蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置設計與試驗

韓長杰，周 亭，尤 佳，徐 陽，毛罕平,2，梁 佳

蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置設計與試驗

韓長杰1，周 亭1，尤 佳1，徐 陽1，毛罕平1,2，梁 佳3

（1. 新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；2. 江蘇大學農業工程學院，鎮江 212013；3.巴州良佳農機制造有限公司，焉耆 841100）

針對穴盤苗取投苗裝置機械結構較復雜、取投苗易失敗等問題，該研究設計了一種蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置。通過對取投苗作業過程進行分析，提出整排取苗、弧形展開投苗的自動取投苗作業方式，對夾苗組件、導向槽、旋轉接苗機構等進行設計，并確定各部件關鍵參數，搭建PLC自動控制系統，設計執行單元的氣動回路方案，并提出匹配延時函數。以辣椒穴盤苗為試驗對象，以平均取投苗頻率、供氣壓力、基質平均含水率為試驗因素，以取投苗成功率、損傷率為試驗指標進行正交試驗，并以較優參數組合進行重復驗證試驗。試驗結果表明：平均取投苗頻率為90株/min、供氣壓力為0.4 MPa、基質平均含水率為30%時，取投苗成功率為94.05%，損傷率為1.19%，該研究可為自動取投苗裝置的研發提供參考。

農業機械；自動化；蔬菜；移栽；取投苗裝置；氣壓驅動；PLC控制

0 引 言

育苗移栽是蔬菜穴盤苗的主要種植方式[1]。目前，移栽作業仍以人工移栽、半自動移栽為主，勞動力成本高、機械化效益不明顯[2]。自動穴盤苗移栽機可實現移栽作業過程自動化，提高蔬菜穴盤苗種植效率，降低農民勞動強度，因此研發能夠自動取投苗的移栽機是實現高效率機械化移栽的必然趨勢[3]。

自動取投苗裝置是全自動移栽機的核心部件[4-5]。國內外學者對自動取投苗裝置進行了大量研究[6-7]。典型機型有美國Renaldo公司研制的負壓取苗、導苗管送苗的直落式取投苗裝置，結構簡單傷苗率低，但只適合小型秧苗的移栽，且需要特制的倒錐形苗盤，造價較高。意大利法拉利公司研制的頂夾結合式取投苗裝置，采用頂桿將穴盤苗頂出穴盤，夾苗合頁夾持秧苗，經翻轉后投入苗杯中，該取投苗裝置采用氣、電、液系統，自動化程度高，工作效率高，但系統復雜、尺寸較大且需專用硬質穴盤。綜上，國外發達國家如美國、意大利等，自動取投苗裝置價格昂貴、結構復雜，且不適宜旱地膜上移栽農藝要求，不適宜中國國情[8-13]。國內部分高校、科研院所與農機企業著眼于國內移栽農藝要求，研制了多種自動取投苗裝置[14-21]。謝守勇等設計了一種斜插夾缽式取投苗裝置，利用凸輪控制夾缽閉合與打開，調節步進電機的轉角改變苗夾打開的角度，增強了裝置對不同缽苗的適應性[8]。文永雙等設計了一種插入頂出式取投苗裝置，該裝置取投苗頻率可達120株/min，有效解決了頂出式取苗機構落苗一致性差、機構復雜等問題，具有結構簡單、取苗及落苗一致性好等優點[1,22-24]。袁挺等設計了一種氣吹振動復合式取苗機構，通過振動裝置克服一部分缽苗基質與穴盤間的粘結力，再由壓縮空氣將缽苗吹落至落苗管，取苗性能穩定，但只適用葉展較小的缽苗[25-27]。王超等設計了一種氣動下壓式取苗裝置及配套組合式穴盤，可實現快速低損下落、低損取苗作業[28]。胡建平等設計了一種頂夾拔組合式取苗裝置，該裝置取苗機構采用先頂松苗缽再插入拔取穴盤苗的取苗模式，具有較高的取苗成功率和缽體完整率[29]。俞高紅等提出了一種大重合度非圓齒輪傳動機構應用于行星輪系取苗機構中，可降低齒側間隙引起的傳動誤差進而提高取投苗運動的準確性[30]。

