宋元萍

（山西省農(nóng)業(yè)機械發(fā)展中心，山西太原 030031）

0 引言

當(dāng)前，主要依靠人工移栽或半自動機械設(shè)備移栽，不僅移栽效率偏低，也難以有效保證蔬菜移栽質(zhì)量。為此，有必要對自動移栽機進行設(shè)計，實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的蔬菜移栽作業(yè)。筆者在查閱大量相關(guān)資料后，設(shè)計一款結(jié)構(gòu)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(shè)計的蔬菜自動移栽機將采用牽引式設(shè)計模式，其結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計，可以細分為以下幾個部分：承載各個機構(gòu)的機架、取苗機構(gòu)、放苗機構(gòu)、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(shè)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(tǒng)，輸苗機構(gòu)將會從等待狀態(tài)進入工作狀態(tài)[1]。此時，兩條輸送帶在預(yù)熱后，以循環(huán)往復(fù)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(jīng)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(yù)設(shè)位置。取苗機構(gòu)設(shè)計平行4連桿，通過電機驅(qū)動，采用2次的往復(fù)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(huán)。取苗機構(gòu)分左、右兩側(cè)，共2組，1組擁有6個負責(zé)夾取蔬菜秧苗的苗夾，即取苗機構(gòu)共設(shè)置12個苗夾，可以實現(xiàn)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(tài)，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(xiàn)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(fā)育生長質(zhì)量。苗盤相同的列，以間隔方式夾取蔬菜秧苗，并將其轉(zhuǎn)移到分苗漏斗中。在完成苗盤的取苗工作后，PLC控制系統(tǒng)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(yè)前的所有準(zhǔn)備工作。

在自動移栽機進入行走狀態(tài)時，移栽機構(gòu)也進入獨立運行狀態(tài)。在移栽機構(gòu)上設(shè)置7個鴨嘴放苗機構(gòu)，利用鏈條、鏈輪的傳動方式，配合設(shè)計成橢圓形的苗杯，完成間歇行走、移栽間歇性配合。當(dāng)確認苗杯已經(jīng)到達分苗漏斗的正下方時，電機會讓漏斗口從閉合狀態(tài)切換成開啟狀態(tài)，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(jīng)實現(xiàn)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(tǒng)會自動提示操作人員及時補充苗盤。

自動移栽機的結(jié)構(gòu)，由以下部分組成：①負責(zé)承載整個自動移栽機負荷的地輪，鎮(zhèn)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(fā)。②蔬菜苗輸送機構(gòu)，為取苗機構(gòu)運動提供驅(qū)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(gòu)。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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，配置相應(yīng)裝置，增加自動移栽機的使用功能。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 送苗機構(gòu)

考慮到在自動移栽機的取苗機構(gòu)擁有相對固定的位置。在送苗機構(gòu)設(shè)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(yè)。正因為取苗機構(gòu)具有間歇性取苗的工作特性，在設(shè)計步進移位輸送帶時，要考慮到結(jié)構(gòu)受力問題，避免出現(xiàn)取苗間隔期間，結(jié)構(gòu)負荷失衡，增加自動移栽機側(cè)翻概率?？梢岳脵M向直線上的間歇性運動模式，解決以往步進移位輸送帶設(shè)計的結(jié)構(gòu)受力問題，保障自動移栽機的正常運行。

同時，需要在其后側(cè)下方設(shè)置若干滾輪，并在其前方設(shè)置滑塊，利用滾動作業(yè)方式，合理控制步進移位輸送帶的摩擦系數(shù)，避免出現(xiàn)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(gòu)，實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的往復(fù)運動，保證苗盤移動速度的穩(wěn)定性[2]。選用擁有較大剛性與轉(zhuǎn)動精度的螺桿轉(zhuǎn)動、螺母移動設(shè)計。螺桿直徑為25 mm，導(dǎo)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(yù)估為2 m，在吊杯輪盤轉(zhuǎn)動1周后，需要消耗5 s的時間，需保證絲桿電機機構(gòu)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(zhuǎn)速，力矩則會降低，如果轉(zhuǎn)速過快，會出現(xiàn)丟步現(xiàn)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(shù)。在原設(shè)計中，步進電機的轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/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(shù)據(jù)整理、計算可以獲得，絲桿的最小導(dǎo)程應(yīng)為8.8 mm?？紤]到步進移位輸送帶處于橫向勻速運動狀態(tài)，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(qū)動扭矩，絲桿導(dǎo)程L為10 mm。Mg約等于300 N，因為步進移位輸送帶與相關(guān)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(shù)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(qū)動扭矩T為M×0.056 N，M為苗盤重量。

