張秀花，謝曉東，弋景剛，楊淑華，孔德剛，袁永偉

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關(guān)節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動(dòng)擺放機(jī)設(shè)計(jì)

張秀花，謝曉東，弋景剛，楊淑華，孔德剛，袁永偉

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，保定 071001）

為解決中國(guó)蔬菜育苗播種后人工擺放穴盤勞動(dòng)強(qiáng)度大的難題，設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動(dòng)擺放機(jī)，并對(duì)機(jī)器的關(guān)鍵部件進(jìn)行了理論分析及設(shè)計(jì)計(jì)算。確定了以關(guān)節(jié)式機(jī)械手作為擺盤執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并得到了擺盤機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行Box-Behnken Design響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探求了穴盤輸送高度、輸送角度、輸送速度3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)穴盤間距合格率、穴盤擺正率、穴盤排齊率3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)與各影響因素的數(shù)學(xué)回歸模型，并進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到了影響擺盤效果的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的最佳組合為：穴盤輸送速度為60 mm/s，穴盤輸送角度為31°，穴盤輸送高度為40 mm。并對(duì)優(yōu)選出的最佳擺盤參數(shù)組合進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析，試驗(yàn)結(jié)果為：穴盤間距合格率97.6%，穴盤擺正率96.5%，穴盤排齊率95.7%，試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值的誤差絕對(duì)值均低于5%，表明擺盤執(zhí)行機(jī)構(gòu)在最佳工藝參數(shù)組合下工作平穩(wěn)可靠，滿足穴盤擺放技術(shù)要求。該研究可為全自動(dòng)化、智能化穴盤擺放機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；蔬菜育苗；關(guān)節(jié)式機(jī)械手；穴盤擺放

0 引 言

中國(guó)目前采用育苗移栽方式培育的蔬菜占到了蔬菜種植總量的60～70%。一般使用穴盤在固定點(diǎn)完成裝基質(zhì)土—播種—覆土工作，然后人工搬運(yùn)到溫室大棚進(jìn)行育苗[1-5]，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且搬運(yùn)時(shí)需將穴盤疊放在一起，穴盤內(nèi)的基質(zhì)土和種子會(huì)受到擠壓。中國(guó)的育苗穴盤大多數(shù)以軟盤為主[6-8]，在棚內(nèi)擺放時(shí)穴盤的變形還會(huì)引起穴盤內(nèi)基質(zhì)土和種子移位，影響育苗質(zhì)量[9-11]。研制實(shí)用可靠的播后穴盤擺放裝置對(duì)提高蔬菜育苗質(zhì)量和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。

國(guó)外關(guān)于穴盤疊放以及擺放方面的研究起步較早，日本久保田株式會(huì)社在穴盤的疊放、運(yùn)輸方面已經(jīng)形成了一整套自動(dòng)化程度較高的機(jī)械化生產(chǎn)線[12-13]；此外，日本井關(guān)、日清、三菱等株式會(huì)社都研究出了各自的育苗流水線[14]，其中洋馬公司和久保田公司研制的SST型、YS型等育苗設(shè)備技術(shù)較為先進(jìn)[15]，久保田SST型疊盤設(shè)備通過(guò)PLC控制多個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的開(kāi)合順序，配合液壓缸的伸縮動(dòng)作，疊盤效果好，自動(dòng)化程度高；荷蘭CODEMA公司研制的育苗設(shè)備通過(guò)撥桿與氣缸的配合可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)疊盤操作，工作效率高[16]；荷蘭KG、Van Zall以及Logiqs Agro等集團(tuán)公司利用多層軌道輸送、安裝多個(gè)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件等方式可對(duì)堆疊后的穴盤或苗床后進(jìn)行整體輸送，過(guò)程靠計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，整個(gè)流水線實(shí)現(xiàn)了穴盤育苗育秧自動(dòng)一體化生產(chǎn)[17-18]。

中國(guó)針對(duì)穴盤的疊放以及擺放的研究起步較晚，大多數(shù)企業(yè)采用人工疊放、擺放的方式，技術(shù)比較落后，近年來(lái)國(guó)內(nèi)部分高校和科研單位開(kāi)始重視工廠育苗技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的探索研究，以加快中國(guó)工廠育苗技術(shù)的研究進(jìn)程[14-15]。馬靜龍等[19]研制了一種自動(dòng)擺盤裝置，該裝置通過(guò)3個(gè)輸送裝置進(jìn)行輸送和姿態(tài)轉(zhuǎn)換，末端由1種4自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械手實(shí)現(xiàn)穴盤的擺放，該裝置運(yùn)動(dòng)鏈長(zhǎng)，機(jī)械手安裝在由4個(gè)立柱支撐的橫梁上，不能移動(dòng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和擺盤作業(yè)。馬旭等[20]研究的疊盤機(jī)構(gòu)，由PLC控制氣缸驅(qū)動(dòng)秧盤輸送機(jī)構(gòu)、秧盤升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟盤和硬盤的自動(dòng)疊放，能夠與穴盤育苗流水線整合到一起，但是沒(méi)有后續(xù)的轉(zhuǎn)運(yùn)與擺盤作業(yè)，僅是固定流水線上擺盤前的1個(gè)重要環(huán)節(jié)。

