基于EDEM-RecurDyn的指夾式取苗爪仿真優化與試驗

胡建平 潘 杰 陳 凡,3 岳仁才 姚夢嬌 李 靜

(1.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， 鎮江 212013;2.華中科技大學無錫研究院， 無錫 214174; 3.華中科技大學機械科學與工程學院， 武漢 430074)

0 引言

取苗爪是自動移栽機的關鍵部件，其結構和參數是影響取苗效果的主要因素[1-2]。韓國的CHOI等[3]設計了一種夾取針式取苗爪，該機構由連接到導向板的兩個夾取針和在導向板之間往復運動的柱塞組成。當柱塞向前移動時，帶動導向板繞軸轉動，使得夾取針被打開，當柱塞向后移動時使得夾取針關閉。并且為了從插針完全移除幼苗，夾取針周圍的推環連接到柱塞，使得當柱塞向前移動時，推環將幼苗從夾取針中推出。童俊華等[4]設計了一種由氣缸驅動的四針插拔式取苗爪，通過氣缸驅動4個對稱傾斜的指針在對應的針管內滑動，指針向下伸出時以一定角度插入并夾緊缽，指針向上收縮時推出缽體。基于Visual Basic編寫可視化程序，并根據穴盤規格和缽體根系縱向分布情況，確定指針尖點的軌跡要求，優化了末端執行器的關鍵結構尺寸。但未結合缽體力學性能對取苗爪進行設計及研究。徐靜云[5]設計了一種由氣缸驅動的邊插入缽體苗、邊夾緊的兩指四針夾取式取苗爪，通過氣缸帶動推苗環的直線移動，實現夾緊缽體苗、釋放缽體苗的動作。并綜合考慮取苗爪的結構特點、穴盤苗的根系空間分布特點、缽體苗拉拔力與缽體夾持變形量的關系，對取苗爪的結構參數進行優化。但該取苗爪的設計基于整排間隔取苗的取苗方式，效率較低，且取苗爪在取苗時對莖葉較高的缽體苗損傷較大。

針對整排取苗的作業方式，本文在前期研究基礎上，以指夾式取苗爪為研究對象，建立取苗爪的運動數學模型。結合穴盤苗缽體物理特性和根系分布特點，對組成取苗爪的各結構組件進行尺寸參數優選[6-7]。自動移栽機取苗爪夾取苗動作復雜，作用對象苗缽由顆粒組成，容易變形與破碎，單一的離散元仿真或多體動力學仿真難以準確描述取苗爪和苗缽顆粒之間的作用關系。因此本文在RecurDyn中建立虛擬樣機模型，通過試驗進行缽體力學性能測量，對試驗所得數據進行處理，得出顆粒物理特性參數，并在EDEM中建立缽體顆粒模型[8-10]。通過EDEM-RecurDyn耦合仿真取苗爪插入、夾取、提離的過程，分析取苗爪插入缽體苗深度、開始夾苗深度在取苗時對缽體的影響，并優化出取苗爪最佳的插入夾取苗動作時序配合，為實際取苗作業提高取苗成功率和取苗質量提供理論基礎。

1 指夾式取苗爪結構與工作原理

取苗爪的主要功能是當放置在輸送機構上的穴盤中的一排苗到達取苗點，即一排苗位于取苗爪下方時，取苗機構帶動取苗爪垂直插入并夾緊穴盤中的缽體苗，將缽體苗從穴盤中提取出，再將缽體苗平穩運送至投苗點，將缽體苗投至分苗機構或者栽植器中。整個取苗過程包括夾苗、帶苗、投苗等環節，要求取苗爪能準確地取出缽體苗，不能損壞、夾碎缽體，在帶苗移動至下一環節的過程中有足夠的夾持力保證不掉苗，在投苗過程中保證缽體苗與取苗爪完全脫離并垂直投入分苗機構或者栽植器中[11]。

