油菜紙缽苗移栽機(jī)氣動取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與軌跡分析

廖慶喜 張 照 胡喬磊 許 博

油菜紙缽苗移栽機(jī)氣動取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計與軌跡分析

廖慶喜1,2張 照1胡喬磊1許 博1

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070; 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心， 長沙 410128)

針對傳統(tǒng)機(jī)械式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制不穩(wěn)定等問題，設(shè)計了一種油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)。分析了嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及運(yùn)動學(xué)模型，設(shè)計了取苗機(jī)構(gòu)的驅(qū)動控制系統(tǒng)，基于ADAMS軟件開展了機(jī)構(gòu)參數(shù)變化對取苗軌跡和取苗臂姿態(tài)影響的研究，確定了取苗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)搖桿長度為220 mm，支撐臂長度為170 mm，旋轉(zhuǎn)臂長度為160 mm，氣缸Ⅰ原始長度為313 mm時，取苗階段取苗軌跡高度可達(dá)130 mm。當(dāng)取苗軌跡高度為80 mm時，取苗軌跡直線度偏差小于2 mm，取苗階段取苗針偏角變化小于4°；投苗階段取苗針偏角變化小于1°，滿足油菜紙缽苗移栽機(jī)取苗投苗要求。試驗結(jié)果表明，該取苗機(jī)構(gòu)高速攝像呈現(xiàn)的取苗軌跡與理論分析基本吻合，臺架試驗取苗成功率達(dá)93.0%，投苗成功率達(dá)89.5%，滿足機(jī)械自動化取苗的要求，驗證了取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性。

油菜； 移栽機(jī)； 氣動； 取苗機(jī)構(gòu)； 控制系統(tǒng)

引言

油菜缽苗機(jī)械化移栽可緩解長江中下游的種植茬口矛盾，提高種植效率。油菜屬直根系作物，育苗期根系難以包絡(luò)基質(zhì)，采用紙缽育苗有利于機(jī)械取苗和移栽而不損壞基質(zhì)，避免移栽過程中待栽油菜苗脫水變蔫影響移栽效果，且?guī)Щ|(zhì)移栽可增加成活率，減少緩苗期，避免裸苗移栽產(chǎn)生的窩根現(xiàn)象[1-2]。

油菜機(jī)械化移栽包括育苗、取苗、栽植、覆土、鎮(zhèn)壓、澆水、施肥等工序，其機(jī)械化移栽裝備主要分為手動移栽機(jī)、半自動移栽機(jī)和全自動移栽機(jī)。歐美發(fā)達(dá)國家移栽機(jī)發(fā)展較早，現(xiàn)以大型、高自動化和聯(lián)合作業(yè)機(jī)械為代表，而我國以半自動化為主，移栽裝備缺乏或性能低下。油菜缽苗移栽機(jī)主要針對導(dǎo)苗管式、吊籃式、擾性圓盤式、鉗夾式旱地移栽機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，采用人工取苗，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，代表機(jī)型主要有2XY-2型二行鏈夾式半自動油菜移栽機(jī)和2ZQ-4型油菜移栽機(jī)[3-5]。取苗機(jī)構(gòu)的研發(fā)嚴(yán)重制約了油菜育苗移栽技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[6]。為解決油菜移栽機(jī)械取苗技術(shù)難題，國內(nèi)外農(nóng)機(jī)專家和學(xué)者根據(jù)缽苗特點及栽植模式進(jìn)行了大量研究，主要借鑒蔬菜移栽機(jī)和水稻插秧機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)。意大利Ferrari全自動蔬菜移栽機(jī)采用頂出夾取式取苗機(jī)構(gòu)，缽苗損傷率低，成排自動喂苗效率高[7]；RYU等[8]設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的氣動取苗爪，采用抓取式一定程度解決了穴盤苗自動取苗難題；日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會社提出的行星輪系與滑道機(jī)構(gòu)組合式自動取苗機(jī)構(gòu)[9-10]、CHOI 等[11]研制的五桿滑道式取苗機(jī)構(gòu)以及田昆鵬等[12]研究的曲柄導(dǎo)桿與凸輪滑槽組合而成的門形取苗機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)取苗，但滑道結(jié)構(gòu)易磨損；浙江理工大學(xué)[13-16]研發(fā)了多種非圓齒輪行星輪系間歇傳動取苗機(jī)構(gòu)，取苗軌跡滿足取苗要求；王蒙蒙等[17]提出了一種曲柄連桿式夾苗機(jī)構(gòu)，需和穴盤苗頂出裝置配合完成取苗和投苗工作。吳俊等[3]結(jié)合水稻插秧機(jī)和油菜毯壯苗育苗技術(shù)研發(fā)的油菜毯壯苗移栽機(jī)，可實現(xiàn)取苗移栽，但長江中下游稻板田土壤黏重，可靠性有待提高。綜上所述，國內(nèi)外移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)以機(jī)械式為主，自動化控制不穩(wěn)定，且油菜缽苗移栽機(jī)專用取苗機(jī)構(gòu)研究較少，仍處于初期階段，發(fā)展油菜缽苗自動化移栽機(jī)需突破自動化取苗技術(shù)難題。

