孫正 薛龍 何梁 劉木華 黎靜 鄭建鴻

摘要：針對現(xiàn)有的半自動辣椒移栽機(jī)效率低、勞動強度大的問題，設(shè)計一種自動取投苗裝置。該裝置由夾苗部件、平移機(jī)構(gòu)、垂直移動機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和穴盤架等組成?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動平移機(jī)構(gòu)和垂直移動機(jī)構(gòu)運動，分別帶動夾苗部件和穴盤使其產(chǎn)生聯(lián)動，實現(xiàn)夾苗部件依次從穴孔中將辣椒苗拔出，然后移動到導(dǎo)苗管上方投苗，完成整個取投苗過程。用72孔穴盤育苗，選取55天苗齡的辣椒穴盤苗為研究對象，對5盤共360株辣椒穴盤苗，以15株/min的移栽速度，進(jìn)行取投苗試驗，試驗結(jié)果得到：取苗成功率為96.39%，投苗成功率為98.27%，莖葉損傷率為7.79%，滿足辣椒穴盤苗移栽的農(nóng)藝要求，該研究可為自動化移栽機(jī)的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：全自動移栽機(jī)；自動取投苗機(jī)構(gòu)；辣椒穴盤苗；夾莖式；蔬菜移栽

中圖分類號：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070048

07

Design and experiments of automatic taking and throwing device for chili plug seedlings

Sun Zheng1， Xue Long1， 2， He Liang1， Liu Muhua1， 2， Li Jing1， 2， Zheng Jianhong1

（1. College of Engineering， Jiangxi Agricultural University， Nanchang， 330045， China;

2. Jiangxi Province Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment， Nanchang， 330045， China）

Abstract： To address the problems of low efficiency and high labor intensity of the existing semi-automatic pepper transplanter， an automatic seedling taking and dropping device was designed. The device was composed of seedling clamping parts， a translation mechanism and vertical movement mechanism， a control system， a hole tray frame， and other components. The control system drove the translation and vertical moving mechanisms， which in turn drove the seedling clamping parts and the hole plate to produce joint movement， respectively. This process enabled the seedling clamping parts to pull out the chili seedlings from the hole sequentially， and then move them to the top of the seedling guide tube to drop them， completing the whole process of seedling taking and dropping. The seedlings were raised with 72-hole trays， and the 55-day-old chili plug seedlings were selected as the research object. A total of 360 chili plug seedlings were transplanted in 5 trays at the rate of 15 plants per minute. The experiment results showed that the success rate of seedling extraction was 96.39%， the success rate of seedling infusion was 98.27%， and the stem and leaf damage rate was 7.79%. This study can provide a reference for the design of automatic transplanters.

Keywords： automatic transplanter; automatic seedling taking and throwing mechanism; chili plug seedlings; clip stem type; vegetable transplanting

0 引言

辣椒是江西等省市的主要經(jīng)濟(jì)作物，但辣椒移栽用工成本高，全自動辣椒移栽機(jī)是解決辣椒移栽勞動強度大、效率低等問題的主要方式［13］。全自動移栽機(jī)與半自動相比增加了自動取苗機(jī)構(gòu)，因此設(shè)計合理的自動取投苗機(jī)構(gòu)是辣椒移栽自動化的必經(jīng)之路［45］。