針對整排取苗機構，設計了一種由氣缸驅動的邊插入缽體苗、邊夾緊的指夾式取苗爪。如圖1所示，主要由氣缸、安裝板、夾取針擺桿、夾取針、氣缸推桿、推苗環支架、推苗環等組成，利用氣缸帶動推苗環支架的直線移動，驅動夾取針轉動和推苗環的移動，達到夾緊苗缽、釋放苗缽的動作，保證夾取力的同時，減小對缽體苗的損傷。

圖1 指夾式取苗爪結構示意圖Fig.1 Structure diagram of finger-clamping picking mechanism1.氣缸 2.安裝板 3.夾取針擺桿 4.夾取針 5.氣缸推桿 6.推苗環支架 7.推苗環

指夾式取苗爪工作過程如圖2所示，取苗爪位于穴盤苗上方時，氣缸推桿處于伸出狀態。取苗爪在可以實現縱向移動的取苗機構的作用下插入并夾緊缽體，當取苗爪完全插入并夾緊缽體，取苗爪短暫停留。接著取苗爪在取苗機構的作用下取出苗缽至穴盤上方，并帶苗缽移動到投苗點，取苗爪氣缸推桿伸出，通過氣缸推桿帶動推苗環支架向下移動，夾取針擺桿隨著推苗環支架一起向下移動，并向外轉動夾取針，達到張開松苗的目的，同時，推苗環一起向下移動，將缽體苗從夾取針上推落。在一個運動周期內完成夾苗、帶苗、投苗動作[5]。

圖2 指夾式取苗爪工作過程Fig.2 Finger-clamping picking mechanism working process

圖3 指夾式取苗爪機構運動數學模型Fig.3 Motion mathematical model of finger-clampingpicking mechanism

2 指夾式取苗爪虛擬樣機模型

2.1 運動數學模型

根據指夾式取苗爪的組成及工作原理，建立其機構運動數學模型。如圖3所示，圖中L1為兩夾取針安裝板轉動中心之間的距離，L2為兩個夾取針擺桿之間的距離，L3為夾取針的長度，L4為夾取針完全張開時夾取針針尖到夾取針擺桿的距離，L′4為夾取針完全夾緊時夾取針針尖到夾取針擺桿的距離，L5為夾取針完全張開時夾取針兩端點間的距離，L′5為夾取針完全夾緊時夾取針兩端點間的距離，H1為推苗環支架高度，H2為夾取針完全張開時夾取針安裝板轉動中心與夾取針擺桿上端的垂直距離，H′2為夾取針夾緊時夾取針安裝板轉動中心與推苗環上端的垂直距離，α為夾取針張開最大時與豎直方向的夾角，α′為夾取針夾緊時與豎直方向的夾角，β為穴盤兩側面之間的夾角。

各運動件之間的幾何關系為

(1)

式中D——推苗環支架與穴盤上表面的距離，mm

設穴孔的上邊長為a1，下邊長為b1，為實現整排無間隔取苗，兩夾取針安裝板外側距離應小于a1，但隨著兩夾取針安裝板外側距離變小，L5變小。由于種子發芽點的不確定性，L5應盡可能大來避免夾取針插入缽體時損傷到未長在穴孔中心位置的根系。除去夾取針安裝板自身厚度，結合穴孔尺寸，L1取34 mm。

根據課題組已有的對穴盤苗根系在缽體中垂直方向和水平方向上的分布規律的研究，對其根系易斷裂區域匯總[5]，如圖4所示，以72孔穴盤苗為例，將缽體在垂直方向分成5等份，從頂部向下，分別為A1、A2、A3、A4、A5，每個分層的高度為9 mm；將模型在水平方向分成6等份，從左到右依次為B1、B2、B3、B4、B5、B6，長度均為7 mm。其中，在水平方向上根體積和根密度較低的為B2、B5，在垂直方向上根體積和根密度最低的為A3，其次為A2、A4，取苗爪工作時，夾取針軌跡應盡可能從B2A3、B5A3、B2A2、B2A4、B5A2、B5A4區域經過，減少對缽體根系的損傷，提高取苗效果。因此，夾緊缽體時，L′5的取值范圍為14～28 mm，取苗爪插入深度范圍為28～35 mm。72孔穴孔兩壁面的夾角為25°左右，夾取缽體時，夾取的初始角不應大于穴孔壁面的夾角。根據課題組對苗缽進行的夾取試驗及破損檢測，在夾針直徑為2.5 mm，夾取角為11°時，缽體破碎率最小[5]。