本文以油菜紙缽苗為研究對象，設(shè)計一種基于單片機(jī)控制的自動嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)。通過單片機(jī)控制氣缸動作驅(qū)動取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使MHS4氣缸與取苗針組成的取苗末端執(zhí)行器的運(yùn)動軌跡滿足取苗要求，實現(xiàn)取苗投苗功能且能滿足多行同步取苗投苗。

1 油菜紙缽苗移栽機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程

油菜紙缽苗移栽機(jī)主要由三點懸掛裝置、機(jī)架組合、空氣壓縮機(jī)、氣動取苗機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)、紙缽苗放置裝置、取苗末端執(zhí)行器和旋耕裝置等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 油菜紙缽苗移栽機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of rape paper pot seedling transplanter1.機(jī)架組合 2.三點懸掛裝置 3.空氣壓縮機(jī) 4.氣動取苗機(jī)構(gòu) 5.栽植機(jī)構(gòu) 6.紙缽苗放置裝置 7.取苗末端執(zhí)行器 8.旋耕裝置

工作時，油菜紙缽苗移栽機(jī)經(jīng)三點懸掛裝置與拖拉機(jī)掛接，動力由拖拉機(jī)動力輸出軸提供，同時驅(qū)動旋耕裝置、空氣壓縮機(jī)和栽植機(jī)構(gòu)工作。旋耕裝置高速旋轉(zhuǎn)完成苗床整備，空氣壓縮機(jī)為氣動取苗機(jī)構(gòu)提供壓縮空氣，驅(qū)動其動作，使取苗末端執(zhí)行器按照設(shè)定的取苗軌跡運(yùn)動，將紙缽苗放置裝置內(nèi)的油菜紙缽苗取出并投入鴨嘴栽植器中，通過栽植機(jī)構(gòu)帶動鴨嘴栽植器運(yùn)動，完成油菜紙缽苗移栽。

2 油菜紙缽苗移栽機(jī)氣動取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析

2.1 氣動取苗機(jī)構(gòu)組成和工作過程

嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)是油菜紙缽苗移栽機(jī)關(guān)鍵部件之一，其主要由機(jī)架、搖桿、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)臂、氣缸Ⅰ、氣缸Ⅱ、氣缸Ⅲ、手指氣缸、取苗針、脫苗板和電磁閥等組成，其中氣缸Ⅲ、MHS4手指氣缸、取苗針和脫苗板組成取苗末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。氣缸Ⅰ和氣缸Ⅱ一端與機(jī)架鉸接，另一端分別與旋轉(zhuǎn)臂和搖桿鉸接；搖桿一端與機(jī)架鉸接，另一端與旋轉(zhuǎn)軸鉸接；氣缸Ⅲ和旋轉(zhuǎn)臂分別與旋轉(zhuǎn)軸固接，且兩者夾角呈45°；取苗針安裝在手指氣缸上，手指氣缸與氣缸Ⅲ活塞桿一端鉚接，脫苗板一端套在取苗針上，另一端與氣缸Ⅲ缸體鉚接。