綜上所述，國(guó)外把疊盤擺盤工序很好的整合到了穴盤育苗的流水線內(nèi)，自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率較高，但是占地面積大不適合中國(guó)小型大棚溫室使用，也未見(jiàn)在中國(guó)引進(jìn)和推廣應(yīng)用；國(guó)內(nèi)的研究大多集中在流水作業(yè)中的1個(gè)環(huán)節(jié)，僅實(shí)現(xiàn)疊盤或者擺盤的單獨(dú)作業(yè)，且均為固定式作業(yè)，靈活度差。本文針對(duì)人工擺盤作業(yè)中勞動(dòng)強(qiáng)度較大、軟穴盤內(nèi)種子易受擠壓移位等問(wèn)題，探究合理的機(jī)械式疊盤、擺盤模式，進(jìn)而設(shè)計(jì)出應(yīng)用于小型大棚溫室播種后的軟穴盤、集疊盤搬運(yùn)擺盤為一體的可獨(dú)立行走，又能與播種流水線無(wú)縫對(duì)接的擺盤機(jī)械，以期推動(dòng)中國(guó)機(jī)械化育苗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

關(guān)節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動(dòng)擺放機(jī)（簡(jiǎn)稱擺盤機(jī)）的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底盤行走轉(zhuǎn)向裝置6、升降裝置5、穴盤疊放旋轉(zhuǎn)推送裝置1、擺放裝置4等。擺盤機(jī)的工作過(guò)程如下：1）升降裝置調(diào)整整機(jī)高度以適應(yīng)播種機(jī)輸出穴盤的高度，將完成播種覆土的穴盤裝入擺盤機(jī)的疊放裝置；2）整機(jī)靠底盤行走轉(zhuǎn)向裝置運(yùn)動(dòng)到育苗穴盤擺放位置，完成穴盤擺放前的準(zhǔn)備工作；3）擺放裝置工作，配合底盤行走裝置，將穴盤擺放于地面或穴盤架。

1. 穴盤疊放旋轉(zhuǎn)推送裝置2. 擺盤器3. 穴盤擺放架4. 擺放裝置5. 升降裝置 6.底盤行走轉(zhuǎn)向裝置

如圖1所示，擺放裝置主體是1個(gè)三關(guān)節(jié)的機(jī)械臂，由安裝在3個(gè)關(guān)節(jié)處的電機(jī)協(xié)調(diào)控制可以調(diào)整末端擺盤器的高度以適應(yīng)不同場(chǎng)合穴盤需要擺放的高度。擺盤器是1個(gè)小型傳送帶系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)中的電機(jī)工作時(shí)，可將置于傳送帶上的穴盤輸送至擺放位置，在完成1個(gè)穴盤的擺放操作后，擺盤器在三關(guān)節(jié)機(jī)械臂的作用下升起，同時(shí)機(jī)器移動(dòng)1個(gè)穴盤長(zhǎng)度，升降部分中的電推桿工作，令成垛穴盤下降1個(gè)穴盤的高度，即令成垛穴盤中從底部數(shù)起第2個(gè)穴盤的底部高度與擺盤器傳送帶頂端端面高度統(tǒng)一，此時(shí)穴盤疊放旋轉(zhuǎn)推送裝置中的電推桿再次工作，將穴盤推送至擺盤器上，完成第2次推盤操作，通過(guò)三關(guān)節(jié)機(jī)械臂以及輸送電機(jī)完成第2次擺盤操作，如此循環(huán)往復(fù)直至完成1個(gè)穴盤垛的擺放，進(jìn)而完成4垛穴盤的擺放。機(jī)器的升降裝置和旋轉(zhuǎn)推送裝置是2個(gè)相互獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，工作互不干擾。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 底盤行走轉(zhuǎn)向裝置

育苗棚內(nèi)空間有限，常規(guī)的差速或單排輪轉(zhuǎn)向模式并不適用，整機(jī)在較大的轉(zhuǎn)彎半徑下極易觸碰甚至軋壞已擺放好的穴盤，故采用消除機(jī)器轉(zhuǎn)彎半徑[21]的設(shè)計(jì)思路。如圖2所示，擺盤機(jī)的底盤是由鋁制型材搭建形成的支架，型材之間通過(guò)角碼連接。在底盤呈對(duì)角線布置有2個(gè)舵輪和2個(gè)減震萬(wàn)向輪，此種布置方式可有效保證機(jī)器行走的靈活性。

圖2 底盤行走轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)的擺盤機(jī)同時(shí)運(yùn)送4垛20個(gè)盤，穴盤為PVC材質(zhì)72孔穴盤，單個(gè)穴盤的長(zhǎng)度540 mm，寬度280 mm，高度40 mm，帶基質(zhì)土的穴盤質(zhì)量為1.62 kg。據(jù)此購(gòu)買的舵輪直徑為210 mm，設(shè)計(jì)的2個(gè)舵輪對(duì)角線長(zhǎng)度為922 mm。