圖4 缽體分割示意圖Fig.4 Diagram of carcass segmentation

夾取針施加于缽體的夾持力在能夾持缽體脫離穴盤的基礎上，盡量減少對缽體及根系的損傷。根據課題組先前的取苗拉拔試驗，最大拉拔力為2.443 N，因此取苗爪對苗缽的拉拔作用力應大于2.443 N，穴盤苗拉拔力F與缽體夾持變形量的關系為[5,12]

F=2F1A1(μcosα′+sinα′)/A2

(2)

F1=0.065 02x3-0.674 2x2+3.602x-0.754 8

(3)

式中F1——缽體抗壓力，N

A1——夾取針夾持缽體的面積，mm2

μ——夾取針與缽體的摩擦因數

A2——缽體抗壓面積，mm2

x——缽體夾持變形量，mm

取苗爪采用兩指四針結構，夾持缽體面積A1與夾取針插入缽體的深度Id有關，取夾取針插入深度Id為27、28、29、30、31、32、33、34、35、36 mm，對應的A1分別為135、140、145、150、155、160、165、170、175、180 mm2。靜摩擦因數取0.52[5]，缽體抗壓面積A2取缽體最大值，為1 260 mm2。利用式(2)和式(3)按最大拉拔力F=2.443 N計算，得到不同插入深度Id下的夾持抗壓力F1及相對應的夾持變形量x，如表1所示。

表1 不同插入深度時夾持抗壓力及夾持變形量Tab.1 Correspondence between insertion depth and clamping resistance and deformation

根據課題組已有的關于苗缽力學特性試驗數據和結論，在取苗爪針不同的插入深度下，穴盤苗缽體夾持變形量x范圍為8.251～9.222 mm[5]，因此要求夾取時缽體的最大變形量xmax大于對應深度下的夾持變形量x。在設計的取苗爪機構中，由于夾取針是邊插入邊夾緊的工作形式，其取苗爪針針尖在缽體中的軌跡可近似為圖5中的紅色直線。以推苗環中心連線為x軸，向右為正，以推苗環連線中點為坐標原點，垂直推苗環方向為y軸，向下為正建立坐標系。根據根系在缽體中的分布規律和缽體力學特性試驗的結論，取苗爪夾取苗缽時夾取針針尖位置xA1、xA2和變形量Δx約束方程為

(4)

圖5 夾取針針尖軌跡示意圖 Fig.5 Diagram of clip pin tip trajectory

根據式(1)、(4)，代入已知參數L1及α，對線性方程進行規劃求解，結果保留一位小數后，取苗爪結構參數如表2所示。

表2 取苗爪結構參數Tab.2 Structural parameters of finger-clip picking mechanism

2.2 基于RecurDyn的虛擬樣機模型及運動分析

根據上述分析獲得的取苗爪參數，利用SolidWorks建立零件三維模型并對取苗爪進行裝配和干涉檢查。將裝配完成后的取苗機構虛擬樣機模型導入RecurDyn中，利用RecurDyn對機構添加質量屬性、約束、載荷等仿真參數[13]，指夾式取苗爪虛擬樣機模型如圖6所示。

