多組疊摞營養(yǎng)缽?fù)瑫r自動分離裝置設(shè)計與試驗

田素博，胡 熙，謝 天，哲旋瑞，李本帥，孫周平

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110161；2.遼寧省農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展中心，沈陽 110034；3.設(shè)施園藝教育部重點實驗室，沈陽 110161）

近年來我國花卉產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，要建設(shè)美麗中國，改善生活環(huán)境，發(fā)展花卉產(chǎn)業(yè)是大勢所趨。花卉育苗移栽技術(shù)可以縮短花卉在營養(yǎng)缽內(nèi)的生長周期，保證作物品質(zhì)統(tǒng)一，可實現(xiàn)規(guī)?；I(yè)化生產(chǎn)，控制病蟲害傳播，達(dá)到增產(chǎn)增收的目的。但花卉移栽生產(chǎn)過程主要依靠人工，其配套設(shè)備不完善。多組疊摞軟質(zhì)塑料營養(yǎng)缽?fù)瑫r精準(zhǔn)自動分離裝置作為花卉全自動移栽機的關(guān)鍵部件，其性能一直無法滿足生產(chǎn)要求，嚴(yán)重制約了花卉移栽自動化的發(fā)展。為了降低生產(chǎn)成本，很多生產(chǎn)者選用價格低廉的軟質(zhì)營養(yǎng)缽，但其質(zhì)地柔軟，容易變形，疊摞在一起后缽間界限模糊，不易分離，且營養(yǎng)缽質(zhì)量參差不齊，難以標(biāo)準(zhǔn)化，這進一步限制了盆栽花卉產(chǎn)業(yè)的機械化發(fā)展。

國外對硬質(zhì)花盆分離相關(guān)裝備研究較早，現(xiàn)已向智能化方向發(fā)展，并已經(jīng)將產(chǎn)品推向市場。其產(chǎn)品大部分采用將營養(yǎng)缽分離與基質(zhì)裝填功能集于一體的形式，多固定在生產(chǎn)車間內(nèi)使用，通過轉(zhuǎn)運車將裝填好的營養(yǎng)缽運送至苗床，且適用的硬質(zhì)花盆尺寸較大，分離難度較小。國內(nèi)研究起步較晚，一些高校及科研院所也對硬質(zhì)營養(yǎng)缽分離設(shè)備進行了研究，高國華等設(shè)計了相關(guān)設(shè)備，其分離裝置多利用設(shè)置在營養(yǎng)缽兩側(cè)裝有撥動花盆的撥塊，軸轉(zhuǎn)動后帶動撥塊將花盆分離，或利用兩撥片交替動作撥動硬質(zhì)營養(yǎng)缽邊沿將營養(yǎng)缽分離，但在實際生產(chǎn)中未見推廣應(yīng)用。硬質(zhì)營養(yǎng)缽形狀規(guī)則，疊摞后缽間界限清晰，且缽口處有彎折邊沿，易于分離。軟質(zhì)營養(yǎng)缽固有的軟塑材質(zhì)特性增加了其本身的分離送落難度，同時精準(zhǔn)取送多個軟質(zhì)營養(yǎng)缽技術(shù)尚未取得突破。在現(xiàn)有的軟質(zhì)營養(yǎng)缽分離裝置中，多采用水平放缽轉(zhuǎn)換縱向落缽或單組營養(yǎng)缽縱向落放的機構(gòu)，以上兩種機構(gòu)存在占用空間大、效率低，易造成營養(yǎng)缽脫落等問題。本研究結(jié)合軟質(zhì)缽盆的物理特性，應(yīng)用SolidWorks對整體結(jié)構(gòu)進行建模，并對關(guān)鍵部件進行仿真分析，對關(guān)鍵影響因素進行試驗選取最優(yōu)參數(shù)，設(shè)計的用于緊密擺放的多組疊摞營養(yǎng)缽縱向落放的自動分離裝置解決了上述問題。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

多組疊摞營養(yǎng)缽?fù)瑫r自動分離裝置主要由鋁型材機架、營養(yǎng)缽導(dǎo)向固定架、吸盤組件、頂缽機構(gòu)、升降氣缸、滑軌滑塊、真空發(fā)生器和控制系統(tǒng)等組成（圖1）?；壒潭ㄔ跈C架立柱上，兩側(cè)吸盤固定板通過連接板固連在一起組成吸盤組件，頂桿軸兩端的帶座軸承也分別與連接板固連，使頂缽機構(gòu)與吸盤組件形成一體。兩側(cè)連接板固連在滑塊上，升降氣缸固連在機架橫梁上，升降氣缸桿與頂缽機構(gòu)一側(cè)的吸盤固定板固連，從而吸盤組件與頂缽機構(gòu)受升降氣缸作用實現(xiàn)同時上下移動。頂桿氣缸固連在左側(cè)連接板上，撥叉固連在頂桿軸上，在頂桿氣缸的氣缸桿安裝一Y型接頭，帶動撥叉轉(zhuǎn)動，頂桿與撥叉通過頂桿軸固連，且二者間角度可調(diào)。