2.2 剪叉式升降裝置

升降部分采用電推桿驅(qū)動(dòng)的剪叉式結(jié)構(gòu)，如圖3所示，和為2個(gè)等長(zhǎng)的桿在中點(diǎn)處鉸接在一起。

注：r為升降臺(tái)高度，mm; L為剪叉桿長(zhǎng)度，mm；a為電動(dòng)推桿上安裝點(diǎn)與剪叉桿下固定端的距離，mm；b為電動(dòng)推桿下安裝點(diǎn)與剪叉桿下固定端的距離，mm；α為剪叉桿與水平面間的夾角，(°)；θ為電推桿與水平面間的夾角，(°)；G為載荷，N；s為載荷的作用中心與剪叉固定端的距離，mm。

根據(jù)擺盤機(jī)的工作需求，升降部分的高度調(diào)整范圍應(yīng)覆蓋5個(gè)穴盤的總高度，每個(gè)穴盤高40 mm，5個(gè)穴盤高200 mm，根據(jù)底盤舵機(jī)的直徑和安裝尺寸，升降臺(tái)高度存在初始高度，為了令高度調(diào)整范圍存有一定的余量，最終確定的值在65～225 mm之間，剪叉桿長(zhǎng)度=600 mm，電動(dòng)推桿上安裝點(diǎn)與剪叉桿下端固定鉸接中心銷孔中心距離=520 mm，電動(dòng)推桿下安裝點(diǎn)與剪叉桿下端固定鉸接中心銷孔中心距離的值與電推桿行程的選取有關(guān)，故設(shè)為未知值。由幾何關(guān)系得剪叉桿與水平面間的夾角和電推桿與水平面間的夾角為可以由式子（1）和（2）推出

根據(jù)擺盤機(jī)升降部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和所受載荷情況，建立力學(xué)模型，以選取合適的電推桿。將剪叉桿單獨(dú)進(jìn)行分析，受力分析如圖4所示。由圖4可知有F、F、F、F、F、F、F、F以及電推桿推力共9個(gè)未知力，載荷（因剪叉桿有左右兩副，故取為實(shí)際載荷的一半）施加在平臺(tái)板上方，取一副剪叉桿，將其與平臺(tái)板看作3個(gè)構(gòu)件對(duì)其進(jìn)行受力分析，并分別對(duì)自身列力平衡與力矩平衡方程，得到9個(gè)方程式，并將其寫成矩陣的形式，如式（3）所示。

注：FAy為滾子A給平板AB的支持力，N；FBx、FBy分別為鉸支點(diǎn)B給平板AB水平方向和豎直方向的分力，N；FDy為底盤給滾子D的支持力，N；FHx、FHy分別為鉸支點(diǎn)H處DB桿受到的水平方向和豎直方向的分力，N；F為電推桿的推力，N；FCx、FCy分別為鉸支點(diǎn)C處AC桿受到的水平方向和豎直方向的分力，N；帶“′”的力為對(duì)應(yīng)力的反作用力。

解此矩陣得

將的表達(dá)式帶入式（4）得到的最終表達(dá)式為

式中值通過(guò)篩選得到行程為100 mm的電推桿并據(jù)此計(jì)算得到，為722 mm；其余各值同上。由式（1）計(jì)算可得，當(dāng)電推桿完全收回且平臺(tái)處于最低點(diǎn)時(shí)=6.2°，當(dāng)電推桿完全伸出且平臺(tái)處于最高點(diǎn)時(shí)=22°；為載荷（實(shí)際載荷的一半），N；20個(gè)穴盤的質(zhì)量為32.4 kg，再加上平臺(tái)及其上機(jī)械結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量，滿載穴盤時(shí)的最大載荷約600 N，故取為300 N；為600 mm。

將所有參數(shù)代入式（5），得到=1 137 N，所以選取行程為100 mm的LFHA系列電推桿，其伸出速度為4 mm/s，最大推力為1 500 N。

2.3 穴盤疊放旋轉(zhuǎn)推送裝置

穴盤疊放旋轉(zhuǎn)推送部分的基本要求是完成穴盤的疊放、位置切換和推送，分為穴盤疊放旋轉(zhuǎn)裝置和底盤與穴盤推送裝置兩部分?jǐn)⑹?。如圖5所示為穴盤疊放旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，托盤內(nèi)可以放置完成播種的穴盤，中間有隔板，避免了軟穴盤內(nèi)的基質(zhì)土和種子擠壓移位，實(shí)現(xiàn)了疊盤，托盤可按擺放要求層層疊加。懸臂通過(guò)金屬?gòu)澱奂c滾動(dòng)板以活卡扣的形式連接在一起，當(dāng)接有電機(jī)輸出軸的小齒輪帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，懸臂將帶動(dòng)滾動(dòng)板一起運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)托盤位置的切換，通過(guò)在每個(gè)滾動(dòng)板的下方布置滾柱充當(dāng)?shù)臐L動(dòng)體，可有效的保證滾動(dòng)板轉(zhuǎn)動(dòng)的流暢性和穩(wěn)固性。