圖6 指夾式取苗爪虛擬樣機模型Fig.6 Virtual prototype model of finger-clampingpicking mechanism

根據RecurDyn中運動副分類及取苗爪實際運動情況，對相應的運動副進行抽象處理，然后定義各構件之間轉動副和移動副。根據取苗爪的實際工作情況，在推苗環支架和夾取針安裝板之間添加solid to solid接觸，各夾取針與夾取針擺桿和推苗環之間施加extended surface to surface接觸，在氣缸缸體和大地之間的移動副上添加驅動,在氣缸活塞桿和氣缸缸體之間的移動副上添加驅動[14]。根據實際測量取苗機構帶動取苗爪做縱向移動100次所用的時間，計算出取苗爪插入缽體的平均速度Iv為280 mm/s。定義驅動類型為Displacement(time),假設取苗爪插入缽體苗的深度為27 mm，取苗爪初始位置位于缽體苗上方20 mm，創建表達式為STEP(time,0.00,0,0.168,-47)+STEP(time,T,-47,T+0.168,0)[15]，T為夾苗完成時刻，完成取苗爪插入缽體苗深度關于時間的表達式的建立。通過不斷改變取苗爪插入時間，使插入深度在27～36 mm之間變化。根據實際測量夾苗氣缸動作100次所用的時間，計算出氣缸推桿平均速度為250 mm/s。假設開始夾苗插入深度為0 mm，即開始夾苗時刻為取苗爪縱向移動0.071 s后，定義驅動類型為Displacement(time),創建表達式為STEP (time,0.071,0,0.27,50)，完成夾苗氣缸位移關于時間的表達式的建立，通過不斷改變開始夾苗時刻，在0～9 mm范圍內改變夾苗氣缸開始夾苗時，取苗爪的插入深度。取苗爪縱向移動與夾苗氣缸動作表達式如表3所示。

表3 指夾式取苗爪縱向運動與夾苗氣缸動作表達式Tab.3 Motion pairs for model of finger-clip picking mechanism

將取苗爪插入缽體深度關于時間的表達式和夾苗氣缸位移關于時間的表達式輸入到RecurDyn中對應的表達式列表，并運行仿真，測量不同運動表達式下夾取針針尖縱向位移及兩個夾取針針尖之間的距離與時間的關系。選擇取苗末端執行插入深度為33 mm，開始夾苗插入深度為4 mm，即取苗爪縱向移動運動表達式為STEP(time,0.00,0,0.189,-53)+STEP(time,0.286,-53,0.475,0)，夾苗氣缸動作表達式為STEP(time,0.086,0,0.286,50)，進行仿真，得到夾取針針尖縱向位移隨時間變化的曲線如圖7所示，夾取針針尖之間距離隨時間變化的曲線如圖8所示。根據取苗爪縱向位移曲線和夾取針針尖距離變化曲線，可以看出取苗爪完成了插入-邊插入邊夾取-夾取保持-提離的運動過程。取苗爪夾取針完全張開時，針尖距離為23.91 mm，完全夾緊時，針尖距離為7.15 mm。

圖7 指夾式取苗爪夾取針針尖縱向位移曲線Fig.7 Longitudinal displacement of needle tip of finger-clip picking mechanism

3 基于EDEM的缽體苗離散元模型

3.1 帶根完整缽體性能參數測定

圖8 指夾式取苗爪夾取針針尖距離變化曲線Fig.8 Distance change of needle tip of finger-clip picking mechanism

苗缽的物理性能參數是建立缽體離散元模型的基礎，本文選用種植在72孔穴盤中的黃瓜苗帶根完整缽體作為試驗對象，苗齡為28 d，含水率60%，基質配比(泥炭∶蛭石∶珍珠巖)3∶1∶1[16-17]。

(1)外形參數測定

手動將缽體苗從72孔穴盤中取出，測量其外形參數。缽體底邊寬J1為18.16～18.92 mm，上邊寬J2為41.89～42.14 mm，穴苗基質高度M為43.27～44.65 mm，穴苗莖葉的高度N=60.58 mm。

(2)密度測定

按照GB/T 50123—1999《土工試驗方法》要求，采用環刀法測量帶根缽體的密度，進行兩次平行測定，平行差值小于0.03 g/cm3時，取兩次測量的平均值作為密度值[18]，試驗結果如表4所示。