圖1 多組疊摞營養(yǎng)缽?fù)瑫r自動分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the simultaneous automatic separation device for multiple stacked seeding bowls

1.2 工作原理

將多組疊摞營養(yǎng)缽放入營養(yǎng)缽導(dǎo)向固定架，最底端營養(yǎng)缽與限位孔接觸并對疊摞缽營養(yǎng)缽進行限位。升降氣缸先將頂缽機構(gòu)和吸盤組件提升，在上升過程中，吸盤與營養(yǎng)缽?fù)獗砻娼佑|并產(chǎn)生輕微壓縮形變，上升至頂端后真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓，吸盤將每組最底端待分離營養(yǎng)缽吸附固定。隨后頂桿氣缸的氣缸桿伸出，推動撥叉、頂桿軸轉(zhuǎn)動，進而頂桿將疊摞營養(yǎng)缽頂起，但此時最底端待分離營養(yǎng)缽位置不動，其底部發(fā)生凹陷，因此實現(xiàn)了最底端待分離營養(yǎng)缽與其上方疊摞營養(yǎng)缽的分離。隨后升降氣缸將頂缽機構(gòu)和吸盤組件推下，最底端待分離營養(yǎng)缽被吸盤拉下通過限位孔，其上方疊摞的營養(yǎng)缽受重力落回限位孔，呈初始狀態(tài)。隨后頂桿氣缸桿縮回，帶動撥叉、頂桿軸轉(zhuǎn)動，進而帶動頂桿撤回，隨后真空發(fā)生器停止工作，營養(yǎng)缽受重力落到營養(yǎng)缽?fù)斜?，這樣完成一組營養(yǎng)缽的分離過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 吸盤組件設(shè)計

吸盤組件作為整個裝置的核心部件（圖2），其設(shè)計直接影響裝置的工作性能。由于多組疊摞營養(yǎng)缽緊密成行排列，因此選擇在兩側(cè)放置吸盤，每摞營養(yǎng)缽分別受兩側(cè)對置的吸盤吸附，在頂缽和分離時受力平衡，有利于營養(yǎng)缽的分離。因營養(yǎng)缽呈圓臺形，兩個吸盤固定板呈與營養(yǎng)缽母線平行的角度被連接板固連，這樣吸盤在向上運動接觸營養(yǎng)缽的過程中可以均勻地貼附在營養(yǎng)缽表面。吸盤安裝在緩沖桿上，緩沖桿主要由中空的氣桿、壓簧、支座和鎖緊螺母等組成，氣桿以間隙配合方式貫穿在支座中，壓簧套在氣桿外，并彈性連接氣桿和支座，支座安裝在吸盤固定板上，由螺母鎖緊固定。當(dāng)吸盤逐漸向上運動靠近營養(yǎng)缽時，緩沖桿的壓簧被壓縮，使吸盤緊密接觸營養(yǎng)缽，確保工作時不漏氣。

圖2 吸盤組件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of sucker part

2.1.1 吸盤選型計算 由于營養(yǎng)缽表面為曲面且十摞營養(yǎng)缽中心不完全在一條直線上，所以選擇波紋型硅膠吸盤，來適應(yīng)不同位置的營養(yǎng)缽表面，且有一定緩沖作用。營養(yǎng)缽材質(zhì)為PE塑料，吸盤材質(zhì)為硅膠，經(jīng)摩擦角法測定兩者間摩擦系數(shù)

μ

=0.84。經(jīng)拉力計測量，單個營養(yǎng)缽從限位孔穿過所需拉力小于1N。本研究以垂直起吊模型計算，安全系數(shù)

S

取8，則吸附力

F

=8N，吸盤吸附力理論計算公式

F

=0.1

μAP

，則吸盤吸附面積為：

式中：

A

為吸盤吸附面積（cm）；

F

為吸附力（N）；

P

為真空壓力（kPa）；

μ

為硅膠吸盤與營養(yǎng)缽間摩擦系數(shù)。則吸盤直徑

d

=14.2mm，圓整后取15mm。2.1.2 真空發(fā)生器選型計算 真空發(fā)生器利用壓縮空氣來產(chǎn)生負(fù)壓，是真空系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。為了保證吸附力和工作效率，要求吸附響應(yīng)時間