對于送苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，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(yīng)裝置。②基于步進機械設(shè)備的移位輸送帶。③提供移位輸送帶動力的步進電機。④調(diào)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(yīng)。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(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，實現(xiàn)精準(zhǔn)位移控制的絲杠。

2.2 苗盤推送機構(gòu)

苗盤推送機構(gòu)可以細分為用于承載苗盤的托板、負責(zé)感應(yīng)苗盤移栽情況的感應(yīng)器、提供整個推動機構(gòu)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(yīng)器。在苗盤輸送裝置獲得苗盤后，托板底部的感應(yīng)器會感知苗盤已經(jīng)到達預(yù)設(shè)位置，并進行相應(yīng)的推送程序。等到感應(yīng)器獲得退盤信號后，液壓缸則會進入啟動狀態(tài)，在推動苗盤后，移動到初始位置[3]。

苗盤推送機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，可以簡單分為：①負責(zé)托起苗盤的盤托板。②用于短距離運輸苗盤的輸送機構(gòu)。③唯一可隨意拆卸、更換的苗盤。④用于感應(yīng)苗盤是否抵達預(yù)設(shè)位置的感應(yīng)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(jié)構(gòu)較簡單，需要先獲得液壓能，再將其轉(zhuǎn)化成機械能，帶動其他機械部件進行直線往復(fù)運動。因為液壓缸工作原理較為簡單，整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，所以工作性能可靠，在自動移栽蔬菜秧苗的環(huán)境中，可以正常工作，不會出現(xiàn)嚴(yán)重的系統(tǒng)故障。在液壓缸運動過程中，沒有傳動間隙，不需要額外設(shè)置減速裝置，可以保持全過程的平穩(wěn)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(zé)推盤作業(yè)，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(shè)計中，選擇的苗盤總長度為540 mm，當(dāng)苗盤移動到輸送帶的3/4位置，就可進行相應(yīng)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?？梢詽M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(shù)設(shè)計

擺桿主要功能是驅(qū)動苗夾，完成取苗與放苗動作，需要確保運動的穩(wěn)定性，避免蔬菜秧苗脫落。需要在設(shè)計曲柄搖桿機構(gòu)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(gòu)，其行程速比系數(shù)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(shè)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(shè)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(tài)下的曲柄搖桿運動要求。

4 取苗機構(gòu)的工作原理與運動軌跡設(shè)計

4.1 工作原理

取苗機構(gòu)主要由平行四連桿機構(gòu)、曲柄搖桿、苗夾、帶輪機構(gòu)等部分構(gòu)成。在實際工作中，苗夾需要預(yù)先固定于平行四連桿機構(gòu)的豎桿位置，并讓苗夾維持開口向下的工作狀態(tài)。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(gòu)，水平端與豎桿形成平行四連桿機構(gòu)。水平端的一側(cè)在獲得電機驅(qū)動力后，會對橫桿做圓周運動，并聯(lián)動平行四連桿的豎桿做往復(fù)運動。

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

4.2 運動軌跡

取苗機構(gòu)的各項參數(shù)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(shè)計軟件，對取苗機構(gòu)做運動仿真，可以從取苗機構(gòu)的運動軌跡中看出，連桿機構(gòu)可以保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，不會出現(xiàn)相互干涉情況。因為苗夾在取苗機構(gòu)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(jù)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(diào)整，維持苗夾對稱運動軌跡，提升蔬菜移栽的效率與質(zhì)量。

5 結(jié)論

當(dāng)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(shè)計的自動移栽機，整體結(jié)構(gòu)較為簡單，不涉及更為復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)。而且，整體結(jié)構(gòu)制造成本偏低，符合大多數(shù)種植戶的經(jīng)濟條件。盡管在移栽效率與移栽質(zhì)量上，和歐美等發(fā)達國家的自動移栽機有一定差距，在實際應(yīng)用中需要種植人員對蔬菜秧苗進行二次調(diào)整，但是本設(shè)計的自動移栽機仍具有較高的實用價值，可以適應(yīng)大多數(shù)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(shè)備安裝到自動移栽機上，具有二次改造可能性。