國外對于自動移栽機(jī)研究起步較早［68］，例如，美國Agriplant全自動移栽機(jī)，該機(jī)通過取苗手從穴盤中成排取苗，生產(chǎn)效率可達(dá)2.5hm2/d，但價格昂貴，后期維修不方便［9］。日本洋馬PF2R全自動蔬菜移栽機(jī)是小型全自動移栽機(jī)，用自動取苗器夾取穴盤苗，育苗需用可蜷曲專業(yè)育苗盤，成本較高［10］。這兩種全自動移栽機(jī)成本較高，維修不便，對于國內(nèi)的生產(chǎn)并不適用。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對全自動取投苗機(jī)構(gòu)的研究越來越多［1114］，主要類型有插入夾取式取苗機(jī)構(gòu)、頂出式取苗機(jī)構(gòu)和夾莖式取苗機(jī)構(gòu)。針對插入夾取式取苗機(jī)構(gòu)的研究有：黨玉功等［15］設(shè)計的開式鉸鏈四連桿型取投苗機(jī)械臂，用行星輪系和凸輪高副對轉(zhuǎn)動副進(jìn)行約束，最終設(shè)計了一種單自由度全機(jī)械式的取投苗機(jī)構(gòu)；石喬等［16］設(shè)計的一種蔬菜苗移栽機(jī)自動取投苗裝置，得到了一組優(yōu)化連桿與凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其取苗指末端能以一定姿態(tài)及軌跡插入缽苗基質(zhì)中取苗。這類機(jī)構(gòu)操作控制簡單，但是其執(zhí)行末端插入基質(zhì)進(jìn)行取苗，易對苗根和基質(zhì)造成損傷。針對頂出式取苗機(jī)構(gòu)的研究有：金鑫等［17］設(shè)計了一種蔬菜移栽穴盤苗自動輸送裝置，該機(jī)構(gòu)用圓柱凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪—槽輪機(jī)構(gòu)頂出穴盤苗，結(jié)合配套設(shè)計的取投苗機(jī)構(gòu)實現(xiàn)自動取投苗，但該類機(jī)構(gòu)有損傷穴盤苗根部的可能。針對夾莖式取苗機(jī)構(gòu)的研究有：趙曉琪等［18］重點對取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，該取苗機(jī)構(gòu)使用氣動加剎車線柔性變距機(jī)構(gòu)實現(xiàn)變距投苗功能，由于氣動動力源特殊，加大了其實際應(yīng)用的難度?，F(xiàn)有取投苗機(jī)構(gòu)存在易損傷穴盤苗根部和基質(zhì)，以及動力源為氣動，難以投入實際生產(chǎn)的問題。

針對現(xiàn)有移栽機(jī)自動取投苗裝置存在易損傷穴盤苗根部和基質(zhì)，以及氣動動力源難以投入實際生產(chǎn)等問題，在查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，本文采用夾取辣椒穴盤苗莖稈的取苗方式以降低穴盤苗和基質(zhì)損傷率，并采用電動方式以達(dá)到驅(qū)動能源單一化，增強適用性的目的。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

辣椒穴盤苗取投苗裝置由機(jī)架、夾苗部件、平移裝置、導(dǎo)苗管和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。平移裝置分為夾苗部件平移機(jī)構(gòu)和育苗盤垂直移動機(jī)構(gòu)，夾苗部件通過平移機(jī)構(gòu)實現(xiàn)橫向和縱向移動，育苗盤搭載于穴盤架上，穴盤架與直線模組上的滑塊連接帶動育苗盤實現(xiàn)垂直方向的上下移動。

如圖1所示，兩個滑塊行程為0～400mm的Y軸直線模組通過連接件分別固定在機(jī)架上，其中一個直線模組的一端接有Y軸步進(jìn)電機(jī)，遠(yuǎn)離Y軸步進(jìn)電機(jī)的方向為Y軸正方向，兩個Y軸直線模組之間由聯(lián)動桿連接?；瑝K行程為0～600mm的X軸直線模組通過連接件安裝在兩個Y軸直線模組的滑塊上，X軸步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)連接件連接在同步帶的一端，滑塊遠(yuǎn)離X軸步進(jìn)電機(jī)的方向為X軸正方向。夾苗部件搭載在X軸滑塊上，將夾苗部件設(shè)為C軸?；瑝K行程為0～250mm的Z軸直線模組是滾珠絲桿直線模組，將此直線模組豎直安裝，滑塊遠(yuǎn)離Z軸電機(jī)的上升方向設(shè)為Z軸正方向，穴盤架搭載在Z軸滑塊上，育苗盤直接放置在穴盤架上。穴盤架的傾斜角度為35°，標(biāo)準(zhǔn)穴盤尺寸寬為280mm，因此穴盤運動范圍為0～229.36mm，Z軸直線模組符合要求。

1.2 工作原理

將穴盤固定在穴盤架上，為了防止夾苗部件和穴盤苗發(fā)生干涉，所以將Z軸直線模組滑塊上升，夾苗部件從穴盤最底層的一排孔穴開始取苗。夾苗部件路徑規(guī)劃如圖2所示。