圖2 嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of pneumatic pick-up mechanism1.機(jī)架 2.搖桿 3.氣缸Ⅰ 4.電磁閥 5.氣缸Ⅱ 6.旋轉(zhuǎn)軸7.氣缸Ⅲ 8.MHS4手指氣缸 9.旋轉(zhuǎn)臂 10.脫苗板 11.取苗針

為簡化控制系統(tǒng)，避免各氣缸復(fù)合運(yùn)動影響取苗效果，氣缸動作單個逐一完成。嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)如圖2所示，氣缸Ⅰ呈伸長狀態(tài)，氣缸Ⅱ和氣缸Ⅲ呈收縮狀態(tài)，手指氣缸呈張開狀態(tài)，其工作時具體步驟如下：①氣缸Ⅲ伸出,驅(qū)動手指氣缸和取苗針，使取苗針插入缽苗基質(zhì)中。②手指氣缸收縮,驅(qū)動取苗針向內(nèi)運(yùn)動，夾緊缽苗基質(zhì)。③氣缸Ⅱ伸出,驅(qū)動搖桿逆時針旋轉(zhuǎn)，使缽苗隨取苗針遠(yuǎn)離苗箱，實現(xiàn)取苗。④氣缸Ⅰ收縮,驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂順時針旋轉(zhuǎn)，使缽苗運(yùn)動到鉛垂方位，即投苗位置。⑤手指氣缸張開,驅(qū)動取苗針?biāo)砷_。⑥氣缸Ⅲ收縮,驅(qū)動手指氣缸和取苗針縮回，在脫苗板的推擋作用下，取苗針從缽苗基質(zhì)中抽出，缽苗落入栽植器中。⑦氣缸Ⅰ伸出，氣缸Ⅱ縮回，使取苗機(jī)構(gòu)回到初始狀態(tài)。

2.2 氣動取苗機(jī)構(gòu)取苗針運(yùn)動要求

機(jī)械自動取苗過程主要通過模擬人工取苗動作來實現(xiàn)。參考油菜紙缽苗自然翻轉(zhuǎn)角，設(shè)計放置油菜紙缽苗的苗箱安裝角為30°。取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，取苗針的運(yùn)動軌跡和姿態(tài)變化對取苗效果影響較大，取苗針運(yùn)動需滿足以下要求[7,14,18]：①取苗段軌跡：取苗針軌跡近似直線，與苗箱垂直最佳，直線段長度不小于苗缽高度。②取苗段擺角：取苗針擺動角越小，對缽苗基質(zhì)損傷越小，與苗箱干涉越小，取苗針以定姿態(tài)取出油菜缽苗為理想狀態(tài)。③投苗角：取苗針將油菜缽苗運(yùn)送至鴨嘴栽植器上方時，油菜缽苗應(yīng)靠近鉛垂方位，與鴨嘴栽植器軸線偏角為零時最理想。

2.3 氣動取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型建立

為了方便分析，將嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)一步簡化，建立如圖3所示的直角坐標(biāo)系，以氣缸Ⅰ與機(jī)架的鉸接點O作為坐標(biāo)系原點，水平方向為X軸，垂直方向為Y軸，各桿角位移以X軸正方向為基準(zhǔn)，逆時針為正。為直觀清晰，將嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)中氣缸Ⅲ、手指氣缸及取苗針作為取苗臂DF進(jìn)行分析。在分析取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型過程中假設(shè)各零件為剛性結(jié)構(gòu)，不發(fā)生彈性變形，且不考慮各轉(zhuǎn)動副之間的轉(zhuǎn)動間隙。確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)所需的相關(guān)參數(shù)及說明見表1，初始狀態(tài)時，AD∥OE，CB∥DF,DF⊥AD,O點與B點在同一水平線上，DE與DF夾角為45°。

圖3 嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)簡化示意圖Fig.3 Schematic diagram of pneumatic pick-up mechanism