表4 帶根缽體密度測定結果Tab.4 Density measurement results of root carcass

(3)抗剪強度測定

直接剪切試驗是測定土壤抗剪強度的一種通用方法，用不同的法向力施加在豎直方向，在水平方向得到土壤剪切破壞不同時的剪應力[19]，不同縱向載荷下的抗剪強度如表5所示。

表5 不同縱向載荷下的抗剪強度Tab.5 Shear strength under different longitudinal loads

如圖9所示，以縱向載荷σ為縱軸，抗剪強度τ為橫軸，用最小二乘法作強度線，強度線在縱坐標上的截距為內聚力C，與水平線的夾角為內摩擦角φ。

圖9 缽體抗剪強度曲線Fig.9 Shear strength curve of carcass

根據曲線進行數據回歸，得出缽體抗剪強度與縱向載荷的關系表達式為

τ=0.345σ+21.7

(5)

由式(5)得到缽體的內聚力C為21.7 kPa，摩擦因數為0.345，內摩擦角φ為19.03°[19]。在此基礎上，計算泊松比

(6)

其中

k0=1-sinφ

式中μ——泊松比

k0——缽體靜止測壓系內摩擦角代入式(6)可得泊松比為0.246。

(4)彈性模量測定

土壤的彈性模量指土壤受到的應力與彈性應變之比。通過進行三軸壓縮試驗，在某一載荷的作用下多次加載和卸載來分離缽體的彈性應變與塑性應變[20]。

根據彈性模量計算公式

(7)

式中 Δσ——縱向載荷變化量，kPa

Δh0——缽體彈性變形量，mm

h0——缽體固結后的高度，mm

將試驗結果代入式(7)，得到缽體的彈性模量E=3.98 MPa。

根據剪切模量計算公式

(8)

將泊松比和彈性模量代入式(8)可得剪切模量G=1.597 MPa。

3.2 基于EDEM的缽體離散元模型建立

實際取苗作業中，缽體的破碎、斷層、滑落均會影響取苗效果，進而影響缽體苗的移栽以及后期作物成長[21]。由于基質顆粒眾多，結構種類復雜繁多，傳統解析法很難精準分析取苗爪參數對缽體的影響。本文借助EDEM軟件對缽體顆粒進行離散元仿真建模，為優化取苗爪取苗效果提供基礎。

(1)顆粒模型建立

建立準確的缽體顆粒模型是保證仿真結果有效性的基礎，缽體主要用泥炭、珍珠巖、蛭石按3∶1∶1的比例組成，現有研究及相關文獻表明，泥炭顆粒的基本結構主要包括塊狀顆粒、核狀顆粒、柱狀顆粒，珍珠巖的主要結構為球狀，蛭石的主要結構為片狀[22-23]。如圖10所示，基于實際的顆粒形狀在EDEM中建立相應的顆粒模型。其中，塊狀模型、柱狀模型、核狀模型的半徑按0.2～0.5 mm隨機分布，球狀模型半徑按1.5～3 mm隨機分布，片狀模型半徑按0.4～1 mm隨機分布，每種顆粒生成5 000個。如表6所示，結合前期帶根完整缽體物理性能測定結果，對顆粒屬性進行設定。取苗爪夾取針材料選用45號鋼，穴盤材料則為聚苯乙烯，查閱相關材料性能參數，并在EDEM中完成材料屬性的設置。

圖10 EDEM顆粒模型示意圖Fig.10 EDEM particle model schematic

表6 EDEM材料屬性設置Tab.6 EDEM material property settings

(2)邊界模型建立

為優化取苗爪動作配合，本文利用SolidWorks 2016軟件對穴盤的單個穴孔按照實物尺寸進行建模，并以STP文件格式導入EDEM軟件，得到邊界模型。在穴孔上端建立虛擬平面，通過EDEM中的顆粒工廠(Factory)進行基質顆粒的生成。顆粒工廠設置如圖11所示，總共生成25 000個顆粒，生成速度為30 000個/s，并全部放置在穴孔中，生成結果如圖12所示。

