溫室葉菜種苗雙排移植手稀植部件設(shè)計(jì)與時(shí)序優(yōu)化試驗(yàn)

馬锃宏 饒益成 童俊華 李 愷 徐敏雅 武傳宇

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125；4.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鎮(zhèn)江 212400)

0 引言

溫室葉菜水培技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)相比具有種苗生長(zhǎng)品質(zhì)好、產(chǎn)量高等多種優(yōu)點(diǎn)，在華南地區(qū)廣泛推廣，其培育初期需要將培育好的種苗從穴盤(pán)稀植移栽到淺液流的栽培槽內(nèi)，工作任務(wù)繁重，因此研發(fā)相應(yīng)移栽機(jī)具有重要意義。

國(guó)外對(duì)穴盤(pán)苗移栽技術(shù)的研究起步早，美國(guó)[1]、日本[2]、韓國(guó)[3]等率先研發(fā)出了半自動(dòng)、全自動(dòng)的蔬菜穴盤(pán)苗移栽機(jī)。近年隨著人工成本的上升和科技水平的提升，國(guó)內(nèi)學(xué)者也加強(qiáng)了這方面的研究，針對(duì)花椰菜[4]、油菜[5]等不同作物移栽需求開(kāi)發(fā)了多種自動(dòng)移栽機(jī)。上述國(guó)內(nèi)外研究主要針對(duì)旱地大田作物移栽，機(jī)器本體移動(dòng)，移植手取苗和植苗位置點(diǎn)的間距較小，移栽效率高；而溫室內(nèi)移栽機(jī)器本體固定，穴盤(pán)缽苗的補(bǔ)苗或者稀植移栽取苗和植苗目標(biāo)點(diǎn)距離相對(duì)較大，以上旱地取植苗機(jī)構(gòu)并不適合溫室作業(yè)場(chǎng)景。

國(guó)內(nèi)外對(duì)溫室移栽機(jī)的取苗技術(shù)也開(kāi)展了大量研究[6-7]。早期著重末端執(zhí)行器的開(kāi)發(fā)，基于工業(yè)機(jī)器人本體開(kāi)展移栽試驗(yàn)[8-10]，驗(yàn)證其可行性；而后又朝著獨(dú)立機(jī)電系統(tǒng)的集成裝備方向發(fā)展[11-14]，功能相對(duì)更完備，自動(dòng)化程度得到提高。而這些研究主要針對(duì)單株苗進(jìn)行移栽[15-16]，多用于溫室補(bǔ)苗移栽作業(yè)[17]，單個(gè)移植手體積大，不能適應(yīng)成排取苗高速稀植的作業(yè)需求。園藝技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家在穴盤(pán)成排取植苗方面的技術(shù)相對(duì)先進(jìn)，如荷蘭VISSER公司[18]研制的PIC-O-Mat BL型移栽機(jī)主要用于花卉幼苗移栽，可搭配4～8個(gè)移植手，最高移栽效率達(dá)到10 000株/h；意大利Urbinati公司[19]研制的RW64型溫室自動(dòng)移栽機(jī)主要用于樹(shù)苗移栽，最高可搭配80個(gè)移植手，其效率達(dá)到56 000株/h，實(shí)現(xiàn)對(duì)穴盤(pán)缽苗的整排移栽，移栽效率高，但移植機(jī)主要是適應(yīng)本國(guó)作物種植模式及其農(nóng)藝要求，其與中國(guó)的農(nóng)藝國(guó)情不相適應(yīng)且價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)胡建平等[20]設(shè)計(jì)了一種8個(gè)手爪的高效全自動(dòng)缽苗移栽設(shè)備，采用兩指四針式取苗爪[11]，在移栽效率120株/min下移栽成功率達(dá)到90.2%，在移栽效率80株/min下移栽成功率達(dá)到94.1%，在移栽效率64株/min下移栽成功率達(dá)到96.9%；黎波等[21-22]針對(duì)椰糠基質(zhì)種苗移植性差等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種伸縮針式4串聯(lián)移植機(jī)械手，移植成功率為100%。上述國(guó)內(nèi)成排取苗移植機(jī)構(gòu)移栽效率與國(guó)外仍有差距，需要進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。

