煙苗移栽機的設計與仿真分析

李鵬飛 ， 楊永發

（西南林業大學，云南 昆明 650224）

0 引言

云南獨特的地理環境特別適合烤煙種植，烤煙產業極大地增加了農民的收入，提高農民的生活水平。自2016年起，云南省大力發展烤煙產業，深受當地農民的歡迎。目前，烤煙種植走向自動化、一體化，烤煙產業發展越來越成熟，已成為云南省的經濟支柱之一。2019年，《云南省支持煙草產業高質量發展若干政策措施》提出，大力推動烤煙產業農機與農藝的融合發展，由于抓苗、投苗、種植這三步農藝過程是種煙必不可少的關鍵，抓好這三步工作就是一項大工程[1]。打造一款抓苗、投苗、種植小型智能移栽機，省時省力、成本低、效率高，能有效提高烤煙的產量及質量。

國內外的煙苗移栽機根據當地地理環境條件，基本研發適用當地農業生產特點的移栽機[2-3]。日本洋馬農機有限公司生產的型號為PM2全自動蔬菜移栽機，乘坐式雙行種植，整機以小巧為主，靈活地適用于崎嶇山路、操作方便且自動化程度高、移栽質量高，并且在田地不平的情況下行距與株距可以利用液壓裝置進行調節，穩定性較好。美國肯登高農機公司生產的水輪式移栽機能實現單行或多行的膜上、無膜移栽作業，還可以根據實際需求調節單株注水量，該機械結構簡單、經濟實用，但需要專人投放幼苗。國外移栽機的技術特點與發展對我國移栽機的研究有較大的借鑒作用。由于國內受各個地區的環境影響，煙苗移栽機發展起步較晚尚未成熟，與發達國家相比差距明顯。2009年，南京農業大學的周婷等[4]研發了一款穴盤苗移栽機，自動化程度不高，穴盤需要專人進行進給，移栽效率為每分鐘20～25株。2010年，新疆農墾科學院農機所王序檢等[5]研制的2ZML-2/6型裸根（缽體）膜上移栽機既能實現膜上裸根苗的移栽，也能進行缽苗的移栽，具有一機多用的功能。

綜上所述，隨著農機與農藝的有效結合，目前市場上半自動化、功能單一的農業機械還是占主要地位。為此，研究煙苗移栽機穴盤運輸、抓苗、投苗、種植的農藝與機械結構為一體，減輕勞動強度，提高自動化程度、種植效率與質量，能有效解決現存烤煙種植的農藝問題。

1 系統工作原理介紹

1.1 整機結構和技術參數

煙苗移栽機整機由穴盤輸送裝置、機械手抓送取苗裝置、投苗杯循環裝置、鴨嘴種植裝置四部分組成。該裝置由控制系統實現穴盤的輸送，煙苗的夾取、投放、種植，其整體結構示意圖如圖1所示。煙苗移栽機的主要技術參數如表1所示。

表1 煙苗移栽機的主要技術參數

1.鴨嘴器；2.接苗器；3.投苗杯；4.平面軌道槽板；5.直線模組；6.機械夾爪；7.定位穴；8.橫向移動裝置I；9.托盤器；10.穴盤；11.幼苗；12.絲杠；13.懸掛裝置；14.電機；15.導軌；16.穴盤回收架；17.地輪；18.氣缸；19.橫向移動裝置Ⅱ。

1.2 工作原理

本設計是利用電機帶動絲杠來讓托盤器進行上下移動，每個托盤器都放有對應的穴盤苗。當穴盤苗移動到底部時由橫向移動裝置帶動穴盤苗到達定位處。8個機械手為一組，機械夾爪從穴盤上方夾取煙苗莖稈將苗夾起，提升過定位墻高度，機械夾爪彼此間距通過平面軌道槽板調整至與投苗杯等間距。然后，傳送至投苗杯上方后將夾抓張開幼苗掉入對應的投苗杯中，機械手由直線模組控制坐標移動[6]，機械手末端夾爪夾取由氣缸控制，投苗杯隨自己的鏈條運動，通過鴨嘴器將煙苗種入對應的塘坑中。移栽完成的空穴盤會被定位處下方的氣缸下降，由橫向移動裝置帶動空穴盤到達穴盤回收架處，再由氣缸控制使定位處歸位，從而進行下一次的循環。

2 主要設計

2.1 移栽定位部件

該部件主要是對整機的機械夾爪進行空間位置定位，從而抓取穴盤中的幼苗。根據設計要求，該部件的運動方式要簡單、運動速度要快才能滿足移栽效率。定位部件需要具有橫向平移、縱向平移以及機械夾爪之間間距的調整，總共3個自由度，其驅動連接方式分別如下：橫向平移、縱向平移選用速度快、精度高的直線同步模組實現；機械夾爪之間變距裝置由平面軌道槽板實現，成本低、結構非常簡單，滿足機械夾爪取苗與投苗間距變化。移栽定位部件能精準定位取苗與投苗，同時使用8個機械夾爪來提高取投苗效率，如圖2所示。

