全自動滑道式旱地缽苗移栽機構設計與試驗

那明君 滕 樂 周振響 周 坤 王金武 周脈樂

(1.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.江蘇大學農業工程學院， 鎮江 212013)

0 引言

缽苗移栽是有效提高土地利用率、提升復種指數、增加產量的現代栽培技術[1-3]。

國內外學者對移栽機構進行了大量研究[4]，JEONG-HYEON等[5]研究的凸輪式移栽機構，取苗作用力小，不易傷苗，但秧苗栽植軌跡不理想，秧苗栽植直立度低。YOUNG-BONG等[6]提出了一種四連桿凸輪式移栽機構，栽植軌跡理想，但取苗振動大，取苗成功率低。王蒙蒙等[7]提出了曲柄連桿式取苗機構的全自動移栽機，該機構夾取力小不易傷苗，但栽植段軌跡不理想，秧苗栽植直立度差；童俊華等[8]設計了三臂回轉式取苗機構，移栽效率高，但取苗角度偏大，取苗成功率低；趙勻等[9]提出了非圓齒輪行星系式取苗機構，該機構移栽效率高，不易傷苗，但在運動軌跡曲率半徑較小時齒輪易發生根切。

上述研究在同一機構中難以保證取苗或栽植運動軌跡同時達到最優狀態，針對此問題，本文設計一種全自動滑道式移栽機構，通過滑道控制栽植臂，實現由一套機構來完成取苗、送苗、栽植和復位4個功能動作，通過對其進行理論推導以及運動學分析，得到滿足移栽農藝要求的取苗和栽植的理想運動軌跡和運動速度。

1 設計要求與工作原理

1.1 設計要求

全自動移栽機由機械系統從秧盤中自動取苗, 將秧苗放入打好的穴坑后進行覆土完成移栽作業。其中成穴機構由固定在桿機構上的成穴鏟在回轉曲柄驅動下垂直壟面做往復運動，與移栽機合成運動擠壓土壤形成穴坑[10-11]。通過對人工取苗、送苗、栽植的作業過程和現有的取苗和栽植機構及其試驗結果分析，對機構設計提出以下要求：

(1)為了提高從苗盤中夾取秧苗的質量，要求取苗軌跡應垂直缽盤，以減小栽植器對秧苗造成損傷；軌跡長度應大于缽穴深度，確保營養缽完全從缽穴中取出[12]；取苗速度應由慢逐漸加快，以減小取苗裝置對秧苗產生沖擊。

(2)為確保栽植的直立度，栽植機構在栽植區域運動軌跡應保持與地面垂直[13]，在秧苗缽體培土結束時，栽植器對秧苗上提一段距離后松開并迅速離開秧苗，避免其刮帶。為實現“零速移栽”，栽植器入土、觸底、提升、松開這一栽植過程中水平方向的絕對位移應趨于零。

1.2 工作原理

設計的全自動滑道式移栽機構結構如圖1所示，主要由滑道部件、驅動軸、驅動法蘭、曲柄、曲柄臂、導輪、栽植臂部件等組成。該機構工作時，動力由鏈傳動到驅動軸，驅動法蘭與驅動軸通過鍵連接，驅動軸帶動曲柄勻速轉動，栽植臂與曲柄臂通過曲柄臂軸同曲柄鉸連，導輪在滑道內滾動通過曲柄臂來控制栽植臂的運動姿態，從而形成預期的運動軌跡。夾指開啟導板與機架固定，當夾指開啟臂與夾指開啟導板接觸時，將會觸動夾指開啟臂通過夾指桿來控制夾板的張開實現放苗動作，當兩者脫離接觸時，夾板在復位彈簧的作用下閉合實現取苗動作，從而完成取苗、送苗、栽植和復位的移栽全過程。

2 移栽機構模型建立

2.1 移栽機構運動軌跡建立

對栽植臂運動所形成的軌跡用CAD軟件進行初始設計，即給定軌跡曲線的數據點，再應用Matlab軟件對數據點進行擬合得出運動軌跡，在建立的機構運動學模型的基礎上，由栽植臂的運動軌跡反推出滑道導軌的軌跡曲線，然后根據建立的運動學模型開發出計算機輔助優化軟件，根據預設目標進行參數調試，對初始設計的栽植臂軌跡做調整，直到滿足軌跡要求。圖2為CAD軟件繪制的機構軌跡曲線。對CAD軟件繪制的栽植軌跡曲線采用微分的方法取出致密的點，然后將這些致密的點分段依次輸入Matlab軟件中，通過編程將這些點進行擬合得出數學函數，修改調整不合適的數學函數，直到擬合出的軌跡曲線與CAD軟件繪制的軌跡曲線基本一致為止，這樣栽植臂運動所形成的軌跡建立完成。圖3為Matlab軟件擬合出的軌跡曲線。