圖11 顆粒工廠設置Fig.11 Particle factory setting

圖12 顆粒生成結果Fig.12 Particle generation result

(3)接觸模型建立

為了準確描述缽體基質顆粒之間的接觸關系，本文選擇EEPA(Edinburgh elasto plastic adhesion)模型作為缽體顆粒之間以及缽體和邊界模型之間的接觸模型。EEPA模型在EDEM軟件應用中主要由5個參數描述：粘性力分離常量f0、接觸表面能Δγ、接觸塑性比λp、重疊指數n、粘性分離指數X、切向剛度ζtm[24-26]。結合前期的試驗結果及文獻資料，得到f0=-0.002 N，Δγ=3.5 J/m2，λp=0.6，n=1.5，X=1，ζtm=0.4。

為優化取苗爪動作時序配合，提高取苗效果，本文借助RecurDyn和EDEM軟件對取苗爪插入、夾取、提離缽體的過程進行機械-離散元聯合仿真分析。在RecurDyn的External SPI模塊中創建Wall，選擇需要與顆粒接觸的幾何體，此模型分別選擇4根夾取針，并導出至EDEM缽體模型目錄下，導入結果如圖13所示。在EDEM中開啟RecurDyn Coupling選項，建立與RecurDyn聯合仿真的接口。RecurDyn將力施加于Wall附著的夾取針上，當夾取針與缽體顆粒接觸時，夾取針將力施加于缽體顆粒，同時缽體顆粒對取苗爪針施加反作用力，并返回到RecurDyn中[27-28]。

圖13 RecurDyn導入EDEM結果Fig.13 Results of RecurDyn importing EDEM

如圖14所示，在EDEM中開啟耦合服務器，在Simulator界面進行仿真參數設置，將總的仿真時間設置為1.5 s，顆粒會在0.83 s內全部落完，共給與1 s時間使其下落并穩定。在RecurDyn中將原先取苗爪縱向運動和夾苗氣缸動作的初始時刻設置為第1秒，如圖15所示，將總的仿真時間設定為1.5 s，進行Dyn/Kin仿真，此時EDEM自動開啟計算，并將顆粒信息導入RecurDyn中[29]。

圖14 Simulator仿真參數設置Fig.14 Simulator simulation parameter

圖15 Dyn/Kin仿真參數設置Fig.15 Dyn/Kin simulation parameter

3.3 取苗爪工作參數對取苗效果的影響

對取苗爪進行RecurDyn-EDEM聯合仿真，通過單變量控制法來具體分析取苗爪插入深度及取苗爪開始夾苗深度對取苗效果的影響。在RecurDyn中改變要分析參數的運動表達式，保證另一個參數的值不變，對取苗效果進行對比分析，得出其對取苗效果的影響規律。

(1)取苗爪插入深度對取苗效果的影響

取苗爪的插入深度決定了夾取針與缽體的作用面積，夾取針針尖運動軌跡以及對缽體根部的擾動。設定插入4 mm后夾苗氣缸動作，夾取針開始夾苗，分別將插入深度設定為32、34、36 mm，研究插入深度對取苗效果的影響。根據試驗時插入深度要求，對取苗爪移動方程進行替換，并完成鋼針插入及提取過程。如圖16所示，插入深度為32 mm時，顆粒間所受力主要分布于1.31×10-2～2.31×10-2N之間，顆粒變形量主要分布于5.32×10-3～1.16×10-2mm之間。如圖17所示，插入深度為34 mm時，顆粒間所受力主要分布于5.19×10-3～1.30×10-2N之間，顆粒變形量主要分布于4.44×10-3～1.02×10-2mm之間，如圖18所示，插入深度為36 mm時，顆粒間所受力主要分布于9.71×10-3～2.61×10-2N之間，顆粒變形量主要分布于5.19×10-3～1.20×10-2mm之間。隨著插入深度的增大，夾取針與缽體接觸面積增大，缽體的受力面積增大，缽體完整度越高。隨著插入深度的增大，夾取針夾緊缽體時，顆粒所受的擠壓力先變小后變大，顆粒的形變也隨著插入深度的增加而先變小后變大，且缽體苗受夾取針擠壓而往上滑動，夾取針穿透缽體，在實際作業中容易使缽體苗根部斷裂而破壞缽體原有的穩定狀態，影響移栽效果及缽體苗后期生長情況，因此優選插入深度為34 mm。