整個裝置的工作原理是夾苗部件從起始點A出發(fā)，沿路徑1移動到導(dǎo)苗管上方的落苗點B，為了防止在夾苗部件移動過程中執(zhí)行末端與穴盤苗莖稈發(fā)生干涉，因此夾苗部件沿路徑2移動到準(zhǔn)備取苗點C，再由Y軸運動使夾苗部件沿路徑3移動到取苗點D，夾苗部件執(zhí)行夾取動作，執(zhí)行末端夾取到穴盤苗底部莖稈后，沿路徑4退回到準(zhǔn)備取苗點C，執(zhí)行末端保持夾持穴盤苗狀態(tài)、沿路徑5回到落苗點B，此時夾苗部件的執(zhí)行末端松開穴盤苗，穴盤苗自行下落進(jìn)導(dǎo)苗管，重復(fù)上述步驟。當(dāng)夾苗部件從左至右夾取完成第一排十二個穴盤苗之后，Z軸滑塊位置下降，帶動苗盤架下降，讓夾苗部件夾取第二排穴孔。以此類推，完成總共六排的取苗動作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 夾苗部件

夾苗部件是本裝置的關(guān)鍵部件，在苗盤上夾苗和導(dǎo)苗管上放苗兩個狀態(tài)之間運轉(zhuǎn)。如圖3所示，夾苗部件的取投苗動作有3個過程：（1）取苗，夾苗板移動到穴孔上，兩塊夾苗板在辣椒苗莖稈處進(jìn)行夾持；（2）運苗，夾苗板夾持住辣椒苗將其從穴盤中拔出并移動到導(dǎo)苗管上方；（3）投苗，夾苗板在導(dǎo)苗管上方張開，辣椒苗自由落體到導(dǎo)苗管中。

針對夾苗部件夾取和放開穴盤苗兩個動作，將上下夾苗臂設(shè)計為剪叉形狀，如圖4所示。

上下夾苗臂的中間部分有通孔，用螺栓穿過通孔進(jìn)行緊固，把上下夾苗臂固定在夾苗臂支撐座上。在上下夾苗臂后端支出螺栓當(dāng)支柱，支柱上懸掛回位彈簧。在上下夾苗臂后端安裝步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)軸上安裝凸輪，上下夾苗臂后端與凸輪表面接觸，上下夾苗臂后端在拉簧的作用下處于夾緊狀態(tài)，后端夾緊凸輪。取苗過程中，凸輪由長邊旋轉(zhuǎn)到短邊，末端夾苗板由張開變?yōu)閵A緊，夾住辣椒穴盤苗莖稈；運苗過程則保持住夾苗部件的夾緊狀態(tài)，凸輪不旋轉(zhuǎn)；進(jìn)行投苗過程時，凸輪由短邊旋轉(zhuǎn)至長邊，末端夾苗板由夾緊變?yōu)閺堥_，穴盤苗便自由下落。

夾苗部件處于夾緊運動狀態(tài)時，穴盤苗莖稈所受到的夾持力取決于回位彈簧的拉力。彈簧原長l=40mm，夾緊運動狀態(tài)時，彈簧長度與凸輪短邊長度相等即l1=48mm，彈簧還是處于彈性變形的狀態(tài)，遵循胡克定律，查詢得到本選型彈簧的彈性系數(shù)k=1.22N/mm，因此，彈簧拉力

F1

=k×Δx=k×（l1-l）

=1.22×（48-40）=9.76 N

（1）

夾苗部件的受力分析如圖5所示，F(xiàn)1為彈簧拉力，F(xiàn)2為夾持力作用在缽苗莖稈上的反作用力，力矩平衡得夾持力F2的計算如式（2）所示。

F2=F1×LaLb=9.76×37225=1.6N

（2）

式中：

La——彈簧拉力F1力臂；

Lb——夾持力F2力臂。

夾苗部件有兩個運動狀態(tài)，張開和夾緊，上下夾苗臂這兩個狀態(tài)之間變化完成夾取穴盤苗和投放穴盤苗的動作。

2.2 控制系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)包括X、Y、Z三軸控制和夾苗部件C軸的控制，整個裝置由4個步進(jìn)電機(jī)組成動力源。X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)的型號為57BYG100-310A，選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是DM542；Z軸步進(jìn)電機(jī)的型號為86BYG250H，選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為DMA860H。C軸步進(jìn)電機(jī)的型號為42BYG48，選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是DM542。控制全體電機(jī)的控制器選用2017版TC55運動控制器。電路連接著電機(jī)、驅(qū)動器、控制器，將各軸電機(jī)聯(lián)合在一起，實現(xiàn)四軸聯(lián)動。首先步進(jìn)電機(jī)上的輸入線有四根，分別是A+、A-、B+、B-，需要連接到電機(jī)驅(qū)動器的相應(yīng)位置。電機(jī)驅(qū)動器上有P+、P-、D+、D-四個接口，需要和四軸控制器上的接口對應(yīng)連接，且X軸、Y軸、Z軸、C軸四個軸的電機(jī)連線對應(yīng)到控制器的各個接口。整個控制系統(tǒng)供電采用24 V穩(wěn)壓電源，電源正負(fù)極需要接在控制器和四個電機(jī)驅(qū)動器上。整體連線如圖6所示。