T

≤1s，且真空壓力達(dá)到60kPa，即真空度60kPa/88kPa=0.68。根據(jù)供給閥動作后真空度和響應(yīng)時間的關(guān)系可知

T

=60

V/Q

，達(dá)到真空度63%的時間為

T

，達(dá)到真空度68%的時間為

T

，

T

約等于1.2

T

。經(jīng)計算吸盤與真空發(fā)生器之間管路的容積即吸附容積

V

=0.22L，假設(shè)吸盤與營養(yǎng)缽之間、氣路中均無漏氣，則真空發(fā)生器吸入流量為：

則最大吸入流量為：

為了保證空壓機提供最小壓力時真空發(fā)生器仍能產(chǎn)生預(yù)先設(shè)計的真空度，并提高空氣利用率，最終選用SMC公司生產(chǎn)的ZL112型多級真空發(fā)生器，其采用三段拉瓦爾噴管結(jié)構(gòu)，其真空壓力峰值可達(dá)84kPa，最大吸入流量為100L·min，空氣消耗量為63L·min，效率為1.59，使吸盤吸附營養(yǎng)缽的方案可行。

2.2 頂缽機構(gòu)設(shè)計

2.2.1 頂缽機構(gòu)總體設(shè)計 頂缽機構(gòu)是保證每次只分離一個營養(yǎng)缽的關(guān)鍵部件。工作過程如圖3，頂桿頂動疊摞營養(yǎng)缽前，吸盤將最下端待分離營養(yǎng)缽吸附固定，當(dāng)上方疊摞的營養(yǎng)缽被頂起，最底端待分離營養(yǎng)缽與上方疊摞營養(yǎng)缽之間產(chǎn)生間隔，使待分離營養(yǎng)缽不受其上方疊摞營養(yǎng)缽的復(fù)雜擠壓力影響，待分離營養(yǎng)缽與限位孔之間的作用力也大幅減小，可忽略不計。這樣被分離的營養(yǎng)缽只受吸盤的吸附力和自身重力，為每次只分離一個營養(yǎng)缽創(chuàng)造了條件。頂缽機構(gòu)運動簡圖如圖4，選用的頂桿氣缸行程為BB’=25mm，當(dāng)氣缸完全伸出時，頂桿將疊摞缽盆頂起至最高點，撥叉OB為水平狀態(tài)，氣缸桿與撥叉垂直，使頂桿受力最大時氣缸桿只受軸向力作用。根據(jù)裝置的空間要求，設(shè)頂桿力矩OA長度為138mm，為使頂桿縮回時不阻擋營養(yǎng)缽自由落體，頂桿需轉(zhuǎn)動37.15°，則OB=25/tan37.15°=33mm。

圖3 頂缽過程示意圖Figure 3 Schematic diagram of jacking process

圖4 頂缽機構(gòu)運動簡圖Figure 4 Movement diagram of pushing mechanism

考慮到零件的互換性，頂桿軸選用外徑為20mm，壁厚為2mm的鍍鋅管。為了使整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊，保證結(jié)構(gòu)強度的同時減小零件質(zhì)量，同時盡量減小營養(yǎng)缽自由下落的距離，將頂桿設(shè)計為圓弧狀，材質(zhì)為T5鋁合金。通過試驗可知頂桿軸和頂桿的剛度和強度滿足設(shè)計要求。

2.2.2 限位孔直徑與頂起高度設(shè)計 營養(yǎng)缽與限位孔位置關(guān)系如圖5，可知：

圖5 營養(yǎng)缽與限位孔位置關(guān)系圖Figure 5 Position relationship between bowls and limit hole

式中：

D

為限位孔直徑（mm）；

h

為缽盆口與限位孔間距（mm）；

α

為缽盆母線與鉛垂線夾角角度（°）。根據(jù)裝置工作原理，頂起高度應(yīng)大于

h

才能保證在吸盤組件和頂缽機構(gòu)下移時，被吸附營養(yǎng)缽能通過限位孔而上方營養(yǎng)缽落回限位孔。通過試驗可知，頂起高度越大則營養(yǎng)缽底部變形越大，不利于后續(xù)作業(yè)，因此

h

應(yīng)盡量小，則導(dǎo)致限位孔直徑

D

增大，但

D

過大會使?fàn)I養(yǎng)缽從限位孔中脫落。為得到最合適的

D

值，將疊摞營養(yǎng)缽分別放置在直徑為70~78mm的限位孔中，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)