符號含意符號含意l1氣缸Ⅰ原始長度lDE旋轉(zhuǎn)臂長度l2氣缸Ⅱ原始長度lOEl1+S1l3取苗臂原始長度lBCl2+S2S1氣缸Ⅰ伸縮量lDFl3+S3S2氣缸Ⅱ伸縮量θ1機(jī)架OA角度S3氣缸Ⅲ伸縮量θ2氣缸Ⅰ的角位移lOB機(jī)架OB長度θ3搖桿AD的角位移lOA機(jī)架OA長度θ4旋轉(zhuǎn)臂DE的角位移lAD搖桿長度θ5取苗臂DF的角位移lAC支撐臂長度λ取苗臂與旋轉(zhuǎn)臂夾角

根據(jù)圖3建立封閉矢量方程為

lOF=lOA+lAD+lDF

(1)

將矢量方程轉(zhuǎn)換為解析形式，得出F點位置方程為

xO=yO=0

(2)

(3)

(4)

(5)

整理式(2)～(5)可得

(6)

其中

油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)根據(jù)取苗步驟由各氣缸單一逐個伸縮實現(xiàn)取苗功能，運(yùn)行過程中，不同階段對應(yīng)的某個氣缸伸縮量為自變量，其余氣缸伸縮量為定值，如表2所示。

表2 取苗各階段氣缸運(yùn)動狀態(tài)Tab.2 Motion states of pneumatic cylindersat different stages

不同階段對式(6)的自變量求一階和二階導(dǎo)數(shù)即可獲得取苗針端點F各階段的速度和加速度方程。根據(jù)運(yùn)動學(xué)模型可建立取苗機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型，開展取苗軌跡優(yōu)化。

3 取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計與取苗軌跡優(yōu)化

3.1 取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)確定

為了提高取苗機(jī)構(gòu)的自動化程度，本文以60 mm×60 mm×30 mm的倒方錐紙缽苗為研究對象，設(shè)計了如圖4所示的取苗末端執(zhí)行器，主要包括氣缸Ⅲ、MHS4手指氣缸、取苗針和脫苗板。根據(jù)苗缽上下端面大小，設(shè)定相對兩根取苗針處于張開狀態(tài)時軸線之間的距離為40 mm，取苗針根數(shù)可依據(jù)紙缽苗狀況選擇2或4根。為了避免取苗針在夾取缽體基質(zhì)過程中發(fā)生變形，取苗針選擇4 mm圓鋼，一端與MHS4手指氣缸鉚接，一端呈針狀，參照適栽期油菜缽苗株高大小以及分布情況[19]，取苗針長度取170 mm。脫苗板采用1 mm鋼板，與取苗針接觸部分采用封閉式結(jié)構(gòu)，避免工作時損傷幼苗莖葉。工作時，進(jìn)氣管通氣使氣缸Ⅲ的活塞桿伸出，驅(qū)動取苗針插入缽苗基質(zhì)中，MHS4手指氣缸驅(qū)動取苗針向內(nèi)運(yùn)動夾緊缽苗，待取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動將缽苗取出并移送至投苗處，氣缸Ⅲ活塞桿收縮，驅(qū)動取苗針縮回，在脫苗板作用下，取苗針脫離缽苗基質(zhì)，釋放缽苗。

圖4 取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of picking up seedling using end-effector1.氣缸Ⅲ 2.脫苗板 3.MHS4手指氣缸 4.取苗針

3.2 取苗機(jī)構(gòu)氣缸型號及行程確定

根據(jù)油菜缽苗移栽機(jī)分苗裝置分苗過程和缽苗缽體完整性分析[20]可知，紙缽苗總質(zhì)量m約為68 g，故氣缸運(yùn)行過程中承受的載荷主要來自取苗機(jī)構(gòu)本身。嵌入式取苗方式對取苗機(jī)構(gòu)震動要求較高，震動越大，根土破壞程度越大，取苗成功率越低。為減緩氣缸運(yùn)行時活塞與氣缸壁產(chǎn)生沖擊而導(dǎo)致的取苗機(jī)構(gòu)震動，選用MAC系列氣緩沖型氣缸，當(dāng)氣缸活塞運(yùn)行至兩端時，形成氣緩沖區(qū)，避免沖擊。根據(jù)MAC系列氣缸各缸徑所能承受的載荷以及取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊要求，氣缸Ⅰ和氣缸Ⅱ選用MAC20×100型氣缸，使用壓力范圍為0.1～1.0 MPa，使用速度范圍為0.03～0.80 m/s。根據(jù)苗缽高度以及取苗針插入缽苗基質(zhì)深度[21]，氣缸Ⅲ選用MAC16×50型氣缸，使用壓力范圍為0.1～1.0 MPa，使用速度范圍為0.03～0.80 m/s。根據(jù)手指氣缸抓取能力和苗缽端面尺寸，選用MSH4型四爪手指氣缸。

