智慧農機發展背景下移栽機取苗爪裝置設計

索振國

（河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

智慧農機推廣應用水平將直接性地影響區域農業的發展潛力及水平。隨著現代農業的不斷發展、農業種植面積的不斷擴大和勞動力老齡化的加劇，大部分中青年農村勞動力向城市轉移，傳統的人工栽植和半自動化移栽機無法長久持續作業，導致農業種植移栽工作效率低下，對自動化農機的需求逐年增加，自動農業機械化是移栽產業機械化發展的必然趨勢。

殷弟云[1]以衡陽市為例，探討了衡陽智慧農機發展應用現狀和存在的問題，提出了促進衡陽智慧農機發展的相關策略，智慧農機發展離不開科技創新和人才引進，應充分重視智慧農機的推廣應用。張俊杰等[2]以智能農機裝備技術發展為研究對象，提出我國農業發展及農業機械將進入數字化、智能化和自動化的新態勢，智能農機和自動化機械將取代傳統的農業機械，基于智能化技術，提出了智能農機的轉型升級路徑，為推進農機智能精準作業提供了新思路；農機智能化和智慧農業應用的發展離不開信息技術的進步，提升農機運行性能和工作效率將是現代農業的發展趨勢[3]。胡喬磊等[4-6]以油菜基質苗移栽機為研究對象，結合基質塊苗移栽機作業特點及栽植農藝要求，提出了輥式取苗裝置設計和輥取苗階段的運動學模型，并開展了取苗同步率影響的正交組合試驗，自動取苗同步率達到95.35%和94.42%，滿足油菜基質塊苗移栽機作業的性能要求，為油菜基質塊苗及相關蔬菜類移栽機取苗裝置的結構設計提供了參考。徐陶等[7]以蔬菜基質塊苗為例，研究設計了一種移栽機自動送苗裝置，可實現自動取送苗作業，栽植合格率為95.3%，為基質塊苗移栽機的研究和設計提供了參考。王超等[8]以蔬菜移栽機為研究對象，設計了一種氣動下壓式高速取苗裝置，可實現連續送苗和自由投苗等一系列的自動化工作，取苗成功率為100%。穴盤育苗是我國現代化農業育苗的主要方式[9-10]，而傳統的人工移栽或半自動化移栽存在工作效率低、移栽周期長及勞動強度大等問題，設計一種自動化穴盤育苗裝置來解決傳統移栽技術的缺陷、實現大面積育苗移栽種植，具有十分重要的意義，將極大地促進農業機械化和智慧農機的發展。

1 自動移栽機取苗爪設計方案

1.1 相關參數分析

傳統農業大面積種植過程中，前期通過苗盤進行育苗，苗體達到移栽條件后通過人工或機械將缽苗進行移栽，伴隨經濟發展和智慧農機發展，半自動化機械開始在農業移栽中使用，有效提高了工作效率，降低了成本。但隨著大面積種植的出現，如新疆、西藏、青海及東三省等開始實施農業規模化種植，半自動化機械已不能滿足需要，于是出現了自動化農業移栽機，其通過取苗爪將缽苗夾出苗盤穴孔后，投入栽植機器中進行栽種。目前在農業大面積移栽的苗盤有72、128 和200 穴三種規格，具體的外形參數如表1 所示。一般農業育苗由苗盤完成，缽苗由基質（苗缽）與苗組成，在農業移栽時，缽苗要填滿空的苗盤；如新疆大面積種植番茄缽苗的尺寸參數為株高至少達到180 mm，苗葉面展幅要達到90 mm 以上，苗直徑要超過3.0 mm，該苗缽的參數可為后續取苗爪的設計提供參考。

表1 苗盤的苗缽外形尺寸參數

1.2 缽苗基質力學分析

一般蔬菜或果樹育苗的缽苗基質由草炭、珍珠巖及蛭石構成，在育苗的過程中要注意裝盤的質量要求，穴盤內填充的缽苗基質的重量決定著苗的發育和移栽質量，因此要注重缽苗內的基質質量。

設計移栽機取苗爪時，要考慮取苗爪的苗針插入缽苗基質的深度以及所用力度，否則會影響移栽后幼苗的生長發育和后期的成長速度，在設計取苗爪時要考慮缽苗的基質受力情況，如圖1 所示。圖中F0為苗缽與穴盤孔的黏附力在豎直方向上的分力和缽苗的重力的合力，移栽機取苗爪對基質的夾持力為F1、F2，兩者大小相等，Ff1、Ff2為摩擦力，假定缽苗基質在取苗過程中穩定，此時F1=F2=F，靜摩擦力Ff1=Ff2=uF=Ff，其中u為摩擦系數。移栽機取苗爪要想成功抓取缽苗，所用的力必須克服F0，所用的力如公式（1）所示。α為移栽機取苗爪的夾角。

