鮑李旭,俞高紅,b,趙 雄,b,王 磊,b

(浙江理工大學(xué),a.機械工程學(xué)院;b.浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室,杭州 310018)

0 引 言

目前,由于水土流失、荒漠化等原因,中國的可種植土地面積在不斷減少。為了提高土地利用率,大多數(shù)的綠色蔬菜采取高密度種植[1],即行距和株距都小于150 mm,如青菜、雞毛菜等[2]。這種高密度蔬菜種植主要依靠人工進行移栽[3],生產(chǎn)勞動強度大,效率低,密植移栽機是提升高密度種植效率的有效手段,但相關(guān)研究較少。

國外密植移栽機的研究主要集中在日本和韓國。如日本洋馬公司的PF2R型兩行自走式蔬菜移栽機[4],采用行星輪系-滑道式取苗機構(gòu)以及鴨嘴式栽植機構(gòu),該機型栽植行距為450 mm左右,作業(yè)株距為260～800 mm,作業(yè)效率可達2500 株/(行·h),但其作業(yè)參數(shù)不能滿足國內(nèi)青菜密植移栽的要求。日本久保田公司的KP-201CR半自動兩行自走式蔬菜移栽機[5],該機型的作業(yè)行距和株距范圍分別為280～550 mm和220～800 mm,工作效率達1500株/(行·h),但其需要人工將秧苗喂入栽植吊杯,工作量大、效率低[6],同樣不能滿足國內(nèi)密植移栽的要求。韓國的A5-1200型半自動密植移栽機[7],可以進行8行移栽作業(yè),行距設(shè)定為150 mm,而株距可在100～500 mm范圍內(nèi)調(diào)整,然而其在作業(yè)時需要2名操作人員手動進行取苗和投苗,雖然在一定程度上減少了勞動力,但并未完全實現(xiàn)自動化;此外,該機器采用間歇式的移栽方式,工作效率相對較低,僅有600 株/(行·h)。目前國內(nèi)蔬菜移栽機的植苗機構(gòu)作業(yè)株距和行距都比較大,一般在300～500 mm,無法滿足密植型蔬菜小株距小行距的栽植農(nóng)藝要求[8]。植苗機構(gòu)作為移栽機重要的工作部件[9],對移栽機的栽植效率以及栽植后的秧苗質(zhì)量均有較大影響,因此為了滿足密植型蔬菜小株距小行距的特定種植需求,設(shè)計一種與之相適應(yīng)的多行同步植苗機構(gòu)尤為關(guān)鍵。

近年來,國內(nèi)針對植苗機構(gòu)的研發(fā)工作也取得了一定的進展。黃前澤[10]、徐樂輝[11]提出了一種旋轉(zhuǎn)式非圓齒輪行星輪系單行植苗機構(gòu),該機構(gòu)植苗效率最高可達100 株/min,但其設(shè)計的非圓齒輪與栽植軌跡主要針對大株距的移栽場合。吳彥強等[12]針對山東地區(qū)辣椒密植需求,研制了自走式高密度辣椒移栽機,該機型可同時栽植6行缽苗,作業(yè)行距為300 mm,株距在160 mm左右,可滿足青菜密植的株距、行距要求。汪應(yīng)萍[13]針對青菜密植移栽的農(nóng)藝要求,提出了一種史蒂芬森型六桿八行植苗機構(gòu),其理論移栽株距和行距都為110 mm,軌跡設(shè)計滿足小株距移栽的農(nóng)藝要求,但由于連桿機構(gòu)在運動速度較高時振動較大,限制了該植苗機構(gòu)的工作效率。

