夾緊式番茄移栽機取苗機構的設計與試驗

張開興,吳 昊,王文中,宋 超,劉賢喜

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院,山東 泰安 271018;2.山東省農業裝備智能化工程實驗室,山東 泰安 271018)

0 引言

我國是世界第一大番茄生產國,番茄已發展成為我國最重要的蔬菜品種之一[1]。在番茄等農業作物生產過程中,育苗移栽是不可缺少的工序,可起到對氣候的補償作用,縮短農作物的生長期,增加農作物產量,提高抗蟲抗旱抗鹽堿能力[2],同時也便于實現移栽的機械化與自動化[3]。取苗是番茄移栽過程中關鍵的一步,取苗環節的工作質量體現在抓取幼苗的準確性和對幼苗的損傷程度上,將直接影響移栽成功率和番茄幼苗的成活率。

目前,我國對番茄的移栽機械以半自動為主,相比人工移栽,半自動移栽機效率得到有效提升,但受限于人工取苗、喂苗速度,半自動移栽機的移栽效率受到限制,且存在傷苗、漏苗及人工成本高昂等問題[4]。陳大軍等就我國移栽機發展現狀進行了分析,結論為:我國對于全自動番茄移栽機的研究起步較晚,目前全自動移栽機多以高校及科研機構研發為主,且處于關鍵機構研發及測試階段[5]。隨著我國番茄面積的進一步擴大,對機械化的要求變得更加迫切[6]。童俊華等研制出三臂回轉式蔬菜缽苗取苗機構,在兩臂回轉式的基礎增加取苗臂數量,使得取苗效率得到大幅度的提高[7]。嚴宵月等通過對取苗爪驅動凸輪的輪廓及作業時序進行設計,實現了對基質苗的整排夾取和間隔投放[8]。韓長杰等研究并提出了依靠氣缸控制柔性取苗爪取苗與投苗時的姿態變換進行取苗的方法[9]。以上設計方法為本文的研究提供了一定的借鑒,但存在取苗效率低、機械結構復雜導致可靠性差、傷苗漏苗情況嚴重等問題。為此,筆者設計了一種結構可靠、效率高、效果好的取苗機構。

1 夾緊式取苗機構的設計

1.1 結構組成與工作原理

彈性指針夾緊式取苗機構如圖1所示。

1.取苗爪控制氣缸 2.取苗爪安裝塊 3.支撐擴位板 4.取苗爪 5.無桿氣缸圖1 取苗機構結構示意圖Fig.1 Diagram of seeding pick-up mechanism

本夾緊式取苗機構主要由取苗爪控制氣缸、取苗爪安裝塊、支撐擴位板、取苗爪及無桿氣缸等組成。其中,取苗爪由4根彈性取苗針組成。該彈性指針夾緊式取苗機構結構簡單可靠,采用彈性取苗針的設計使取苗爪有合適的夾持力度,且對不同緊密度的苗基質有較好的適應性,減小了對苗基質的破壞程度。

工作時,取苗爪在控制氣缸和無桿氣缸的協同控制下,完成取苗動作。取苗機構的工作狀態如圖2所示。

圖2 取苗機構工作過程示意圖Fig.2 Process of seeding pick-up mechanism

無桿氣缸底座固定,滑塊連接支撐擴位板,支撐擴位板固定控制氣缸的柱塞。無桿氣缸控制取苗爪的上下移動,控制氣缸配合支撐擴位板控制取苗爪夾持角度。首先,兩氣缸都位于行程的上止點,為取苗準備狀態;隨后,無桿氣缸滑塊下移直下止點,控制氣缸下移至下止點,取苗爪插入苗基質同時夾持角減小,對苗基質施加抓緊力;然后,無杠氣缸上升帶動取苗爪將苗基質提起,在運苗機構的作用下完成傳送;最后,無杠氣缸再次下落使苗基質靠近投放位置,控制氣缸下落使取苗爪夾持角增大釋放苗基質,完成取苗工作。

1.2 取苗爪的設計

取苗爪是全自動移栽機的核心部件,其結構參數直接影響到對基質產生的形變、損傷程度,進而影響移栽機的移栽質量[10]。1個取苗爪包含4根取苗針,在研究了多種金屬材料的屬性后,最終選用強度較高、具有一定的柔韌性和可塑性的65Mn高彈性錳鋼制作取苗針,其許用應力如表1所示。