圖16 插入深度32 mm時取苗效果、顆粒受力及變形狀態Fig.16 Picking effect, particle force and deformation state of insertion depth of 32 mm

圖17 插入深度34 mm時取苗效果、顆粒受力及變形狀態Fig.17 Picking effect, particle force and deformation state of insertion depth of 34 mm

圖18 插入深度36 mm時取苗效果、顆粒受力及變形狀態Fig.18 Picking effect, particle force and deformation state of insertion depth of 36 mm

圖19 開始夾苗深度為2 mm時取苗效果、顆粒受力及變形狀態Fig.19 Picking effect, particle force and deformation state of initial picking depth of 2 mm

(2)取苗爪開始夾苗深度對取苗效果的影響

取苗爪的開始夾苗深度決定了夾取針針尖的運動軌跡，進而影響對缽體內根系的損傷。設定取苗爪插入深度為34 mm，將開始夾苗深度分別設定為2、4、6 mm，研究開始夾苗深度對取苗效果的影響。根據試驗時開始夾苗深度的要求，對取苗爪夾苗氣缸位移方程進行替換，并完成鋼針插入及提取過程。如圖19所示，開始夾苗深度為2 mm時，顆粒間所受力主要分布于1.59×10-3～1.38×10-2N之間，顆粒變形量主要分布于4.77×10-3～1.17×10-2mm之間。如圖20所示，開始夾苗深度為4 mm時，顆粒間所受力主要分布于1.29×10-3～1.19×10-2N之間，顆粒變形量主要分布于4.25×10-3～1.04×10-2mm之間，如圖21所示，開始夾苗深度為6 mm時，顆粒間所受力主要分布于1.74×10-3～1.42×10-2N之間，顆粒變形量主要分布于5.12×10-3～1.24×10-2mm之間。隨著開始夾苗深度的增加，顆粒所受的擠壓力先變小后變大，顆粒的形變也隨著初始插入深度的增加而先變小后變大。取苗爪完全插入缽體后，夾苗氣缸仍未完全收縮，此時，夾取針針尖僅做夾緊缽體的運動，且隨著開始夾苗深度的增加，這一過程對根部的擾動越大。在實際作業中容易改變缽體原有的穩定狀態，甚至夾碎缽體，影響移栽效果及缽體苗后期生長情況。所以開始夾苗深度選擇為4 mm，夾取針針尖軌跡較優，缽體形狀保持的較好。

圖20 開始夾苗深度為4 mm時取苗效果、顆粒受力及變形狀態Fig.20 Picking effect, particle force and deformation state of initial picking depth of 4 mm

圖21 開始夾苗深度為6 mm時取苗效果、顆粒受力及變形狀態Fig.21 Picking effect, particle force and deformation state of initial picking depth of 6 mm