圖2 移栽定位部件

2.2 穴盤輸送裝置

穴盤輸送裝置的主要作用是來控制輸送與回收空穴盤，主要由氣缸、橫向移動裝置、定位塊、導軌、定位穴、托盤架、絲杠、電機與穴盤回收架組成，如圖3所示。工作時，電機控制絲杠帶動托盤架進行向下縱向移動，由橫向移動裝置Ⅱ拖動穴盤到定位塊處進行機械夾取工作；等夾取結束后，由控制定位穴底部的氣缸使空穴盤下降到橫向移動裝置Ⅰ處，再由橫向移動裝置Ⅰ帶回到穴盤回收架處進行儲存。

圖3 穴盤輸送裝置

2.3 機械手抓送取苗裝置

參考了不同取苗方式后，本設計是利用機械手夾片夾持莖稈的方式進行取苗，效率高、結構簡單。主要由柔性機械爪、支撐柱、氣缸、滑槽柱、推桿、限位軸組成[7]。提苗階段由氣缸帶動推桿向上運動來帶動機械夾爪進行抓取幼苗苗桿，投苗階段由氣缸帶動推桿向下運動來帶動機械夾爪松爪進行投苗，將煙苗投放到投苗杯中等待種植。

3 移栽作業ADAMS仿真及分析

3.1 定位部件運動仿真

各機械夾爪的橫向移動、間距調整均由平面軌道槽板提供具體路徑，故移栽定位部件只針對縱向進行運動仿真。以機械夾爪處于穴盤上方初始狀態時，夾爪Ⅰ所處位置定義為系統運動坐標原點，如圖4所示。

圖4 定位部件縱向運動仿真

將煙苗移栽機裝配圖模型導入ADAMS，根據移栽機工作原理對其添加約束和驅動，同時對各零部件添加質量特征與軌道摩擦參數[8]。根據預期設計工作效率，對移栽機單次作業循環進行仿真，結果為0.8 s內機械夾爪Ⅰ由穴盤上方運動至莖部上方，其坐標變化為（0，0，0）至（0，-150，0）。

為了減少定位部件運動時產生加速度突變產生沖擊震動，規定驅動電機旋轉角位移與時間成3次多項式為[9]：

由ADAMS仿真得到縱向平移驅動電機運動曲線，如圖5所示。由仿真結果得知：驅動電機旋轉角位移與時間的圖像約為三次表達式，與規定相符合，運動過程沒有突變現象，有效減少了加速度突變產生沖擊震動。由圖像可知縱向最大移動量為150 mm，最高平移速度為588 mm/s，電機啟動轉矩3.4 N·m，功耗最大65 W。

圖5 縱向平移運動仿真曲線

3.2 機械夾爪夾持力度仿真

為了測試機械夾爪在不損傷幼苗的情況下夾持時需要多少的夾持力，用ADAMS軟件對夾持幼苗時的力度進行仿真實驗。基于夾爪的運動原理對其添加相對應的約束，并且給夾爪材料指定彈性模量為2.07×1011N/m2，對推桿添加豎直方向30 N的驅動力，機械夾爪抓尖與幼苗苗稈增加接觸載荷忽略，得到機械夾爪對莖稈夾持力度時間曲線圖，如圖6所示。

最終系統靜力平衡后，機械夾爪指端與幼苗莖稈接觸力FN為11.2 N。設該夾爪手指處的摩擦系數μ≈0.5，則兩個手指與幼苗莖稈的滑動摩擦力F=2μFN=11.2 N。

假設平均每個穴盤中幼苗與幼苗粘結的基質總質量約為20 g，算出重力G為0.19 N。選取基質粘結力系數為0.5 N/cm2，與根部粘結的

基質表面積為S，則幼苗根部提升阻力f=G+pS=6.19 N[10]。可見，當夾持驅動氣缸具有30 N力時，夾爪尖端夾持產生的摩擦力大于幼苗根部基質分離阻力，滿足設計要求。

圖6 機械夾爪夾持力曲線

4 結論

煙苗移栽機可一次性完成穴盤運輸、抓苗、投苗、種植等功能，實現了自動種植，縮短工作時間，減少人力物力，可達到煙苗移栽農藝要求。穴盤輸送裝置的設計避免了人工搬運穴盤的工序，提高了機械一體化水平。通過對關鍵部位進行運動仿真，結果表明：機具設計有合理性和可靠性，填補了云南地區煙苗移栽裝置的空缺，為后續機具的改進奠定了基礎，同時可推廣至其他穴盤幼苗的移栽設計。