密植型蔬菜的經(jīng)濟價值高、產(chǎn)量需求大,國外尚無密植型全自動移栽機,已有的小型移栽機不適用于中國密植農(nóng)藝要求。因此本文針對高密度、高效率兩大設(shè)計要求,配合八行取苗機構(gòu)進行青菜缽苗移栽作業(yè),在非圓齒輪行星輪系八行取苗機構(gòu)[14]的基礎(chǔ)上提出了一種非圓齒輪行星輪系八行植苗機構(gòu),實現(xiàn)小株距與小行距多行移栽,以解決密植型蔬菜的機械化移栽的難題,促進密植型蔬菜缽苗機械化移栽的進程,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量,為密植移栽機的進一步研究提供技術(shù)支持和參考。

1 八行植苗機構(gòu)的工作原理

針對密植型蔬菜小行距小株距、多行同步植苗的農(nóng)藝要求,本文提出了一種非圓齒輪行星輪系八行植苗機構(gòu),機構(gòu)示意圖如圖1所示。該機構(gòu)主要分為兩部分:傳動部分和鴨嘴式栽植器部分。齒輪箱對稱布置在機構(gòu)左右兩側(cè),兩個齒輪箱之間等間距布置有16個栽植器(上下各8個),實現(xiàn)八行同步移栽。

1.太陽輪;2.中間輪I;2′.中間輪Ⅱ;3.行星輪;4.行星輪軸;5.行星架;6.凸輪;7.太陽輪軸;8.中間輪I;8′.中間輪Ⅱ;9.行星輪;10.左栽植嘴;11.左擺動臂;12.右擺動臂;13.右栽植嘴圖1 八行植苗機構(gòu)示意圖

該機構(gòu)的傳動部分由7個非圓齒輪組成,中間輪8和8′、行星輪9分別是由中間輪2和2′、行星輪3繞太陽輪1嚙合旋轉(zhuǎn)180°得到。太陽輪1、中間齒輪2和2′、行星齒輪3和行星架5構(gòu)成齒輪系傳動,作業(yè)時太陽輪固定不動,行星架順時針勻速轉(zhuǎn)動[15],太陽輪1與中間輪2相互嚙合傳動,中間輪2′與中間輪2固定在一起,而中間輪2′與行星輪3相互嚙合傳動,使得行星輪作逆時針非勻速轉(zhuǎn)動[16],栽植器通過行星輪軸4與行星輪3固連,通過兩級非圓齒輪傳動形成了植苗軌跡。

由于該植苗機構(gòu)整體是左右對稱的,以最左側(cè)的齒輪箱和栽植器為例,對其余14個栽植器及另一側(cè)齒輪箱進行簡化處理。在旋轉(zhuǎn)式傳動箱體上下對稱布置2個栽植器[17]。由于上下兩個栽植器是相同的,因此本文以上栽植器為例對如何進行栽植作業(yè)作具體說明。栽植器機構(gòu)簡圖如圖2所示。固定板與行星輪軸固定在一起,而行星輪軸與行星輪也固定在一起,故行星輪會帶動固定板一起作非勻速轉(zhuǎn)動。左右擺動臂分別通過鉸鏈與固定板連接,在固定板轉(zhuǎn)動時,左擺動臂會與固連在行星架上的凸輪推程段發(fā)生碰撞,左擺動臂相對于固定板順時針旋轉(zhuǎn)一定角度,進而帶動右擺動臂相對于固定板逆時針旋轉(zhuǎn)一定角度。由于左右栽植嘴分別與左右擺動臂固定在一起,故左右栽植嘴也會隨著左右擺動臂同時轉(zhuǎn)動,此時形成了栽植器的張開狀態(tài),左擺動臂與凸輪的遠休止段碰撞,使栽植器的張開狀態(tài)持續(xù)一段時間。固定板繼續(xù)轉(zhuǎn)動,在拉簧的拉力作用下,左擺動臂與凸輪的回程段碰撞,左右栽植嘴迅速閉合。如此,行星架的周期性旋轉(zhuǎn)使栽植器進入周期性的張開和閉合狀態(tài)。

4.行星輪軸;6.凸輪;10.左栽植嘴;11.左擺動臂;12.右擺動臂;13.右栽植嘴;14.固定板;15.拉簧圖2 栽植器機構(gòu)簡圖(左視)