3.3 取苗機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對取苗軌跡的影響

考慮取苗臂穩(wěn)定性，取苗臂懸臂不宜偏長，通過分析由氣缸Ⅲ、手指氣缸和取苗針組成的取苗臂質(zhì)心分布情況，設(shè)計取苗針端面至旋轉(zhuǎn)軸軸線的垂直距離即lDF為215 mm。

根據(jù)油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用三維造型軟件Pro/E 5.0完成取苗機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計以及虛擬裝配，并將裝配體導(dǎo)入計算機(jī)仿真分析軟件ADAMS中，以所建立的運(yùn)動學(xué)模型為取苗機(jī)構(gòu)參數(shù)化關(guān)系的依據(jù)，利用ADAMS軟件建立取苗機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型。在ADAMS中通過更改搖桿長度lAD、旋轉(zhuǎn)臂長度lDE、支撐臂長度lAC以及氣缸Ⅰ原始長度l1分析其對取苗軌跡和取苗針偏角α的影響。圖5～8中偏角α表示取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中取苗針與其初始狀態(tài)所成偏角，投苗階段取苗針與鉛垂方向偏角為α+30°。

如圖5所示，lDE=160 mm，lAC=170 mm，l1=313 mm時，搖桿長度lAD主要影響取苗階段軌跡直線度、軌跡高度以及取苗針偏角。隨著搖桿長度lAD的增加，軌跡直線度先增加后減小，軌跡高度逐漸增大，取苗階段取苗針偏角變化趨勢逐漸陡峭。

如圖6所示，lAD=170 mm，lDE=160 mm，l1=313 mm時，支撐臂長度lAC主要影響取苗階段軌跡高度以及投苗階段取苗針偏角。隨著支撐臂長度lAC的增加，取苗階段軌跡高度逐漸減小，投苗階段取苗針與鉛垂方向偏角先減小后增大。

如圖7所示，lAD=170 mm，lDE=160 mm，lAC=170 mm時，氣缸Ⅰ原始長度l1主要影響取苗階段軌跡直線度以及取苗階段取苗針偏角。隨著氣缸Ⅰ原始長度l1的增加，取苗階段軌跡直線度先增大后減小，取苗針偏角變化趨勢逐漸陡峭。

如圖8所示，lAD=170 mm，lAC=170 mm，l1=313 mm時，旋轉(zhuǎn)臂長度lDE主要影響取苗階段軌跡直線度、取苗階段取苗針偏角以及投苗階段取苗針偏角。隨著旋轉(zhuǎn)臂長度lDE的增加，取苗階段軌跡直線度先增加后減少，取苗階段取苗針偏角變化趨勢分析油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對取苗軌跡及取苗針偏角影響，獲得了一組滿足油菜紙缽苗自動取苗要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)：搖桿長度lAD為220 mm，支撐臂長度lAC為170 mm，旋轉(zhuǎn)臂長度lDE為160 mm，氣缸Ⅰ始長度l1為313 mm。該參數(shù)組合下取苗軌跡及取苗針偏角如圖9所示。取苗階段取苗軌跡高度可達(dá)130 mm，當(dāng)取苗軌跡高度為80 mm時，取苗軌跡直線度偏差小于2 mm，取苗針偏角變化小于4°；投苗階段取苗針偏角變化小于1°，滿足油菜紙缽苗移栽機(jī)取苗投苗要求。