取苗爪的各幾何參數的設定,主要考慮取苗爪運動軌跡對苗基質的作用影響,使設計的取苗爪在盡量減小對苗基質傷害的前提下成功抓取基質苗[11]。取相隔180°的兩取苗針作為研究對象,取苗爪形變模型與基質受力分析分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 取苗爪和基質的受力分析Fig.3 Geometric model of seedling harvester and matrix force

取苗針位移參數方程為

Δb=Lsin(θ+α)-Lsinα

(1)

Δa=Lcosα-Lcos(α+θ)

(2)

L2=L1-2×Lsinα

(3)

式中L—取苗針折彎處至頂點的距離(mm);

α—抓取苗時取苗針與垂直方向的夾角(rad);

θ—自由狀態下與抓取狀態下取苗針間夾角(rad);

Δa—取苗針自由狀態下與取苗狀態下垂直方向的距離(mm);

Δb—取苗針自由狀態下與取苗狀態下水平方向的距離(mm) ;

L1—取苗機構支撐擴位板的寬度(mm);

L2—取苗針取苗狀態頂點的距離(mm)。

取苗針形變與受力滿足胡克定律,則

(4)

式中β—苗盤壁的傾斜角度(rad)。

向上取苗的瞬間,取苗針與基質間的作用力平衡方程為

(5)

式中F1—苗基質受與穴盤存在粘著力(N);

F2—取苗針法向載荷(N);

F3—穴盤孔的反作用力(N);

f—取苗針與苗基質間的摩擦力(N)。

由式(5)可知:苗基質的受力影響因素主要有穴盤穴孔傾斜角、取苗針與基質的初始角度、基質與取苗手間的摩擦因數等。根據所提幾何參數進行物理特性計算分析,提出1組較優的取苗機構結構參數:L=167mm,L1=42mm,θ=7°～9°。通過最后的取苗試驗角度θ選為8°,取苗針安裝塊至取苗針折彎處的距離為20mm,支撐擴位塊相對兩取苗針卡槽間距為42mm。支撐擴位塊如圖4所示。

1.3 控制氣缸伸長量的計算分析

取苗機構的取苗爪插入苗基質可分為兩個階段:①為取苗爪下移至苗基質表面,此時氣缸的伸長量為L3;②取苗爪插入苗基質中,此時氣缸的運動伸長量為L4。氣缸的總伸長量為Lt,其運動軌跡如圖5所示[12]。

圖5 取苗爪運動軌跡圖Fig.5 Trajectory diagram of seedling needle movement

分析圖5中3種狀態,可得到取苗爪初始狀態到插入苗基質時的氣缸行程,數學模型為

(6)

式中S—折彎處至頂點總長度(mm);

h0—折彎處至插入基質頂點的垂直距離(mm);

h1—折彎處至苗基質表面的垂直距離(mm);

d0—苗基質頂面長(mm) ;

d1—苗基質底面長(mm) ;

d2—折彎處至基質中心的距離(mm) ;

d3—插入基質頂點處與基質中心的距離(mm);

α—取苗爪加持角(rad)。

取苗爪插入穴孔后,為保證不傷根系,d3的數值應盡可能大,取苗爪的最大夾持角選擇范圍為

(7)

綜合以上方程分析確定:穴苗盤高為45mm,設計為插入基質距離為35mm,插入苗基質前苗針距穴盤表面距離選擇20mm。此外,考慮到施加彈性力行程取為5mm,本設計選用筆形氣缸行程為50mm,選擇的行程滿足設計要求。

2 基于ADAMS的取苗機構運動學仿真分析

在取苗過程中,取苗爪的移動速度將直接影響取苗的效率和質量,本文基于ADAMS對取苗機構關鍵部件進行了運動學仿真分析,通過動力學仿真結果驗證設計的合理性。

2.1 運動學仿真條件

將取苗機構的三維模型導入到ADAMS中,在取苗機構的模型中,大部分構件材料為鋼,可延續默認設置;然后,將氣缸的材料定義為鋁材,取苗針設置為65Mn鋼。

在ADAMS中添加各結構間的約束關系,取苗機構各部件之間的約束關系如表2所示。

表2 各構件間的約束關系Table 2 Constraints among components

2.2 運動學仿真結果分析

為了研究取苗爪及無桿氣缸運動過程,選取取苗爪及支撐擴位板為研究對象,并導出其速度、位置曲線。圖6為取苗爪速度、位置變化曲線,圖7為支撐擴位塊的速度、位置變化曲線。