2 植苗機構(gòu)運動學(xué)模型

運動學(xué)分析是優(yōu)化設(shè)計的重要手段,以在滿足運動要求的前提下優(yōu)化機構(gòu)參數(shù),進而降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[18]。由于八行植苗機構(gòu)兩側(cè)完全對稱,且一行8個栽植器運動軌跡完全一樣,故在運動學(xué)建模時可只取一側(cè)栽植器作分析。非圓齒輪可簡化為節(jié)曲線的形式,非圓齒輪間的嚙合旋轉(zhuǎn)可簡化為節(jié)曲線間的純滾動,本文構(gòu)建的植苗機構(gòu)運動學(xué)模型如圖3所示。以太陽輪旋轉(zhuǎn)中心O點為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系[19],對X軸下方的非圓齒輪及栽植器進行計算和求解,而上方的非圓齒輪及栽植器由前者繞太陽輪嚙合旋轉(zhuǎn)180°得到。首先分析行星輪系中各非圓齒輪之間存在的轉(zhuǎn)角關(guān)系,并構(gòu)建傳動比函數(shù);然后在齒輪嚙合中心距給定的條件下計算出非圓齒輪的節(jié)曲線坐標(biāo),并推導(dǎo)出植苗機構(gòu)栽植器尖點D的位移和速度方程;最后獲得由栽植器尖點D周期運動形成的植苗軌跡。

圖3 植苗機構(gòu)運動學(xué)模型

植苗機構(gòu)運動學(xué)模型中的參數(shù)及其說明見表1。由于中間輪2和2′固連,它們在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的角位移相等,故在建立運動學(xué)模型時,為了簡化建模過程,可以將中間輪2和2′先視作同一個非圓齒輪,在后續(xù)計算非圓齒輪節(jié)曲線坐標(biāo)時再分開計算。

表1 植苗機構(gòu)運動學(xué)模型參數(shù)說明

已知非圓齒輪節(jié)曲線是封閉的,即轉(zhuǎn)角φ變化范圍為φ∈[0,2π]。由于行星輪和中間輪的轉(zhuǎn)角是在同一時間內(nèi)完成的[20],即存在對應(yīng)關(guān)系:φ31=f(φ21),當(dāng)φ21=0時φ31=0,當(dāng)φ21=2π時φ31=2π。根據(jù)上述轉(zhuǎn)角關(guān)系,先設(shè)定行星輪與中間輪的轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系為:

(1)

將φ21=0及φ21=2π分別代入式(1)中,驗證

其滿足上述設(shè)定的轉(zhuǎn)角約束條件。

由式(1)可求得中間輪與行星輪的傳動比函數(shù):

(2)

其中:ω2為中間輪的自轉(zhuǎn)角速度;ω3為行星輪的自轉(zhuǎn)角速度。

由于太陽輪與中間輪,中間輪與行星輪之間的中心距是相等的,因此得到:

(3)

其中:φ23為中間輪相對于行星架的角位移;φ32為行星輪相對于行星架的角位移。

將式(3)代入式(2)中,可以得到:

(4)

由于太陽輪和行星輪對稱分布在中間輪兩側(cè),易知:

r21(φ21)=r23(φ21+π)

(5)

將式(4)代入式(5)中,可以得到:

(6)

由于太陽輪與中間輪的節(jié)曲線周長相等,則有:

(7)

當(dāng)行星架轉(zhuǎn)過dφ1時,中間輪轉(zhuǎn)過dφ21,即r21(φ21)dφ21=r12(φ1)dφ1,則有:

(8)

將式(6)代入式(8),可以得到:

(9)

式(9)可改寫為φ1=F(φ21),則:

(10)

將式(10)代入式(1)中,便得到了φ31與φ1的函數(shù)關(guān)系,由于自變量φ1是已知量,故中間輪的角位移φ21和行星輪的角位移φ31可以輕易求解。

