三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機構(gòu)設計與試驗

童俊華 俞高紅 朱贏鵬 葉秉良 鄭 超 黃佳輝

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室， 杭州 310018)

0 引言

當前，大多數(shù)穴盤苗的移栽作業(yè)由半自動移栽機完成，需要人工將秧苗從穴盤內(nèi)拔出，勞動強度大且生產(chǎn)效率低，難以滿足蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要[1-3]。自動蔬菜移栽機將成為未來發(fā)展的趨勢之一，而穴盤苗取苗機構(gòu)是自動蔬菜移栽機的核心部件，因此研制結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、高效的穴盤苗取苗機構(gòu)是實現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)自動化的前提[4-6]。

國內(nèi)外學者針對穴盤苗的特點，提出了多種不同類型的取苗機構(gòu)。1984年，美國ARMSTRONG等[7]提出了推苗桿式取苗機構(gòu)，為植苗機構(gòu)提供有序排列的缽苗，從而實現(xiàn)自動化移栽。2001年，韓國CHOI等[8]提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低的蔬菜缽苗取苗機構(gòu)，該機構(gòu)最佳工作狀態(tài)下(曲柄轉(zhuǎn)速為30～40 r/min)取苗爪取苗成功率約為85%，取苗效率可達到40株/(min·行)，但該機構(gòu)桿件與滑道容易磨損，且需提高曲柄轉(zhuǎn)速，取苗成功率在機構(gòu)劇烈振動和強烈沖擊下明顯下降。2006年，日本伊藤尚勝等[9]開發(fā)了一套全自動移栽機，移栽效率相比半自動移栽有較大提高，但結(jié)構(gòu)較復雜，維護難度大，取苗效率不高。近年，日本洋馬公司研制出了自動化程度高、精度好的全自動蔬菜移栽機，栽植效率約60株/(min·行)[10]。上述移栽機均價格高昂，維護成本高，且移植效率最高只能達到60株/(min·行)。2013年，俞亞新等[11]研制了蔬菜全自動移栽機中的橢圓-不完全非圓行星輪系蔬菜缽苗取苗機構(gòu)，該取苗機構(gòu)工作平穩(wěn)且可以較好滿足蔬菜缽苗的取苗要求，可實現(xiàn)70株/(min·行)的取苗效率，取苗成功率為84%，該兩臂回轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)具有較好的取苗質(zhì)量，但是在取苗效率方面還存在提升空間。2017年，吳國環(huán)等[12]研制了三移栽臂水稻缽苗移栽機構(gòu)，當移栽效率和兩臂式相同時(200次/min)，機構(gòu)允許中心軸轉(zhuǎn)速是原來的三分之二，既減小了震動又提高了移栽成功率，為實現(xiàn)高速化取苗作業(yè)提供了參考。

分析現(xiàn)有回轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)，可通過提高回轉(zhuǎn)速度或者增加回轉(zhuǎn)取苗臂數(shù)量的方式實現(xiàn)取苗作業(yè)高速化。但高轉(zhuǎn)速容易引起整體結(jié)構(gòu)動力性能改變，致使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性下降，可能出現(xiàn)取苗成功率下降或是取苗質(zhì)量差等情況。而保持回轉(zhuǎn)速度不變，取苗臂數(shù)量的增加將增大機構(gòu)整體尺寸，取苗角變大和推苗角變小會使取苗難度增大、推苗成功率下降?；谝陨戏治霰疚脑趦杀刍剞D(zhuǎn)機構(gòu)基礎(chǔ)上，拓展設計一種三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機構(gòu)。通過構(gòu)建取苗機構(gòu)運動模型，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，三維仿真后，再試制樣機進行空轉(zhuǎn)取苗軌跡分析和取苗試驗，驗證方案的可行性。