本文基于溫室水培葉菜稀植作業(yè)的需求，設(shè)計(jì)一種可以在小空間實(shí)現(xiàn)可靠夾苗，并能成排密集取苗和變間距稀植苗的機(jī)構(gòu)，采用電動(dòng)和氣動(dòng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)移栽各部件執(zhí)行單元的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，并優(yōu)化協(xié)同工作的時(shí)序，以期獲得最佳移栽效率和成功率。

1 葉菜種苗稀植作業(yè)原理

葉菜種苗稀植作業(yè)主要包括2個(gè)步驟：雙排移植手并攏從穴盤(pán)中整排取苗；雙排移植手兩個(gè)方向變間距分開(kāi)至栽培槽孔中植苗。稀植作業(yè)原理如圖1所示。穴盤(pán)苗從右側(cè)進(jìn)入穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)，至取苗區(qū)域停止，同時(shí)栽培槽從栽培槽輸送機(jī)構(gòu)左側(cè)輸入，至極限位置停止，即栽培槽左側(cè)前兩排槽孔正對(duì)植苗區(qū)域；移植手并攏從穴盤(pán)中整排取苗，移至植苗區(qū)域?qū)⑷~菜種苗栽至栽培槽孔中；后穴盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)傳遞一排穴孔距離，下排種苗至取苗區(qū)域，栽培槽輸送機(jī)構(gòu)傳遞兩排槽孔距，下兩排槽孔至植苗區(qū)域，同時(shí)移植手復(fù)位進(jìn)行下一次稀植作業(yè)。

圖1 稀植裝備作業(yè)原理圖Fig.1 Working principle diagram of sparse planting equipment1.穴盤(pán)輸送部件 2.取苗區(qū)域 3.穴盤(pán) 4.植苗區(qū)域 5.稀植移栽部件 6.栽培槽輸送部件 7.栽培槽

溫室葉菜種苗雙排移植手高速稀植裝備由3部分組成：稀植移栽部件、穴盤(pán)輸送部件、栽培槽輸送部件。稀植移栽部件橫跨在穴盤(pán)輸送部件和栽培槽輸送部件上方，將穴盤(pán)中葉菜種苗移栽至空栽培槽孔內(nèi)；穴盤(pán)輸送部件用于輸送穴盤(pán)，其兩側(cè)設(shè)置光電傳感器用于檢測(cè)穴盤(pán)是否到位；栽培槽輸送部件間歇輸送空栽培槽用于栽培槽分段傳遞至植苗區(qū)域。溫室水培葉菜種苗高速稀植裝備采用三菱FX3U-64MT型PLC控制伺服驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、電磁閥、中間繼電器等進(jìn)而控制伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、氣缸和動(dòng)力輥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)時(shí)序控制，其裝備參數(shù)如表1所示。

表1 稀植裝備參數(shù)Tab.1 Parameters of sparse planting equipment

2 稀植移栽部件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

稀植移栽部件是移栽裝備的關(guān)鍵部件，主要將穴盤(pán)中葉菜種苗整體取出，將葉菜種苗移至栽培槽內(nèi)。稀植移栽部件主要包括左右升降氣缸、主軸、橫向氣缸、水平滑軌、雙排移植手移動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)架，如圖2所示。稀植移栽部件的主體部分為雙排移植手移動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)水平氣缸在水平滑軌上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)橫縱兩方向變間距運(yùn)動(dòng)，通過(guò)安裝在主軸兩側(cè)的垂直氣缸實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)構(gòu)往復(fù)升降運(yùn)動(dòng)。

圖2 稀植移栽部件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of sparse planting transplanting device1.左升降氣缸 2.主軸 3.橫向氣缸 4.水平滑軌 5.雙排移植手移動(dòng)機(jī)構(gòu) 6.右升降氣缸 7.機(jī)架 8.移動(dòng)機(jī)架 9.橫向分離線性模組 10.縱向分離氣缸 11.活動(dòng)架 12.移植手