2.2.2 控制器控制原理

四軸運動控制器中搭載著高性能32位CPU，可根據(jù)設(shè)定好的程序，發(fā)送脈沖，從而控制步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)接受一定數(shù)量的脈沖，即轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，同步帶上的滑塊即可移動相應(yīng)的距離。在控制器中輸入的是各軸上滑塊移動的距離和速度，因此控制器需要把移動的距離和速度轉(zhuǎn)換成脈沖個數(shù)和脈沖頻率，再發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動器，由驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)完成轉(zhuǎn)動的角度和速度。

控制器中通過設(shè)置重要的轉(zhuǎn)換參數(shù)——電子齒輪，即將滑塊移動的距離轉(zhuǎn)換成需要發(fā)送的脈沖數(shù)，計算如式（3）所示。

N=N1N2

（3）

式中：

N——電子齒輪齒數(shù)比；

N1——電機(jī)轉(zhuǎn)動一周所需脈沖數(shù)；

N2——電機(jī)轉(zhuǎn)動一周滑塊移動距離。

例如X軸參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過測量，X軸的同步帶上，電機(jī)轉(zhuǎn)動一周，滑塊移動125000μm；而電機(jī)單向轉(zhuǎn)動一周所需要的脈沖數(shù)與驅(qū)動器所設(shè)置的細(xì)分有關(guān)，如設(shè)置為1600pul/r的細(xì)分，電機(jī)轉(zhuǎn)動一周需要1600個脈沖。因此X軸電子齒輪計算式如式（4）所示。

1600pul125000μm=8625pul/μm

（4）

若設(shè)置X軸滑塊移動200mm，那么控制器要發(fā)送的脈沖數(shù)計算式如式（5）所示。

200000μm×8pul625μm=2560pul

（5）

速度設(shè)置為6000mm/min，那么滑塊移動200mm所需要的時間為2s。

控制器則自動發(fā)送2 560個脈沖給X軸控制器，X軸上的滑塊在此條件下移動200mm需要2s。由于從落苗點到72個取苗點的空間距離都不一致，但最終的取苗速度需要確定一個恒定的數(shù)值。在控制器中，可以設(shè)置絕對運動的各個點的空間坐標(biāo)，以及運動速度。由于距離和運動時間為確定值，因此需要計算每個點到點運動時的運動速度。將夾苗模塊從落苗點出發(fā)，到再次回到落苗點為一個取投苗周期，在這個周期內(nèi)，夾苗模塊在點與點之間運動的距離總和除以設(shè)定的周期時間，即為在此周期內(nèi)各點運動的平均速度。

取苗機(jī)構(gòu)的取投苗速度由設(shè)定的取投苗周期決定。機(jī)構(gòu)的取投苗周期即有20株/min、15株/min、10株/min三個選項。

如圖7所示，控制器有兩種模式，一是機(jī)構(gòu)單獨控制操作，可以單獨控制各軸運動；二是整盤取投苗操作，將設(shè)定好的各點坐標(biāo)按照工作原理描述的順序輸入到控制器中，控制器即可按照設(shè)定好的運動流程發(fā)送相應(yīng)的脈沖給各軸驅(qū)動器，驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)完成運動流程。

3 試驗與分析

3.1 試驗方法與指標(biāo)

本研究辣椒穴盤苗自動取投苗裝置的取投苗試驗于2021年12月在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院進(jìn)行。

試驗對象選取55天苗齡的72孔穴辣椒苗，育苗基質(zhì)配比按照珍珠巖、蛭石、草炭體積比1∶1∶3，采用基質(zhì)含水率均值為70％，選取5盤生長一致的穴盤苗進(jìn)行試驗，測量苗的平均高度為156.8mm，平均莖稈直徑為3.22mm，取苗頻率為15株/min。

