蔬菜自動移栽機及其關鍵部件設計與研究

宋元萍

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030031）

0 引言

當前，主要依靠人工移栽或半自動機械設備移栽，不僅移栽效率偏低，也難以有效保證蔬菜移栽質量。為此，有必要對自動移栽機進行設計，實現高質量、高效率的蔬菜移栽作業。筆者在查閱大量相關資料后，設計一款結構簡單、性能良好的牽引式自動移栽機。

1 自動移栽機工作原理

本文設計的蔬菜自動移栽機將采用牽引式設計模式，其結構緊湊設計，可以細分為以下幾個部分：承載各個機構的機架、取苗機構、放苗機構、移動地輪裝置等。苗盤橫向有6個蔬菜秧苗移栽穴，縱向有12個蔬菜秧苗移栽穴。

自動移栽機的尾部設置兩條輸送帶，運行期間，需要將苗盤放在輸送帶上，啟動PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制系統，輸苗機構將會從等待狀態進入工作狀態[1]。此時，兩條輸送帶在預熱后，以循環往復的交替方式，將苗盤運送到中間位置的推盤上。在確認苗盤已經抵達推盤后，液壓缸會通過移動推盤，將苗盤運送到步進移位輸送帶的預設位置。取苗機構設計平行4連桿，通過電機驅動，采用2次的往復運動，完成蔬菜秧苗的取苗與放苗動作，并進入下一個蔬菜秧苗的取、放動作循環。取苗機構分左、右兩側，共2組，1組擁有6個負責夾取蔬菜秧苗的苗夾，即取苗機構共設置12個苗夾，可以實現一次性進行12個蔬菜秧苗的取苗、放苗動作，極大提升蔬菜移栽效率。需要注意的是，兩組苗夾需要保持錯位狀態，即讓蔬菜秧苗保持左前、右后或左后、右前的位置，既可以實現快速放置蔬菜秧苗，提升蔬菜秧苗移栽工作效率，也可以避免蔬菜秧苗間距過小，增加土壤、水分等競爭，影響蔬菜秧苗發育生長質量。苗盤相同的列，以間隔方式夾取蔬菜秧苗，并將其轉移到分苗漏斗中。在完成苗盤的取苗工作后，PLC控制系統會控制苗盤以橫向方式進行移動。以上是整個自動移栽機行走作業前的所有準備工作。

在自動移栽機進入行走狀態時，移栽機構也進入獨立運行狀態。在移栽機構上設置7個鴨嘴放苗機構，利用鏈條、鏈輪的傳動方式，配合設計成橢圓形的苗杯，完成間歇行走、移栽間歇性配合。當確認苗杯已經到達分苗漏斗的正下方時，電機會讓漏斗口從閉合狀態切換成開啟狀態，進入放苗程序，蔬菜秧苗會放在吊杯中，并在出苗口進行移栽。等到檢測出苗盤已經實現6次橫向移動后，橫向的所有蔬菜秧苗全部移栽完別，之后會將苗盤移動到初始位置，并進行退盤操作，PLC控制系統會自動提示操作人員及時補充苗盤。

自動移栽機的結構，由以下部分組成：①負責承載整個自動移栽機負荷的地輪，鎮壓輪對已種植蔬菜苗周邊土塊進行碾碎壓實處理，讓蔬菜苗和周邊土壤保持緊密接觸，以減少蔬菜根系裸露土壤外的概率，控制水分蒸發。②蔬菜苗輸送機構，為取苗機構運動提供驅動力的電機。③苗盤收集裝置。④夾取蔬菜苗夾。⑤用于抓取蔬菜種植的去苗機構。⑥自動移栽機架、液壓缸。如果自動移栽機有其他使用需求，也可以在這種結構基礎上，配置相應裝置，增加自動移栽機的使用功能。