1 三臂回轉(zhuǎn)取苗機構(gòu)組成

三臂回轉(zhuǎn)取苗機構(gòu)由齒輪箱和取苗臂組成，如圖1所示。整機工作流程為：機構(gòu)工作時，太陽輪安裝于機架上，行星架逆時針繞O旋轉(zhuǎn)。中間輪3分別與太陽輪、行星輪2嚙合，取苗臂尖點Q在取苗凸輪的控制下先后形成ABC取苗段軌跡、CD持苗段軌跡、DE推苗段軌跡。隨后，凸鎖止弧與凹鎖止弧4開始工作，通過摩擦傳動鎖住中間輪的自轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了機構(gòu)整體的公轉(zhuǎn)，從而形成EFA回程段軌跡。值得注意的是，當尖點Q到達A點時，取苗針應當保持完全張開狀態(tài)，再慢慢深入缽盤，于B點瞬間夾緊，隨后近似垂直于缽盤口退出，避免與之干涉。當尖點Q到達D點后，按設計要求迅速推出缽苗，完成推苗動作[13-14]。接著，回程階段取苗針保持張開狀態(tài)，為下個循環(huán)做準備。

圖1 三臂回轉(zhuǎn)取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of plug seedling pick-up mechanism1、5、13.取苗臂 2、6、12.行星輪 3、7、10.中間輪 4、8、11.凹鎖止弧 9.凸鎖止弧 14.行星架 15.太陽輪

行星輪系機構(gòu)是應用范圍廣泛的傳動系統(tǒng)，具有體積小、工作平穩(wěn)、承載能力大、傳動比大等特點[15]。三臂回轉(zhuǎn)取苗機構(gòu)的齒輪箱驅(qū)動部分采用了行星輪系機構(gòu)，如圖2所示。該部分用來實現(xiàn)機構(gòu)整體的公轉(zhuǎn)，形成理想的取苗軌跡。齒輪箱上安裝有3個取苗臂，在相同回轉(zhuǎn)速度情況下，取苗效率是傳統(tǒng)兩臂式取苗機構(gòu)的1.5倍。

圖2 齒輪箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of gear box1.右箱體 2.左箱體 3.行星輪 4.行星輪軸套 5.軸承1 6.行星軸 7.中間輪緩沖裝置 8.中間輪 9.中間軸 10.不完全共軛變性橢圓齒輪 11.太陽輪緩沖裝置 12.軸承2 13.骨架密封圈 14.取苗法蘭 15.中心軸軸套 16.凸鎖止弧 17.凹鎖止弧 18.齒隙消除凸輪 19.取苗臂凸輪 20.軸承3

齒輪箱內(nèi)部的行星輪系機構(gòu)是非圓齒輪行星輪系機構(gòu),可以實現(xiàn)非勻速傳動[16-20]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置如下：機架固聯(lián)了牙嵌式取苗法蘭，而不完全共軛變性橢圓齒輪則與法蘭固聯(lián)，凸鎖止弧通過膨脹銷固聯(lián)于不完全共軛變性橢圓齒輪上，中間變性橢圓齒輪空套于中間軸上，并通過膨脹銷固聯(lián)了凹鎖止弧。行星輪、齒隙消除凸輪通過花鍵固聯(lián)于行星軸上。機構(gòu)運轉(zhuǎn)時，鏈條帶動中心軸(虛線所示)，中心軸通過楔形銷驅(qū)動齒輪箱右箱體，帶動齒輪箱右箱體和齒輪箱左箱體一同作勻速轉(zhuǎn)動，在凹鎖止弧和凸鎖止弧的配合下，中間輪與太陽輪嚙合實現(xiàn)非勻速間歇嚙合傳動，同時行星橢圓齒輪也由中間變性橢圓齒輪帶動作非勻速傳動，行星軸一邊做非勻速間歇運動一邊做勻速圓周運動，因而合成出了一種特殊的非勻速間歇運動。

三臂回轉(zhuǎn)取苗機構(gòu)的執(zhí)行部分為取苗臂，如圖3所示。要求取苗臂能在取苗位置有效地從缽苗盤中夾取缽苗；在推苗位置能夠干凈利落地完成推苗；在回程階段中，要求取苗臂保持完全張開狀態(tài)，以便為下一次取苗做準備[21]。

