旱田缽苗移栽機(jī)縱向送苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

薛向磊 王 磊 許春林 周脈

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 杭州 310018)

0 引言

缽苗移栽不傷根、便于工廠(chǎng)化育苗，具有省種、增產(chǎn)、提升復(fù)種指數(shù)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。旱田移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度低，限制了大面積推廣，因此迫切需要高效缽苗移栽機(jī)。

送苗裝置是全自動(dòng)缽苗移栽機(jī)的核心部件之一，我國(guó)市場(chǎng)上缽苗移栽機(jī)多采用人工送苗[5]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家全自動(dòng)缽苗移栽機(jī)運(yùn)用機(jī)電液控制多個(gè)動(dòng)作串聯(lián)完成送苗過(guò)程，整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。日本機(jī)型采取整排頂出式取苗方式[6-8]，其縱向送苗機(jī)構(gòu)配備的特制硬質(zhì)缽盤(pán)造價(jià)較高，難以在我國(guó)推廣。國(guó)內(nèi)研究者提出全自動(dòng)缽苗移栽方案[9-10]，橫向送苗均采用空間雙螺旋軸凸輪機(jī)構(gòu)，相關(guān)技術(shù)已趨于成熟[11-16]。符美軍等[17]設(shè)計(jì)的棉花裸苗移栽機(jī)送苗機(jī)構(gòu)，運(yùn)用單銷(xiāo)槽輪帶動(dòng)縱向送苗，難以保證驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)確性。那明君等[18]提出棘輪齒輪式縱向送苗機(jī)構(gòu)，由棘輪驅(qū)動(dòng)齒輪送苗，通過(guò)彈簧作用于頂珠將齒輪定位，但長(zhǎng)期工作極易磨損。俞高紅團(tuán)隊(duì)[19-21]設(shè)計(jì)的雙棘輪式缽苗移栽機(jī)縱向送苗機(jī)構(gòu)，在送苗完成前開(kāi)始定位棘輪，可減小累積誤差，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且驅(qū)動(dòng)阻力較大。目前市場(chǎng)缺少適用于高效旱田缽苗移栽機(jī)的縱向送苗機(jī)構(gòu)[22]。

基于上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)一種棘輪連桿式旱田缽苗移栽機(jī)縱向送苗機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)構(gòu)工作原理與農(nóng)藝要求建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并將設(shè)計(jì)要求數(shù)值化，開(kāi)發(fā)縱向送苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，確定機(jī)構(gòu)參數(shù)值及棘輪結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍；試制物理樣機(jī)，運(yùn)用二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，以棘輪驅(qū)動(dòng)面高度、棘輪定位面高度、取苗轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以送苗成功率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)要求與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)要求

縱向送苗機(jī)構(gòu)的作用為：移栽機(jī)構(gòu)每取完1行苗，將缽盤(pán)整體向下移動(dòng)至指定取苗位置，供移栽機(jī)構(gòu)連續(xù)取苗栽植。根據(jù)農(nóng)藝要求旱田缽苗穴盤(pán)單缽容積為21～25 cm3[23]，本文使用塑料軟質(zhì)缽盤(pán)(圖1)，缽體呈倒方錐形，上穴口37 mm×37 mm，下穴口17 mm×17 mm，穴口深度40 mm，穴盤(pán)規(guī)格為15×8穴，橫縱向相鄰穴孔中心距均為40 mm，缽盤(pán)上下兩端設(shè)有錐桶型連接柱，各柱壁面設(shè)有連接卡扣，作業(yè)時(shí)利用錐筒型連接柱插入卡扣將前后缽盤(pán)無(wú)縫隙連接為一體。為滿(mǎn)足旱田缽苗移栽要求，筆者提出了取栽一體式缽苗移栽機(jī)構(gòu)[24]，如圖2、3所示：機(jī)構(gòu)為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其中A—B—C—D—A表示夾片尖點(diǎn)取苗輸送靜軌跡，缽苗于D點(diǎn)在取苗臂作用下投入鴨嘴栽植器中；E—F—G—H—E為栽植器尖點(diǎn)接苗植苗靜軌跡；缽盤(pán)放置于秧箱上由鏈輪帶動(dòng)縱向移動(dòng)，棘輪與鏈輪同軸固定，機(jī)構(gòu)適用于多功能缽苗移栽試驗(yàn)臺(tái)[25]，移栽機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周橫向移箱40 mm，每取完一排缽苗進(jìn)行一次縱向送苗，由鏈輪帶動(dòng)缽盤(pán)向下進(jìn)給40 mm。棘輪連桿式縱向送苗機(jī)構(gòu)裝配于秧箱上，其設(shè)計(jì)要求為：縱向送苗一次缽盤(pán)向下移動(dòng)40 mm；送苗完成時(shí)機(jī)構(gòu)及時(shí)回位，減少送苗過(guò)沖與累積誤差；高速移栽狀態(tài)下，機(jī)構(gòu)保持穩(wěn)定工作；縱向送苗機(jī)構(gòu)非工作階段，棘輪處于鎖緊狀態(tài)。