圖1 缽苗基質受力示意圖

1.3 自動移栽機取苗爪結構設計

目前，我國的取苗爪主要為插入式和夾取式兩大類，分別以苗缽和缽苗的莖稈作為夾取對象，后者需要配合頂苗裝置來完成夾取工作；兩者存在的缺陷是取苗成功率低，容易損傷苗稈或苗盤及苗缽，造成缽苗基質散落等情況，最終降低缽苗成活率。基于以上兩種情況，設計的自動移栽機取苗爪采取凸輪推桿的傳動結構，這樣可以保障在電機轉動前期取苗爪的開合角度不變，保證苗針與水平面的夾角不變，以提高投苗成功率；在設計中，凸輪從動件采取直線的運動方式和平底的形狀，可以減少凸輪從動件與凸輪的接觸點的摩擦。根據該取苗爪的結構特點以及現代農業種植的需求，凸輪采取圓盤形狀以及苗盤的結構參數及缽苗的尺寸參數，移栽機取苗爪的動力傳遞機構采用對心平底直動盤型凸輪機構，設計成一種凸輪推桿驅動的移栽機取苗爪機構。

2 自動移栽機取苗爪裝置的總體結構設計

在農業種植過程中，取苗和投苗作業要連續進行，移栽機取苗爪本身要具備這兩個功能，但還需要借助相關裝置來完成缽苗下移、左右移動和運苗的功能。因此，設計的裝置要具備以上所有的功能才能保證農業大面積種植的取苗和投苗作業。根據移栽機取苗爪的運動需求，設計了如圖2所示的移栽機取苗爪裝置。

圖2 移栽機取苗爪系統裝置圖

該裝置的水平方向控制裝置的作用主要是帶動其余三部分沿X軸方向不斷移動，豎直方向控制裝置的作用是帶動取苗模塊沿Z軸方向運動。該裝置共計設置6 個位置的傳感器，主要作用是限制裝置水平方向、豎直方向和左右方向的運動范圍以及消除累計的系統誤差。圖2 中的傳感器分別為1（位置傳感器四）、2（位置傳感器一）、3（位置傳感器五）、7（位置傳感器二）、8（位置傳感器三）和11（位置傳感器六）。

3 自動移栽機取苗爪參數設計優化

3.1 自動移栽機取苗爪數字模型的建立

根據自動移栽機取苗爪裝置的總體結構設計，構建如圖3 所示的取苗爪夾苗的示意圖。該結構是以軸線為中心的完全對稱結構（凸輪除外），為降低數學模型的難度，對取苗爪結構模型進行簡化，以該結構的右側為數學建模對象，以y軸為取苗爪對稱軸，FO為x軸，建立直角坐標系，O點為坐標系原點。N點為苗夾對缽苗莖稈的夾取點，轉動桿FE與y軸的夾角為β。對模型進行運動學分析，以D點為例進行坐標的分析，D點的坐標如式（2）所示。

圖3 移栽機取苗爪夾苗示意圖

3.2 取苗爪的凸輪曲線設計

移栽機取苗爪的凸輪在取苗的運動過程中，其中推桿會產生一定的慣性力，里面的彈簧會產生壓縮力。這與彈簧的剛度、物體重量（苗的重量及基質土質）、推桿的加速度和工作位移有關。該裝置的凸輪進行高速轉動時，推桿會由于自身慣性過大導致其跳離凸輪輪廓曲線，從而造成裝置的跳動現象，在設計中要避免這種情況的發生，使得凸輪中的推桿不發生跳動現象，彈簧產生的壓縮力要大于推桿產生的慣性力才可以避免這種情況的發生。根據這種原理和農業大面積種植的需求，平底推桿凸輪的輪廓曲線如圖4 所示。在取苗過程中，為保障凸輪推桿結構在運動的過程中不會發生意外事故，要根據實際的結構條件等因素，暫設凸輪的基圓半徑r0=11 mm，以保障凸輪推桿的推程能夠達到設計要求。

圖4 凸輪曲線圖

4 結語

我國是一個農業大國，蔬菜及相關作物種植在農業生產中占據較高的經濟比例，作物及蔬菜移栽作業的自動化和智能化一直是農業產業發展的關鍵部分。傳統的移栽技術勞動效率低，對移栽作業的效率有一定的限制，自動移栽機是實現農業大面積移栽全自動化作業的保證，可以提升農業移栽工作效率。但由于我國移栽機的研制起步時間相對較晚，自動化程度和控制性能有待進一步提高，通過移栽機取苗爪與其相關配套裝置的協調配合，達到自動化取苗投苗的目的，實現智慧農機發展和智能化發展背景下的持續作業，提升農業產業化生產水平。