目前主流的自動取投苗裝置接苗機構以長槽形、矩形輸送鏈式為主，一般采用增加苗杯口徑、數量的方式來保證投苗成功率，致使取投苗裝置結構較復雜，尺寸較大。

為簡化自動取投苗裝置整體結構，減小尺寸，提高取投苗準確性，本文設計了一種蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置，并搭建配套PLC自動控制系統。以辣椒穴盤苗為試驗對象，獲得較優參數組合并通過重復試驗驗證該裝置的取投苗效果。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置如圖1所示，主要由升降氣缸、導向槽板、支臂軸、變位氣缸、弧形擋片、電控箱、旋轉接苗機構、齒輪換向器、電容式傳感器、移盤氣缸、移盤機構、夾苗組件、支臂、機架等組成。齒輪換向器由地輪驅動，將動力輸入旋轉接苗機構，驅動苗杯旋轉。移盤機構采用課題組前期研究成果，通過移盤氣缸驅動變步距角棘輪實現間歇移盤。電控箱集成西門子PLC S7-200 SMART，型號SR40、磁性開關、接線端子、氣動三聯件、氣動控制閥組、通斷開關等元器件，取投苗過程由電控箱進行信號集中處理，控制各執行氣缸有序動作，滿足自動取苗、投苗作業要求。

1.升降氣缸 2.導向槽板 3.支臂軸 4.變位氣缸 5.弧形擋片 6.電控箱 7.旋轉接苗機構 8.齒輪換向器 9.電容式傳感器 10.移盤氣缸 11.移盤機構 12.穴盤苗 13.夾苗組件 14.支臂 15.機架

本文弧形展開式自動取投苗裝置利用可進行整排取苗并能弧形展開投苗的夾苗組件完成取投苗作業，橫向尺寸最大為730 mm，采用氣壓驅動方式，主要技術參數如表1所示。

表1 弧形展開式自動取投苗裝置主要技術參數

1.2 工作原理

工作時，由磁性開關、電容式傳感器進行信號采集，經PLC控制系統處理，將控制信號輸出給氣動控制閥組，控制移盤機構、夾苗組件、旋轉接苗機構等有序配合、協調運動，完成移盤、取苗、拔苗、投苗作業。具體過程如下：移盤氣缸驅動苗盤移動，使得苗盤移動至取苗位置，完成移盤動作。當變位氣缸桿推出，通過支臂軸、支臂，驅動夾苗組件沿導向槽運動至取苗位置，此時，夾苗組件呈一字形整排排列，如圖2a、2b所示。夾苗氣缸動作，夾苗組件夾取整排8株穴盤苗，完成取苗動作。升降氣缸驅動夾苗組件、導向槽板等上升，將穴盤苗從穴盤中拔出，完成拔苗動作。然后變位氣缸桿縮回，通過支臂使得夾苗組件沿導向槽向投苗位置移動。升降氣缸經過一定延時后驅動夾苗組件下降至投苗高度。夾苗組件返回至與弧形擋片接觸時，因弧形擋片與導向槽板固接，夾苗組件沿弧形擋片的半圓表面彎折，逐漸展開成半圓弧形，完成分苗，展開后如圖2c、2d所示。經過匹配延時之后，夾苗組件將穴盤苗投入苗杯中。

1.變位氣缸 2.旋轉接苗機構 3.夾苗組件 4.導向槽板 5.弧形擋片 6.支臂 7.Y型接頭 8.支臂軸

2 關鍵部件設計

2.1 夾苗組件

夾苗組件與穴盤苗直接接觸，利用夾苗氣缸完成夾苗、投苗動作，并且需要滿足整排取苗，弧形展開投苗的作業要求，是取投苗裝置的核心部件。夾苗組件主要由固定板、萬向球、鉸接軸、左側板、鉸鏈、8組夾苗機械手、右側板、輔助軸、輔助軸承、限位軸承、限位軸等組成，如圖3a所示。單組夾苗機械手由擋苗支撐板、加強筋、夾苗氣缸組成，如圖3b所示。

1.固定板 2.萬向球 3.鉸接軸 4.左側板 5.鉸鏈 6.夾苗機械手 7.右側板 8.限位軸 9.限位軸承 10.輔助軸承 11.輔助軸 12.擋苗支撐板 13.加強筋 14.夾苗氣缸

鉸接軸同輔助軸共軸心布置，固定板與輔助軸、限位軸固接，限位軸承與導向槽內壁接觸。為防止夾苗組件在滑軌內運動時因單一軸承限位而轉動，輔助軸承也與導向槽內壁接觸，并與限位軸承存在一定間距。

萬向球同固定板固接，每組4個，共有滾珠朝上的萬向球組及滾珠朝下的萬向球組各2組。上下組共同作用，限制夾苗組件僅沿導向槽內側滑動并起到固定支撐的作用。輔助軸上設有防松螺母，可通過調節輔助軸上螺紋連接預緊力調節上下萬向球組與導向槽的夾持力至適宜范圍，防止夾持力過小取投苗過程中產生松動、搖晃或夾持力過大夾苗組件沿導向槽滑動困難。8組夾苗機械手以雙排鉸鏈的方式鉸接。根據一次夾取整排8株穴盤苗的取苗方案，當夾苗組件呈一字形取苗時，兩輔助軸間距與兩限位軸間距相等，記為1，穴盤穴距為0，則有：