4 試驗與結果分析

圖22 指夾式取苗爪取苗試驗Fig.22 Picking seedling test of finger-clamping picking mechanism

根據仿真分析結果，通過調整氣缸兩端機械限位，設定取苗爪初始位置位于缽體上方16 mm，取苗爪縱向位移為50 mm，即取苗爪插入缽體深度為34 mm。使用高速攝像儀記錄取苗機構運動軌跡，根據錄像結果逐步調整取苗爪開始夾苗時刻，使開始夾苗插入深度為4 mm。如圖22所示，選用2盤72孔黃瓜苗(缽體高度為42 mm)為一組，試驗用取苗機構橫向移動距離為400 mm，取苗機構每側3個取苗爪，取苗爪側面安裝有間隔塊，取苗爪與取苗爪之間安裝有彈簧。橫向移動氣缸伸出帶動最外側取苗爪移動至投苗點，取苗爪之間的彈簧使每個取苗爪分開，并與導苗桶對齊，取苗爪張開推苗，使苗投入分苗機構。橫向移動氣缸縮回，帶動最外側取苗爪移動至取苗點，最內側取苗爪碰到位于取苗機構中心位置的限位擋快停止，橫向移動氣缸繼續帶動最外側取苗爪移動至中間取苗爪與兩側取苗爪間隔塊接觸而停止，此時取苗爪與穴盤苗穴孔對齊，進行取苗。根據高速攝像結果逐步調整取苗機構橫向移動氣缸進氣口節流閥，分別使一次取苗周期為3.75、3、2.5 s，即取苗速率為16、20、24次/min，每次取6株，進行3組取苗效果試驗。自動取苗試驗時，評價指標為取苗成功率S。依據取苗工作循環動作流程，統計出夾取苗失敗率S1，即取苗爪未能將缽體苗從穴孔中取出的概率；缽體破碎率S2，即缽體雖被取出，但缽體苗被夾碎的概率；投苗失敗率S3，即缽體苗未能準確投入分苗杯的概率，以上各指標計算公式為

(9)

(10)

(11)

S=1-S1-S2-S3

(12)

式中N——取苗總數

N1——夾取苗失敗個數

N2——缽體雖被取出，但發生破碎的個數，即缽體被取苗爪夾散并脫落

N3——投苗失敗個數[28-30]

試驗結果如表7所示，可以看出，隨著取苗速率的增加，夾苗失敗率、缽體破碎率并沒有明顯變化，部分失敗的缽體苗主要是因為苗缽本身生長情況不佳，缽體盤根性較差導致。但隨著取苗速率的加快，投苗失敗數增加。其主要原因是隨著取苗速率的加快，取苗爪到達投苗點時產生的震動沖擊較大，缽體苗產生晃動，使相鄰兩棵缽體苗的葉子交錯在一起，在投苗時產生落苗姿態不佳的問題，導致投苗失敗。

表7 取苗爪夾取苗試驗結果Tab.7 Test result of finger-clamping picking mechanism

5 結束語

根據取苗爪的作用及邊插邊夾的作業方式，本文闡述了取苗爪的結構組成及工作過程。建立取苗爪的運動數學模型，以缽體苗被完整的取出，同時減少取苗爪對苗缽根系的損傷為目標，對組成取苗爪的各構件進行尺寸參數優選。由于取苗爪夾取苗動作復雜，作用對象缽體易變形，單一的離散元仿真或多體動力學仿真難以準確描述取苗爪和缽體之間的作用關系，因此根據幾何參數在RecurDyn中建立了虛擬樣機模型，并添加仿真參數，根據不同取苗爪夾取、提離過程的時序配合，確定不同的取苗爪運動方程，并在RecurDyn中仿真取苗爪夾取針針尖縱向位移和距離變化情況。根據對帶根完整缽體物理參數測定得到的數據，在EDEM中建立顆粒模型并設定材料屬性，同時建立邊界模型并設定接觸模型仿真參數。將RecurDyn中與顆粒接觸的夾取針導入到EDEM中，對取苗爪進行RecurDyn-EDEM聯合仿真，從缽體完整性、缽體受力情況、缽體變形情況，分析取苗爪插入深度、取苗爪開始夾苗深度對取苗效果的影響。優選出最佳的插入深度為34 mm，最佳的開始夾苗深度4 mm，可以獲得較好的缽體完整性。并在16、20、24次/min的取苗速率下進行取苗爪取投苗試驗，試驗表明，所設計的指夾式取苗爪取苗成功率均在96%以上，缽體破碎率小于1%，具有良好的取苗、投苗效果，在取苗作業中可以保持良好的缽體完整性。