一種種苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗送苗裝置

徐廣鵬，張闖闖，楊鐵鋼，劉存祥，李曉虎

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州　450002;2.河南省農(nóng)科院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，鄭州　450002)

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一種種苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗送苗裝置

徐廣鵬1，張闖闖1，楊鐵鋼2，劉存祥1，李曉虎1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002;2.河南省農(nóng)科院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，鄭州450002)

摘要：在了解國內(nèi)外旱地栽植技術(shù)和移栽機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，研制了一套種苗自動(dòng)取苗送苗機(jī)構(gòu)。該裝置采用PLC程序進(jìn)行控制，使分苗系統(tǒng)和送苗系統(tǒng)按照各自的要求實(shí)現(xiàn)其動(dòng)作，完成所需要的功能。該機(jī)構(gòu)是一種集自動(dòng)取苗、送苗、放苗于一體的多功能機(jī)電氣一體化裝置，可在種苗移栽的過程中代替人力來實(shí)現(xiàn)取苗、送苗的操作，且可應(yīng)用于棉花、番茄、玉米等作物穴盤育苗的種苗移栽。

關(guān)鍵詞：移栽機(jī)；取苗；送苗；自動(dòng)

0引言

目前，我國的旱地作物大部分都還是采用播種、自動(dòng)出苗、間苗、中期管理等階段進(jìn)行種植。種苗移栽有許多優(yōu)點(diǎn)：可以延長作物的大田生長周期，減少由于直接種植而出現(xiàn)的漏播、缺苗、苗生長勢差異較大等缺陷[1-2]。研究表明，在適宜的時(shí)間段采用機(jī)械移栽，能夠使產(chǎn)量大幅度提高(20%～25%，品質(zhì)更優(yōu)[3])。因此，多種作物采用了移栽種植方式(如甜玉米、番茄、辣椒、烤煙、棉花等)，種苗移栽種植機(jī)械具有廣闊的應(yīng)用前景。

長期以來，我國旱地作物的移栽，從穴盤育苗到種苗移栽入土，中間的工作環(huán)節(jié)大部分依靠人力來完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且效率低下；特別是農(nóng)忙季節(jié)，由于大部分農(nóng)民外出打工，勞動(dòng)力短缺，稍有耽誤，就容易貽誤農(nóng)時(shí)，影響產(chǎn)量[4-5]。我國研制移栽機(jī)已有30年多的歷史，某些方面取得了一定突破，對我國旱地作物及大部分蔬菜的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用[6]，但仍存在如下一些問題：半自動(dòng)移栽機(jī)必須在人工送苗的情況下，才能正常地完成工作；人工取苗、送苗過程中速度不能太快，否則人容易疲勞，造成漏苗現(xiàn)象[7]。目前使用的一些移栽機(jī)械，基本都是采取人工取苗、送苗進(jìn)行移栽作業(yè)；人工取苗、送苗環(huán)節(jié)的速度限制及移栽過程中占用了過多的勞動(dòng)力，制約了種苗移栽機(jī)械的大面積應(yīng)用[8-9]。

研制新型自動(dòng)取苗、送苗機(jī)構(gòu)將提高整個(gè)移栽機(jī)械的效能和價(jià)值[10]。因此，開展自動(dòng)取苗、送苗裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，對于旱地自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展具有重要意義[11]。

為此，筆者研制了一種種苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗、送苗裝置，可在種苗移栽的過程中代替人力來完成取苗、送苗的過程。

1自動(dòng)取苗送苗機(jī)構(gòu)及工作原理

該裝置由自動(dòng)取苗和送苗兩部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1自動(dòng)取苗系統(tǒng)