圖5 搖桿AD長度對取苗軌跡及取苗針偏角的影響Fig.5 Influence of length of AD on trajectory and declination

圖6 支撐臂AC長度對取苗軌跡及取苗針偏角的影響Fig.6 Influence of length of AC on trajectory and declination

圖8 旋轉(zhuǎn)臂DE長度對取苗軌跡及取苗針偏角的影響Fig.8 Influence of length of DE on trajectory and declination

圖9 優(yōu)化后取苗軌跡及取苗針偏角Fig.9 Optimized trajectory and declination

3.4 取苗機(jī)構(gòu)執(zhí)行過程中紙缽苗運(yùn)動分析

當(dāng)氣缸均以最大額定速度800 mm/s運(yùn)行時，取苗針端點速度變化曲線如圖10所示。

圖10 取苗針端點速度變化曲線Fig.10 Speed curve of picking-up needle end point

由圖10可知，ab段表示取苗針插入缽苗基質(zhì)階段，取苗針端點勻速直線運(yùn)動；bc段表示取苗針夾緊基質(zhì)階段，取苗針端點在XY平面內(nèi)速度為零；cd段表示將缽苗取出苗箱階段，取苗針端點近似勻速直線運(yùn)動；de段表示將缽苗從苗箱上方移送至投苗點階段，取苗針端點圓周運(yùn)動；ef段表示取苗針?biāo)砷_基質(zhì)階段，取苗針端點在XY平面內(nèi)速度為零；fg段表示取苗針抽離缽苗基質(zhì)階段即投苗階段，取苗針端點勻速直線運(yùn)動；ghi段表示取苗機(jī)構(gòu)回程階段。分析取苗針端點運(yùn)動形式以及運(yùn)動速度可知，改變氣缸運(yùn)行速度，取苗針端點速度變化趨勢不變，如圖10所示，且de段缽苗最易從取苗針滑落，導(dǎo)致取苗失敗。

3.5 取苗針端點運(yùn)動軌跡試驗

取苗針端點實際工作軌跡即缽苗空間運(yùn)動軌跡，其合理性和準(zhǔn)確性是取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計是否成功的關(guān)鍵[22]。應(yīng)用高速攝像技術(shù)進(jìn)行樣機(jī)取苗針端點運(yùn)動軌跡與理論軌跡的對比分析。

高速攝像試驗所用設(shè)備及軟件：PCD.dimax HD、CamWare V3.09型高速攝像系統(tǒng)、Startrails圖像分析軟件。試驗過程中，采用Startrails圖像分析軟件對所拍攝照片進(jìn)行疊加處理，選用高速攝像機(jī)的拍攝頻率為1 000幀/s，空氣壓縮機(jī)工作氣壓為0.8 MPa，獲得樣機(jī)取苗針端點實際運(yùn)動軌跡，如圖11所示。

圖11 取苗針端點高速攝影運(yùn)動軌跡Fig.11 Movement trajectory of seedling claw given by high-speed photography

對比仿真軌跡(圖9)與高速攝像獲得取苗軌跡(圖11)可知，取苗軌跡變化趨勢基本一致，但各氣缸各動作銜接處取苗軌跡存在一定偏差，主要原因如下：機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)中試驗臺振動及零部件加工誤差；氣缸活塞桿運(yùn)行至氣缸端部時與氣缸壁產(chǎn)生沖擊導(dǎo)致取苗針往復(fù)式振動。

4 驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)所有部件運(yùn)動均由單片機(jī)控制氣缸完成，氣動動力源由空氣壓縮機(jī)提供。取苗系統(tǒng)以時間為信號，根據(jù)各氣缸設(shè)置的動作時間由單片機(jī)控制氣動控制閥，達(dá)到對各氣缸動作的控制。氣動驅(qū)動系統(tǒng)如圖12所示，A為氣缸Ⅰ，B為氣缸Ⅱ，C為氣缸Ⅲ，D為手指氣缸，J1～J8為節(jié)流閥，DT1～DT4為二位五通電磁換向閥，R為空氣過濾器，U為壓力表，Z為儲氣罐，W為冷卻器，P為空氣壓縮機(jī)。氣缸Ⅰ～Ⅲ和手指氣缸均由二位五通電磁換向閥控制。取苗系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)行速度由安裝在氣缸兩端的節(jié)流閥控制，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥，使氣缸運(yùn)行速度適中，無沖擊現(xiàn)象，且使氣缸達(dá)到行程端兩端的時間稍提前于設(shè)定時間，便于各氣缸連續(xù)動作時嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)作業(yè)平穩(wěn)。