雙排移植手移動(dòng)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)葉菜種苗整排取苗和兩方向變間距植苗的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要包括12個(gè)移植手、移動(dòng)機(jī)架、活動(dòng)架、縱向分離氣缸、橫向分離線性模組以及各移植手間固定緩沖帶。12個(gè)移植手分為雙排各6個(gè)移植手，一排固定，另一排活動(dòng)，通過(guò)縱向分離氣缸實(shí)現(xiàn)整排移植手縱向(圖2中前后方向)靠攏和分離，雙排移植手分別通過(guò)緩沖帶串聯(lián)；單排移植手最左端移植手固定在活動(dòng)架上，最右端移植手與橫向分離線性模組上滑塊固連，從而實(shí)現(xiàn)單排移植手橫向(圖2中左右方向)并攏和展開(kāi)。

2.2 移植手設(shè)計(jì)與分析

2.2.1葉菜種苗物理特性

試驗(yàn)對(duì)象選用“久盛”甘藍(lán)，將其栽種在540 mm×280 mm的72孔(6×12)穴盤(pán)內(nèi)，栽培基質(zhì)塊由泥炭、蛭石和珍珠巖組成[23]，基質(zhì)配比為6∶3∶1，基質(zhì)含水率為50%～70%，培育溫度為28.5℃，培育周期28 d，此時(shí)葉菜種苗根系發(fā)達(dá)，基質(zhì)塊包絡(luò)性強(qiáng)且種苗間葉片干擾程度相對(duì)較小。種苗株高H為110～125 mm，株寬L為45～61 mm，葉片數(shù)為4～6片，基質(zhì)塊高度h0為46～53 mm，頂邊平均寬度l1為41 mm，底邊平均寬度l2為18 mm，穴盤(pán)傾角β為78.69°，甘藍(lán)種苗結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 甘藍(lán)種苗結(jié)構(gòu)尺寸Fig.3 Seedling structure size of cabbage plug

2.2.2移植手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)葉菜種苗培育過(guò)程中，相同基質(zhì)成分下培育種苗發(fā)育參差不齊，采用一次夾緊移植手進(jìn)行種苗移植，易發(fā)生葉菜種苗未抓取、基質(zhì)塊散落、輸送過(guò)程掉落等現(xiàn)象，移植效果較差。研制了一種變插入角二次夾緊的取苗移植手，考慮種苗抓取穩(wěn)定性，選取4爪片均勻分布式取苗移植手，如圖4所示，主要由固定背板、移植氣缸、固定座、爪座、爪片、楔形塊、上導(dǎo)向板和下導(dǎo)向板組成。移植氣缸選用MA25型氣缸。移植氣缸推桿穿過(guò)固定背座與爪座固連，移植氣缸缸體與固定座固連，間接與固定背板固連。4爪片均勻分布，固定在爪座四周，4爪片外側(cè)分別焊接楔形塊，使爪片從導(dǎo)向板下導(dǎo)向孔穿入并保證楔形塊在上下導(dǎo)向板之間運(yùn)動(dòng)。

圖4 移植手結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of end effector1.固定背板 2.移植氣缸 3.固定座 4.氣缸推桿 5.爪座 6.爪片 7.上導(dǎo)向板 8.楔形塊 9.下導(dǎo)向板 10.下導(dǎo)向板導(dǎo)向孔

移植氣缸推桿伸出，推動(dòng)爪座與爪片整體向下運(yùn)動(dòng)，直至楔形塊與下導(dǎo)向板接觸，此為一次夾緊，此時(shí)爪片插入角不變；氣缸推桿繼續(xù)伸出，楔形塊擠壓通過(guò)下導(dǎo)向板導(dǎo)向孔，使得爪片向內(nèi)彎曲形成二次夾緊，爪片向內(nèi)彎曲使得插入角變化。

爪片插入基質(zhì)塊抓取種苗即為沿穴孔側(cè)棱插入，如圖5所示，虛線為一次夾緊狀態(tài)，實(shí)線為二次夾緊狀態(tài)。移植手靠攏并排夾取種苗，上導(dǎo)向板的導(dǎo)向孔間距d4為固定值，此時(shí)第一次夾緊取苗移植手的最大插入角α1為