2.2 移栽機構運動學模型建立

如圖4所示，建立以曲柄旋轉中心O為原點的直角坐標系，考慮到該機構3個曲柄的Y型布置形式，為了表達直觀清晰，只選取一套曲柄栽植臂機構作為分析對象，建立移栽機構的運動學模型[14-17]。

2.2.1機構位移方程

在缽苗移栽機構工作過程中，曲柄逆時針勻速轉動，由圖4可建立機構的位移矢量方程為

lOA+lACi=lOCi

(1)

將矢量方程轉換為解析方程，點Ci的位移方程為

(2)

式中L1——曲柄OA長度，mm

L2——栽植臂ACi長度，mm

α1——曲柄OA轉角，(°)

α2——栽植臂ACi轉角，(°)

在△OACi中，根據余弦定理有

(3)

式中αci——曲柄與栽植臂連線OCi的轉角，(°)

對點Ci進行分析可得

(4)

因為α1-αci是△OACi的內角，所以0<α1-αci<π。而點Ci軌跡的α1、L2數學表達式已經由Matlab軟件擬合得出，故可以求出α2。

鉸接點A的位移方程為

(5)

又因為

(6)

α3=α2-α21

(7)

式中α3——曲柄臂AB轉角，(°)

α21——曲柄臂與栽植臂之間夾角，(°)

由式(5)、(6)可以求解出α2，因為曲柄臂AB與栽植臂ACi固連，所以其夾角α21為已知常量，可求出α3。

曲柄OA的質心點M坐標為

(8)

式中LOM——點O到曲柄OA質心的距離，mm

曲柄臂與栽植臂BACi整體的質心點N坐標為

(9)

式中LAN——點A到機構BACi質心的距離，mm

α2A——曲柄臂AB與AN連線之間夾角，(°)

點B的位移方程為

(10)

式中L3——曲柄臂AB的長度，mm

點B軌跡即為滑道的軌跡。

2.2.2機構速度方程

對點A的位移方程進行一階求導，便可求出點A的速度方程為

(11)

對點M的位移方程進行一階求導，便可求出曲柄OA質心M的速度方程為

(12)

點Ci-1到點Ci所用的時間為

(13)

點Ci-1到點Ci的平均角速度為

(14)

點Ci到點Ci+1所用的時間為

(15)

點Ci到點Ci+1的平均角速度為

(16)

則點Ci時栽植臂近似角速度為

(17)

對點N的位移方程進行一階求導，便可求出BACi質心N的速度方程為

(18)

對點B的位移方程一階求導，得點B速度方程為

(19)

導輪在滑道內運動的切線方向角為

(20)

3 移栽機構參數優化

根據所建立的移栽機構運動軌跡和運動學模型，基于Visual Basic 6.0可視化編程開發平臺，開發出“全自動滑道式缽苗移栽機構計算機輔助優化設計軟件”。

3.1 優化目標及變量

根據旱地缽苗移栽的農藝要求，結合機構特性，選取曲柄長度L1、栽植臂長度L2、曲柄臂長度L3和曲柄臂與栽植臂之間的夾角α21作為優化變量，并提出如下優化目標：

(1)取苗段軌跡的方向盡可能垂直缽盤且長度大于缽盤深度40 mm，取苗速度應緩慢增加。

(2)栽植段軌跡應保證栽植臂垂直于地面，即栽植臂夾板在栽植階段的水平分速度為零。栽植段提升過程中需完成避讓動作。

(3)為避免滑道體與壟面干涉，要保證滑道體最低點與壟面之間的距離h≥100 mm。

3.2 優化過程及結果

根據經驗和設計要求在軟件中輸入農藝參數：栽植株距選為300 mm、作業頻率90株/min(曲柄轉速30 r/min)和機構初始參數，界面顯示對應的移栽機構工作軌跡和姿態。操作者對軌跡和姿態做出判斷，通過人機交互的方式調節機構的初始參數，直至優化出滿足要求的理想軌跡[18-21]。同時對軌跡進行運動分析，得出一組較優的機構參數：曲柄長度L1=272 mm，栽植臂長度L2=285 mm，曲柄臂長度L3=60 mm，曲柄臂與栽植臂之間的夾角α21=60°。