圖1 育苗缽盤(pán)

圖2 取栽一體式缽苗移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 縱向送苗方案

1.2 工作原理

圖4為棘輪連桿式縱向送苗機(jī)構(gòu)原理圖，其中鉸鏈O固定于機(jī)架，鉸鏈B、E、O1固定于秧箱。撥桿隨雙向螺旋軸周期轉(zhuǎn)動(dòng)，擺桿、連桿、驅(qū)動(dòng)臂、定位桿、驅(qū)動(dòng)桿與棘輪隨秧箱相對(duì)于機(jī)架往復(fù)橫向移動(dòng)，當(dāng)秧箱運(yùn)動(dòng)至左右兩個(gè)送苗位置時(shí)撥桿與擺桿接觸并驅(qū)動(dòng)擺桿擺動(dòng)，動(dòng)力由連桿傳至驅(qū)動(dòng)臂帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)桿頂起定位桿解鎖棘輪的同時(shí)帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，棘輪與送苗鏈輪軸固連由此驅(qū)動(dòng)送秧鏈輪轉(zhuǎn)輪齒槽，限定棘輪及送秧鏈輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角，復(fù)位彈簧帶動(dòng)機(jī)構(gòu)回復(fù)原位，至此完成一個(gè)縱向送苗周期，秧箱繼續(xù)往復(fù)橫向移動(dòng)直至下一次縱向送苗開(kāi)始。

圖4 縱向送苗機(jī)構(gòu)原理圖

送苗完成后驅(qū)動(dòng)棘爪回復(fù)原位，當(dāng)送苗棘輪單次轉(zhuǎn)動(dòng)誤差較小時(shí)，前一次縱向送苗誤差僅影響下次送苗時(shí)驅(qū)動(dòng)爪空行程的大小，即若上一次送苗量過(guò)大，則下次送苗空行程增大導(dǎo)致送苗量減小，反之亦然，該機(jī)構(gòu)在一定范圍內(nèi)對(duì)累計(jì)誤差有補(bǔ)償作用。

2 縱向送苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)縱向送苗過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[26]。如圖5所示，建立以鉸鏈為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水平方向?yàn)閤軸、豎直方向?yàn)閥軸的直角坐標(biāo)系。將機(jī)構(gòu)分為驅(qū)動(dòng)桿機(jī)構(gòu)與棘輪機(jī)構(gòu)兩部分進(jìn)行分析。

圖5 縱向送苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

2.1 驅(qū)動(dòng)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

初始時(shí)刻秧箱移動(dòng)至送苗位置，驅(qū)動(dòng)撥桿與擺桿開(kāi)始接觸。

撥桿以角速度ω做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，則

φOA(t)=ωt

(1)

撥桿端點(diǎn)A坐標(biāo)

(2)

式中l(wèi)OA——撥桿長(zhǎng)度，mm

φOA(t)——撥桿相對(duì)水平方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)角，rad

撥桿驅(qū)動(dòng)擺桿擺動(dòng)過(guò)程，撥桿沿?cái)[桿上滑動(dòng)，鉸鏈點(diǎn)B固定于秧箱，根據(jù)秧箱結(jié)構(gòu)已知(xB,yB)，擺桿端點(diǎn)I、C兩點(diǎn)的坐標(biāo)為