在用數(shù)值法求解行星輪系總傳動比時,可以將行星架旋轉(zhuǎn)一周的轉(zhuǎn)角單位化,取360等分,則有:

(11)

其中:ω1為行星架角速度(勻速),負號代表行星輪與行星架旋轉(zhuǎn)方向相反。

為了便于求解各個非圓齒輪的節(jié)曲線,需要對中間輪2和中間輪2′分開求解。根據(jù)行星輪系轉(zhuǎn)化原理,給太陽輪加上一個假想旋轉(zhuǎn),大小等于行星架轉(zhuǎn)速ω1,方向與ω1相反,則行星輪系轉(zhuǎn)化為定軸輪系[21]。在轉(zhuǎn)化輪系中,行星輪與太陽輪的傳動比在數(shù)值上等于原行星輪系中行星輪與行星架的傳動比i31,中間輪2與太陽輪的傳動比在數(shù)值上也等于原行星輪系中中間輪2與行星架的傳動比i21:

(12)

則太陽輪與中間輪2嚙合的向徑分別為:

(13)

中間輪2′與行星輪的傳動比:

(14)

則中間輪2′與行星輪嚙合的向徑分別為:

(15)

至此,已知非圓齒輪節(jié)曲線的向徑和對應(yīng)的轉(zhuǎn)角,便可在極坐標(biāo)系下繪出非圓齒輪的節(jié)曲線。

接下來建立栽植器尖點D的運動學(xué)方程,其中行星輪軸心的位移方程為:

(16)

栽植器尖點D的位移方程:

(17)

將式(16)和式(17)分別對時間t求導(dǎo),可以得到行星輪軸心和栽植器尖點D的速度方程:

(18)

(19)

3 參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1 機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件

栽植器軌跡的形狀是影響植苗功能的主要因素[22]。根據(jù)上文建立的機構(gòu)運動學(xué)模型可知,為獲取一條符合青菜小株距移栽農(nóng)藝要求的植苗軌跡及軌跡參數(shù),需要對非圓齒輪行星輪系各機構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整。這是一個復(fù)雜的多目標(biāo)多變量優(yōu)化問題,每調(diào)整一次參數(shù),都需要重新計算相關(guān)的數(shù)據(jù),計算量龐大,而人機交互優(yōu)化方式能較好解決該難題。本文基于Visual Basic 6.0編寫了計算非圓齒輪節(jié)曲線的輔助分析與優(yōu)化設(shè)計軟件,為了便于用戶和計算機之間的信息交互,搭建了如圖4所示的用戶界面(UI),UI可以為設(shè)計工作帶來簡便性和直觀性。該軟件的主界面包括菜單欄(區(qū)域1)、工具欄(區(qū)域2)、參數(shù)輸入欄(區(qū)域3)、參數(shù)輸出窗口(區(qū)域4)和圖形顯示窗口(區(qū)域5)等5個主要區(qū)域。

圖4 植苗機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化設(shè)計軟件界面

在機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中,相關(guān)參數(shù)的調(diào)整在參數(shù)輸入欄中進行,而一些重要參數(shù)值的輸出,包括栽植器出土角和入土角等,則顯示在輸出窗口中。區(qū)域5是軟件的主要顯示和人機交互區(qū)域,通過調(diào)整區(qū)域3中的參數(shù)可以實時地將植苗機構(gòu)的位置和運動狀態(tài)顯示在區(qū)域5中,包括栽植器尖點的相對運動軌跡(靜軌跡)、絕對運動軌跡(動軌跡)和缽苗栽植位置等。此外,通過點擊區(qū)域5中的任意兩點可以測量出兩點間的直線距離,便于設(shè)計者得到除區(qū)域4顯示的參數(shù)以外的重要設(shè)計參數(shù),包括軌跡高度、軌跡寬度、環(huán)扣高度、環(huán)扣寬度[23]等。機構(gòu)水平前進速度可通過式(20)計算:

v=z·n·p

(20)