3.3 優化結果分析

3.3.1栽植臂端點軌跡及姿態分析

圖5為計算機輔助優化設計軟件優化出的機構運動軌跡曲線。圖中顯示取苗段軌跡近似直線，滿足取苗段軌跡方向垂直于缽盤的要求；取苗軌跡長度約75 mm，大于設定目標值40 mm；滑道體最低點距壟面為156 mm，滿足設定目標值h≥100 mm。在栽植區，栽植夾板垂直入土、上提，松開秧苗后迅速離開栽植區，避免對秧苗產生刮帶現象，表明在栽植區的運動軌跡滿足優化目標要求。在該組優化參數下，移栽機構運行過程中無干涉，保證了移栽機構結構設計的合理性。

3.3.2栽植臂端點速度分析

圖6為計算機輔助優化設計軟件優化出的機構栽植臂端點相對于機架的速度曲線。經分析可得，栽植臂端點在栽植過程(圖中曲柄轉動角在240°～300°范圍內)，x方向速度與機具前進速度保持大小一致、方向相反，使得其絕對運動時在x軸方向分速度趨于零。而后x方向速度稍有下降，絕對速度提高，完成了避讓動作(如圖6a所示)；在栽植過程中，y方向速度由快至慢，直至速度降為0觸底，而后由慢到快(如圖6b所示)，栽植器端點速度變化保證了缽苗栽植的直立度，符合機構方案中對栽植段速度的要求。栽植臂端點取苗過程(圖中曲柄轉動角在10°～30°范圍內)中，取苗速度緩慢提升，如圖6c所示，滿足取苗端的設計要求，保證了取苗質量。

4 仿真分析

4.1 移栽機構數字化模型建立與裝配

根據優化出的機構參數對移栽機構進行結構設計，應用SolidWorks軟件完成全自動滑道式缽苗移栽機構的各零部件數字化三維模型的建立，并將各零部件的三維模型進行裝配，完成虛擬樣機的建立。在移栽機構數字化模型裝配的過程中，根據各零部件的實際安裝位置以及它們之間的配合關系可以檢驗出零部件設計是否合理，以便及時修改，避免加工出的物理樣機出現設計問題。移栽機構的整體裝配如圖7所示。

4.2 仿真結果

將裝配好的移栽機構數字化樣機模型導入ADAMS軟件中。為提高ADAMS的仿真效率，減少數據運算的工作量，在不影響仿真結果的前提下，對數字化樣機模型進行了簡化：只保留一套曲柄栽植臂機構來探究其運動的軌跡姿態以及速度特性；為了便于觀察，將機架部分簡化。更改設置零部件屬性，添加約束和驅動，完成移栽機構的運動學仿真，得到運動軌跡曲線[22-23]，如圖8所示。

將該軌跡曲線與計算機輔助優化設計軟件優化出的軌跡曲線進行對比，可以看出兩者的運動軌跡基本一致，只是在換向機構處的軌跡曲線有些偏差，但在取苗和栽植等關鍵部位的軌跡曲線滿足設計的要求，驗證了移栽機構結構設計的合理性和計算機輔助優化設計軟件的準確性，同時也得出了部分零部件(換向機構)結構設計所存在的缺陷，為移栽機構零部件的改進及物理樣機加工制造和試驗研究打下基礎。

進入ADAMS后處理模塊，對移栽機構的栽植臂夾板尖點的速度特性進行分析，如圖9所示。可以看出仿真速度曲線存在一定的波動，特別是換向機構處有著較大的沖擊波，產生此現象是因為在ADAMS仿真時添加了碰撞約束和彈簧約束；同時，換向時的振動也會導致速度曲線的波動。

5 試驗

試驗平臺主要由滑道式缽苗移栽機構、送苗機構和動力部分組成，如圖10所示。送秧機構主要由支撐架、缽盤移動架、角度調節桿和壓盤桿組成。壓盤桿可以壓住缽盤，控制缽盤的穩定性；通過角度調節桿可以調節缽盤與機架之間的夾角，從而改變取苗角度；缽盤移動架高度可調節，實現送苗機構與移栽機構的匹配；動力部分是由三相異步電動機通過鏈傳動經減速器傳遞到移栽機構的驅動軸上，從而帶動曲柄的轉動。