(3)

(4)

式中l(wèi)BI——擺桿左臂長(zhǎng)度，mm

lBC——擺桿右臂長(zhǎng)度，mm

φBI(t)——擺桿左臂相對(duì)水平方向角度，rad

φBC(t)——擺桿右臂相對(duì)水平方向角度，rad

(5)

式中β1——擺桿兩臂夾角，rad

鉸鏈點(diǎn)E固定于秧箱上，xE、yE已知，則連桿端點(diǎn)D坐標(biāo)為

(6)

其中

φCD(t)=φCE(t)-θC(t)

(7)

(8)

式中θC(t)——△DCE內(nèi)角，rad

lCD——連桿長(zhǎng)度，mm

lED——驅(qū)動(dòng)桿上端長(zhǎng)度，mm

φCD(t)——連桿相對(duì)于水平方向角度，rad

(9)

(10)

(11)

式中φCE(t)——連線(xiàn)CE向量角，rad

φED(t)——驅(qū)動(dòng)臂左臂相對(duì)于水平方向角度，rad

驅(qū)動(dòng)臂右臂F點(diǎn)坐標(biāo)為

(12)

其中

φEF(t)=φED(t)-β2

(13)

式中l(wèi)EF——驅(qū)動(dòng)臂左臂長(zhǎng)度，mm

φEF(t)——驅(qū)動(dòng)臂右臂相對(duì)水平方向角度，rad

β2——驅(qū)動(dòng)臂左右臂之間夾角，rad

棘輪驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)桿上端點(diǎn)K沿定位桿滑動(dòng)，△EFK中驅(qū)動(dòng)臂EF與驅(qū)動(dòng)桿FK的夾角為

(14)

(15)

(16)

φFK(t)=φFE(t)-θF(t)

(17)

(18)

式中l(wèi)KF——驅(qū)動(dòng)桿上端長(zhǎng)度，mm

lEK——驅(qū)動(dòng)桿與定位桿接觸點(diǎn)到鉸鏈點(diǎn)E距離，mm

φFK——驅(qū)動(dòng)桿上端相對(duì)于水平方向角度，rad

φFE(t)——FE相對(duì)于水平方向角度，rad

定位桿端點(diǎn)MM′沿棘輪齒面滑動(dòng)，設(shè)定位爪與定位桿間夾角為φMM′。定位桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度為

(19)

(20)

(21)

(22)

式中φEK——定位桿相對(duì)于水平方向角度，rad

lEM——定位桿長(zhǎng)度，mm

lMM′——定位爪長(zhǎng)度，mm

對(duì)驅(qū)動(dòng)爪進(jìn)行分析，驅(qū)動(dòng)爪JJ′與驅(qū)動(dòng)桿之間夾角為φJ(rèn)J′，點(diǎn)J′沿齒面滑動(dòng)。驅(qū)動(dòng)爪下端坐標(biāo)為

(23)

(24)

(25)

其中

θJJ′(t)=φKF(t)-φJ(rèn)J′

(26)

2.2 棘輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

棘輪裝配在秧箱上，轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為(xO1,yO1)，驅(qū)動(dòng)爪端點(diǎn)J′在棘輪齒面上滑動(dòng)，設(shè)棘輪驅(qū)動(dòng)完成時(shí)刻棘爪端點(diǎn)坐標(biāo)為(x′J′,y′J′)，則單次送苗行程棘輪轉(zhuǎn)角為

(27)

設(shè)棘輪齒數(shù)為Z，設(shè)計(jì)要求棘輪驅(qū)動(dòng)一個(gè)送秧行程對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，則

(28)

S=φO1RM

(29)

式中S——單次送苗行程，mm

RM——送苗鏈輪半徑，mm

棘輪驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，定位桿端點(diǎn)與棘爪端點(diǎn)均沿齒面滑動(dòng)。設(shè)棘輪齒根圓與齒頂圓半徑分別為R1、R2，棘輪齒高即定位面高度為x2，棘爪滑過(guò)棘輪驅(qū)動(dòng)齒面長(zhǎng)度即驅(qū)動(dòng)面高度為x1，則