圖6 取苗爪速度與位置變化曲線Fig.6 Variation curves of speed and position a of seedling acupuncture needle

圖7 支撐擴位塊速度與位置變化曲線Fig.7 Change curves of speed and position of installation expansion plate

圖6中,取苗爪的運動可分為5個階段:①無桿氣缸下移階段。0～0.3s時,無桿氣缸帶動取苗機構整體下移,下移距離為100mm,此時取苗爪的速度時先增加后減小至0,無桿氣缸從上止點運動到下止點的時間為0.3s。②氣缸下移階段。0.3s后,取苗爪氣缸開始插入苗基質,氣缸從上止點至下止點運動時間為0.15s;此時取苗爪末端的行程為150mm,取苗爪插入苗基質。③無桿氣缸帶動整體上移階段。無桿氣缸帶動取苗機構及抓取的番茄苗整體上移至其上止點,此時需要0.3s,行程100mm;0.75～0.85s為預留伺服電機帶動取苗機構水平方向移動。④0.85～1.15s時無桿氣缸下移帶動取苗機構整體下移,重復第1階段過程。⑤1.15～1.3s時,無桿氣缸上移至上止點,完成對基質苗的投放。

圖7中,無桿氣缸的運動過程大致分為4個階段:①無桿氣缸整體下移階段,為取苗爪完成抓取基質苗階段。②整體上升階段,此時將抓取的番茄苗向上移動100mm,從而給直線模組運動基質苗預留一定空間。③整體下降階段,主要使取苗機構最大限度接近送苗裝置,完成投苗后無桿氣缸上升重復各階段的運動。

由仿真結果可以看出:去除直線模組橫向移動時間,抓取及投放番茄苗耗時1.3s,時間與運動過程滿足移栽機設計要求。

3 試驗

為了驗證該取苗機構理論設計的有效性,根據設計的機械結構模型試制了移栽機取苗機構樣機,并進行了取苗試驗。

3.1 評價標準

數據采集按照GB/T5262-2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》,試驗評價指標在付強等人試驗基礎上,選擇了取苗成功率作為取苗機構性能的評價指標[13-14]。取苗成功率受傷苗率、苗基質損壞率及漏苗率等3方面因素影響,計算公式為

αq=(1-α1)×(1-α2)×(1-α3)

(9)

式中αq—取苗成功率(%);

α1—苗基質損壞率(%);

α2—傷苗率(%);

α3—漏苗率(%)。

3.2 試驗條件

由于移栽機取苗機構結構較小,故在山東農業大學農機試驗站室內進行取苗試驗。室內溫度20℃,空氣濕度為60%。取苗試驗對象選用適合取苗機構移栽的苗齡40天的番茄苗,番茄苗基質含水率在15%～25%之間。

試驗采用6×12穴盤,其規格為長540mm×寬280mm×高45mm,橫向穴孔數為12,縱向穴孔數位6,穴孔垂角12°,穴孔口大小38mm×38mm,穴孔底大小19mm×19mm,橫向相鄰穴孔中心距42mm,縱向相鄰穴孔中心距41mm。所選苗盤如圖8所示。

圖8選用穴盤結構示意圖Fig.8 Selection of point disk structural diagram

取苗機構固定在專門設計的實驗臺上,采用氣泵為機構提供動力,通過手動調節單向節流閥調節其運行速度。選取了7°、7.5°、8°、8.5°、9°等5組不同角度的取苗爪,分別進行試驗。

3.3 試驗結果

分別對取苗針角度為7°、7.5°、8°、8.5°和9°的取苗機構,進行40株取苗試驗,統計試驗數據,計算出取苗成功率,結果如表3所示。

表3 機械手取苗試驗結果Table 3 Seedling picking test results of manipulator

試驗結果表明:當取苗針與垂直方向夾角為8°時,取苗成功率最高為97.5%,此時取苗機構取苗成功率顯著高于其他角度,且該取苗機構的設計在傷苗率、漏苗率、基質損壞率方面都控制在了5%(包含)以內,滿足設計要求。

4 結論

通過對我國移栽機現狀的研究與對現有取苗機構類型的分析,設計了一種彈性指針夾緊式的取苗機構,闡述了其結構組成及工作原理。使用SolidWorks建模軟件對該機構進行建模,并借助ADAMS對機構的工作效果進行了仿真分析。根據仿真結果完成樣機試制并進行取苗試驗,結果表明:取放苗過程控制在1.3s、取苗爪角度為8°時,取苗效果顯著提高,設計方案滿足設計要求。