其中:v為機構(gòu)水平前進速度,mm/s;z為行星輪系植苗機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周的栽植次數(shù),r-1;n為機構(gòu)轉(zhuǎn)速,r/s;p為栽植株距,mm。

3.2 主要參數(shù)對種植軌跡的影響分析

為了滿足小株距移栽(株距小于150 mm)的農(nóng)藝要求,需要對軌跡的形狀尺寸和栽植器的姿態(tài)設(shè)定約束條件[24],具體應(yīng)滿足以下5個優(yōu)化目標(biāo):

a)栽植器的垂直平分線(對應(yīng)著缽苗的姿態(tài))在尖點D進入和離開土面時與土面(假設(shè)為水平面)的夾角應(yīng)大于70°。

b)為了避免植苗機構(gòu)在運行過程中與移栽機其他部位發(fā)生干涉,相對運動軌跡(靜軌跡)寬度應(yīng)小于200 mm,高度小于250 mm。

c)為避免栽植器植苗完成后,離開土面高度不夠而夾住葉子帶出缽苗,靜軌跡的高度應(yīng)大于200 mm。

d)栽植器尖點D的動軌跡需要存在一個細長形環(huán)扣,該環(huán)扣的高度要大于40 mm、寬度小于15 mm,以基本達到零速度栽植,并保證缽苗栽植后的直立度。

e)栽植機構(gòu)尺寸不宜過大,否則在旋轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生干涉碰撞;但又不宜過小,否則會導(dǎo)致植苗深度不夠。青菜缽苗的高度一般在120 mm左右,故栽植器的長度宜在160～200 mm之間。

通過該軟件進行植苗機構(gòu)的輔助分析和優(yōu)化設(shè)計時,設(shè)計者需要在參數(shù)輸入窗口內(nèi)輸入主要參數(shù)值,然后根據(jù)區(qū)域5中顯示的植苗軌跡、參數(shù)輸出欄中的重要參數(shù)值來調(diào)整輸入的參數(shù)大小,以獲得最佳的種植軌跡。為了便于調(diào)整這些參數(shù)以獲得最佳結(jié)果,必須了解每個參數(shù)對種植軌跡的影響。因此,本文采用控制變量法來分析每個重要參數(shù)的改變會對植苗軌跡的形態(tài)和大小產(chǎn)生怎樣的影響。

優(yōu)化參數(shù)主要有:兩相嚙合非圓齒輪的中心距a,傳動比系數(shù)k1、k2、k3,行星架初始安裝角φ0,栽植器相對于行星架的初始安裝角α0,中間輪相對于行星架的初始安裝角γ0。

3.2.1 中心距a對植苗軌跡的影響

不同中心距a下的植苗機構(gòu)相對運動和絕對運動軌跡如圖5所示。通過只改變a可以看出,隨著中心距a的增加,栽植器尖點D的相對運動軌跡逐漸變高變寬,而其絕對運動軌跡在最低端逐漸形成一個更小更深的環(huán)扣。

圖5 中心距a的改變對植苗軌跡的影響示意圖

3.2.2 傳動比系數(shù)k1對植苗軌跡的影響

不同傳動比系數(shù)k1下植苗機構(gòu)的相對運動和絕對運動軌跡如圖6所示。通過僅改變k1可以看出,隨著傳動比系數(shù)k1的增大,相對運動軌跡的高度保持不變,寬度逐漸變大;而絕對運動軌跡的環(huán)扣逐漸變小,這會影響栽植機構(gòu)的零速度移栽,進而影響缽苗的直立度。k1的選取取決于靜軌跡的寬度和動軌跡的環(huán)扣尺寸要求。