本文選用8×16穴苗盤，穴距0=32 mm，由式（1），可得1=288 mm。

2.2 導向槽

如圖4所示，導向槽板上設置有關于軸對稱的導向槽，夾苗組件中限位軸承、輔助軸承與導向槽內壁接觸，可沿導向槽中心線及運動。取苗、投苗作業時，限位軸承沿、路徑運動。輔助軸承與限位軸承由于存在間距，輔助軸承沿、運動。

注：D'、D為取苗時兩限位軸的位置；S1為兩限位軸間距，mm；N'、N為取苗時兩輔助軸的位置；C'、C為夾苗組件與弧形擋片剛剛接觸時兩限位軸的位置；E為夾苗組件與弧形擋片剛剛接觸時的接觸點；B'、B為夾苗組件投苗時兩限位軸的位置；M'、M為夾苗組件投苗時兩輔助軸的位置；A'、A為導向槽的終點位置；Y軸為導向槽對稱軸；O為基圓圓心；R1為基圓半徑，mm；J為輔助軸承與限位軸承的間距，mm；L為CND的長，mm；L1為AMB的長，mm；S3為A'A的長，mm。

兩限位軸位于時，夾苗組件8組夾苗機械手呈一字形整排排列，兩限位軸間距1。受變位氣缸驅動，夾苗組件自取苗位置向投苗位置運動，當夾苗組件鉸鏈與弧形擋片剛剛接觸時，兩限位軸位置為，夾苗組件保持整排取苗狀態，間距為1。隨著變位氣缸繼續驅動夾苗組件向投苗位置移動，由于夾苗組件鉸鏈可彎折且弧形擋片與導向槽板固接，使得夾苗組件接觸弧形擋片后沿弧形擋片的半圓表面彎折，直至夾苗組件成半圓弧形展開，展開完全時兩限位軸到達投苗位置。由于彎折過程前后鉸鏈長度不變，可將弧形展開的夾苗組件圍成的半圓半徑近似等于弧形擋片半圓面的半徑，夾苗組件圍成的半圓弧長近似等于1。因此，彎折過程中，限位軸自點運動至點的軌跡近似于直線繞半徑1的基圓做純滾動。因此，為一段漸開線，記其基圓圓心為點，半徑為1，展角為，則點的展角=0 rad，點的展角= 0.5π rad。同理為與關于軸對稱的一段漸開線，其基圓圓心為點，半徑為1。

結合以上分析可知，兩限位軸自運動至的軌跡為一段漸開線，且基圓圓心為點，半徑為1，展角為，0≤≤0.5π。直線、與漸開線段相切。

基于以上分析可得漸開線段參數方程為

式中X、Y為漸開線段上任意點的橫、縱坐標，mm。

由式（2）可得漸開線上任一點的斜率K為

與相切，則段直線斜率為

故直線方程為

同理，段直線斜率為

故直線方程為

因此直線平行于軸且間距為1，符合上文夾苗組件保持整排排列狀態自取苗位置運動至與弧形擋片剛剛接觸的設計方案。點既是漸開線上展角=0.5π的一點，又是直線段上的一點，其橫坐標為

由此求得1=91.6 mm，取整為92 mm。

、1、3、所受尺寸限制較少，設計時保證各零部件分布合理、不干涉、尺寸小、滿足限位軸承與輔助軸承能夠在導向槽順利滑動即可，因此本文取=138 mm；1=60 mm；3=65 mm；=20 mm。通過SolidWorks仿真及樣機實測，夾苗組件可在導向槽內順利滑動且無干涉。

2.3 旋轉接苗機構設計

旋轉接苗機構與夾苗組件相配合接住投下的穴盤苗并將苗轉移至栽植部件，故接苗機構是保證投苗成功率的關鍵部件。為了與弧形展開狀態下的夾苗組件相適應，接苗機構采用圓形旋轉板接苗，如圖5a所示。主要由苗杯、旋轉板、苗杯固定鈑金、底板、落苗口調節板組成，與現有長槽型、矩形輸送鏈式接苗機構相比，減小了接苗機構的整體尺寸。