1. 懸臂 2. 平臺(tái)板 3. 托盤 4. 金屬?gòu)澱奂?5. 小齒輪 6. 回轉(zhuǎn)支承 7. 鉸座 8. 滾動(dòng)板 9. 旋轉(zhuǎn)電機(jī)

底盤與旋轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。在底盤上的型材架上安有電推桿安裝架，電推桿安裝架向上穿過(guò)回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈孔，在電推桿安裝架的頂部安有推盤電推桿，推盤電推桿和升降部分為相互獨(dú)立的機(jī)構(gòu)；通過(guò)旋轉(zhuǎn)部分中回轉(zhuǎn)支承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)而電推桿的高度不變，可以將4個(gè)滾動(dòng)板上的4個(gè)托盤格柵內(nèi)的穴盤分別與電推桿上的推板相對(duì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將各個(gè)托盤內(nèi)的多個(gè)穴盤分別推出。

綜合考慮整機(jī)的尺寸，選取型號(hào)為011.10.150的小型回轉(zhuǎn)支承，并選取齒數(shù)為28的小齒輪與其配合。推盤電推桿推送行程為1個(gè)穴盤的寬度即280 mm，選取行程為300 mm的LFHA系列電推桿，推送速度為95 mm/s，最大推力為300 N。

圖6 穴盤推送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 擺放裝置的設(shè)計(jì)

2.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中國(guó)育苗穴盤主要有2種擺放模式，一種是直接將穴盤擺放于地面上，地表鋪有鋼絲網(wǎng)等設(shè)備以防止秧苗扎根；二是將穴盤擺置于穴盤專用架上，穴盤架規(guī)格不一，其常見(jiàn)高度為810 mm。本文設(shè)計(jì)的擺放機(jī)可以同時(shí)適應(yīng)2種模式，擺放高度可調(diào)，范圍為0～810 mm。同時(shí)，為保證育苗質(zhì)量，軟質(zhì)穴盤的擺放過(guò)程應(yīng)避免穴盤受到擠壓和振動(dòng)。故擺放部分的基本要求是：適用于多種穴盤擺放高度，增強(qiáng)穴盤擺放平穩(wěn)性。設(shè)計(jì)的擺放裝置由三關(guān)節(jié)機(jī)械手與擺盤器構(gòu)成，如圖7所示。

圖7 擺放裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解分析

以三關(guān)節(jié)軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)處分別建立坐標(biāo)系如圖8所示，3個(gè)坐標(biāo)系的軸分別為擺盤關(guān)節(jié)的公垂線，3個(gè)坐標(biāo)系的軸即關(guān)節(jié)軸線均垂直于紙面向外，參照D-H方法[22-23]建立關(guān)于擺盤機(jī)械手中機(jī)械臂長(zhǎng)度a、相鄰關(guān)節(jié)軸線間夾角α、機(jī)械臂間的偏置距離d、機(jī)械臂間夾角θ的參數(shù)信息如表1所示。

圖8 擺放部分坐標(biāo)建立

表1 擺盤機(jī)械手D-H參數(shù)

根據(jù)擺盤高度范圍為0～810 mm，參照一般機(jī)械手臂的比例關(guān)系，在軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，取1、2、3的值分別為320、350、150 mm。進(jìn)而得到機(jī)械臂第一節(jié)到首關(guān)節(jié)的變換矩陣為

式中左上角的3×3的矩陣為固連在剛體上的動(dòng)坐標(biāo)系的三個(gè)方向矢量列向量、、在首關(guān)節(jié)固接坐標(biāo)系中各軸上的方向余弦；最右一列3×1的列向量是固連在剛體上的動(dòng)坐標(biāo)系在首關(guān)節(jié)固接坐標(biāo)系中的位置。

將矩陣（9）展開(kāi)，令相應(yīng)元素相等，可得

在確定變量θ值的計(jì)算過(guò)程中，結(jié)合各節(jié)機(jī)械臂長(zhǎng)度，可以得到不唯一的關(guān)節(jié)變量逆解值，但由于在實(shí)際的棚間擺盤操作中要考慮擺盤關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)空間、擺盤高度與范圍、空間避障等問(wèn)題，故應(yīng)根據(jù)擺盤軌跡的規(guī)劃與擺盤邏輯合理選取1、2、3的值。

3 擺盤器部分參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

主要儀器設(shè)備：課題組研制的擺盤機(jī)樣機(jī)，游標(biāo)卡尺（精度0.02 mm），卷尺（精度1 mm）。

試驗(yàn)材料：2018年2月份采購(gòu)的72孔軟質(zhì)PVC穴盤以及基質(zhì)土，基質(zhì)土由80%的細(xì)碎泥炭以及20%的蛭石、殺菌殺蟲農(nóng)藥混合而成，符合育苗標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)將基質(zhì)土覆于穴盤中。