試驗時用到的儀器設備還有變頻調速控制柜、數顯角度尺、鋼板尺、坐標紙、相機等。

5.1 高速攝像試驗

將裝配好的物理樣機安裝在試驗臺架上，利用高速攝像試驗驗證其性能及軌跡和姿態。

通過高速攝像機及分析軟件獲得了全自動滑道式缽苗移栽機構在取苗、投苗和避讓等實際工作關鍵位置與時刻的軌跡與姿態圖像。通過后期數據處理,得到物理樣機夾片運轉過程中的相對運動軌跡，如圖11所示。將物理樣機所得實際軌跡與優化設計軟件所得理論軌跡及虛擬仿真軌跡對比可知,結果基本保持一致，驗證了移栽機構設計的可行性與合理性。理論軌跡與實際軌跡之間略有差別，分析原因主要有: 物理樣機加工的過程中存在誤差; 在實際作業的過程中栽植器換向時存在沖擊振動。經過分析可知軌跡存在的誤差在允許范圍內，不會影響移栽機構的實際作業效果。

5.2 物理樣機移栽試驗

5.2.1試驗材料

本試驗選用的玉米品種為沃普嫩單18號，缽盤選用旱地育苗用秧盤，其規格為72孔，單個穴孔為口徑38 mm、底部22 mm、穴深40 mm的截錐體，土壤種類為東北黑土。在苗齡30 d左右，平均苗高為14 cm，呈三葉一心狀態時進行試驗，此時作物莖稈直徑為3～5 mm。試驗時間為2020年9月16—30日，試驗地點為東北農業大學農機具實驗室，試驗用玉米缽苗如圖12所示。

5.2.2試驗指標

選取取苗成功率、缽苗直立度和缽苗直立度合格率為試驗指標[24-25]，評價指標定義為：

(1)取苗成功率：每組試驗中，移栽機構從缽盤中成功取出缽苗的數量占該組總缽苗數量的百分比。

(2)秧苗直立度：缽苗在被栽植臂夾板釋放瞬間的直立狀態，以缽苗莖稈與水平面之間的夾角θ來評價，θ(0°≤θ≤90°)越接近90°秧苗直立度越好。

(3)秧苗直立度合格率：根據移栽農藝規范，栽植后秧苗與地面的水平夾角大于45°視為栽植合格。每組栽植合格的秧苗數與該組總缽苗數量的百分比為該組的栽植合格率。

5.2.3試驗結果及分析

試驗前對栽植機構進行極限作業測試，當轉速達到22 r/min時，機構出現振動并隨轉速增加振動加劇，移栽質量明顯下降。為了進一步驗證缽苗移栽機構的實用性，設定本試驗在機構平穩運行狀態下最大栽植頻率(62株/min)下進行，共對5組缽苗共500株缽苗進行取苗和栽植試驗。試驗過程如圖13所示。試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果Tab.1 Experimental result

試驗過程中，機構運轉平穩，試驗結果符合農藝要求，驗證了移栽機構性能的合理性與實用性。經過分析，移栽過程中取苗失敗的原因如下：受穴盤內秧苗種植和生長特性的影響，部分秧苗生長位置偏離盤穴橫截面中心，夾取時與秧苗的橫向夾取角度增大，產生傷苗情況，降低了取苗成功率。影響栽植直立度的原因如下：移栽機運行中，受滑道加工精度影響，使機構在換向位置產生振動，部分缽苗在輸運過程中營養土散落，影響了秧苗栽植的直立度。

6 結論

(1)設計了一種全自動滑道式缽苗移栽機構，對其結構和工作原理進行了分析，并建立了該機構的運動軌跡和運動學模型。

(2)開發了計算機輔助優化設計軟件，應用該軟件優化出滿足移栽農藝要求的理想軌跡，該軌跡下相對應的機構參數為：曲柄長度L1=272 mm，栽植臂長度L2=285 mm，曲柄臂長度L3=60 mm，曲柄臂與栽植臂之間的夾角α21=60°。應用ADAMS軟件進行運動學仿真，將得到的運動軌跡曲線與計算機輔助優化設計軟件優化出的軌跡進行分析對比，驗證了移栽機構結構設計的合理性。

(3)采用高速攝像試驗可得理論軌跡、虛擬仿真軌跡和臺架實際軌跡基本一致，驗證了機構設計的正確性。對物理樣機進行性能試驗，移栽機構取得了較好的作業效果，取苗平均成功率為95%、秧苗平均直立度為82°、缽苗平均直立度合格率為93.4%。