取投苗裝置工作時，由地輪驅動齒輪換向器，齒輪換向器驅動旋轉板旋轉，由旋轉板帶動苗杯旋轉。苗杯底部內置活門托板，活門托板與底板接觸時，處于關閉狀態；當苗杯旋轉至落苗口時，活門托板與底板脫離接觸，托板打開，將穴盤苗投入至栽植裝置，完成投苗作業。旋轉接苗機構參數設計如圖5b所示。

根據圖5b：可得

由式（9）可得

1.苗杯 2.苗杯固定板 3.旋轉板 4.底板 5.落苗口調節板 6.落苗口

1.Seedling cup 2.Fixing plate of seedling cup 3.Rotating plate 4.Base board 5.Adjustment plate of seedlings throwing hole 6.Seedlings throwing hole

注：1為苗杯幾何中心所在圓的圓心，2為該圓的半徑，mm；為相鄰兩苗杯的幾何中心夾角，rad；為苗杯數量，本文=14；2為相鄰兩苗杯間最小間距，mm；1為圓心到苗杯頂點的距離，mm；2為圓心1到苗杯的中垂線長度，mm；為1與2的夾角，rad；為2與2中垂線的夾角，rad；為苗杯邊長，=70 mm。

Note:1is the center of the circle formed by the geometric center of the seedling cups,2is the radius of the circle , mm;is the included angle between the geometric centers of two adjacent seedling cups, rad;is the number of seedling cups and= 14;2is the minimum distance between two adjacent seedling cups, mm;1is the distance from the center of the circle to the apex of the seedling cup, mm;2is the length from the center of the circle1to the middle perpendicular of the seedling cup, mm;is the included angle between1and2, rad;is the included angle between the center perpendicular of2and2, rad;is the length of the seedling cup side,=70 mm.

圖5 旋轉接苗機構

Fig.5 Rotary seedling receiving mechanism

為了減小機構尺寸且保證機構容易裝配、苗杯不干涉，半徑2及最小間距2應取適宜的較小值。考慮到保證苗杯圓形排列時互不干涉且容易裝配，2不宜過小，取2=20 mm，代入式（10），可得2=233.296 mm，圓整為235 mm。

2.4 投苗方案設計與匹配延時

在取投苗裝置的齒輪換向器上裝有電容式傳感器，可檢測輪齒轉動，用于定位苗杯位置以及記錄轉過的苗杯數量，每當第8個苗杯旋轉至夾苗機械手正下方時，電容式傳感器檢測到上升沿信號，PLC控制系統控制夾苗氣缸桿縮回，夾爪立即松開，完成投苗動作。通過電容式傳感器記錄轉過的苗杯數量可換算為每分鐘取投苗株數，即平均取投苗頻率。

取投苗過程中，每分鐘從落苗口投入栽植器的穴盤苗株數也與夾苗組件每分鐘取投苗的株數一致，故得出苗杯旋轉角速度與平均取投苗頻率關系式為

式中0為苗杯旋轉角速度，rad/s；為平均取投苗頻率，株/min。

穴盤苗以自由落體落入正下方苗杯時，由于苗杯作旋轉運動，基質落下后與正下方苗杯中心產生一定的偏移量，該偏移量影響投苗效果。

如圖6所示，投苗開始時刻，穴盤苗被夾苗機械手夾持在苗杯1正上方，其基質中心與苗杯1的中心P點重合，夾苗機械手松開夾爪后，穴盤苗作自由落體運動落入苗杯中，記穴盤苗自由落體至穴盤苗基質上表面與苗杯上表面重合的時長為t。苗杯作角速度0，半徑為2的勻速旋轉運動，圓心為2點，記t時段內苗杯1轉過的角度為。以苗杯1作為參照物，t時段后，穴盤苗相對苗杯1從P點旋轉至P點。直線段PP的長即穴盤苗基質中心與苗杯中心產生的偏移量，記為4。當2較大而角較小時，可將偏移量4近似于角對應的弧長，記為2。

1.夾苗機械手 2.穴盤苗 3.苗杯1 4.苗杯2

1.Seedling clamping manipulator 2.Plug seedling 3.Seedling cup 1 4.Seedling cup 2

注：2為苗杯旋轉中心；0為苗杯旋轉角速度，rad·s-1；2為苗杯所在圓的半徑，mm；1為夾苗機械手與苗杯1上表面的高度差，mm；2為夾苗機械手與穴盤苗基質上表面的高度差，mm；為t時段內苗杯1轉過的角度，rad；P為苗杯的幾何中心；P為t時段后穴盤苗相對苗杯1的位置；2為角對應的弧長，mm；4為穴盤苗基質中心相對苗杯中心的偏移量，mm；4max為偏移量最大值，mm。

Note:2is the rotation center of the seedling cups;0is the angular velocity of the seedling cups, rad·s-1;2is the radius of the circle formed by seedling cups, mm;1is the height difference between the seedling clamping manipulator and the upper surface of the seedling cup 1, mm;2is the height difference between the seedling clamping manipulator and the upper surface of the substrate, mm;is the angle of seedling cup 1 rotates during thetperiod, rad;Pis the geometric center of the seedling cup;Pis the position of the plug seedling relative to the seedling cup 1 after thetperiod;2is the arc length of angle, mm;4is the offset distance between the center of the substrate and the geometric center of the seedling cup, mm;4maxis the maximum offset distance of4, mm.