圖6 傳動比系數(shù)k1的改變對植苗軌跡的影響示意圖

3.2.3 傳動比系數(shù)k2對植苗軌跡的影響

不同傳動比系數(shù)k2下植苗機構(gòu)的相對運動和絕對運動軌跡如圖7所示。通過僅改變k2可以看出,隨著傳動比系數(shù)k2的增大,相對運動軌跡的頂部變寬,而其底部變窄,同時軌跡高度保持不變;而在絕對運動軌跡上,底部環(huán)扣逐漸變寬變高,環(huán)扣過大會導(dǎo)致缽苗的直立度變差。k2的選取同樣取決于靜軌跡的寬度和動軌跡的環(huán)扣尺寸要求。

圖7 傳動比系數(shù)k2的改變對植苗軌跡的影響示意圖

3.2.4 傳動比系數(shù)k3對植苗軌跡的影響

不同傳動比系數(shù)k3下植苗機構(gòu)的相對運動和絕對運動軌跡如圖8所示。通過僅改變k3可以看出,隨著傳動比系數(shù)k3的增大,相對運動軌跡底部變寬,上端變窄,軌跡高度保持不變;絕對運動軌跡環(huán)扣寬度明顯變小,環(huán)扣高度變小。k3的選取取決于栽植直立度和動軌跡的環(huán)扣尺寸要求。

圖8 傳動比系數(shù)k3的改變對植苗軌跡的影響示意圖

3.2.5 行星架初始安裝角φ0對植苗軌跡的影響

不同初始安裝角φ0下植苗機構(gòu)的相對運動和絕對運動軌跡如圖9所示。通過僅改變φ0可以注意到,隨著初始安裝角φ0的增加,相對運動軌跡和絕對運動軌跡的形狀和大小沒有改變,軌跡整體向右上方旋轉(zhuǎn)。為了保證植苗機構(gòu)在軌跡上端(接苗階段)運動時的平穩(wěn)性,相對運動軌跡上端應(yīng)盡量水平。φ0的選取取決于栽植器接苗時的垂直度和栽植直立度要求。α0和γ0的選取依據(jù)與φ0基本類似。

圖9 行星架初始安裝角φ0的改變對植苗軌跡的影響示意圖

根據(jù)前面的分析,行星齒輪系的中心距a主要影響軌跡的大小,從而影響植苗機構(gòu)的總體尺寸。行星架初始安裝角φ0、栽植器相對于行星架的初始安裝角α0和中間輪相對于行星架的初始安裝角γ0主要影響軌跡整體的角度,它們對植苗軌跡的大小影響微乎其微。傳動比系數(shù)k1、k2和k3對絕對運動軌跡最低端的環(huán)扣形狀和尺寸影響最大。

3.3 植苗機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化步驟與結(jié)果

為了得到符合前文提出的若干優(yōu)化目標(biāo)的植苗軌跡,參數(shù)優(yōu)化過程如下:

a)預(yù)先人為給定一組各參數(shù)初始值,同時也會獲得對應(yīng)的植苗軌跡和一組優(yōu)化目標(biāo)值。

b)通過上述分析明確了各參數(shù)變化對植苗軌跡的影響規(guī)律,通過人機交互的方式不斷針對性改變上述各參數(shù)值大小,直到植苗軌跡和其對應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)值逐步符合要求。

依據(jù)上述步驟,最終得到一組較優(yōu)的機構(gòu)參數(shù):a=59 mm,k1=-0.12,k2=0.07,k3=0,φ0=-54°,α0=-164°,γ0=142°,S=185 mm。此時,栽植器插入壟面的深度為60 mm,對應(yīng)于前文優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果如表2所示,相關(guān)數(shù)據(jù)在軌跡中測量的位置如圖10所示。

表2 指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果與設(shè)計目標(biāo)的對比

1.相對運動軌跡;2.絕對運動軌跡圖10 理論植苗軌跡及優(yōu)化結(jié)果示意圖

4 八行植苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

4.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

非圓齒輪行星輪系八行同步植苗機構(gòu)的三維模型如圖11所示,該機構(gòu)由兩套對稱布置的行星輪系齒輪箱和上下布置的16個栽植器部件組成。在植苗機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動過程中,由于16個栽植器通過L型橫桿固連,故植苗軌跡完全相同。該八行植苗機構(gòu)設(shè)定的理論株距為110 mm,橫向連續(xù)布置的8個栽植器的間距為110 mm,故理論行距也為110 mm。