圖3 取苗臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of seedling-picking arm1.取苗臂凸輪 2.取苗臂殼體 3.定位板 4.彈簧座 5.墊片 6.彈簧 7.推苗桿 8.推苗爪 9.取苗臂撥叉 10.取苗針

取苗臂凸輪通過螺栓固聯(lián)于齒輪箱上，取苗臂定位板通過楔形鍵固聯(lián)于行星軸上，并與取苗臂殼體通過螺栓固聯(lián)。工作時，行星軸帶動取苗臂殼體相對齒輪箱作非勻速間歇運動，取苗臂凸輪上的廓線B將撥動空套于撥叉軸之上的取苗臂撥叉至圖中虛線位置，從而帶動彈簧座、與之固聯(lián)的推苗桿以及推苗爪，并由推苗爪快速推動取苗針實現(xiàn)張開動作，實現(xiàn)推苗。隨后進入取苗軌跡的回程階段，撥叉與凸輪廓線C接觸，取苗針保持最大張開狀態(tài)，為取苗階段做準備。當取苗臂到達取苗位置，取苗臂撥叉將在彈簧的約束下壓住取苗臂凸輪，促使其沿凸輪廓線實現(xiàn)預定取苗階段的過程控制，如圖4所示。

圖4 凸輪廓線Fig.4 Cam profile

具體過程如下：收縮夾苗階段，撥叉和凸輪廓線D接觸，彈簧逐漸復位，復位過程中彈簧推動彈簧座、推苗桿以及推苗爪慢慢上移；收縮保持夾苗階段，直到廓線E與撥叉接觸，取苗針將保持一定張開距離來促使取苗針入土深度增大；急速夾緊段，在短時與凸輪廓線F接觸之后，在彈簧作用下，失去了凸輪支撐的撥叉將急速收縮，左、右取苗針實現(xiàn)有效夾緊動作，完成夾苗動作；持續(xù)夾緊階段，撥叉和凸輪廓線A接觸，取苗針保持對苗的持續(xù)夾緊，然后將苗取出。

三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)和難點是輔助優(yōu)化軟件的開發(fā)與不完全共軛變性橢圓齒廓的設計，本文對此加以重點研究。

2 三臂回轉(zhuǎn)取苗機構(gòu)運動學建模

為了開發(fā)三臂回轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，對機構(gòu)進行優(yōu)化設計，需要建立其運動學模型，其中各項參數(shù)有：長半軸長度a、短半軸長度b、半焦距c、短長軸之比k、行星架拐角δ0、機構(gòu)安裝角φ0(φ0>0)、太陽輪有齒部分圓心角β、取苗臂長度S、太陽輪嚙合半徑r1、中間輪第一嚙合半徑r2、中間輪第二嚙合半徑r′2、行星輪嚙合半徑r3、行星架轉(zhuǎn)角φ1(φ1>0)、取苗臂安裝角α0、中間輪相對轉(zhuǎn)角φ2、行星輪相對轉(zhuǎn)角φ3(φ3<0)、行星架正方向角速度ω。

如圖5所示，以x軸逆時針旋轉(zhuǎn)為正方向，以O為原點建立直角坐標系xOy，已知常量β、S、k、φ0、α0、a、b、c、δ0、ω，變量φ1。

圖5 方案運動示意圖Fig.5 Motion diagram of scheme1.取苗臂 2.行星輪 3.凹鎖止弧 4.中間輪 5.太陽輪 6.凸鎖止弧 7.行星架

圖中雙點劃線所示為方案初始狀態(tài)，粗實線所示為行星架沿正方向旋轉(zhuǎn)φ1后的狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)后狀態(tài)運動關(guān)系如下：

中間輪相對轉(zhuǎn)角φ2為

(1)

其中

式中m11、m12——變性階數(shù)