3.2 試驗(yàn)方法

針對(duì)覆土后的軟質(zhì)穴盤，以穴盤間距合格率、穴盤擺正率、穴盤排齊率作為衡量擺盤效果的3個(gè)指標(biāo)，以不同的穴盤輸送速度、輸送角度、輸送高度為影響因素，取5只/組的穴盤在擺盤機(jī)上進(jìn)行Box-Behnken design 響應(yīng)面優(yōu)化方法設(shè)計(jì)。

3.2.1 試驗(yàn)指標(biāo)

1）穴盤間距合格率，即相鄰穴盤的間距值與允許誤差值的關(guān)系。以首個(gè)被擺放的穴盤為參考，記為穴盤1，隨后擺放的穴盤記為穴盤2，定義穴盤1、2同側(cè)相鄰角點(diǎn)距離的較大值為穴盤最大間距1，如圖9a所示，即

經(jīng)過(guò)對(duì)人工擺盤工作的實(shí)地調(diào)研，同時(shí)參考擺盤農(nóng)藝要求，1的值不應(yīng)該超過(guò)10 mm；若1大于10 mm，擺盤效果不理想，需對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)整。

定義穴盤間距合格率1

式中0為穴盤間距允許最大值，mm，其值為10 mm。

由于目前還沒(méi)有1個(gè)穴盤擺放間距的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)地調(diào)研擺盤需求，定義穴盤間距合格率大于60%為合格，即可接受的最大間距或重疊距離為4 mm。

2）穴盤擺正率。如圖9b所示，將相鄰穴盤邊間所形成的銳角記為穴盤夾角，相鄰穴盤間的夾角越小，則擺正效果越好。定義穴盤擺正率2

3）穴盤排齊率。如圖9c所示，相鄰2個(gè)穴盤角點(diǎn)1、2間的距離為重疊部分的長(zhǎng)度，值越接近穴盤寬度，則穴盤排齊效果越好。定義穴盤排齊率3

式中為穴盤寬度，280 mm。

注：m、n分別為相鄰2個(gè)穴盤同側(cè)相鄰角點(diǎn)之間的距離，mm；β為相鄰穴盤邊間所形成的夾角，(°)；c1、c2為相鄰2個(gè)穴盤重疊部分的角點(diǎn)。

3.2.2 試驗(yàn)因素

通過(guò)前期的試驗(yàn)，觀察到穴盤由擺盤器至地面的落地過(guò)程中，影響其落地姿態(tài)的因素主要與其在落地時(shí)所受沖擊程度有關(guān)，通過(guò)反復(fù)進(jìn)行穴盤輸送試驗(yàn)，觀察擺盤效果，確定與其所受落地沖擊程度最為相關(guān)的3個(gè)因素為穴盤輸送速度、輸送角度與輸送高度，對(duì)這3個(gè)因素分別選取一定范圍的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行單因素?cái)[盤試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。

1）輸送速度

由圖10a可知，當(dāng)穴盤輸送速度較小時(shí)，其落地時(shí)所受沖擊較小，穴盤的整體姿態(tài)好，但生產(chǎn)率低；當(dāng)穴盤輸送速度變大時(shí)，穴盤在落地時(shí)所受沖擊較大，盤體易滑移，造成擺盤效果變差，取56～70 mm/s的穴盤輸送速度進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

2）輸送角度

由圖10b可知，輸送角度影響著穴盤在接觸地面時(shí)的姿態(tài)，角度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致穴盤所受沖擊較大并造成較差的擺盤效果，角度過(guò)小時(shí)，穴盤在輸送帶方向上的下滑分力小，導(dǎo)致穴盤不易被輸送至地面，取30°～40°的穴盤輸送角度進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

3）輸送高度

由圖10c可知，當(dāng)擺盤器輸送穴盤高度較低時(shí)，擺盤器在抬起時(shí)易與擺放完成的穴盤發(fā)生接觸，造成穴盤姿態(tài)的變化，在擺盤器高度增加時(shí)，由于穴盤被擺放時(shí)的落差增加，導(dǎo)致穴盤在落地過(guò)程中接受到較大沖擊并影響了擺盤效果，取40～50 mm的穴盤輸送高度進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)。

圖10 單因素?cái)[盤試驗(yàn)結(jié)果

3.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定與試驗(yàn)因素的選取，以穴盤輸送速度、輸送角度、輸送高度為影響因素，以穴盤間距合格率1、穴盤擺正率2、穴盤排齊率33個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為響應(yīng)值，各因素水平的編碼如表2所示，應(yīng)用Design-Expert10.0.3軟件，通過(guò)Box-Behnken design響應(yīng)面優(yōu)化方法設(shè)計(jì)[24-27]，試驗(yàn)方案如表3，取17組、5盤/組的穴盤，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，根據(jù)試驗(yàn)方案在擺盤樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行擺盤試驗(yàn)，對(duì)每組試驗(yàn)中得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)定和統(tǒng)計(jì)，并將試驗(yàn)結(jié)果填入表3中。