圖5 爪片二次夾緊示意圖Fig.5 Diagram of secondary clamping of claw1.爪片 2.楔形塊 3.穴盤(pán)(穴盤(pán)側(cè)棱) 4.基質(zhì)塊 5.下導(dǎo)向板

α1=arctan(2(c+H1)/(d4-d2))

(1)

式中H1——導(dǎo)向板至穴盤(pán)底部距離，mm

c——上下導(dǎo)向板內(nèi)間距，mm

d2——穴孔下邊長(zhǎng)，mm

爪片以固定插入角α1，在取苗深度0～h1max范圍內(nèi)進(jìn)行葉菜種苗夾取作業(yè)，隨著爪片頭在基質(zhì)塊中移動(dòng)，爪片頭與穴孔側(cè)棱距離會(huì)產(chǎn)生一定偏移量Δl1，此時(shí)第一次夾取爪片插入基質(zhì)塊后爪片頭與穴孔側(cè)棱水平距離為l4，推導(dǎo)出公式為

l4=l3-Δl1

(2)

其中

Δl1=h1/tanβ-h1/tanα1

(3)

式中h1——第1次夾緊取苗深度，mm

l3——爪片頭插入基質(zhì)塊位置距穴孔側(cè)棱水平距離，mm

爪片取苗繼續(xù)深入時(shí)，第2次夾緊取苗移植手爪片的插入角α2為

α2=arctan(c/[(d4-d3)/2+dx])

(4)

式中d3——下導(dǎo)向板的導(dǎo)向孔間距，mm

dx——爪片受楔形塊與下導(dǎo)向板導(dǎo)向孔擠壓產(chǎn)生的橫向位移，mm

移植手取苗深度h為

h=h1max+h2

(5)

式中h1max——第1次夾緊取苗深度極限值，mm

h2——第2次夾緊取苗深度，mm

在移植手安裝空間和移植氣缸推力相對(duì)較大情況下，初步研制移植手插入角α1為80°。為保證爪片抓取種苗，同時(shí)參考穴孔與種苗基質(zhì)塊高度，選取第1次夾緊取苗深度極限值h1max為45 mm，第2次夾緊取苗深度極限值h2max為4 mm。

爪片剛插入基質(zhì)塊時(shí)，爪片頭與穴孔側(cè)棱距離為l3，爪片插入種苗后的位置與穴孔壁間距小于3 mm時(shí)[3]，可有效提高取苗成功率，故選取爪片頭插入基質(zhì)塊位置與穴孔側(cè)棱水平距離l3為3 mm。文獻(xiàn)[24]確定72孔穴盤(pán)苗基質(zhì)塊壓縮變形小于4.36 mm時(shí)，承受外力作用下的抗壓力隨著變形的增大而緩慢增大，表現(xiàn)出一定的屈服特性，故楔形塊最大厚度a為5 mm，為使爪片順滑進(jìn)入下導(dǎo)向板導(dǎo)向孔，楔形塊設(shè)計(jì)為圓弧狀，下端與爪片相切，如圖5所示，考慮到楔形塊選用65Mn彈簧鋼，其摩擦因數(shù)為0.74，即摩擦角為36.4°，取高度b為12 mm，則由平面幾何關(guān)系可知圓弧半徑為16.9 mm。根據(jù)公式(2)、(3)計(jì)算，取苗深度h1max為45 mm時(shí)，偏移量Δl1為1.07 mm，第1次夾取爪片頭與穴孔側(cè)棱最小距離l4為1.93 mm，大于0，不會(huì)扎到穴盤(pán)側(cè)棱。

2.2.3移植手剛?cè)狁詈戏抡娣治?/p>

爪片需要彎曲形變形成二次夾緊，因此爪片采用65Mn彈簧鋼，進(jìn)一步計(jì)算爪片長(zhǎng)度為230 mm、寬度為4 mm、厚度為1 mm，為驗(yàn)證移植手取苗是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)移植手進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡娣治鯷25]，從實(shí)際出發(fā)考慮取苗過(guò)程中二次夾緊爪片產(chǎn)生的柔性變形，對(duì)移植手進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治龈哂袑?shí)際工程意義。在SolidWorks中建立爪片三維模型，并輸出為x_t格式文件，導(dǎo)入到ANSYS中，設(shè)置材料屬性：密度為7 810 kg/m3、彈性模量為2.1×1011Pa、泊松比為0.288。從而實(shí)現(xiàn)爪片柔性化，并導(dǎo)出中間MNF格式文件。

