多肉植物自動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

葉海平

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，福建 漳州 363000）

0 引言

多肉植物是花卉的一大核心品種，由于其葉子和整體造型奇特，深受廣大花卉愛好者的喜愛。多肉植物主要依靠方形穴盤育苗的種植方式，需要根據(jù)幼苗的不同成長(zhǎng)階段，完成疏植移栽。福建漳州作為多肉植物的種植一大基地，主要采用人工完成疏植移栽作業(yè)，存在成本高、效率低的問題。因此，根據(jù)移栽技術(shù)原理，研究多肉植物自動(dòng)移栽機(jī)，實(shí)現(xiàn)多肉植物疏植移栽向自動(dòng)化、智能化發(fā)展是必然趨勢(shì)。多肉植物自動(dòng)移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)包括運(yùn)載系統(tǒng)和末端執(zhí)行器。需根據(jù)移栽對(duì)象的移栽技術(shù)要求完成末端執(zhí)行器的開發(fā)設(shè)計(jì)，末端執(zhí)行器作為自動(dòng)移栽機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，其工作性能直接關(guān)系到自動(dòng)移栽機(jī)的工作效率[1-3]。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程較快，自動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器的研究起步較早，研究領(lǐng)域較廣。韓長(zhǎng)杰等設(shè)計(jì)了一種辣椒穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)，整機(jī)主要由全自動(dòng)取投苗系統(tǒng)與栽植機(jī)構(gòu)組成，采用整排取苗再分苗投苗的方式，實(shí)現(xiàn)128（16 列×8 行）穴盤苗的自動(dòng)取苗、投苗。朱興亮等設(shè)計(jì)了一種茄果類缽苗自動(dòng)移栽機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移栽機(jī)自動(dòng)取放苗、移苗及分苗、移栽功能。李紅陽等設(shè)計(jì)了一種基于PLC 控制的煙草移栽機(jī)，該機(jī)構(gòu)可以完成煙草的取苗、送苗、栽植和回程一系列動(dòng)作，自動(dòng)化程度高，靈活性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。國(guó)內(nèi)外對(duì)自動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器進(jìn)行了廣泛研究，主要對(duì)象為果蔬和樹木，研究成果均能較好地完成移栽任務(wù)，有效提高了移栽作業(yè)的自動(dòng)化水平。對(duì)于多肉植物的自動(dòng)移栽機(jī)研究較少，由于多肉植物的生長(zhǎng)環(huán)境和缽苗基質(zhì)與其他果蔬、樹木具有一定的差異性，無法用果蔬和樹木的末端執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)多肉植物移栽作業(yè)[3-6]，為實(shí)現(xiàn)多肉植物移栽完全自動(dòng)化，筆者設(shè)計(jì)了一種多肉植物末端執(zhí)行器，通過螺紋傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)疏密靈活調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同缽苗的移栽作業(yè)。根據(jù)多肉植物的移栽技術(shù)要求，完成末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過計(jì)算和仿真確定末端執(zhí)行器的材質(zhì)、尺寸和相關(guān)參數(shù)，最后試制出末端執(zhí)行器，將它搭載在車載系統(tǒng)，對(duì)多肉植物進(jìn)行移栽試驗(yàn)，驗(yàn)證其合理性，為多肉植物自動(dòng)移栽技術(shù)提供了有力支撐。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 取苗末端總體結(jié)構(gòu)

多肉植物自動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器作為移栽過程中的重要部件，主要由間距調(diào)節(jié)氣缸、連桿、滑塊、取苗氣缸和取苗器構(gòu)成，株距可調(diào)式取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。由于多肉植物自動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器在工作過程中的負(fù)載較小，而且氣壓傳動(dòng)過程中無污染、氣源充足、工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別是在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射、振動(dòng)等惡劣工作環(huán)境工作時(shí)，安全可靠性高、氣動(dòng)動(dòng)作迅速、反應(yīng)快、調(diào)節(jié)方便，且具有氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)選擇氣動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。依靠間距調(diào)節(jié)氣缸活塞的上下運(yùn)動(dòng)，完成4 個(gè)取苗器的間隙調(diào)整，利用取苗氣缸活塞的上下運(yùn)動(dòng)，完成取苗和放苗工作動(dòng)作[7-8]。

圖1 株距可調(diào)式取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

1.2 取苗工作原理

多肉植物自動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器的工作原理：通過間距調(diào)節(jié)氣缸活塞下移，調(diào)整取苗器的間距移動(dòng)至與來源穴盤的間距相等，多肉植物自動(dòng)移栽機(jī)將末端執(zhí)行器移動(dòng)至目標(biāo)穴盤，間距調(diào)節(jié)氣缸活塞下移，調(diào)整取苗器的間距移動(dòng)至與目標(biāo)穴盤的間距相等。末端執(zhí)行器通過取苗氣缸的伸出，將取苗針斜插進(jìn)入缽體，穴盤苗在取苗末端執(zhí)行器的帶動(dòng)下被取出，間距調(diào)節(jié)氣缸活塞將穴盤苗間距調(diào)整至與目標(biāo)穴盤間距相等，取苗氣缸帶動(dòng)取苗針回縮，直至取苗針完全脫離缽體，完成疏植移栽過程[9-10]。