圖11 八行植苗機構(gòu)三維模型

4.2 植苗機構(gòu)仿真分析

基于SolidWorks Motion模塊對建立好的植苗機構(gòu)(單邊)進行運動學(xué)仿真分析,得到栽植器尖點的相對運動軌跡仿真結(jié)果,如圖12(a)所示;并將其與輔助分析與優(yōu)化設(shè)計軟件中的理論軌跡作對比[25],如圖12(b)所示,仿真軌跡與理論軌跡基本重合,對比情況驗證了三維模型設(shè)計的正確性。

圖12 仿真結(jié)果與軌跡對比示意圖

除了將仿真軌跡的形狀與理論軌跡做對比外,還需要驗證本文提出的若干優(yōu)化目標(biāo)值。優(yōu)化目標(biāo)值在仿真軌跡中的示意圖如圖13所示,齒輪箱以連桿形式表示,壟面設(shè)定在軌跡最底端上方60 mm處。仿真結(jié)果與理論優(yōu)化值對比情況如表3所示,可以看出,同一優(yōu)化指標(biāo)下的仿真值和理論值基本一致,進一步驗證了三維設(shè)計的正確性。

圖13 優(yōu)化目標(biāo)值在仿真軌跡中的示意圖

表3 優(yōu)化目標(biāo)值的理論優(yōu)化結(jié)果和與仿真結(jié)果

利用SolidWorks Motion模塊的速度分析功能導(dǎo)出栽植器下端尖點D一個周期內(nèi)的水平和豎直方向的速度變化數(shù)據(jù),并在Origin中繪制仿真速度曲線和理論速度曲線進行對比如圖14所示。由于零件間存在碰撞,所以曲線存在鋸齒狀波動,但不會影響整體變化趨勢,仿真速度曲線與理論速度曲線基本重合,進一步驗證了三維模型設(shè)計的正確性。仿真設(shè)定的機架轉(zhuǎn)速為20 r/min,水平方向速度曲線在0.3 s左右時存在速度接近0 mm/s的時刻,對應(yīng)的豎直方向速度曲線在0.3 s左右時存在速度為0 mm/s的時刻,此時栽植器正在執(zhí)行植苗動作,可以實現(xiàn)接近零速度植苗。

圖14 尖點D仿真速度曲線和理論速度曲線對比示意圖

5 八行植苗機構(gòu)的試驗

為了進一步驗證八行植苗機構(gòu)理論計算模型的正確性以及運用到實際工作的可靠性,將實物樣機裝配在自主設(shè)計的青菜高密度八行自動移栽機上進行田間試驗,八行植苗機構(gòu)實物樣機如圖15中矩形框內(nèi)所示,青菜高密度自動移栽機整體如圖16所示。

圖16 青菜高密度移栽機實物樣機照片

試驗場地壟面寬110 cm,壟高15 cm;試驗選用培育時間為30 d的青菜苗,苗株高8～15 cm,真葉數(shù)3～5片,散坨率小于5%(缽苗的盤根效果會直接影響取苗效果)。植苗機構(gòu)田間試驗如圖17所示,株距測量結(jié)果如圖18所示,相鄰青菜苗的距離約為110 mm,與理論設(shè)計株距一致,驗證了實物樣機搭建的正確性。