移植手從SolidWorks中導(dǎo)出x_t格式文件，將x_t文件導(dǎo)入到ADAMS中，利用生成的柔性爪片即MNF格式文件替換對(duì)應(yīng)的剛性爪片，根據(jù)爪片實(shí)際運(yùn)動(dòng)設(shè)置固定副和運(yùn)動(dòng)副，最終得到剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?，如圖6所示，偏移量為爪片頭實(shí)際軌跡和穴盤(pán)側(cè)棱的水平距離。

圖6 剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ虵ig.6 Rigid-flexible coupling simulation model

移植氣缸行程為50 mm，對(duì)移植手爪片伸出夾緊位移進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7 所示。取苗深度h為0～45 mm時(shí)，為一次夾緊，爪片頭偏移量Δl緩慢增大；取苗深度h為45～50 mm時(shí)，爪片頭偏移量Δl突增，為二次夾緊。在45 mm處的偏移量Δl為1.1 mm，對(duì)應(yīng)45 mm處理論計(jì)算偏移量Δl1為1.07 mm，誤差處于合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了仿真的合理性。取苗深度h超過(guò)45 mm，爪片插入角α2為變化值，不能理論計(jì)算，且取苗深度為50 mm偏移量Δl最大。取苗深度h為48 mm時(shí)，偏移量Δl為4.29 mm；h為50 mm時(shí)，Δl為5.59 mm，超過(guò)基質(zhì)塊壓縮最大變形量4.36 mm[24]，因此最佳取苗深度為48 mm，此時(shí)爪片頭偏移量Δl為4.29 mm，葉菜種苗移栽時(shí)對(duì)葉菜種苗損傷較小，易保證葉菜種苗基質(zhì)抓取完整性。仿真表明Δl隨取苗深度增大而增大，同時(shí)移植手二次夾緊偏移量增加，有利于提取種苗，但取苗深度達(dá)到一定值時(shí)，移植手二次夾緊偏移量過(guò)大，爪片易夾散基質(zhì)塊，植苗時(shí)葉菜種苗不易掉落，影響移植手放苗作業(yè)。

圖7 偏移量仿真曲線Fig.7 Simulation curve of offset

2.3 雙排移植手稀植取苗策略比較

雙排移植手通過(guò)移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行取苗作業(yè)，橫縱兩方向變間距植苗作業(yè)。為縮短移植運(yùn)動(dòng)距離，需要規(guī)劃取苗策略。穴盤(pán)相鄰穴孔與栽培槽橫縱兩向相鄰槽孔間距不一致，因此制定了整排取苗，橫縱兩向變間距稀植移栽策略。以穴盤(pán)和栽培槽最左側(cè)為起始側(cè)進(jìn)行位置標(biāo)定，穴盤(pán)和栽培槽輸送方向一致，第一排穴孔中心距和栽培槽孔中心距在同一條水平直線上。從穴盤(pán)至栽培槽葉菜種苗移栽策略有：

策略1：雙排移植手同時(shí)夾取穴盤(pán)相鄰兩排種苗，將其變間距放入栽培槽內(nèi)，從穴盤(pán)上方依次取苗，穴盤(pán)向前傳遞2排穴孔距離，將種苗變間距依次從栽培槽上方植苗，如圖8a所示。

圖8 雙排移植手3種取苗策略Fig.8 Three strategies for harvesting seedlings of double row end effectors