(30)

(31)

x1=R2-R1

(32)

(33)

式中 (xJ′(0),yJ′(0))——棘爪端點(diǎn)初始坐標(biāo)，mm

(x′M′,y′M′)——驅(qū)動(dòng)桿完全頂起時(shí)端點(diǎn)坐標(biāo)，mm

3 縱向送苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果，本文運(yùn)用機(jī)構(gòu)分析—理論建?！?jì)算機(jī)優(yōu)化的設(shè)計(jì)流程對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)確定

基于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果對(duì)棘輪連桿式縱向送秧機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[27-28]，結(jié)合機(jī)構(gòu)傳動(dòng)特性與旱田缽苗移栽機(jī)縱向送苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，建立優(yōu)化目標(biāo)并將設(shè)計(jì)要求數(shù)值化：①驅(qū)動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)瞬間傳動(dòng)角γ介于45°～90°。②送苗過(guò)程搖桿擺動(dòng)角λ<20°。③棘輪齒頂圓半徑R2<70 mm。④棘輪模數(shù)m>8 mm。⑤驅(qū)動(dòng)桿鉸鏈點(diǎn)與棘輪不干涉(即F點(diǎn)與棘輪齒面最小距離Δ>5 mm)。⑥單次送苗行程S范圍為35～45 mm。

3.2 縱向送苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果，基于Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)縱向送苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，如圖6所示，該軟件將上述目標(biāo)嵌入優(yōu)化目標(biāo)顯示區(qū)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)縱向送秧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬，操作人員通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)可實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)優(yōu)化目標(biāo)與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的反饋結(jié)果，直至參數(shù)滿(mǎn)足所有目標(biāo)要求，完成對(duì)縱向送秧機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，大大降低了設(shè)計(jì)難度，縮短了研發(fā)周期。

圖6 縱向送苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件界面

得出滿(mǎn)足優(yōu)化目標(biāo)要求的參數(shù)，相關(guān)機(jī)構(gòu)參數(shù)為：lOA=30 mm,lBI=70 mm,lBC=20 mm,xB=60 mm，yB=30 mm,xO=-102 mm,yO=-97 mm,φ0=30°,β1=102°，lFK=15 mm,xE=100 mm,yE=-74 mm,lCD=127 mm，lDE=24 mm,lEF=57 mm,β2=128°,φFJ=-20°，lFJ=100 mm,φJ(rèn)J′=25°,φMM′=82°,lEM=88 mm，lMM′=40 mm,lJJ′=7 mm,xO1=200 mm,yO1=0 mm。其余調(diào)節(jié)參數(shù)：t1=9,t2=1,r4=32,r5=10,r6=15。所得優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果為：γ=50°，λ=12°，R2=56 mm，m=9.7 mm，Δ=6.5 mm，S=40.000 19 mm。

3.3 棘輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

棘輪連桿式縱向送苗機(jī)構(gòu)定位桿受彈簧作用沿棘輪齒頂圓周滑動(dòng)，回位阻力大、行程長(zhǎng)，極易引起定位失誤造成送苗失敗。本文對(duì)送苗棘輪進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖7所示，改進(jìn)后棘輪定位桿沿斜面滑動(dòng)至指定位置，縮短回位行程、減小棘輪驅(qū)動(dòng)阻力，有利于定位桿對(duì)棘輪及時(shí)定位，減少送苗誤差。

圖7 棘輪改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖8 送苗誤差分析

4 試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化軟件得出縱向送苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)值及棘輪參數(shù)范圍，由于棘輪驅(qū)動(dòng)與回位過(guò)程運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，采用軟件優(yōu)化與仿真分析無(wú)法準(zhǔn)確反映機(jī)構(gòu)實(shí)際工作情況，本文通過(guò)試制物理樣機(jī)，運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[29]，確定最終設(shè)計(jì)參數(shù)與工作參數(shù)。