圖6 投苗方案分析

Fig.6 Analysis of seedling throwing scheme

結合圖6可得：

式中0為重力加速度，m·s-2。

由式（11）～（12）可得

由圖6可知，1越小，穴盤苗自由落體時間越短，越易落入苗杯，基質落地碰撞損失也越少，但1過小時，由于穴盤苗滯空時間過短，姿態不穩，容易發生翻轉、枝葉碰撞、掛苗纏葉等情況。穴盤苗莖稈從頂部至根部，有趨于豎直、接近苗穴中心位置的趨勢，因此高度差2越小，夾苗機械手夾取穴盤苗的成功率越高，但機械手也更易與基質接觸甚至插入基質中而發生基質損失、根系損傷。經過多次試驗，取1=115 mm可保證1較小的同時有較好的下落姿態；取2=15 mm可保證2盡量小且夾苗機械手不損傷基質。

苗杯開口為70 mm×70 mm，穴盤苗基質塊長寬尺寸約為28 mm×28 mm。當苗杯旋轉至與穴盤苗基質接觸時偏移量取得最大值，經計算4max=0.5×(70-28)= 21 mm。

根據預試驗，平均取投苗頻率為80～100株/min時取投苗效果較好。將=100株/min、2=235 mm、=14、1=115 mm、2=15 mm、0=9.8 m/s2代入式（13）中，可得4=25 mm。由于4=25 mm>4max=21 mm，故當平均取投苗頻率較高時，偏移量較大，基質與苗杯邊緣有碰撞風險。因此，必須設計合理的投苗方案以防基質與苗杯邊緣碰撞。

本研究的投苗方案為：引入一定的延時，并且該延時能夠依據當前取投苗頻率設定，使得穴盤苗落入苗杯2中。且當穴盤苗基質上表面與苗杯上表面重合時，穴盤苗基質中心與苗杯幾何中心理論上重合無偏移，避免碰撞造成的基質損失及投苗失敗問題。記該延時為t，結合以上分析有：

式中t為苗杯旋轉過角所需時間，s。

由式（9）、式（11）～（12）、式（14）可得匹配延時t為

由于1、2、0均為常數，由式（15）可知，匹配延時t僅與平均取投苗頻率相關。為實現匹配延時t可依據當前平均取投苗頻率自動調整，以上次投苗完畢為計時初始時刻t，以第8個空苗杯轉過為計時結束時刻t，則當前平均取投苗頻率1為

式中t、t由電容式傳感器測得。

依據式（15）～（16）在PLC控制系統中設置匹配延時函數6，則

實際試驗過程中地輪轉速取決于裝置前進速度，考慮到車速難以保持以及輪胎打滑等影響，接苗機構難以保持勻速旋轉，故將試驗過程中測得的所有當前平均取投苗頻率1取平均值，圓整后作為該次試驗的平均取投苗頻率。

依據式（17）可得平均取投苗頻率取80、90、100株/min對應的延時時長，如表2所示。

表2 取投苗頻率延時時長對照表

3 控制系統設計

3.1 控制系統硬件組成

本控制系統硬件由信號輸入單元、信號處理單元、信號輸出單元、氣動執行單元組成。啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、電容式傳感器CT、磁性開關SN1～SN5為信號輸入單元；PLC為信號處理單元，型號為西門子S7-200 SMART SR40；二位五通電磁閥DT1、DT3、DT4，二位三通電磁閥DT2為信號輸出單元；變位氣缸、夾苗氣缸、升降氣缸、移盤氣缸為氣動執行單元。PLC控制系統I/O端口定義如表3所示。