策略2：雙排移植手夾取穴盤(pán)第1排和第7排種苗，穴盤(pán)向前傳遞1排穴孔距離，將種苗變間距依次從栽培槽上方植苗，如圖8b所示。

策略3：雙排移植手夾取穴盤(pán)第1排和第12排種苗，穴盤(pán)向前傳遞1排穴孔距離，將種苗變間距依次從栽培槽上方植苗，如圖8c所示。

穴盤(pán)到栽培槽距離與取苗策略無(wú)關(guān)，因此不考慮橫向位移。栽培槽前后相鄰栽培槽孔間距為150 mm，依據(jù)圖8設(shè)計(jì)的3種葉菜種苗取苗策略，縱向位移如圖9所示。策略3縱向位移最大，為890 mm，策略1縱向位移居中，可縮短路徑27.5%，策略2縱向位移最小，可縮短路徑29.2%，策略2為雙排(第1排和第7排)間隔取苗，因此選用運(yùn)動(dòng)策略2研制稀植移栽部件。移植手間隔夾取穴盤(pán)第1排和第7排的葉菜種苗，因此每排移植手相鄰中心間距與穴盤(pán)相鄰穴孔中心間距一致，為255 mm；單排移植手與穴盤(pán)最大間距一致，為212.5 mm；兩排移植手抓取葉菜種苗同時(shí)移植到栽培槽槽孔內(nèi)，兩排移植手與相鄰栽培槽槽孔中心間距一致，為150 mm；兩排移植手與栽培槽前后槽孔中心間距一致，故縱向分離氣缸行程為105 mm；雙排移植手橫向展開(kāi)與栽培槽對(duì)應(yīng)列間距一致，為158.75 mm，故橫向分離線性模組實(shí)際行程為581.25 mm。

圖9 雙排移植手3種取苗策略縱向位移變化曲線Fig.9 Longitudinal displacement curves of three strategies for harvesting seedlings of double row end effectors

3 動(dòng)作時(shí)序分析與試驗(yàn)優(yōu)化

3.1 雙排移植手單步動(dòng)作時(shí)序

稀植移栽部件工作過(guò)程如圖10所示。

圖10 雙排移植手工作過(guò)程Fig.10 Working process of double row end effectors

(1)移植手位于穴盤(pán)苗上方時(shí)為初始狀態(tài)，移植氣缸收縮，移植手并攏。

(2)移植手下降至最佳取苗位置，動(dòng)作時(shí)序?yàn)閠1；爪片下降插入并加緊種苗基質(zhì)，動(dòng)作時(shí)序?yàn)閠2；移植手取出種苗至穴盤(pán)上方，動(dòng)作時(shí)序?yàn)閠3。

(3)雙排移植手移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)至栽培槽上方，動(dòng)作時(shí)序?yàn)閠4；移植手橫向變間距展開(kāi)，動(dòng)作時(shí)序?yàn)閠5。

(4)雙排移植手縱向變間距靠攏，動(dòng)作時(shí)序?yàn)閠6。

(5)雙排移植手下降，動(dòng)作時(shí)序?yàn)閠7；移植手氣缸收縮，爪片收縮并張開(kāi)，張開(kāi)松苗，動(dòng)作時(shí)序?yàn)閠8；雙排移植手上升，動(dòng)作時(shí)序?yàn)門(mén)1。

(6)雙排移植手縱向變間距分離，動(dòng)作時(shí)序?yàn)門(mén)2。

(7)雙排移植手移動(dòng)至輸送部件穴盤(pán)上方，動(dòng)作時(shí)序?yàn)門(mén)4；移植手橫向變間距并攏，動(dòng)作時(shí)序?yàn)門(mén)3。

(8)再次循環(huán)稀植移栽作業(yè)。

對(duì)各機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行六因素交互正交試驗(yàn)[26]：縱向變間距速度、橫向變間距速度、升降速度、橫向末端油壓緩沖器吸收能量、升降末端油壓緩沖器吸收能量和緩沖帶彈性系數(shù)，得到各因素最優(yōu)參數(shù)組合。在最優(yōu)參數(shù)組合條件下單周期內(nèi)，各動(dòng)作時(shí)序獨(dú)立進(jìn)行多次試驗(yàn)可得各時(shí)序平均時(shí)間，如表2所示。