1.3 取苗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取苗手指主要用于移栽作業(yè)時(shí)對(duì)穴盤苗缽進(jìn)行抓取，由于取苗器的取苗對(duì)象為多肉植物，質(zhì)量較輕，氣壓傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無污染、動(dòng)作迅速等優(yōu)點(diǎn)[11-13]，故選取氣壓傳動(dòng)作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)移栽作業(yè)，其中氣缸選用行程35 mm的復(fù)動(dòng)型鋁合金筆形氣缸。

取苗針作為取苗手指的關(guān)鍵部件，玉露多肉植物的培養(yǎng)基質(zhì)蓬松，質(zhì)量較輕，在滿足工作要求的情況下，為簡(jiǎn)化取苗針結(jié)構(gòu)，選用2 根扁針直插式的取苗針對(duì)苗缽進(jìn)行抓取作業(yè)。取苗針在作業(yè)過程中，取苗針的插入位置均位于苗缽?fù)瑐?cè)，利用其入土傾角及取苗針斜插傾角，通過豎直方向的作用力提取幼苗，取苗器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。該取苗手指既能在取苗時(shí)減少對(duì)苗缽的損傷，同時(shí)又能夠增加針體與苗缽的接觸面積，從而提高取苗穩(wěn)定性。選取厚度為2 mm 的鋁合金板制作取苗針，適用于多種規(guī)格的穴盤苗缽。

圖2 取苗器結(jié)構(gòu)示意圖

取苗針夾角β 值的設(shè)置：為更好完成取苗作業(yè)，取苗針一般都要與豎直平面具有一定的夾角，夾角越大，取苗針越傾斜，在作業(yè)過程中拔取力就越大，但是夾角太大，不利于取苗針插入和拔出作業(yè)；夾角越小，取苗針越豎直，便于插入和拔出，但承載力低，易碰觸穴孔壁。通過理論分析和試驗(yàn)論證，邊長(zhǎng)6.5 mm 的穴苗盤穴孔高度為30 mm，重量13 g 左右，夾角值最佳值為9.2°；邊長(zhǎng)10 mm 的穴苗盤穴孔高度為38 mm，重量15 g左右，夾角值最佳值選取9.8°；邊長(zhǎng)15 mm 的穴苗盤穴孔高度為42 mm，重量17 g 左右，夾角值最佳值選取10.6°。為保障取苗針能順利完成移栽作業(yè)，取苗針的夾角值選取10.6°。

2 移栽試驗(yàn)

從漳州市高新區(qū)九湖多肉植物種植基地隨機(jī)選取苗齡60 d 的玉露幼苗，育苗基質(zhì)為有機(jī)活性基質(zhì)，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38%，總孔隙度60%～90%，人工對(duì)試驗(yàn)對(duì)象樣品進(jìn)行測(cè)量，展寬范圍為5.25 mm～6.65 mm，玉露頸寬為3.15 mm～4.56 mm，玉露苗高為4.12 mm～5.56 mm，總質(zhì)量為13.56 g～16.89 g，缽體濕質(zhì)量為14.89 g～19.68 g，含水率為45.23%～60.52%。移栽機(jī)設(shè)備選用山東青州的壽光市菲陽商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的全自動(dòng)穴盤苗移栽機(jī)，搭載上面設(shè)計(jì)的多肉植物末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器工作現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 末端執(zhí)行器工作現(xiàn)場(chǎng)

利用多肉植物末端執(zhí)行器的自動(dòng)移栽機(jī)分別完成方形邊長(zhǎng)6.5 mm、10 mm和15 mm三種規(guī)格穴盤的移栽試驗(yàn)，完成6.5 mm～10 mm、6.5 mm～15 mm、10 mm～15mm 三種穴盤苗的移栽作業(yè)。每種作業(yè)方式選取100 株品種為玉露的多肉植物進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)三次取平均值。移栽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 移栽數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

針對(duì)多肉植物的移栽自動(dòng)化程度低、效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種基于氣壓傳動(dòng)的株距可調(diào)式取苗末端執(zhí)行器。通過活塞上下移動(dòng)帶動(dòng)連桿和滑塊移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取苗手指氣缸的間隙調(diào)節(jié)，使取苗手指在傾斜刺入苗缽時(shí)，能夠減少取苗針對(duì)幼苗葉片的損傷。搭建穴盤幼苗疏植移栽試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，進(jìn)行了不同疏植株距要求的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，移栽成功率為94%以上，移栽成活率為90.56%以上，有效提高了多肉植物移栽的效率。