2 關鍵部件設計

2.1 送苗機構

考慮到在自動移栽機的取苗機構擁有相對固定的位置。在送苗機構設計時，就需要讓尾部的兩條輸送帶以交替運動方式，讓苗盤移動到步進移位輸送帶上，等到苗盤完成6次橫向移動后，會將沒有蔬菜秧苗的苗盤移動到后方的收集筐中，步進移位輸送帶也會移動到初始位置，等到接收下一個苗盤，再進行下次的蔬菜秧苗移栽作業。正因為取苗機構具有間歇性取苗的工作特性，在設計步進移位輸送帶時，要考慮到結構受力問題，避免出現取苗間隔期間，結構負荷失衡，增加自動移栽機側翻概率。可以利用橫向直線上的間歇性運動模式，解決以往步進移位輸送帶設計的結構受力問題，保障自動移栽機的正常運行。

同時，需要在其后側下方設置若干滾輪，并在其前方設置滑塊，利用滾動作業方式，合理控制步進移位輸送帶的摩擦系數，避免出現苗盤移動速度過快、取苗頻率不可控的問題。在參考大量文獻后，擬采用絲桿電機機構，實現高效、穩定的往復運動，保證苗盤移動速度的穩定性[2]。選用擁有較大剛性與轉動精度的螺桿轉動、螺母移動設計。螺桿直徑為25 mm，導程為10 mm。將自動移栽機的行走速度閾值鎖定在0.4 m/s，這意味著吊杯輪盤周長預估為2 m，在吊杯輪盤轉動1周后，需要消耗5 s的時間，需保證絲桿電機機構推動步進移位輸送帶回到初始位置的時間低于5 s。又因為提升步進電機的轉速，力矩則會降低，如果轉速過快，會出現丟步現象，即步進電機獲得步進電源輸出，卻沒有達到步進電源的輸出脈沖數。在原設計中，步進電機的轉速為5轉/s，想要讓苗盤回到初始位置，則要橫向移動約220 mm。對以上數據整理、計算可以獲得，絲桿的最小導程應為8.8 mm。考慮到步進移位輸送帶處于橫向勻速運動狀態，苗盤位置精度要求不高，可以通過以下公式計算：

式中，T代表驅動扭矩，絲桿導程L為10 mm。Mg約等于300 N，因為步進移位輸送帶與相關配件、填土苗盤的總重需要控制在30 kg，取最大值即為300 N。摩擦系數μ選擇0.1。給進絲桿的工作效率η選擇0.85，可以獲得步進移位輸送帶的驅動扭矩T為M×0.056 N，M為苗盤重量。

對于送苗機構的結構，簡單分為以下幾部分：①對苗盤在縱向位置進行限位的感應裝置。②基于步進機械設備的移位輸送帶。③提供移位輸送帶動力的步進電機。④調整苗盤左右位置的尾部輸送帶。⑤在苗盤到達指定位置時，進行下一步操作的苗盤到位感應。⑥用于向前推動苗盤的苗盤推板。⑦與螺母配合，將步進電機轉動轉變為直線運動，實現精準位移控制的絲杠。

2.2 苗盤推送機構

苗盤推送機構可以細分為用于承載苗盤的托板、負責感應苗盤移栽情況的感應器、提供整個推動機構的液壓缸組件等部分。苗盤托板與液壓缸，需要和自動移栽機的機架進行連接固定，并在苗盤托板的底部安裝感應器。在苗盤輸送裝置獲得苗盤后，托板底部的感應器會感知苗盤已經到達預設位置，并進行相應的推送程序。等到感應器獲得退盤信號后，液壓缸則會進入啟動狀態，在推動苗盤后，移動到初始位置[3]。

苗盤推送機構的結構，可以簡單分為：①負責托起苗盤的盤托板。②用于短距離運輸苗盤的輸送機構。③唯一可隨意拆卸、更換的苗盤。④用于感應苗盤是否抵達預設位置的感應器。⑤推動苗盤的推板。⑥提供推板前進動力的液壓缸。

2.3 液壓缸的選型

液壓缸結構較簡單，需要先獲得液壓能，再將其轉化成機械能，帶動其他機械部件進行直線往復運動。因為液壓缸工作原理較為簡單，整體結構并不復雜，所以工作性能可靠，在自動移栽蔬菜秧苗的環境中，可以正常工作，不會出現嚴重的系統故障。在液壓缸運動過程中，沒有傳動間隙，不需要額外設置減速裝置，可以保持全過程的平穩運動。又因為填土苗盤總重量偏輕，液壓缸在自動移栽機運動中主要負責推盤作業，所以在選擇液壓缸型號時主要考慮其行程是否滿足自動移栽機的工作需求。