D

≤74時營養(yǎng)缽不會從限位孔中脫落，當(dāng)

D

=75時則有脫落的風(fēng)險，所以確定限位孔尺寸為74mm，則

h

=16mm。因此，頂起高度應(yīng)大于16mm，進行不同頂起高度下的分離成功率試驗，試驗結(jié)果如圖6，最終確定頂起高度為20mm。

圖6 頂起高度對分離成功率的影響Figure 6 Influence of pushing height on separation successful rate

2.2.3 頂桿氣缸設(shè)計選型 經(jīng)測量100個10×10型黑色軟質(zhì)營養(yǎng)缽重約115g，每個營養(yǎng)缽導(dǎo)向固定筒內(nèi)可放500個營養(yǎng)缽，每摞營養(yǎng)缽重575g，則10摞營養(yǎng)缽質(zhì)量

M

=5750g，所受重力

G

=57.5N，則頂桿氣缸桿所受軸向力為：

氣缸伸出所用時間

t

=1s，空氣壓縮機提供的最低工作壓力為

P

=0.4MPa。根據(jù)氣缸所帶的負(fù)載、運動狀況及工作壓力，氣缸選型計算步驟如下。（1）選取負(fù)載率

β

=0.5。

（2）根據(jù)雙作用氣缸負(fù)載形式，選取氣缸理論輸出力計算公式為：

（3）根據(jù)軸向負(fù)載力

F

和負(fù)載率

β

，計算理論輸出力為：

（4）依照以上計算得到氣缸缸徑

D

為：

（5）為適配行程25mm的氣缸，選用標(biāo)準(zhǔn)氣缸型號為SC40*25型。

2.3 疊摞營養(yǎng)缽導(dǎo)向固定架設(shè)計

由于疊摞營養(yǎng)缽大致呈圓柱體，10組疊摞營養(yǎng)缽理論上為相切狀態(tài)，又需要在固定架內(nèi)沿豎直方向滑動，因此營養(yǎng)缽限位固定架采用不銹鋼棒和不銹鋼板焊接而成，通過螺栓將不銹鋼板固連在機架橫梁下方。每摞營養(yǎng)缽水平方向由4根不銹鋼棒限位，相鄰兩摞營養(yǎng)缽之間放置一根不銹鋼棒，保證相鄰兩摞營養(yǎng)缽不受彼此干擾，滑動順暢。不銹鋼板上的限位孔用來限制營養(yǎng)缽豎直方向移動，保證10組最底端待分離營養(yǎng)缽中心在同一直線上?？紤]到整機結(jié)構(gòu)和工作效率，固定架的缽盆容量要盡量大，若將單摞容量設(shè)計為500個，移栽完成后營養(yǎng)缽在地面上緊密擺放，按6000株·h的工作效率，可供移栽機工作50min，移栽40m，滿足作業(yè)要求。經(jīng)測量100個疊摞營養(yǎng)缽的高度約為74mm，則固定架高為74×5=370mm，考慮到余量，圓整設(shè)計固定架高為400mm。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

多組疊摞營養(yǎng)缽?fù)瑫r自動分離裝置控制系統(tǒng)采用PLC進行控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7，選用西門子S7-200 Smart作為控制主機。分離裝置的動作通過PLC控制電磁閥進而控制多級真空發(fā)生器、升降氣缸、頂桿氣缸實現(xiàn)，氣動回路圖如圖8。營養(yǎng)缽輸送裝置運動通過PLC控制驅(qū)動器進而控制步進電機實現(xiàn)。分離裝置與花卉移栽機配套使用時，系統(tǒng)啟動后按下復(fù)位按鈕進入復(fù)位狀態(tài)，利用傳感器精準(zhǔn)控制營養(yǎng)缽?fù)斜行倪\動至疊摞營養(yǎng)缽中心下方，升降氣缸將吸盤組件和頂缽裝置提升至頂部，頂桿氣缸縮回帶動頂桿撤回，分離準(zhǔn)備工作完成。系統(tǒng)啟動后，按照既定程序進行分離作業(yè)，吸盤斷氣后分離裝置各部件回到初始位置，營養(yǎng)缽落入營養(yǎng)缽?fù)斜筝斔脱b置向前移動一個工位，繼續(xù)進行下一次分離作業(yè)。

圖7 多組疊摞營養(yǎng)缽?fù)瑫r自動分離裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Control system structure diagram of automatic separation device for multiple stacked seeding bowls

圖8 多組疊摞營養(yǎng)缽?fù)瑫r自動分離裝置氣動回路圖Figure 8 Pneumatic circuit diagram of automatic separation device for multiple stacked seeding bowls