L——太陽輪中間輪中心距

中間輪第二嚙合半徑r′2為

(2)

行星輪嚙合半徑r3為

(3)

行星輪嚙合半徑r3極坐標表達式為

(4)

式中φ30——初始位置時行星輪長軸相對行星架M1D1順時針轉(zhuǎn)過的角位移

聯(lián)立式(3)、(4)可得

(5)

聯(lián)立式(1)、(5)可得

(6)

令φ3=0，可以求解出φ30。

中間輪旋轉(zhuǎn)中心M1位移方程為

(7)

式(7)對時間求導得速度方程為

(8)

式(8)對時間求導得加速度方程為

(9)

行星輪旋轉(zhuǎn)中心O1位移方程為

(10)

式(10)對時間求導得速度方程為

(11)

式(11)對時間求導得加速度方程為

(12)

取苗針尖點Q位移方程為

(13)

式(13)對時間求導得速度方程為

(14)

式(14)對時間求導得加速度方程為

(15)

圖7 取苗臂尖端速度曲線輸出界面Fig.7 Output interfaces of tip speed curve of seedling pick-up arm

(16)

(17)

式中i——行星架的轉(zhuǎn)角

Δt——行星架轉(zhuǎn)過1°所用的時間

3 參數(shù)優(yōu)化

3.1 參數(shù)優(yōu)化軟件

基于Visual Basic 6.0平臺，得到運動學分析模型，通過數(shù)值計算方法進行編程，開發(fā)了三臂回轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，并通過人機交互方式得出一組滿足取苗工作要求的機構(gòu)參數(shù)。該軟件程序界面如圖6所示。通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來控制變性橢圓齒輪節(jié)曲線的變化，調(diào)整傳動比，以動畫形式模擬出三臂回轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)的運動過程及其姿態(tài)變化，并顯示圖形輸出窗口。

圖6 取苗機構(gòu)程序界面Fig.6 Program interface of seedling pick-up mechanism

3.2 運動分析

參數(shù)優(yōu)化軟件設有速度曲線輸出模塊，可清晰了解取苗臂尖點速度的變化曲線。圖7為取苗針尖點的速度變化曲線輸出界面(一個工作周期)，可以清楚地觀察到機構(gòu)取苗過程中的速度變化，由此得出結(jié)論：初始時刻，取苗機構(gòu)速度為零，隨后短時間內(nèi)急劇上升，為了減少取苗過程中對缽苗的損傷，取苗針速度不宜過大，故要求在到達取苗軌跡段靠近缽苗盤時降低取苗針速度，直至行星架轉(zhuǎn)過48°角；隨后速度的攀升，使得取苗針夾持缽苗迅速往外運動脫離缽盤而避免干涉；到達推苗位置時，此時要求推苗爪有一個較大的速度，保證有效推苗；同時，在取苗臂尖點離地面最低點時將缽苗推入相配套的植苗機構(gòu)中。與此同時，凹、凸鎖止弧配合工作，鎖止主取苗臂使其繞行星架中心勻速轉(zhuǎn)動，并且令取苗針保持完全張開的姿態(tài)，準備下一個循環(huán)，速度變化曲線上呈現(xiàn)一段水平且穩(wěn)定的線段。

3.3 參數(shù)優(yōu)化過程

由運動特性分析，了解結(jié)構(gòu)參數(shù)變化所引起的取苗臂尖點Q軌跡變化情況，隨后進行機構(gòu)的運動軌跡優(yōu)化，其過程如下：

(1) 根據(jù)取苗要求預選一個S值和β值，再根據(jù)軌跡變化進行相應的調(diào)整。

(2) 由實際的取苗空間尺寸限制和軌跡高度可行范圍，再確定合適的a值、k值以及φ0值。

(3) 評價并分析機構(gòu)取苗軌跡以及目標參數(shù)，確定合適的α0和φ0代入。

(4) 經(jīng)過不斷參數(shù)微調(diào)，逐步剔除不符合要求的運動軌跡，逐漸縮小參數(shù)范圍，從而獲得最優(yōu)運動軌跡。同時，對結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性進行復核，最后再調(diào)整確定最終結(jié)構(gòu)參數(shù)。