表3 I/O地址與控制說明

3.2 執行單元氣動回路設計

控制系統氣動執行單元由變位氣缸、夾苗氣缸、升降氣缸、移盤氣缸組成，各氣缸規律動作、有序配合實現取投苗作業。執行單元氣動回路如圖7所示。

變位氣缸由電磁閥DT1控制，夾苗氣缸由電磁閥DT2控制，升降氣缸由電磁閥DT3控制，移盤氣缸由電磁閥DT4控制。磁性開關SN1用于檢測變位氣缸桿縮回是否到位，磁性開關SN2用于檢測變位氣缸桿伸出是否到位，磁性開關SN3用于檢測升降氣缸桿縮回是否到位，磁性開關SN4用于檢測升降氣缸桿伸出是否到位，磁性開關SN5用于檢測移盤氣缸桿伸出是否到位。

注：P為氣源泵；T為氣動三聯件；J為單向節流閥；A為變位氣缸；B為夾苗氣缸；C為升降氣缸；D為移盤氣缸；DT1、DT3、DT4為二位五通電磁閥；DT2為二位三通電磁閥；SN1～SN5為磁性開關。

3.3 控制系統工作原理

當取投苗裝置接通氣源、電源時，執行單元中各氣缸初始狀態為：變位氣缸、夾苗氣缸、移盤氣缸為氣缸桿縮回狀態，升降氣缸處于氣缸桿伸出狀態。開始工作后，各氣缸動作時序如圖8所示。

工作時，按下啟動按鈕SB1，取投苗裝置開始工作，PLC輸出Y4信號使得電磁閥DT4開始動作，移盤氣缸桿伸出，苗盤被向前送一個苗穴的距離，當磁性開關SN5檢測到X5信號時，表明移盤氣缸桿已伸出完畢，第一排穴盤苗被送至預定取苗位置，移盤氣缸經移盤復位延時1后自動復位。穴盤苗達到取苗位置后PLC輸出Y1信號使得電磁閥DT1動作，變位氣缸桿開始伸出，夾苗組件由弧形轉變為一字形，并向取苗位置移動。當SN2檢測到X2信號時，即變位氣缸桿已伸出完畢，夾苗組件到達取苗位置。為減少變位氣缸桿伸出至行程終點時的振動對取苗的影響，設定變位氣缸桿伸出完畢至夾苗氣缸桿開始伸出這段時間為變位氣缸伸出停穩延時2。經延時2后，PLC輸出Y3信號使得電磁閥DT3動作，夾苗氣缸桿開始伸出，為保證8個夾苗機械手都能夾住并夾穩穴盤苗莖稈，設定夾苗氣缸桿開始伸出至升降氣缸桿開始縮回這段時間為夾苗穩定延時3。經延時3后，PLC輸出Y2信號使得電磁閥DT2動作，升降氣缸桿開始縮回，夾苗組件上升，當SN3檢測到X3信號時，即夾苗組件上升到最高點，此時DT1復位，使得變位氣缸桿縮回，夾苗組件向投苗位置移動。變位氣缸桿開始縮回時，升降氣缸沒有與之同時下降，而是經一定的延時4后，DT2復位，夾苗組件開始下降，引入4是為了避免夾苗組件下降過早，穴盤苗與穴盤等部件相撞，記延時4為升降氣缸下降防撞延時。變位氣缸縮回完畢前，升降氣缸已下降完畢。當SN1、SN4檢測到X1、X4信號時，表明夾苗組件已下降完畢且變位氣缸也縮回完畢。為保證投苗準確，避免變位氣缸桿縮回至行程終點時振動對投苗的影響，設定變位氣缸縮回停穩延時5。整個取投苗過程中，電容傳感器CT一直累計轉過的苗杯數，當計數結果為8時，經6延時后，DT3復位，同時DT4動作，夾苗氣缸將穴盤苗被精準投入苗杯中心，移盤機構再次驅動苗盤移動開始下一次取投苗作業。記一個取投苗周期為0。

注：t1為移盤氣缸復位延時，ms；t2為變位氣缸伸出停穩延時，ms；t3為夾苗穩定延時，ms；t4為升降氣缸下降防撞延時，ms；t5為變位氣缸縮回停穩延時，ms；t6為匹配延時函數的延時時長，ms；T0為一個取投苗周期，ms。

4 樣機試驗

4.1 試驗條件

為驗證蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置的取投苗效果，并以較少的試驗次數尋求較優參數組合，根據設計結果試制樣機并開展自動取投苗裝置正交試驗及重復驗證試驗。試驗于新疆農業大學農業裝備重點實驗室進行。試驗儀器包括土壤-機器-植物系統技術平臺（TCC-3.0型）、恒美土壤水分測定儀（量程0～100%，測量精度：0～50%范圍內±2%；50%～100%范圍內±2%，復測誤差<2%）。試驗材料為辣椒穴盤苗，每組試驗使用56株，重復3次取平均值，穴盤苗培育在128穴型硬質塑料穴盤，穴距32 mm，育苗基質體積配方比例為泥炭∶蛭石=2∶1。