本設計中，選擇的苗盤總長度為540 mm，當苗盤移動到輸送帶的3/4位置，就可進行相應的推盤動作，以此即可獲得液壓缸的行程范圍，即400～450 mm。在參考市面上的大部分液壓缸后，最終選擇缸徑20 mm、行程450 mm、壓力14 Mpa的液壓缸。可以滿足苗盤移動需求，也可以為自動移栽機提供足夠的動力，且價格低廉。

3 曲柄搖桿的參數設計

擺桿主要功能是驅動苗夾，完成取苗與放苗動作，需要確保運動的穩定性，避免蔬菜秧苗脫落。需要在設計曲柄搖桿機構時，取消其急回特性。如果選擇沒有急回特性的曲柄搖桿機構，其行程速比系數將沒有極位夾角，即k=1。在搖桿達到最遠、最近的極限位置時，曲柄和連桿處于同一直線上。設計擺桿長度為100 mm，擺角為120°，機架長度為335 mm。在機架與連桿、機架與極限位置的角度分析中，需要考慮到曲柄與連桿在極限位置的特殊情況下，擁有共線的特性。所以，設計曲柄長度86.6 mm，連桿長度331.2 mm，可滿足自動移栽機在工作狀態下的曲柄搖桿運動要求。

4 取苗機構的工作原理與運動軌跡設計

4.1 工作原理

取苗機構主要由平行四連桿機構、曲柄搖桿、苗夾、帶輪機構等部分構成。在實際工作中，苗夾需要預先固定于平行四連桿機構的豎桿位置，并讓苗夾維持開口向下的工作狀態。四連桿的兩端通過鉸接進行固定，另外兩端則做水平布置，固定端與水平端相垂直，固定端與橫桿形成搖桿機構，水平端與豎桿形成平行四連桿機構。水平端的一側在獲得電機驅動力后，會對橫桿做圓周運動，并聯動平行四連桿的豎桿做往復運動。

對于取苗機構的結構，簡單分為：①作為核心部件的右平行四連桿機構與左平行四連桿機構。②基于步進機械設備的步進皮帶。③實現取苗動作的步進移位輸送機構。④在抵達最大位移距離時拉回步進移位輸送機構的回位彈簧。⑤與回位彈簧構成一個整體的磁吸。⑥用于夾取蔬菜的苗夾。⑦進行往復運動的搖桿機構。⑧提供取苗機構運動動力的電機。

4.2 運動軌跡

取苗機構的各項參數如下：曲柄86.6 mm、連桿331.2 mm、搖桿100 mm、機架335 Mm，長桿310 mm、短桿80 mm。再使用歐德克連桿仿真設計軟件，對取苗機構做運動仿真，可以從取苗機構的運動軌跡中看出，連桿機構可以保持穩定運行狀態，不會出現相互干涉情況。因為苗夾在取苗機構運動過程中保持不對稱弓背式的運行軌跡，所以在使用過程中，操作人員可以根據蔬菜移栽要求，對搖桿與平行四連桿長桿之間的夾角進行調整，維持苗夾對稱運動軌跡，提升蔬菜移栽的效率與質量。

5 結論

當前，我國蔬菜移栽主要采用半自動移栽模式，相較于人工移栽模式，可以有效提升蔬菜秧苗移栽效率。但是需要額外配置3～4名/臺的種植人員，沒有徹底解決勞動強度偏大的問題。本設計的自動移栽機，整體結構較為簡單，不涉及更為復雜的機械結構。而且，整體結構制造成本偏低，符合大多數種植戶的經濟條件。盡管在移栽效率與移栽質量上，和歐美等發達國家的自動移栽機有一定差距，在實際應用中需要種植人員對蔬菜秧苗進行二次調整，但是本設計的自動移栽機仍具有較高的實用價值，可以適應大多數蔬菜秧苗的移栽條件。另外，如果種植人員有額外的蔬菜秧苗移栽需求，可以將其他機械設備安裝到自動移栽機上，具有二次改造可能性。