圖12 氣動驅(qū)動系統(tǒng)原理圖Fig.12 Schematic diagram of pneumatic driving system

按照油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)的工作流程，為單片機(jī)連接輸入和輸出控制信號。當(dāng)氣動系統(tǒng)作業(yè)時，各氣缸工作時序圖如圖13所示， Q0.1～Q0.4為控制系統(tǒng)輸出信號；t1～t7為各階段對應(yīng)氣缸開始動作的時刻；T為取苗周期。啟動控制器，DT3動作，氣缸Ⅲ伸長，驅(qū)動取苗針插入油菜缽苗基質(zhì)中；t1時刻，DT4動作，手指氣缸收縮，驅(qū)動取苗針夾緊油菜缽苗基質(zhì)；t2時刻，DT2動作，氣缸Ⅱ伸長，驅(qū)動搖桿將油菜缽苗從苗箱中取出；t3時刻，DT1動作，氣缸Ⅰ收縮，驅(qū)動取苗臂將油菜缽苗送至鴨嘴栽植器正上方；t4時刻，DT4動作，手指氣缸張開，驅(qū)動取苗針?biāo)砷_油菜缽苗基質(zhì)；t5時刻，DT3動作，氣缸Ⅲ收縮，在脫苗板的推擋作用下驅(qū)動取苗針從油菜缽苗基質(zhì)中抽出，完成投苗動作；t6時刻，DT1動作，氣缸Ⅰ伸長，驅(qū)動取苗臂回到初始位置；t7時刻，DT2動作，氣缸Ⅱ收縮，驅(qū)動搖桿回到初始位置；T時刻，整個取苗過程完成。

圖13 氣缸時序圖Fig.13 Operation timing chart of air cylinder

根據(jù)本文選用的各氣缸參數(shù)，計算取苗機(jī)構(gòu)氣動系統(tǒng)最大空氣體積流量[23]，計算公式為

(7)

式中Q——氣缸所需的空氣體積流量，L/min

D——氣缸缸徑，cm

S——氣缸行程，cm

p——氣缸工作壓力，MPa

油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)氣動系統(tǒng)耗氣量計算相關(guān)參數(shù)如表3所示。

由表中計算可知，油菜紙缽苗移栽機(jī)嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)氣動系統(tǒng)耗氣總量為1.378/T。為保證單個取苗機(jī)構(gòu)氣動系統(tǒng)工作時氣壓穩(wěn)定，在配套移栽機(jī)使用和試驗時應(yīng)選擇容積流量大于1.378/T的空氣壓縮機(jī)。

表3 氣動系統(tǒng)耗氣量計算相關(guān)參數(shù)Tab.3 Relevant parameters of air consumptioncalculation for pneumatic system

5 氣動取苗機(jī)構(gòu)取苗臺架試驗

取苗試驗采用“華油雜62”油菜品種，培育在穴口尺寸60 mm×60 mm，穴底尺寸30 mm×30 mm，缽高為60 mm的倒方錐紙缽中，育苗基質(zhì)采用營養(yǎng)土與自然土壤1∶2混合。試驗時，油菜缽苗基質(zhì)含水率約為20%，設(shè)置嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)取苗頻率為20次/min，每次連續(xù)取苗20株，共進(jìn)行10次試驗。測定試驗中油菜缽苗取苗成功率和投苗成功率[24]，其取苗試驗如圖14所示，試驗結(jié)果如表4所示。