4.2 試驗指標與因素

試驗以取投苗成功率、損傷率為試驗指標。取投苗成功率是指成功取苗并投苗的概率，損傷率是指取投苗過程中穴盤苗出現莖葉損傷的概率，試驗中葉片出現破損及莖稈出現夾傷、折斷時為莖葉損傷。取投苗成功率越高、損傷率越低，取投苗效果越好。取投苗成功率與損傷率計算式如下：

式中為取投苗成功率，%；為該次試驗的穴盤苗總株數；為該次試驗未能成功取苗并投苗的株數；為損傷率，%；為該次試驗出現莖葉損傷的株數。

預試驗結果表明，平均取投苗頻率在80～100株/min時具有較好的取投苗效果且不易產生莖葉損傷。因此，正交試驗選取平均取投苗頻率為80、90和100株/min三個水平。氣動執行單元供氣壓力直接影響氣缸動作的速度及振動情況，供氣壓力較低（<0.4 MPa）時，氣缸動作慢、作業效率較低但振動小、取投苗成功率高、莖葉損傷小；供氣壓力較高（>0.6 MPa）時，氣缸動作快作業效率高，但振動大、莖葉易損傷，因此選取供氣壓力為0.4、0.5和0.6 MPa三個水平。穴盤苗基質平均含水率直接影響缽體力學特性（如缽體與穴盤的粘結力、缽苗重心等）從而影響取投苗成功率，當基質平均含水率過低（<20%）時，基質過于干燥，質量輕，投苗時容易受振動、重心偏移等影響導致基質破碎、下落姿態不穩、翻轉等現象，造成投苗失敗。投苗失敗的穴盤苗常常伴隨碰撞、跌落等情況，因而莖葉損傷的概率增加。基質含水率過高（>40%）時，根系不發達的穴盤苗因含水率上升，基質與穴盤的粘結力增大，受振動等影響，穴盤苗基質中根系不發達的部分粘結在穴盤內或運動中途出現破碎掉落等現象，致使投苗失敗概率增加；另一方面，基質平均含水率過高時，穴盤苗莖稈抗壓能力降低，易被夾傷[22]。因此選取基質平均含水率水平為20%、30%、40%。試驗因素及水平如表4所示。

表4 因素水平表

4.3 試驗結果與分析

本試驗選取L9(34)正交試驗表進行試驗，整個試驗過程中，取投苗裝置在PLC控制系統下，各機構協調動作，取投苗過程工作良好。取投苗正交試驗方案和試驗結果如表5所示。采用極差分析法、方差分析法對試驗結果進行分析，如表6、表7所示。

表5 取投苗正交試驗方案和結果表

由表6、表7可得，各因素對取投苗成功率影響的顯著性順序為、、。各因素對損傷率影響的顯著性順序為、、。采用綜合平衡法，綜合分析各因素對試驗指標的影響，在保證取投苗成功率的基礎上，盡可能獲得較低的損傷率，因此得出較優參數組合為212，即平均取投苗頻率為90株/min，供氣壓力為0.4 MPa，基質平均含水率為30%。

表6 極差分析

表7 方差分析

注：**表示極顯著（<0.01）；*表示顯著（0.01≤<0.05）。

Note:** indicates extremely significant (<0.01); * indicates significant (0.01≤<0.05).

為驗證正交試驗結果的準確性，以較優參數組合進行重復驗證試驗，試驗過程如圖9所示，試驗結果如表8所示。

圖9 驗證試驗

表8 重復驗證試驗結果表

重復驗證試驗結果表明，平均取投苗頻率為90株/min，供氣壓力為0.4 MPa，基質平均含水率為30%時，平均取投苗成功率為94.05%，平均損傷率為1.19%，滿足農業生產要求。

5 結 論

1）設計了一種蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置，對夾苗組件、導向槽、旋轉接苗機構等進行設計與參數確定，實現了整排取苗，弧形展開投苗作業方式，該自動取投苗裝置，相較于機械式取投苗裝置，結構較簡單、體積較小。

2）設計了PLC自動控制系統并搭建了控制系統硬件，設計了執行單元氣動回路，并提出了匹配延時函數，可以主動匹配取投苗頻率。

3）以取投苗成功率、損傷率為試驗指標，以平均取投苗頻率、供氣壓力、基質平均含水率為試驗因素，開展了正交試驗，得出較優參數組合為平均取投苗頻率為90株/min，供氣壓力為0.4 MPa，基質平均含水率為30%。以此較優工作參數組合進行重復驗證試驗，結果表明：平均取投苗成功率為94.05%，平均損傷率為1.19%。