4.1 試驗(yàn)因素

驅(qū)動(dòng)面高度x1:由棘輪驅(qū)動(dòng)過(guò)程分析可知，驅(qū)動(dòng)面過(guò)高引起送苗過(guò)沖，過(guò)低導(dǎo)致送苗不足，是產(chǎn)生縱向送苗誤差的主要因素。根據(jù)軟件優(yōu)化結(jié)果：x1取值介于1.5～3.5 mm。

定位面高度x2:定位面過(guò)低時(shí)，引起定位失敗。由于回位過(guò)程中定位桿沿棘輪齒面滑動(dòng)，定位面與驅(qū)動(dòng)面高度差影響其回位行程與回位速度，為保證棘輪定位及時(shí)，避免送苗積累誤差，需通過(guò)試驗(yàn)確定其最優(yōu)組合。根據(jù)軟件優(yōu)化結(jié)果：x2取值介于3.5～5.5 mm。

取苗轉(zhuǎn)速x3：栽植機(jī)構(gòu)取苗轉(zhuǎn)速?zèng)Q定縱向送苗機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)頻率，縱向送苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的振動(dòng)直接影響送苗作業(yè)穩(wěn)定性，進(jìn)而影響送苗質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)有全自動(dòng)移栽機(jī)相關(guān)要求并結(jié)合取栽一體式缽苗移栽機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，取苗轉(zhuǎn)速介于100～200 r/min。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)方法

旱田缽苗如茄子、番茄、辣椒、棉花等作物每畝移栽株數(shù)為2 000～3 500株，本文取用棉花缽苗為3 000株，育苗周期35 d，苗高為150～200 mm，移栽前以“干長(zhǎng)根”為原則進(jìn)行煉苗。根據(jù)缽盤(pán)規(guī)格與整機(jī)情況，以持續(xù)縱向送苗120次送苗成功率為試驗(yàn)指標(biāo)，其計(jì)算公式為

(34)

式中y——送苗成功率，%

n1——送苗成功次數(shù)

n——送苗總次數(shù)

采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，根據(jù)各因素水平上下限確定試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼

試驗(yàn)裝置由取栽一體式缽苗移栽機(jī)構(gòu)、秧箱、橫向送苗機(jī)構(gòu)、縱向送苗機(jī)構(gòu)、可移動(dòng)條形土槽、高速攝像機(jī)等組成，試驗(yàn)通過(guò)變頻調(diào)速三相鼠籠異步電動(dòng)機(jī)為送苗機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力并驅(qū)動(dòng)條形土槽。本文以棉花缽苗為例，試驗(yàn)開(kāi)始前完成育苗：育苗地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院植物工廠(chǎng)實(shí)驗(yàn)室，選用品種為魯棉研18號(hào)，育苗基質(zhì)采用徐州耀德化工有限公司生產(chǎn)的園藝營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，內(nèi)含有珍珠巖、蛭石、草炭、有機(jī)質(zhì)等，原土為東北黑土，根據(jù)農(nóng)藝要求，原土與基質(zhì)質(zhì)量比為1∶2。試驗(yàn)(圖9)采用高速攝影技術(shù)記錄單次送苗周期棘輪轉(zhuǎn)角。所用高速攝像機(jī)型號(hào)為：PHANTOMV5.1，該機(jī)主要參數(shù)：NIKON 50 mm/1.8定焦鏡頭；SR-CMOS彩色傳感器； 3.4 GB超高速DRAM；1 024像素×1 024像素拍攝速度為1 200 f/s，最高95 000 f/s。使用PCC 2.8軟件處理高速圖像(圖9b)，具體方法為：捕獲棘輪驅(qū)動(dòng)面上端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡PP′;以棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心O1為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，得出棘輪轉(zhuǎn)角φO1。根據(jù)前文所述送苗成功標(biāo)準(zhǔn)判定送苗成功次數(shù)，進(jìn)而得出送苗成功率。試驗(yàn)地點(diǎn)：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化試驗(yàn)中心；試驗(yàn)時(shí)間：2019年9月30日。

