軌跡的影響

2.5 b0對移栽軌跡的影響

小托盤移栽機構的游星支架的角度是由非圓形齒輪的旋轉中心線、初始的第1中間橢圓齒輪及第1行星橢圓齒輪的旋轉中心線形成的角度,如圖15所示。

圖15 b0對移栽軌跡的影響

如果具有與移栽軌跡對應的24°、25°、26°的值,那么移栽軌跡的取苗角度及栽苗角度均會受到影響。24°～26°時,全周軌跡逆時針旋轉,實生采集角度逐漸減小,但采集效果不佳,實生栽培角度也逐漸增大;實生耕耘角度不可逐漸增大,否則苗木栽培的直率不好。因此,為了使苗的角度變小,有必要選擇合適的值,要確保實際效果良好,苗的角度應適當。

2.6 參數優化的結果

通過分析這些參數對移栽軌道帶來的影響,使用VB優化解析軟件來求出滿足最優化目標的小型樹木移栽機構參數集合。優化后的參數為:a25.0576k0.995n2753025,60,Smm160,bs1276。該組參數下夾苗針尖點的運動軌跡如圖16所示。

圖16 優化后的機構移栽軌跡

由圖16可以看出:實生區劃的軌跡是小樹苗從壺中取出時形成筆直出入的“尖嘴”形;秧苗部分的軌跡與托盤大致垂直,且托盤的長度是33mm,苗的角度是約33.88°;種植樹苗的角度約為70°,其軌跡的高度為256.78mm。通過觀察小樹移栽機構的相對運動模擬可知:在移栽過程中,移栽臂與銷、霍爾特雷沒有干擾,優化結果滿足優化目標。

3 機具的實際效果及創新點

為了降低研究開發費用,縮短研究開發所需時間,在開發物理原型之前進行了移栽裝置的虛擬原型試驗。結果表明,可以事先驗證被移栽機構是否滿足移栽操作的要求。另外,通過虛擬原型模擬結果可以改善局部移栽機構。為此,利用SolidWorks將移栽機構的所有構成要素進行整合,實施虛擬零部件,導入亞當斯、虛擬原型解析軟件,進行3D實體模型的基本模擬,建立原型解析聚焦軌道的移栽機構的實驗。為了驗證小型木移栽機構設計的可能性,將軌道與理論軌道進行了比較。

3.1 空轉實驗

1)在實驗長椅上設置小樹的組裝自動移栽機構,調整中心軸上的火箭和馬達火箭在同一平面上的安裝位置;通過點擊NCH,檢查機制和測試之間是否有干擾,用手旋轉木移栽機構;觀察之間是否有干擾因素NCH,如果干擾繼續調整移栽機構的位置。

2)實驗使用的設備是手機照相機。移動電話被設置在適當位置,整個圖像顯示樹的移栽機構。調節位置和光的強度,能夠清楚地看清機械裝置的危急點[9]。

3)利用控制箱運行馬達,將馬達的速度調整為20r/min,在機構的圓滑操作(2～3周期獲得)后開始圖像獲取。

4)利用圖像分析軟件對采集到的圖像進行處理及分析,得到小型樹木移栽機構夾苗片尖點的運動軌跡,如圖17所示。

圖17 取栽一體式花卉自動移栽機構運動軌跡對比

實驗后,移動攝像機得到了影像,影像根據框架數分成了約100張,連接各圖像中的小樹移栽機構的危急點,獲得小樹移栽機構的臨界點軌道。其中,圖17(a)為成像軌跡,圖17(b)為虛擬模擬軌跡,圖17(c)為邏輯軌跡。比較3個軌跡,可以得出以下結論:①照片軌跡與理論軌跡基本一致,差異在于理論軌跡的尖端部分不光滑,是由于自動移栽機構的存在。在以圖形方式設計的1對緩沖裝置中,能夠大幅降低卸下凹形的凸狀鎖定時的沖擊力,產生軌跡前端部的光滑度的差。②照片實驗中,移栽機構滿足小樹植林機構的軌道和姿態等農業條件,驗證了理論設計法的實現可能性。

3.2 傳送帶橫向移栽實驗

為保證移栽壺在苗箱下順暢通過,傳送帶應變更為橫向傳輸,如圖18所示。在移栽過程中,由于生長的葉子過大,移栽的壺上的爪子移栽到移栽盆中后,會捕捉葉子,采集了生長的葉子。

相關問題解決后,小型樹木移栽機構調到初始位置,穴盤中放置缽苗,在PLC控制柜中輸入如下參數:傳送帶速度113.5r/min,托盤速度100.0r/min,苗托盤的速度7.0r/min,苗爪的旋轉自動速度為 15.0r/min,實生托盤總數為16條,苗托盤的停頓時間為1.5s。之后,切換到自動駕駛模式,按零確認后自動確認;最后,按開始按鈕開始移栽實驗,驗證了實現小規模自動植林機構的可能性。

圖18 傳送帶橫向放置

3.3 實驗結果分析與改進方案

1)小型植木機構的軌道長度應滿足試驗臺長度的要求,否則移栽后的移栽水壺會填滿幼苗箱下的鋁薄膜,導致移栽水壺傾倒。

2)在收獲幼苗過程中,由于合并小木自動移栽機構的移栽模式與研究小組以往設計的移栽機構的模式不同,因此會產生與鏈條之間的干擾。

3)在移栽盆栽成功種植盆栽時,由于苗葉比腳之間的距離大,如果腳向上移動,盆栽的苗就會同時從花盆中取出,移栽失敗。改進方案:①在設計中,增加橢圓軌道長軸值a來滿足整個軌道長度所需要的條件;②適當延長s的長度,指甲的長度和剪刀羽毛變長,模式的沖程不變,則推桿被推出時鏈子不碰鏈條銷;③效仿歐洲、美國的移栽技術,不考慮受害葉的情況,以相反的移栽方向設計機構。

4 結論

1)根據國內外小型樹木移栽機構的研究情況,以小型樹木移栽機為基礎,解決了苗木布局不規范、低苗采摘精度不高、多道工序運行等問題。

2)討論了小型樹木移栽裝置的運動原理和運動學特性,創建了小樹移栽機構的運動學模型。基于數學模型、Visualbasic6.0開發了輔助分析和優化軟件。

3)基于SolidWorks,構建并組裝了整合小木自動移栽機構的三維模型,并導入虛擬模擬軟件,進行了運動學模擬實驗,取得了苗剪輯尖端的運動軌跡,驗證了理論結果的適當性。

4)進行了橫向移栽試驗及垂直移栽試驗,取得了苗剪尖端的移動軌跡和盆栽的移栽試驗結果,驗證了合并小特里移栽機構的可行性,找到了現有小型樹木移栽機構的缺點,進行了改進設計。