表2 各時(shí)序行程與平均時(shí)間Tab.2 Time series travel and average time

3.2 交疊動(dòng)作時(shí)序試驗(yàn)優(yōu)化

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上內(nèi)容可知，移植手至最佳取苗位置，稀植移栽部件交疊的并行動(dòng)作進(jìn)行時(shí)序優(yōu)化，可提高移栽作業(yè)效率。在排除機(jī)構(gòu)干涉不可交疊動(dòng)作情況下，以移動(dòng)(t4)和橫向變間距展開(kāi)(t5)的交疊起始時(shí)間點(diǎn)T45、橫向變間距展開(kāi)(t5)和縱向變間距靠攏(t6)的時(shí)間點(diǎn)T56、縱向變間距靠攏(t6)和下降(t7)的時(shí)間點(diǎn)T67、下降(t7)和放苗(t8)的時(shí)間點(diǎn)T78為并行動(dòng)作時(shí)序優(yōu)化試驗(yàn)因素，其他動(dòng)作結(jié)束且種苗沖擊減弱、保持平穩(wěn)后下一步動(dòng)作開(kāi)始，完成稀植移栽作業(yè)，如圖11所示。對(duì)上述各個(gè)時(shí)間點(diǎn)分別細(xì)化為零到最大值之間的5個(gè)等差起始數(shù)值，分別構(gòu)建5組試驗(yàn)，根據(jù)稀植移栽效果優(yōu)選最佳交疊動(dòng)作啟始時(shí)間，兩動(dòng)作完成時(shí)間差距較大，可減少瞬時(shí)加減速對(duì)種苗的沖擊影響，種苗移動(dòng)更加平穩(wěn)，減小掉苗和基質(zhì)破損。

圖11 交疊動(dòng)作時(shí)序起始時(shí)間點(diǎn)Fig.11 Starting time point of overlapping action sequence

3.2.2試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

以移植手成功拾取上述育苗工廠培育的“久盛”甘藍(lán)種苗，且種苗不掉落，基質(zhì)破損小，同時(shí)移植手放苗時(shí)能夠順利推落種苗為試驗(yàn)成功的評(píng)價(jià)指標(biāo)。移植手移栽成功率Y1、掉苗和未取出苗率Y2、基質(zhì)破損率Y3計(jì)算式為

(6)

(7)

(8)

式中N——種苗總數(shù)量

N1——未取出種苗數(shù)量

N2——種苗掉落數(shù)量

N3——基質(zhì)塊散落質(zhì)量大于稀植后種苗基質(zhì)塊質(zhì)量30%的種苗數(shù)量

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)移栽試驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行。對(duì)上述交疊動(dòng)作時(shí)序起始時(shí)間點(diǎn)T45、T56、T67和T78擬定等差數(shù)值分別進(jìn)行稀植移栽試驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)掉苗和未取出苗率、基質(zhì)破損率和移栽成功率，結(jié)果如表3所示。

表3 交疊動(dòng)作的起始時(shí)間點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of starting time point of overlapping motion

由表3可知，交疊動(dòng)作時(shí)序時(shí)間點(diǎn)不同，影響稀植移栽效果，且在各擬定等差數(shù)值中出現(xiàn)稀植移栽效果最佳的極值點(diǎn)，由于交疊動(dòng)作開(kāi)始和結(jié)束階段瞬時(shí)加、減速度較大，種苗水平承受較大局部沖擊振動(dòng)，破壞基質(zhì)粘附力，易導(dǎo)致穴盤(pán)種苗移植過(guò)程中基質(zhì)散落，因此根據(jù)稀植移栽效果最佳的極值點(diǎn)優(yōu)選T45為0.25 s、T56為0.42 s、T67為0.04 s、T78為0.13 s。

4 試驗(yàn)

