灌木幼苗移栽機的抓送苗機構(gòu)設(shè)計*

李 瑾 ， 趙美卿 ， 張 燕

（1.山西工程技術(shù)學院機械工程系，山西 陽泉 045000；2.東關(guān)小學，山西 呂梁 033000）

很多植物的栽培過程中都用到了移栽機[1-2]，在種植灌木的過程中，需要將已經(jīng)培育好的幼苗移栽到大田里以提高生產(chǎn)率[3-4]。針對移栽作業(yè)費工、費事的問題[5]，已有研究設(shè)計出了專用灌木幼苗移栽樣機，該機器可取代大部分人工作業(yè)，但其人機工效需進一步提升。基于此，課題組在灌木幼苗移栽機現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了抓送苗機構(gòu)以提升人機效率。

1 抓送苗機構(gòu)的設(shè)計

目前，已有的灌木幼苗移栽機主要由開溝機構(gòu)、種苗機構(gòu)、覆土機構(gòu)組成。隨著移栽機的發(fā)展，開溝機構(gòu)能夠在移栽機底部的田地上開出適宜深度與間距的種苗溝。滾動式種苗機構(gòu)主要由滾筒上若干圈可開閉的鏈夾構(gòu)成，滾筒隨移栽機移動而轉(zhuǎn)動，滾筒上的鏈夾運動到滾筒頂部時張開，接收幼苗后夾緊，設(shè)計鏈夾運動到滾筒最底部時，在滾筒切線方向上鏈夾與地面相對等速，此時鏈夾將幼苗無損送入種苗溝中，同時覆土機構(gòu)進行覆土將幼苗固定，完成移栽過程。由于灌木幼苗長度小，滾筒上的鏈夾在種苗時需貼近地表，受其質(zhì)量及動力限制，滾筒直徑不能過大，導(dǎo)致滾筒頂部鏈夾張開接收幼苗的位置不高。若使用人工送苗，為達到幼苗移栽小行距、高密度及無漏栽的要求，需要人工長時間彎腰持續(xù)將幼苗放入鏈夾內(nèi)以保證夾緊幼苗，導(dǎo)致人工勞動強度大。基于此，課題組在種苗機構(gòu)上方設(shè)計了自動抓送苗機構(gòu)以提升送苗效率、減輕人員的身體勞損。

常用的取苗方式主要有頂出夾取式、插入夾取式、氣吹式等[3]，本自動抓送苗機構(gòu)屬于插入夾取式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機構(gòu)包含若干個共軸的抓苗架，與下方的種苗機構(gòu)鏈夾圈一一對應(yīng)。每個抓苗架上等間距安裝有4個幼苗握爪，幼苗握爪接近前上方的放苗筒時張開，放苗筒中人工已插入分揀好的幼苗，握爪通過放苗筒后閉合以抓取幼苗根部，握爪的內(nèi)側(cè)設(shè)計成張拉有彈性支撐層的凹槽以避免傷害幼苗根部，握爪在運動到下方種苗機構(gòu)滾筒上的鏈夾時再次張開，將幼苗上部投遞給鏈夾后夾緊，完成一次抓送苗動作。在抓苗架的中心安裝凸輪以精確控制握爪開合，抓苗架的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 移栽機抓送苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2 抓苗架結(jié)構(gòu)簡圖

圖2中位于中心的凸輪為固定件，握爪架繞凸輪軸心順時針轉(zhuǎn)動，凸輪推動握爪后部的滾子推桿運動，利用彈簧構(gòu)成力封閉機構(gòu)使推桿滾子與凸輪保持接觸，推桿另一端驅(qū)動滑槽使握爪開合。如圖1所示，凸輪轉(zhuǎn)動一個周期，握爪需要開合兩次，分別為從放苗筒取苗及將幼苗放入鏈夾中，兩個開合位置對應(yīng)的凸輪行程具有約90°相位差。設(shè)凸輪的推程為S，握爪的張開尺寸為A，握爪手指轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸與凸輪推桿間的偏距為D，握爪手指長度為L。當握爪閉合時，S與A都為0，設(shè)此時握爪滑槽與推桿之間夾角為α，則A與S之間的關(guān)系如式（1）所示。