試驗方法：將一盤辣椒苗放置在穴盤架上，打開裝置電源開關(guān)，在控制器上選擇72孔穴的取苗頻率為15株/min的程序，選擇好程序后，選擇開始按鈕，開始試驗。從穴盤中夾取出來視為取苗成功并記錄株數(shù)，將穴盤苗放置到導(dǎo)苗管中的視為投苗成功并記錄株數(shù)，觀察取苗時損傷莖葉的缽苗并記錄株數(shù)。共選取5盤生長一致的穴盤苗進(jìn)行5次平行試驗，統(tǒng)計每次試驗的取苗成功數(shù)、投苗成功數(shù)和損傷莖葉數(shù)。

本試驗以取苗成功率Z1、投苗成功率Z2和莖葉損傷率Z3作為取投苗效果的評價指標(biāo)。

Z1=X1X×100%

（6）

Z2=X2X1×100%

（7）

Z3=X3X1×100%

（8）

式中：

X1——

從穴盤中夾取出來為取苗成功數(shù)，株；

X2——

穴盤苗放置到導(dǎo)苗管中的投苗成功數(shù)，株；

X3——取苗時損傷莖葉數(shù)，株；

X——穴盤苗總數(shù)，株。

3.2 結(jié)果分析

對360株辣椒穴盤苗進(jìn)行取投苗試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

穴盤苗取苗成功率為96.39%，投苗成功率為98.27%，莖葉損傷率為7.79%。夾取穴盤苗時，正常狀態(tài)是夾取穴盤苗的莖稈。由于所選用的穴盤苗并不是通過生產(chǎn)線生產(chǎn)的工廠化育苗，生長具有一定隨機(jī)性，夾苗部件會夾取到莖稈上的枝葉。因此，影響取苗成功的主要因素是穴盤苗的生長隨機(jī)性，個別生長過快的穴盤苗莖稈上方枝葉寬大，取苗時發(fā)生干涉導(dǎo)致取苗失敗且損傷莖葉。若選用工廠化育苗的生長一致的適齡辣椒苗，夾取效果將得到提升。夾苗部件夾取穴盤苗并移動到落苗點時，由于慣性，個別穴盤苗的底部土塊晃動幅度大，穴盤苗下落到導(dǎo)苗管之外，導(dǎo)致投苗失敗。本研究的取投苗裝置整個工作過程對穴盤苗根系和基質(zhì)不會造成損傷，穴盤苗可正常生長發(fā)育。

針對取投苗速度的進(jìn)一步提高，可以更換功率更大的電機(jī)來提高直線模組上滑塊的運動速度，繼而加快夾苗模塊的運動速度，達(dá)到更佳的取投苗效果，實現(xiàn)高速移栽的目標(biāo)。

4 結(jié)論

1）? 設(shè)計了自動取投苗裝置的整體機(jī)構(gòu)部件，包括機(jī)架、取苗機(jī)構(gòu)、平移裝置、導(dǎo)苗管和控制系統(tǒng)，利用直線模組組成空間直角坐標(biāo)系，根據(jù)取苗機(jī)構(gòu)和穴盤苗之間的空間位置關(guān)系規(guī)劃取苗動作與路徑。根據(jù)取苗動作，設(shè)計了以原長40mm彈簧為動力源，夾持力為1.6N的剪叉式夾苗部件；根據(jù)路徑規(guī)劃，設(shè)計取投苗周期，有20株/min、15株/min、10株/min 3種選項靈活應(yīng)用。

2）? 設(shè)計了控制系統(tǒng)，對整機(jī)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計。硬件設(shè)計包括了硬件選型和連接電路設(shè)計，電路連接著電機(jī)、驅(qū)動器、控制器，將各軸電機(jī)聯(lián)合在一起實現(xiàn)四軸聯(lián)動。軟件設(shè)計包括了對控制器的控制，根據(jù)規(guī)劃好的取苗路徑和設(shè)定好的取苗頻率，計算控制器中的控制參數(shù)，編寫程序，完成穴盤苗72孔位的取苗動作。

3）? 完成了辣椒穴盤苗自動取苗裝置取苗試驗。試驗對象選取5盤55天苗齡的72孔穴辣椒穴盤苗，試驗結(jié)果得出：穴盤苗取苗成功率為96.39%，投苗成功率為98.27%，莖葉損傷率為7.79%。試驗表明辣椒穴盤苗自動取投苗裝置可以滿足移栽機(jī)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，驗證了設(shè)計的合理性。

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