該取投苗裝置在較優參數組合下滿足移栽作業要求，可為自動取投苗裝置設計提供參考。裝置中夾苗組件使用的鉸鏈結構由于田間作業環境復雜，長期使用必須提高彎折的可靠性，后續研究中可采用具有更高可靠性的彎折結構。

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Design and experiments of an arc expansion type automatic seedling taking and throwing device for vegetable plug seedlings

HAN Changjie1, ZHOU Ting1, YOU Jia1, XU Yang1, MAO Hanping1,2, LIANG Jia3

(1.,,830052,; 2.,,212013,; 3..,.,841100,)

Seedling transplanting has been one of the most important planting steps for vegetable plug seedlings raising in China. However, manual and semi-automatic transplanting cannot fully meet the large-scale transplanting operations in recent years, due to the high labor cost. Alternatively, mechanization can also be a benefit to modern agriculture. An automatic seedling taking and throwing device can be expected for the vegetable plug seedlings to fully meet the vegetable transplanting for the high efficiency of vegetable plug seedling planting and the low labor intensity. Therefore, this study aims at the problems of the automatic seedling taking and throwing device for the vegetable plug seedling, such as the large structural size, easy failure in taking and throwing seedlings. The transplanting operation was proposed to analyze the individual taking and throwing seedlings, where the taking seedlings in a straight shape, and throwing seedlings in an arc shape. An arc-type expansion automatic seedling taking and throwing device was also designed for the transplanting operation of vegetable plug seedlings. A systematic analysis was performed on the main structure and working principle of this device. Three components included a seedling clamping assembly, a guided groove plate, and a rotary seedling receiving mechanism. Among them, the seedling clamping assembly was firstly bent into an arc-shaped expansion through the hinge structure, and then the eight vegetable plug seedlings were taken away from the seedling tray, and finally thrown into the seedling cups at one time. Theoretical analysis was carried out to determine the parameter equation of the guided groove centerline, including the radius of the circle formed by the geometric center of the seedling cups, and the minimum distance between two adjacent seedling cups. Some limitations were also considered, such as the reduced size of the rotary seedling receiving mechanism. As such, the mechanism was easy to assemble without the interference of seedling cups each other. A risk of collision was found between the vegetable plug seedling and the seedling cup when the seedling was thrown into the seedling cup with a high average frequency of taking and throwing seedlings. For this reason, the seedling throwing scheme was introduced to automatically set an appropriate delay using the current average frequency of taking and throwing seedlings. The centers of the substrate and the seedling cup coincided without deviation, in order to avoid substrates loss and seedling throwing failure caused by collision when the vegetable plug seedlings were thrown into the seedling cups under this seedling throwing scheme. The PLC automatic control system was built with the pneumatic circuits of the execution units, in order to coordinate the movements of various mechanisms, complete efficient and regular seedling taking and throwing operations. An orthogonal test was carried out, where the influencing factors, average frequency, air supply pressure, and average moisture content of substrates were selected as the experimental factors, while the success rate of taking and throwing seedlings and the rate of wounded seedlings were the target objectives. The range and variance analyses were performed on the experimental data. A better combination of experimental factors was obtained: the average frequency of taking and throwing seedlings was 90 plants per min, the air supply pressure was 0.4MPa, and the average moisture content of substrates was 30%. The demonstration tests were conducted with a combination of experimental factors. The success rate of taking and throwing seedlings was 94.05%, and the rate of wounded seedlings was 1.19%. This finding can provide a sound reference to design the automatic seedling taking and throwing device.

agricultural machinery; automation; vegetable; transplants; seedling taking and throwing device; pneumatic driving; PLC control

2023-02-10

2023-03-14

自治區天山創新團隊項目（2021D14010）；國家自然科學基金項目（50905153，51565059）；國家重點研發計劃項目（2017YFD0700800）；農機一體化項目（YTHSD2022-21）；新疆蔬菜產業技術體系崗位科學家項目

韓長杰，博士，教授，博士生導師，研究方向為農業機械設計與智能農業裝備。Email：hcj_627@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.202302045

S223.9

A

1002-6819(2023)-08-0054-11

韓長杰，周亭，尤佳，等. 蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2023，39(8)：54-64. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202302045 http://www.tcsae.org

HAN Changjie, ZHOU Ting, YOU Jia, et al. Design and experiments of an arc expansion type automatic seedling taking and throwing device for vegetable plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(8): 54-64. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202302045 http://www.tcsae.org