該系統(tǒng)由無桿氣缸滑塊位置傳感器、起苗工作臺(tái)、橫向移動(dòng)氣缸、氣動(dòng)制動(dòng)裝置、無桿氣缸、直線導(dǎo)軌、垂直方向雙桿氣缸及機(jī)械手等組成。圖2為夾取動(dòng)作的工作過程。工作時(shí)，由PLC對相應(yīng)元件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)連續(xù)取苗過程。PLC控制電磁閥給無桿氣缸通入氣體，使無桿氣缸滑塊上的起苗工作臺(tái)從起始位置在直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，通過設(shè)定相應(yīng)的無桿氣缸滑塊位置傳感器，使起苗工作臺(tái)帶動(dòng)機(jī)械手在到達(dá)要抓取種苗行的位置后，在氣動(dòng)制動(dòng)裝置作用下停止；通過PLC控制，機(jī)械手由張開狀態(tài)到閉合狀態(tài)，待機(jī)械手夾住種苗以后，對垂直方向雙桿氣缸通氣，使機(jī)械手帶動(dòng)種苗向上提升一定的距離；再對無桿氣缸通氣，使無桿氣缸的滑塊帶動(dòng)與其相連的起苗工作臺(tái)回到起始位置上方，對垂直方向雙桿氣缸放氣，使機(jī)械手帶動(dòng)種苗下落到起始位置；松開機(jī)械手，種苗由于自重作用掉入導(dǎo)苗管里，完成該行的一次取苗動(dòng)作；然后，通過PLC控制橫向移動(dòng)氣缸，推動(dòng)垂直方向雙桿氣缸的整體位置沿橫向移動(dòng)滑桿移動(dòng)1個(gè)穴孔距離，使機(jī)械手對應(yīng)該行的間隔孔穴剩下的種苗，再重復(fù)前面的取苗動(dòng)作，把本行剩下的種苗取走，送入導(dǎo)苗管里。

1.無桿氣缸滑塊位置傳感器　2.起苗工作臺(tái)　3.橫向移動(dòng)氣缸　4.氣動(dòng)制動(dòng)裝置　5.無桿氣缸　6.直線導(dǎo)軌　7.垂直方向雙桿氣缸

圖2　夾取動(dòng)作的工作過程

橫向移動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3所示。每盤苗第1次抓取苗后橫向移動(dòng)1個(gè)穴孔距離，此后每兩次抓取苗后橫向移動(dòng)1個(gè)穴孔距離；如此往返運(yùn)動(dòng)，直到把穴盤中所有行數(shù)的種苗全部送入導(dǎo)苗管里。

1.2自動(dòng)送苗系統(tǒng)

該系統(tǒng)(見圖1)由導(dǎo)苗管、鏈輪傳動(dòng)裝置、活門、水平固定板、步進(jìn)電機(jī)等組成。工作時(shí)，通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鏈輪傳動(dòng)裝置上的導(dǎo)苗管在水平固定板上滑動(dòng)；待導(dǎo)苗管轉(zhuǎn)到水平固定盤上的拱形缺口時(shí)，活門在其自身重力、種苗及所帶基質(zhì)重力的作用下，向下自動(dòng)打開，種苗由于自重掉入下邊的移栽機(jī)吊籃內(nèi)；吊籃轉(zhuǎn)動(dòng)到地面自動(dòng)打開放下種苗，覆土輪覆土固定種苗，完成種苗移栽操作。

圖3　橫向移動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)規(guī)律

2自動(dòng)取苗系統(tǒng)的研制

該系統(tǒng)利用機(jī)械手取苗，然后將種苗送入導(dǎo)苗管。依據(jù)取苗的工作原理，該系統(tǒng)的研制主要包括兩部分：①機(jī)械手系統(tǒng)；②氣動(dòng)定位系統(tǒng)。

2.1機(jī)械手系統(tǒng)