基于軟件優(yōu)化出最優(yōu)結(jié)果：a=26.869 mm，k=0.991，α0=64°，β=275°，φ0=35°，S=152 mm，δ0=24°。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖6所示，由上述結(jié)果設計出該機構(gòu)，可以達到高效高速化自動取苗要求。

4 不完全共軛變性橢圓齒廓設計

提出一種利用模擬齒輪范成加工的方法進行不完全非圓齒廓的生成，以原傳動比驅(qū)動刀具齒輪進行齒廓切制，整個過程由程序控制，靈活性高且設計方便。

如圖8所示，刀具齒輪模擬加工不完全共軛變性橢圓齒輪時，出于簡化計算以及觀察刀具路徑的原因，基準齒坯固定不動，刀具將按預定的傳動比函數(shù)(數(shù)據(jù)來源于輔助分析與優(yōu)化軟件)進行運動，即繞O點進行公轉(zhuǎn)(行星架的運動)，又繞刀具自身的回轉(zhuǎn)中心進行自轉(zhuǎn)，從而確保刀具與目標齒輪節(jié)曲線作相切純滾動，形成最終齒廓。

圖8 刀具齒廓包絡齒坯原理圖Fig.8 Schematic diagram of cutter tooth profile enveloping tooth blank

式中r——不完全共軛變性橢圓齒輪極徑，為φ的函數(shù)

刀具齒輪齒廓包絡線的形成過程如圖9所示，包絡次數(shù)越多，齒廓精度越高?，F(xiàn)在大多數(shù)齒廓生成方法都是提取齒廓數(shù)據(jù)點，再連點成線，形成齒廓，本文則采用AutoCAD中的布爾減運算，經(jīng)過多次的布爾操作直接提取出目標齒廓，再經(jīng)其對應的數(shù)據(jù)導出功能導出數(shù)據(jù)點，以便后續(xù)使用。

圖9 不完全共軛變性橢圓齒廓生成過程示意圖Fig.9 Schematic diagrams of generation process of incomplete conjugate degenerated elliptic profile

得出目標齒廓后，提取至CAD中生成二維齒廓。再將AutoCAD生成的二維齒廓導入三維軟件SolidWorks，經(jīng)過拉伸等命令得到精確的齒輪實體模型。進一步構(gòu)建其他零部件最后進行裝配，可得到三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的整體三維模型，然后導入ADAMS進行仿真，得到仿真軌跡，如圖10所示。

圖10 取苗機構(gòu)仿真圖Fig.10 Simulation diagram of seedling pick-up mechanism1.齒輪箱 2.取苗臂 3.ADAMS仿真軌跡

5 樣機試驗

5.1 機構(gòu)取苗軌跡驗證試驗

通過試驗檢驗所設計的取苗機構(gòu)是否符合要求，是否具有實施的可行性。

由于取苗爪尖點的軌跡是取苗機構(gòu)設計的關(guān)鍵，其運動軌跡是否合理直接影響到蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的工作性能和取苗質(zhì)量，甚至決定了取苗作業(yè)的成功與否，因此本試驗首先要測定取苗爪尖點的運動軌跡。

試驗所需設備：攝像機、輔助燈光、取苗機構(gòu)試驗臺，如圖11所示。

圖11 取苗機構(gòu)試驗臺Fig.11 Test bench of seedling pick-up mechanism

試驗步驟：首先將組裝好的三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機構(gòu)安裝在取苗機構(gòu)試驗臺上，架設試驗用攝像機，開啟輔助燈光照射，進行圖形攝取，然后調(diào)節(jié)執(zhí)行電機轉(zhuǎn)速至35 r/min，使取苗機構(gòu)空轉(zhuǎn)，最后通過Photoshop對視頻進行解析，獲得實際取苗軌跡。