圖17 田間試驗移栽作業(yè)照片

試驗中取苗機構(gòu)轉(zhuǎn)速設(shè)置為15 r/min,由于取苗機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周可取苗16株,八行植苗機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周可以栽植缽苗16株,故對應(yīng)的植苗機構(gòu)轉(zhuǎn)速也設(shè)置為15 r/min,移栽機前進速度為55 mm/s,移栽株距和行距均為110 mm,故移栽效率為240株/min。移栽過程中,出現(xiàn)漏栽、倒伏、埋苗[26]均記為移栽失敗。試驗結(jié)束后,根據(jù)記錄的缽苗總數(shù)以及移栽成功數(shù),可以計算出移栽成功率。由于缽苗移栽需要經(jīng)過取苗、植苗兩個階段,故移栽成功率實際上與取苗成功率、植苗成功率存在一定關(guān)系,而本文主要研究對象為植苗機構(gòu),故應(yīng)由植苗成功率而非移栽成功率來反映機構(gòu)的實用性,所以還需要記錄取苗成功率。為了忽略取苗失敗的影響,假設(shè)取苗成功率可以達到100%。本文植苗成功率由式(21)計算得出:

(21)

其中:σz為植苗成功率;σy為移栽成功率;σq為取苗成功率。

移栽試驗結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所示,經(jīng)過10次移栽試驗,平均植苗成功率達到93.9%。在取苗成功率假設(shè)為100%的前提下,植苗成功率未達到100%的主要原因在于取苗成功之后還存在推苗過程。在該過程中,如果缽苗沒有以較好的姿態(tài)落入栽植嘴中,會直接影響植苗效果,導(dǎo)致移栽失敗。

綜上所述,移栽失敗的原因主要有:a)漏栽。取苗機構(gòu)在推苗階段未能成功將缽苗推入栽植器中,存在缽苗葉子掛在取苗機構(gòu)上的情況。b)倒伏。在取苗機構(gòu)推苗后,缽苗由于與導(dǎo)苗杯存在碰撞,影響了缽苗下落的姿態(tài),使其落入栽植器時缽苗基質(zhì)不再朝下。c)埋苗。壟面高低不平,部分缽苗栽植過深時會被覆土機構(gòu)的覆土過程掩埋。

青菜密植移栽照片如圖19所示,移栽密度超過70株/m2,從圖中可以看出,除去個別漏栽、倒伏、埋苗的情況,整體效果滿足青菜移栽農(nóng)藝要求,表明該非圓齒輪行星輪系八行植苗機構(gòu)具備可行性及實用性。

圖19 青菜缽苗移栽照片

6 結(jié) 論

本文為實現(xiàn)青菜缽苗的機械化高效移栽作業(yè),基于青菜缽苗移栽的株距行距農(nóng)藝要求,提出了一種旋轉(zhuǎn)式非圓齒輪行星輪系八行植苗機構(gòu)。通過開展非圓齒輪行星輪系的運動學(xué)建模與分析、參數(shù)優(yōu)化、植苗機構(gòu)的虛擬樣機仿真和田間試驗等研究工作,得到的主要結(jié)論如下:

a)借助編寫的植苗機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化設(shè)計軟件,通過人機交互的方式獲得了一組最優(yōu)的機構(gòu)參數(shù),此時設(shè)計株距為110 mm,滿足青菜移栽的小株距要求。通過橫向連續(xù)布置八個栽植器實現(xiàn)八行同步植苗,此時設(shè)計行距為110 mm,滿足青菜移栽的小行距要求。

b)開展了植苗機構(gòu)三維模型的虛擬樣機仿真,并將仿真軌跡和理論軌跡進行了對比,驗證了植苗機構(gòu)設(shè)計的正確性。

c)進行了實物樣機的田間移栽試驗,在作業(yè)轉(zhuǎn)速為15 r/min、前進速度為55 mm/s的情況下,平均植苗成功率達到了93.9%,移栽密度超過70株/m2,滿足青菜小株距小行距移栽的農(nóng)藝要求,驗證了該植苗機構(gòu)的實用性。

本文為蔬菜缽苗密植移栽機植苗機構(gòu)的研發(fā)提供了理論和試驗依據(jù),從而推動密植型蔬菜機械化移栽的進程。