該系統(tǒng)的應(yīng)用對象是種苗，種苗高度范圍定為100～200mm。依據(jù)各種機(jī)械手的特點(diǎn)，該系統(tǒng)選用Y型氣動(dòng)手指(缸徑16mm)作為取苗的工具，也可以選用液壓、電動(dòng)和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作為取苗的工具。鑒于種苗易于被夾傷，在氣動(dòng)手指上固定了較軟的海綿墊片。由于單個(gè)機(jī)械手的寬度為30.6mm,而選用苗盤的規(guī)格為10×20(行×列)穴，其外形尺寸為280mm×540mm，所以采用1排固定5個(gè)機(jī)械手的方案對種苗進(jìn)行隔行抓取，1次可以抓取5棵種苗，1行種苗需要2次抓取。圖4為氣動(dòng)手指的排布方案。

圖4　氣動(dòng)手指的排布方案

選用PLC(型號(hào)為CP1H-X40DR-A)作為控制單元，通過PLC對相應(yīng)元件的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械手自動(dòng)連續(xù)取苗過程，其動(dòng)作包括帶動(dòng)機(jī)械手自動(dòng)上升、下降、前移、后移、左移和右移，以及機(jī)械手夾緊、松開。這些動(dòng)作分別由各自的電磁閥來控制相應(yīng)執(zhí)行元件，完成相應(yīng)的動(dòng)作；此外，可手動(dòng)控制機(jī)械手完成夾住種苗和松開種苗的功能。在編寫程序中，增加了互鎖回路保護(hù)，以防止發(fā)生誤動(dòng)作而引起事故。

2.2氣動(dòng)定位系統(tǒng)

根據(jù)該系統(tǒng)的研制要求，選用了型號(hào)為CY1B25-900的磁偶式無桿氣缸，其定位原理如圖5所示。氣動(dòng)定位系統(tǒng)由氣缸控制閥(三位五通)、制動(dòng)閥(二位五通)、無桿氣缸滑塊位置傳感器(圖1中序號(hào)1)、無桿氣缸(圖1中序號(hào)5)及無桿氣缸滑塊位置控制器(即圖1中氣動(dòng)制動(dòng)裝置4)等組成，可實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)的柔性定位和無級(jí)調(diào)速。

圖5　氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)原理示意圖

當(dāng)取苗時(shí)，要求無桿氣缸滑塊帶動(dòng)氣動(dòng)手指到達(dá)正確位置±5mm范圍內(nèi)停止。筆者采用不同的壓力來測試氣動(dòng)手指的停止位置，以確定無桿氣缸的可靠性。分別采用0.20、0.25、0.30、0.35MPa的壓力，結(jié)果顯示氣動(dòng)手指停止的位置距離正確的位置相差很大，因此僅靠無桿氣缸自身不能精確定位，無法滿足工況要求。因此，設(shè)計(jì)了一個(gè)氣動(dòng)制動(dòng)裝置(見圖6)，在氣動(dòng)手指到達(dá)正確位置需停止時(shí)，無桿氣缸滑塊位置信號(hào)傳給PLC，PLC控制圖中的氣缸進(jìn)氣，氣缸推動(dòng)摩擦片與直線導(dǎo)軌摩擦，起到制動(dòng)的作用，使無桿氣缸滑塊帶動(dòng)氣動(dòng)手指停止在要求位置。

1.氣缸固定板　2.氣缸　3.摩擦片　4.直線導(dǎo)軌

安裝氣動(dòng)制動(dòng)裝置以后，再次對制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測試，氣動(dòng)手指停止位置距離正確位置的距離均在±5mm內(nèi)，能夠滿足試驗(yàn)的要求。

3自動(dòng)送苗系統(tǒng)的研制

該系統(tǒng)受同一PLC控制，利用步進(jìn)電機(jī)的精確定位，帶動(dòng)送苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，保證完成機(jī)械手放種苗到導(dǎo)苗管的同步，并使導(dǎo)苗管里的種苗行走一段距離后落入移栽機(jī)的吊籃里。種苗的送苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.鏈條　2.導(dǎo)苗管　3.鏈輪