2 B樣條曲線運動規(guī)律

常用的凸輪運動規(guī)律主要有三角函數(shù)運動規(guī)律[6]和多項式運動規(guī)律[7]。三角函數(shù)運動規(guī)律不易實現(xiàn)一個周期內(nèi)任意多行程控制點，多項式運動規(guī)律中，單段多項式運動規(guī)律曲線的次數(shù)隨著凸輪行程控制點的個數(shù)而變化。為適應(yīng)握爪運動對凸輪行程多控制點的需求，不采用計算復(fù)雜、難以加工的高次多項式曲線，而采用由低次多項式順滑連接而成的B樣條曲線[8]。由于凸輪推動握爪開合運動為低速輕載工況，因此采用三次B樣條曲線即可滿足設(shè)計需求，可利用數(shù)控編程加工以保證曲線軌跡的準確性[9]。

三次B樣條曲線方程的基本表達式如式（2）所示。

式中，Pi是控制點，Ni,k(t)是第i個三次基函數(shù)。用于凸輪設(shè)計的B樣條曲線應(yīng)當具有二階連續(xù)性，因此對于任意兩段連續(xù)曲線的五個控制點Pj、Pj+1、Pj+2、Pj+3、Pj+4，需滿足式（3）。

由式（3）可得曲線參數(shù)需滿足式（4）。

由于樣條曲線并不一定經(jīng)過控制點，為使凸輪行程規(guī)律滿足關(guān)鍵控制點要求，設(shè)第i段三次B樣條曲線4個控制點Pi、Pi+1、Pi+2、Pi+3中，控制點Pi、Pi+1、Pi+2三點共線且Pi+1為線段中點時，曲線經(jīng)過點Pi+1，可得式（5）。

求解式（4）和式（5），可得曲線參數(shù)，得到第i段3次B樣條曲線方程如式（6）所示。

3 凸輪運動規(guī)律

用B樣條曲線求得的是以直角坐標系表示的凸輪行程，凸輪行程與凸輪基圓半徑相加后用極坐標形式表達即可得到凸輪理論廓線，可求解得凸輪理論廓線的曲率半徑如式（7）所示[10]。為避免凸輪實際廓線出現(xiàn)尖點現(xiàn)象及失真現(xiàn)象，凸輪理論廓線的曲率半徑應(yīng)該大于滾子半徑，即滿足式（8）。

要求凸輪輪廓控制握爪抓苗時到達放苗筒下方合適位置后迅速夾緊幼苗，送苗時到達張開的鏈夾上方合適位置后迅速打開放苗。因此采用實驗的方法確定在抓放苗過程中握爪開合時機的關(guān)鍵位置及幅度D，代入式（1）計算得到對應(yīng)的凸輪行程運動規(guī)律的關(guān)鍵控制點。由式（5）可知，需要重復(fù)關(guān)鍵控制點或在關(guān)鍵控制點前后增加輔助控制點以約束樣條曲線。將所有控制點代入式（6）并通過式（7）和式（8）進行驗證，若驗證不通過則合理修改輔助控制點，最終得到合適的凸輪行程運動規(guī)律，如圖3（a）所示。將理論廓線導(dǎo)入制圖軟件，向內(nèi)偏置滾子半徑值得到凸輪的實際廓線，如圖3（b）所示，可見凸輪并未出現(xiàn)尖點和失真現(xiàn)象，達到了柔順性要求。

圖3 凸輪運動規(guī)律

4 結(jié)論

灌木幼苗移栽機的抓送苗機構(gòu)可以顯著減少用工人數(shù)、提升灌木幼苗移栽效率。抓送苗機構(gòu)設(shè)計的核心在于握爪及凸輪設(shè)計，握爪指內(nèi)側(cè)使用柔性覆蓋物以避免傷苗，在凸輪的設(shè)計過程中，采用3次B樣條曲線運動規(guī)律，通過實驗確定關(guān)鍵控制點以實現(xiàn)精確控制握爪開合時機，達到設(shè)計目的。