圖9 送苗試驗(yàn)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，A、B、C為因素編碼值。

4.3.2回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與處理[30]，試驗(yàn)結(jié)果方差分析如表3所示。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，在可信度α=0.05下，進(jìn)行F檢驗(yàn)：各因素對(duì)送苗合格率的回歸模型均為極顯著(P<0.001)，同時(shí)失擬項(xiàng)不顯著(P>0.1)，說(shuō)明所選模型適當(dāng)，無(wú)未加控制的因素對(duì)指標(biāo)存在影響，試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素(編碼值)之間存在著模型確定關(guān)系，剔除不顯著項(xiàng)后，得出回歸模型方程

y=92.4-1.6A-3.54B-0.83C+1.33AB-

0.957AC-0.96BC-1.678A2+0.97C2

(35)

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

表3 方差分析

注：** 表示差異極顯著(P<0.01)。

4.3.3各因素對(duì)指標(biāo)影響貢獻(xiàn)率

考慮到試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程為多元非線(xiàn)性模型，本文采用因素貢獻(xiàn)率來(lái)確定各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的相對(duì)重要程度。根據(jù)試驗(yàn)回歸設(shè)計(jì)中各因素對(duì)指標(biāo)影響貢獻(xiàn)率計(jì)算方法[31]，得出各因素x1、x2、x3對(duì)送苗成功率的貢獻(xiàn)率分別為：2.94、1.96、2.88，結(jié)果表明：各因素貢獻(xiàn)率由大到小依次為x1、x3、x2。

4.3.4各因素對(duì)指標(biāo)影響效應(yīng)分析

通過(guò)數(shù)據(jù)處理，得出各因素之間極顯著交互作用對(duì)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)因素響應(yīng)曲面

當(dāng)取苗轉(zhuǎn)速一定，驅(qū)動(dòng)面高度x1<2.5 mm時(shí)，送苗成功率與驅(qū)動(dòng)面高度呈正相關(guān)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)面高度2.5 mm

4.4 參數(shù)優(yōu)化

綜合擬合的二次回歸旋轉(zhuǎn)模型、雙因素響應(yīng)曲面以及實(shí)際作業(yè)條件要求，針對(duì)各試驗(yàn)因素設(shè)定約束區(qū)間

(36)

運(yùn)用Optimization模塊，求解最大取苗成功率。優(yōu)化結(jié)果為驅(qū)動(dòng)面高度為2.32 mm、定位面高度為3.5 mm、取苗轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，送苗成功率為99.85%。

4.5 性能驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化得到最終設(shè)計(jì)參數(shù)組合，根據(jù)實(shí)際加工情況，取棘輪驅(qū)動(dòng)面高度為2.3 mm、定位面高度3.5 mm、取苗轉(zhuǎn)速100 r/min，于2019年10月5日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化試驗(yàn)中心進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)條件與方法與上述試驗(yàn)相同，結(jié)果表明：送苗成功率為99.17%；考慮到加工條件引起的誤差，該試驗(yàn)驗(yàn)證了回歸模型的可靠性，結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種棘輪連桿式缽苗移栽機(jī)縱向送苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位準(zhǔn)確，且對(duì)累積誤差有一定的補(bǔ)償作用。

(2)建立了棘輪連桿式縱向送苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了縱向送苗過(guò)程，并將設(shè)計(jì)要求數(shù)值化，開(kāi)發(fā)了縱向送苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，得到一組滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)與棘輪參數(shù)范圍。

(3)對(duì)送苗棘輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)軟件優(yōu)化結(jié)果，運(yùn)用二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，以棘輪驅(qū)動(dòng)面高度x1、棘輪定位面高度x2、取苗轉(zhuǎn)速x3為試驗(yàn)因素，以送苗成功率y為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，得出送苗成功率回歸模型：x1=2.32 mm、x2=3.5 mm、x3=100 r/min時(shí)，送苗成功率為99.85%。

(4)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，試制物理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，x1=2.3 mm、x2=3.5 mm、x3=100 r/min時(shí)，送苗成功率為99.17%，驗(yàn)證了回歸模型的可靠性，結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。