依據(jù)送苗的工作原理，該系統(tǒng)選用了型號(hào)為2S130Y-063R8的步進(jìn)電機(jī)，采用鏈條作為傳動(dòng)方式。其余的研制內(nèi)容主要包括以下3個(gè)部分：①導(dǎo)苗管的設(shè)計(jì)；②活門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；③導(dǎo)苗嘴的設(shè)計(jì)。

3.1導(dǎo)苗管

由于種苗在育苗期間肥水不均，造成個(gè)別種苗枝葉較大，導(dǎo)苗管直徑的大小直接影響落苗的通暢性。通過多次試驗(yàn)確定導(dǎo)苗管直徑為50mm、高度為135mm時(shí)，不出現(xiàn)掛苗現(xiàn)象。導(dǎo)苗管比種苗高些時(shí)，種苗在投送的過程中會(huì)有一定的初速度，在慣性的作用下使枝葉合攏，而合攏后的種苗在重力作用下可順利地向下滑落。

3.2活門機(jī)構(gòu)

為使種苗在導(dǎo)苗管中隨導(dǎo)苗管運(yùn)動(dòng)時(shí)不至于夾苗根(直接讓種苗底部與固定盤相互摩擦運(yùn)動(dòng)容易傷苗根)，在導(dǎo)苗管下側(cè)安裝45°傾斜活門機(jī)構(gòu)，使活門在行至拱形缺口處自然打開；落苗完成后，活門隨導(dǎo)苗管繼續(xù)前行，由水平固定板關(guān)閉活門。

3.3導(dǎo)苗嘴

為使種苗順利地從導(dǎo)苗管落入移栽機(jī)的吊籃內(nèi)，將導(dǎo)苗嘴設(shè)計(jì)成上大下小的倒椎形；且一側(cè)板傾斜15°～20°，以便當(dāng)種苗下落時(shí)獲得水平橫向運(yùn)動(dòng)的速度，從而減小種苗落入吊籃時(shí)所受到的沖擊。

4結(jié)論及建議

該樣機(jī)在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取苗、送苗的過程，達(dá)到了預(yù)期效果。由于時(shí)間倉促，樣機(jī)沒有和移栽機(jī)相連進(jìn)行大田試驗(yàn)，尚需進(jìn)一步的改進(jìn)。建議如下：

1)在后續(xù)開發(fā)或者生產(chǎn)中，可考慮采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)傳動(dòng)來代替無桿氣缸傳動(dòng)，以減少可能由于定位不準(zhǔn)出現(xiàn)的問題。

2)由于整機(jī)涉及的部件較多，需要大量試驗(yàn)以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造中的缺陷；針對出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行研究分析，確定解決方案，提高其可靠性。

3)后續(xù)開發(fā)或者生產(chǎn)中，增加檢測導(dǎo)苗管有無種苗系統(tǒng)，以克服漏栽現(xiàn)象。

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An Automatic Picking Seedling and Feeding Seedling Device of the Seedling Transplanting Machine

Xu Guangpeng1, Zhang Chuangchuang1, Yang Tiegang2, Liu Cunxiang1, Li Xiaohu1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Henan, Zhengzhou 450002, China; 2.Economic Crops Research Institute ,Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002, China)

Abstract：This paper designed an automatic picking seedling and feeding seedling device on the foundation of knowing the development status and existing problems of dry land transplanting technology and transplanting machine at home and abroad. The control system took advantage of PLC program so that the picking seedling and feeding seedling system realized action to complete required functions according to the respective requirements.This system was a multifunctional electrical integration device that could pick, send and feed seedling in one set, which could replace manpower in the process of transplanting. It could be applied to plug seedling transplanting of cotton, tomato, corn and other crop.

Key words：transplanting machine; picking seedling; feeding seedling; automatic

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0249-04

中圖分類號(hào)：S223.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：徐廣鵬(1990-)，男，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)xuguangpeng@163.com。通訊作者：劉存祥(1958-)，男，鄭州人，教授，(E-mail)13598881238@139.com。

基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(142102110055)

收稿日期：2015-04-30