表2 因素水平編碼 Table 2 Factors and code levels of tests

3.3 回歸模型建立與顯著性分析

根據(jù)表3中的試驗(yàn)結(jié)果，利用Design-Expert10.0.3軟件對(duì)擺盤試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合與方差分析，方差分析結(jié)果見(jiàn)表4，建立穴盤間距合格率1、穴盤擺正率2、穴盤排齊率33個(gè)觀察指標(biāo)與穴盤輸送速度、輸送角度、輸送高度三影響因素間的二次多項(xiàng)式回歸數(shù)學(xué)模型，對(duì)其中的不顯著項(xiàng)進(jìn)行剔除后，得到優(yōu)化后的數(shù)學(xué)回歸模型如式（17）所示。

式中1為穴盤間距合格率，%；2為穴盤擺正率，%；3為穴盤排齊率，%；為穴盤輸送速度，其取值范圍為56～70 mm/s；為輸送角度，其取值范圍為30°～40°；為輸送高度，其取值范圍為40～50 mm。

表3 Box-Behnken試驗(yàn)方案及相應(yīng)結(jié)果

觀察表4的分析結(jié)果可知，穴盤間距合格率1、穴盤擺正率2、穴盤排齊率33個(gè)指標(biāo)的回歸數(shù)學(xué)模型的值均小于0.0 1，接近為0，這表明此模型的顯著性明顯；其失擬項(xiàng)的值分別為0.44、0.32、0.13（均大于0.05）可知其模型的失擬性不顯著，試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合表明上述3個(gè)回歸方程與實(shí)際情況具有良好的擬合性，可基于于此模型對(duì)實(shí)際擺盤效果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

表4 回歸模型的方差分析 Table 4 Variance analysis of regression model

注：<0.05為顯著，<0.01為極顯著。

Note:<0.05 is significant, and<0.01 is extremely significant.

3.4 響應(yīng)面分析

如圖11a所示，穴盤間距合格率隨輸送速度的減小而增大。當(dāng)輸送速度處于較高水平時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)隨輸送角度的增大而增大，當(dāng)輸送速度處于較低水平時(shí)，穴盤輸送角度對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的影響較小；觀察響應(yīng)面的整體趨勢(shì)，整個(gè)圖像沿輸送速度因素方向更加陡峭，而沿輸送角度因素方向變化較慢，這說(shuō)明高低水平的輸送速度結(jié)合輸送角度對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的影響不同，且輸送速度對(duì)于穴盤間距合格率的影響較大。結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)情況，發(fā)現(xiàn)穴盤輸送速度影響著穴盤落地時(shí)所受沖擊的大小，當(dāng)穴盤輸送速度增大時(shí)，穴盤落地時(shí)所受沖擊增大，在穴盤與地面接觸的過(guò)程中穴盤易發(fā)生滑移現(xiàn)象，導(dǎo)致穴盤間距合格率降低，故在實(shí)際的擺盤過(guò)程中，為減小穴盤的落地沖擊以提高擺放效果，穴盤輸送速度不宜過(guò)高。

如圖11b所示，總體來(lái)看，當(dāng)穴盤輸送速度在56～70 mm/s間變化時(shí)，穴盤擺正率隨輸送速度的增加而先增大后減小。當(dāng)輸送速度處于較低水平時(shí)，穴盤擺正率隨著穴盤輸送高度的增加而緩慢減??；當(dāng)輸送速度處于較高水平時(shí)，穴盤擺正率隨著穴盤輸送高度的增加而緩慢增加。觀察圖像的整體趨勢(shì)，響應(yīng)面沿輸送速度因素方向先增后減，響應(yīng)面最高處出現(xiàn)在輸送速度值為62 mm/s左右處，且輸送高度對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的影響相較于輸送速度較?。贿@說(shuō)明，在試驗(yàn)水平下穴盤輸送速度對(duì)穴盤擺正率的影響相較于穴盤輸送角度更加顯著。結(jié)合試驗(yàn)情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)穴盤輸送速度較低時(shí)，隨著輸送高度的增加，穴盤在落地過(guò)程中由于其外沿與靠近擺盤器一側(cè)的位置關(guān)系變的愈加陡峭，導(dǎo)致穴盤外沿離開(kāi)擺盤器速度較快，不易出現(xiàn)與擺盤器間的剮蹭現(xiàn)象，故試驗(yàn)指標(biāo)升高；另一方面，隨著輸送速度的增大，穴盤離開(kāi)擺盤器的速度增大，穴盤外沿與擺盤器的剮蹭現(xiàn)象變的愈加不明顯，故穴盤的落地姿態(tài)不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，這是穴盤擺正率升高的主要原因；隨著后期穴盤輸送速度的不斷變大，穴盤在落地時(shí)所受沖擊變大，這導(dǎo)致穴盤在落地時(shí)的姿態(tài)發(fā)生變化，故造成了穴盤擺正率的降低。2個(gè)因素在各自的高低水平所形成的對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的交叉影響不同，故在實(shí)際擺盤操作時(shí)，應(yīng)合理配合2個(gè)影響因素的大小，且不宜將穴盤輸送速度選取的過(guò)大。