試驗結(jié)果與分析：圖12所示為取苗機構(gòu)的運動過程，圖12a、12b表示取苗階段，圖12c～12f表示持苗階段，圖12g表示推苗開始時刻，圖12h表示推苗結(jié)束時刻，圖12i～12a表示回程階段。將空轉(zhuǎn)試驗視頻導入Photoshop中進行解析，以取苗臂尖端為觀測點，逐個進行軌跡點描繪，獲得實際取苗軌跡，見圖13。

圖12 運動過程示意圖Fig.12 Movement process diagrams

圖13 試驗實際取苗軌跡Fig.13 Actual seedling pick-up trajectory in test

圖14 理論分析軌跡Fig.14 Theoretical analysis of trajectory

圖13為試驗實際軌跡，圖14為理論分析軌跡，圖10為ADAMS仿真軌跡。綜合對比3種軌跡形狀可以得出：在一定的誤差范圍內(nèi)，3種情況下所得出的取苗軌跡基本一致，由此可見所建立的理論數(shù)學模型以及ADAMS仿真試驗的正確性，同時也證明了該方案的實際可行性。

5.2 機構(gòu)取苗試驗

三臂回轉(zhuǎn)取苗機構(gòu)樣機安裝在蔬菜缽苗自動送苗試驗臺上進行取苗試驗,如圖15所示。其中蔬菜缽苗為彩葉草，育苗基質(zhì)為2/3體積的泥炭加1/3體積的珍珠巖。缽盤規(guī)格為(8×16)穴，穴口為32 mm×32 mm，穴深42 mm。試驗轉(zhuǎn)速為35 r/min，取苗速度為105株/(min·行)，取4盤缽苗，試驗取苗成功率為91.2%。

圖15 彩葉草取苗試驗Fig.15 Picking seedling test of Coleus blumei

取苗失敗的原因如下:所育缽苗個體差異性，根系不發(fā)達容易造成取苗失敗;苗缽含水率過高，取苗過程基質(zhì)容易夾松潰。

通過取苗試驗及試驗分析可知，取苗機構(gòu)的運動軌跡與工作姿態(tài)達到了設計要求，能夠較好地取出蔬菜缽苗；與前期兩臂回轉(zhuǎn)取苗試驗比較[11]，在回轉(zhuǎn)速度相同情況下，取苗效率和取苗成功率都得到了提高，說明該機構(gòu)具有高速化取苗可行性。

6 結(jié)論

(1)為提高蔬菜移栽機的作業(yè)效率，優(yōu)化了移栽機關(guān)鍵機構(gòu)——取苗機構(gòu)，保持轉(zhuǎn)速不變的情況，增加回轉(zhuǎn)取苗臂數(shù)量，設計了三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機構(gòu)，提高了取苗機構(gòu)的取苗效率，滿足高速化移栽目標。

(2)開發(fā)了三臂回轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件，并通過人機交互方式得出一組滿足取苗工作要求的機構(gòu)參數(shù)。

(3)取苗機構(gòu)關(guān)鍵部位中設計了不完全共軛變性橢圓齒輪，配合齒輪箱其他零件，可實現(xiàn)一種特殊的非勻速間歇運動，使得取苗臂的取苗軌跡滿足取苗要求。

(4)設置空轉(zhuǎn)試驗，記錄取苗機構(gòu)在空轉(zhuǎn)時的運動過程，對記錄視頻進行解析，獲得實際取苗軌跡，將實際軌跡、理論分析軌跡和仿真軌跡進行對比，證明了方案的可行性。

(5)設置取苗試驗，通過取苗試驗得出該取苗機構(gòu)常規(guī)作業(yè)性能參數(shù)，取苗成功率和取苗速率穩(wěn)定，其取苗速度為105株/(min·行)，取苗成功率為91.2%，滿足蔬菜移栽機械化生產(chǎn)取苗的需求。