圖14 取苗機(jī)構(gòu)臺架試驗Fig.14 Prototype test of seedling pick-up mechanism

組號缽苗株數(shù)/株平均高度/mm平均質(zhì)量/g取苗成功次數(shù)取苗成功率/%投苗成功次數(shù)投苗成功率/%1201231871201002010022012578921995178532011229281995199542011399331995199552012549091890189062013848922010019957201368924199518908201269854178516809201249804189016801020130893417851785平均1258894930895

取苗試驗表明，取苗成功率達(dá)到93.0%，投苗成功率達(dá)到89.5%，取苗時缽苗基質(zhì)損失較小，取苗機(jī)構(gòu)基本能實現(xiàn)將油菜紙缽苗從苗盤中順利取出的要求，但也存在取苗不成功的比例，主要影響要素有：①缽苗基質(zhì)松散，油菜幼苗根系不發(fā)達(dá)，未將基質(zhì)完全包絡(luò)，取苗指針未能將油菜紙缽苗成功取出。②嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)工作時，各氣缸運(yùn)動沖擊及取苗機(jī)構(gòu)振動導(dǎo)致油菜紙缽苗提前滑落。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種油菜紙缽苗嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)，分析了該取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，建立了取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型及驅(qū)動控制系統(tǒng)。

(2)確定了嵌入式氣動取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：搖桿長度為220 mm，支撐臂長度為170 mm，旋轉(zhuǎn)臂長度為160 mm，氣缸Ⅰ原始長度為313 mm。該組參數(shù)下，取苗階段取苗軌跡高度可達(dá)130 mm，當(dāng)取苗軌跡高度為80 mm時，取苗軌跡直線度偏差小于2 mm，取苗針偏角變化小于4°；投苗階段取苗針偏角變化小于1°，滿足油菜紙缽苗移栽機(jī)取苗投苗要求。

(3)開展了高速攝影試驗，取苗軌跡與理論分析基本吻合；取苗機(jī)構(gòu)臺架試驗表明，取苗成功率達(dá)93.0%，投苗成功率達(dá)89.5%，驗證了該取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性。

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DesignandTrajectoryAnalysisofPneumaticPicking-upMechanismforRapePaperPotSeedling

LIAO Qingxi1,2ZHANG Zhao1HU Qiaolei1XU Bo1

(1.CollegeofEngineering,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China2.SouthernRegionalCollaborativeInnovationCenterforGrainandOilCropsinChina,Changsha410128,China)

An embedded pneumatic picking-up mechanism was designed to solve the problem of complex structure and control instability existing in the traditional mechanical picking-up mechanism. According to the design requirements of picking-up mechanism, the constitution of mechanism, working principle and kinematics model of embedded pneumatic picking-up mechanism were clarified, and the control system based on singlechip was developed. The influence of mechanism parameter variation on the phase-trajectory of picking-up seedlings and the posture of picking-up arms were studied based on ADAMS software. The simulation results showed that the straightness deviation of picking-up trajectory was related to the length oflAD,lDEandl1, the height of picking-up trajectory was related to the length oflADandlAC. The optimization combination of structural parameters achieved was as follows:lADof 220 mm,lACof 170 mm,lDEof 160 mm andl1of 313 mm, while the height of picking-up trajectory was 130 mm. When the height of picking-up trajectory was 80 mm, the straightness deviation of picking-up trajectory was less than 2 mm, the angle of declination was less than 4° at taking seedling stage，and the angle of declination was less than 1° at throwing seedling stage. The consistency verification experiment was carried out using high speed photography system. According to the seedling picking-up experiment, the success rate of seedling pick-up reached 93.0% and the success rate of dropping seedling attained to 89.5%, which satisfied the requirements of actual testing. The research for the automatic picking-up mechanism provided an important theoretical basis and reference for the design, analysis and further study on automatic picking-up and transplanting mechanism.

rape； transplanter； pneumatic； pick-up mechanism； control system

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.009

S223.92

A

1000-1298(2017)11-0070-09

2017-02-22

2017-05-11

農(nóng)業(yè)科研杰出人才及創(chuàng)新團(tuán)隊項目、國家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(CARS-12)和湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項重大項目(2016ABA094)

廖慶喜(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究，E-mail: liaoqx@mail.hzau.edu.cn