4 試驗結(jié)果與分析

為測試多組疊摞營養(yǎng)缽自動分離裝置的整體性能，將裝置安裝在花卉全自動移栽機上進行性能試驗，試驗于2021年9月在沈陽二四五廠（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科研教學(xué)基地）進行（圖9）。所用空氣壓縮機輸出壓力范圍在0.4~0.8MPa，營養(yǎng)缽為10×10型黑色軟質(zhì)塑料營養(yǎng)缽?；ɑ苋詣右圃詸C前進速度設(shè)定為1.34cm·s，工作效率為6000株·h。根據(jù)作業(yè)要求，每個營養(yǎng)缽?fù)斜瓋?nèi)有且僅有一個營養(yǎng)缽則視為分離成功。試驗連續(xù)進行3組，每組進行20次分缽作業(yè)，即移栽一盤200穴穴盤苗所需的營養(yǎng)缽數(shù)。

圖9 性能試驗Figure 9 Performance test

試驗時，對營養(yǎng)缽?fù)斜瓋?nèi)的營養(yǎng)缽數(shù)量進行統(tǒng)計，試驗結(jié)果如表1。由表1可知，當(dāng)移栽機前進速度設(shè)定為1.34cm·s，工作效率為6000株·h時，多組疊摞營養(yǎng)缽?fù)瑫r自動分離裝置的分離成功率為94.8%，空缽率為4%，重缽率為1.2%。試驗過程中未發(fā)現(xiàn)落在營養(yǎng)缽?fù)斜獾臓I養(yǎng)缽，造成托杯內(nèi)無營養(yǎng)缽的原因是個別營養(yǎng)缽側(cè)壁有折疊的棱紋，導(dǎo)致吸盤吸附時漏氣，不能產(chǎn)生足夠的吸附力，致使無法成功分離。對托杯內(nèi)有兩個營養(yǎng)缽的情況分析發(fā)現(xiàn)，兩者中上方的營養(yǎng)缽為畸形營養(yǎng)缽，其只有被無序壓縮的下半部分，當(dāng)營養(yǎng)缽被下拉分離時，畸形營養(yǎng)缽會通過限位孔，隨被分離營養(yǎng)缽一起落入托杯內(nèi)。未發(fā)現(xiàn)托杯內(nèi)有3個及3個以上營養(yǎng)缽的情況。

表1 軟質(zhì)營養(yǎng)缽分離試驗結(jié)果
Table 1 Results of soft seeding bowls separation test

?

5 討論與結(jié)論

本研究針對疊摞黑色軟質(zhì)塑料營養(yǎng)缽特性，設(shè)計了多組疊摞軟質(zhì)營養(yǎng)缽自動分離裝置。提出“吸附-頂起-下拉”式分離方案，吸盤組件和頂缽機構(gòu)配合使待分離營養(yǎng)缽與其上方疊摞營養(yǎng)缽產(chǎn)生間隔，消除了營養(yǎng)缽間復(fù)雜作用力的影響，為實現(xiàn)單個分離創(chuàng)造了條件。對關(guān)鍵部件進行選型，使用口徑為15mm的吸盤，在保證吸附力的前提下，可以更容易地緊密貼附在營養(yǎng)缽表面。選用多級真空發(fā)生器，在滿足要求的前提下大幅減少了壓縮空氣的消耗量。根據(jù)疊摞營養(yǎng)缽重量和頂桿運動軌跡設(shè)計了頂缽機構(gòu)，采用側(cè)位頂缽方式，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。與夾取翻轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)相比，沒有復(fù)雜的運動機構(gòu)，空間利用率更高。設(shè)計了與花卉全自動移栽機相適應(yīng)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)分離裝置自動運行。

本研究將多組疊摞軟質(zhì)營養(yǎng)缽自動分離裝置安裝在花卉全自動移栽機上進行配套性能試驗，在盆栽花卉高速移栽機前進速度為1.34cm·s，工作效率為6000株·h的情況下，連續(xù)進行3組試驗，每組進行20次分缽作業(yè)，成功率為94.8%，達(dá)到了預(yù)期效果。與滾軸式和單摞分離式分缽裝置相比，本裝置的成功率和分離效率更高。在試驗中發(fā)現(xiàn)疊摞營養(yǎng)缽?fù)庑纬叽绲牟町悓Ψ蛛x成功率影響較大，應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化吸盤的吸附位置和真空系統(tǒng)，以適應(yīng)形狀尺寸差異的疊摞營養(yǎng)缽精準(zhǔn)分離。