注：響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平表見(jiàn)表2，響應(yīng)值見(jiàn)表3。

如圖11c所示，當(dāng)輸送角度處于較高水平時(shí)，穴盤排齊率隨輸送高度的增大而緩慢增大，當(dāng)輸送角度處于較低水平時(shí)，穴盤排齊率隨輸送高度的增大而緩慢減小；當(dāng)輸送高度處于較高水平時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)隨輸送角度的增大而增大，當(dāng)輸送高度處于較低水平時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)隨輸送角度的增大而減?。挥^察響應(yīng)面整體趨勢(shì)以及等高線形狀可知，響應(yīng)面整體圖形體現(xiàn)為先升后降，當(dāng)輸送高度和輸送角度同時(shí)處于較低水平時(shí)，穴盤排齊率在98%左右變化。觀察試驗(yàn)情況發(fā)現(xiàn)，穴盤輸送高度以及輸送角度影響著穴盤首先接觸地面一端的落地姿態(tài)以及落地速度，穴盤在離開(kāi)擺盤器一端由于自身質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于仍處于擺盤器一端的變形，當(dāng)輸送高度較低且輸送角度較小時(shí)，在這一變形效果下穴盤末端已經(jīng)著地，穴盤在落地時(shí)與地面接觸面積較大故其所受到摩擦力較大，其落地后在慣性的作用下向前繼續(xù)滑移現(xiàn)象不明顯，故穴盤排齊率較高，而隨著輸送角度的增加，穴盤落地時(shí)與地面的接觸角度變大導(dǎo)致穴盤的變形程度加大，在落地時(shí)穴盤回彈現(xiàn)象明顯，這導(dǎo)致了穴盤排齊率的降低；另一方面，當(dāng)輸送高度增大時(shí)，穴盤在擺出擺盤器一端會(huì)由于自身質(zhì)量產(chǎn)生下墜現(xiàn)象，導(dǎo)致穴盤呈現(xiàn)出上凸下凹的“拱形”變形情況，而隨著輸送角度的增加，穴盤整體姿態(tài)變的陡峭，這導(dǎo)致穴盤的“拱形”形變情況減輕，穴盤回彈現(xiàn)象的減弱導(dǎo)致穴盤的落地過(guò)程更加柔和，故穴盤排齊率升高，考慮到較大的形變以及較大的輸送角度可能導(dǎo)致穴盤內(nèi)基質(zhì)土的溢出，故在實(shí)際擺盤操作時(shí)，當(dāng)輸送速度選取的較為合理時(shí)，應(yīng)將穴盤輸送高度和角度盡量維持在較低水平，以增加穴盤排齊率。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為獲得擺盤機(jī)擺盤效果最佳的工藝參數(shù)組合，以穴盤間距合格率1、穴盤擺正率2、穴盤排齊率3為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用Design-Expert 10.0.3軟件的優(yōu)化分析功能對(duì)3個(gè)指標(biāo)的回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析[28-30]。優(yōu)化方程如式(18)所示。

式中為穴盤輸送速度，mm/s；為穴盤輸送角度，(°)；為穴盤輸送高度，mm；通過(guò)軟件選出滿意度最高的編碼值組合為=60 mm/s，=31°，=40 mm，該參數(shù)組合下3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值為：1=98.8%，2=97.9%，3=98.4%。

為了驗(yàn)證參數(shù)匹配的可行性，基于優(yōu)選出的最佳擺盤參數(shù)組合，將每5個(gè)穴盤編成一組，總計(jì)進(jìn)行3組穴盤的擺放試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取均值可得1=97.6%，2=96.5%，3=95.7%，試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值的誤差絕對(duì)值均低于5%，說(shuō)明上述預(yù)測(cè)模型是可靠的，得到的最佳工藝參數(shù)組合也符合穴盤擺放的農(nóng)藝要求。擺盤機(jī)樣機(jī)如圖12所示。

圖12 關(guān)節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動(dòng)擺放機(jī)樣機(jī)

4 結(jié) 論

1）針對(duì)蔬菜育苗穴盤播后的擺放需求，設(shè)計(jì)了集疊盤搬運(yùn)擺盤為一體的可行走關(guān)節(jié)式穴盤自動(dòng)擺放機(jī)。剪叉式升降機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)整機(jī)高度以適應(yīng)播種機(jī)輸出穴盤的高度，完成育苗播種機(jī)和自動(dòng)擺盤機(jī)的自動(dòng)化對(duì)接；穴盤疊放推送裝置儲(chǔ)存穴盤并完成穴盤位置流暢切換；對(duì)角布置的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的底盤行走轉(zhuǎn)向裝置保證機(jī)器0半徑轉(zhuǎn)彎；三關(guān)節(jié)機(jī)械臂式擺放裝置使擺盤適應(yīng)不同高度，靈活度高。