4.1 優(yōu)化試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用上述甘藍(lán)種苗，在移植手結(jié)構(gòu)和取苗深度等條件相同的情況下，通過(guò)PLC程序調(diào)整各執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作交疊時(shí)序，并進(jìn)行稀植移栽作業(yè)時(shí)序優(yōu)化試驗(yàn)，分析不同作業(yè)時(shí)序?qū)σ圃猿晒β屎鸵圃孕实挠绊憽ＱūP(pán)輸送部件和栽培槽輸送部件只需在往復(fù)取苗和放苗前分別對(duì)穴盤(pán)和栽培槽完成短距離的遞送，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小，不影響移植效率。移植手復(fù)位動(dòng)作包括上升(T1)、縱向變間距分離(T2)、橫向變間距并攏(T3)和空苗返回移動(dòng)(T4)，均在放苗(t8)動(dòng)作之后，為追求高移栽效率，T1(T2)、T3(T4)可表示為T(mén)1、T2和T3、T4并行動(dòng)作時(shí)序組合，其取值只要滿足最高運(yùn)動(dòng)效率交疊即可；由以上分析可知帶苗移動(dòng)(t4)和橫向變間距展開(kāi)(t5)交疊動(dòng)作用t4(t5)表示，其取值即為上述T45；橫向變間距展開(kāi)(t5)和縱向變間距靠攏(t6)用t5(t6)表示，其取值即為上述T56；縱向變間距靠攏(t6)和下降(t7)用t6(t7)表示，其取值即為上述T67；下降(t7)和放苗(t8)用t7(t8)表示，其取值即為上述T78。以上為并行動(dòng)作時(shí)序組合，同時(shí)排除機(jī)構(gòu)干涉等不可并行動(dòng)作時(shí)序情況，可得到9種作業(yè)時(shí)序，如表4中試驗(yàn)號(hào)1～9所示。此外考慮省略動(dòng)作時(shí)序優(yōu)化，并通過(guò)合理優(yōu)化組合得到3種作業(yè)時(shí)序，如表4中試驗(yàn)號(hào)10～12所示。

表4 試驗(yàn)時(shí)序組合Tab.4 Test sequence combination

4.2 稀植試驗(yàn)

通過(guò)不同作業(yè)時(shí)序組合試驗(yàn)，如圖12所示，可得稀植移栽部件不同移栽結(jié)果，平均成功率95%，如表5所示。以移栽成功率和效率作為選擇依據(jù)，選取試驗(yàn)5為最佳作業(yè)時(shí)序組合：移動(dòng)(t4)和橫向變間距展開(kāi)(t5)并行、縱向變間距靠攏(t6)和下降(t7)并行，試驗(yàn)測(cè)得移栽平均效率為4 836株/h，移栽成功率為95.8%。

表5 稀植移栽部件試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of sparse transplanting components

圖12 稀植移栽試驗(yàn)Fig.12 Test process of sequential overlapping transplantation

通過(guò)試驗(yàn)可知，稀植移栽機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，能按照預(yù)定順序完成稀植移栽作業(yè)功能，通過(guò)動(dòng)作時(shí)序優(yōu)化和作業(yè)時(shí)序優(yōu)化，提高了移栽成功率，顯著提升了移栽平均效率，基本滿足高速、低損稀植移栽作業(yè)要求。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)水培移栽作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一種雙排移植手變間距稀植移栽部件，可自動(dòng)完成取苗、移動(dòng)、橫縱兩向變間距等作業(yè)環(huán)節(jié)。

(2)設(shè)計(jì)了一種變插入角二次夾緊的取苗移植手，并進(jìn)行設(shè)計(jì)分析與剛?cè)狁詈戏抡?，確定最佳取苗深度為48 mm。

(3)根據(jù)實(shí)際作業(yè)過(guò)程分析，擬定3種雙排取苗作業(yè)策略，對(duì)比橫縱向位移，確定最小縱向位移的策略為：雙排(第1排和第7排)間隔取苗。

(4)根據(jù)稀植移栽部件并行動(dòng)作時(shí)序優(yōu)化試驗(yàn)，以最佳稀植移栽效果為目標(biāo)，優(yōu)選并行動(dòng)作時(shí)序時(shí)間點(diǎn)T45為0.25 s、T56為0.42 s、T67為0.04 s、T78為0.13 s。

(5)進(jìn)行作業(yè)時(shí)序并行優(yōu)化試驗(yàn)，確定移動(dòng)和橫向變間距展開(kāi)并行動(dòng)作、縱向變間距靠攏和下降并行動(dòng)作時(shí)，移栽效果最佳，移栽平均效率為4 836株/h，移栽成功率為95.8%。