2）應(yīng)用Design-Expert 10.0.3軟件，通過(guò)Box-Behnken design響應(yīng)面優(yōu)化方法設(shè)計(jì)，確定了擺盤機(jī)的最佳工藝參數(shù)組合：穴盤輸送速度為60 mm/s，穴盤輸送角度為31°，穴盤輸送高度為40 mm，并對(duì)優(yōu)選出的最佳擺盤參數(shù)組合進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析，試驗(yàn)結(jié)果為：穴盤間距合格率97.6%，穴盤擺正率96.5%，穴盤排齊率95.7%，試驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值的誤差絕對(duì)值均低于5%。試驗(yàn)結(jié)果表明擺盤機(jī)在最佳工藝參數(shù)組合下工作平穩(wěn)可靠，滿足穴盤擺放技術(shù)要求，可為全自動(dòng)化、智能化穴盤擺放機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

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Design of joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray

Zhang Xiuhua, Xie Xiaodong, Yi Jinggang, Yang Shuhua, Kong Degang, Yuan Yongwei

(071001,)

A great deal of soft seeding trays is required nursing seedlings industry, but transporting and placing these trays always have been done by hands in most companies in China. In recent years, some universities and research institutes have begun to pay attention to factory seedling technology and related equipment, but the existing equipment have shown a few problems, such as covering large floor areas, no mobility and lack of flexibility. In order to deal with the above problems, this paper puts forward an automatic joint-style placement machine. The overall structure and working principle of joint-style placement machine were described, and the performance tests were done. In this machine, chassis walking steering device, lifting device, stacking, rotating and pushing device, and placement device were arranged to solve the problem of placing soft tray after sowing the vegetable seeds. In the chassis walking steering device, the diagonal arrangement of the steering wheel could guarantee the machine to turn in radius 0. In the lifting device, lifting scissors mechanism was used to adjust the height of the whole machine to suit to the height of the seeding planter machine, which could make the connecting between the seedling planter and the automatic joint-style placement machine easily and automatically. Stacking, rotating and pushing device could store 20 trays in the automatic joint-style placement machine, which could save the time for transporting the trays. The more important functions of stacking, rotating and pushing device were switching trays position and pushing trays out to the ground or other place smoothly. Placement device lay in the end of the machine. A joint-style type of mechanical arm and a small conveyer belt were used as the manipulator which adapted to different placing height of the trays. Based on these structural characteristics, the joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray could be used for placing soft seeding trays and moving independently, and the stacking, transporting and placing trays would be finished together in one time. High integration and flexibility were the most important features. The mathematical modeling was performed, and the kinematics equation of the manipulator was obtained referencing robotics space D-H method. According to the structural parameters and the machine working principle, 3 key parameters affecting the performance of the joint-style automatic machine placing sowed tray were chosen and analyzed respectively. 3 test factors included conveying height, conveying angle and conveying speed. Through the single factor test, range of the 3 key parameters was determined. Furthermore, Design-Expert software was used to design an orthogonal test including 3 test factors and 3 response indicators. The test index included the qualified rate of trays spacing, tray straighten rate and tray aligned rate. Analyzing the test data and the variance, a mathematical regression equation of the response indicators and influencing factors was established, presenting the effects of the test factors on the qualified rate of trays spacing, tray straighten rate and tray aligned rate. Response surface analysis was performed and the best combination of the 3 key parameters affecting the tray placement effect was obtained. The optimal combination of the 3 key factors for tray placement were as follows: the tray conveying speed was 60 mm/s, the tray conveying angle was 31°, the tray conveying height was 40 mm. Under the optimal condition, the corresponding tests were done and the test result was as follows: the qualified rate of the tray spacing was 97.6%, the tray straighten rate was 96.5%, and the tray aligned rate was 95.7%, respectively. The test results showed that the placement method was reasonable and the joint-style automatic machine placing sowed tray was stable and reliable. This research work can greatly improve the production efficiency for placing soft seeding tray and promote the development of mechanized seedling industry in China.

mechanization; design; optimization; vegetable cultivate seedlings; joint-style manipulator; tray placement

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004

S223

A

1002-6819(2018)-21-0027-10

2018-07-15

2018-09-10

河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目（17227206D）；河北省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（HBCT2013050204）

張秀花，博士，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與理論、農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)裝備的研究。Email：zhang72xh@163.com

張秀花，謝曉東，弋景剛，楊淑華，孔德剛，袁永偉. 關(guān)節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動(dòng)擺放機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(21)：27－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004 http://www.tcsae.org

Zhang Xiuhua, Xie Xiaodong, Yi Jinggang, Yang Shuhua, Kong Degang, Yuan Yongwei. Design of joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 27－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004 http://www.tcsae.org