太陽能多壟蔬菜移栽機設(shè)計分析.pdf

136 2023 年 7 月上 Agricultural Machinery and Equipment 農(nóng)業(yè)機械與裝備 太陽能多壟蔬菜移栽機設(shè)計分析 王士檳 王引衛(wèi) 張昊岳 西京學院機械工程學院 陜西 西安 710123 摘 要 目的 為解決蔬菜移栽工作效率低及成活率下降問題 亟需設(shè)計一種節(jié)省蔬菜移栽勞動力的機械設(shè)備 方法 研究 小組介紹了太陽能多壟蔬菜移栽機整體的設(shè)計思路 分析了太陽能多壟蔬菜移栽機關(guān)鍵部件的設(shè)置 從機械爪的設(shè)計 漏苗 圓盤的設(shè)計 育秧盤的設(shè)計 落苗平土部件等方面逐一論述 闡述了太陽能多壟蔬菜移栽機控制系統(tǒng)的構(gòu)建方式 結(jié)果 該 太陽能多壟蔬菜移栽機轉(zhuǎn)動角的速度為 s 能夠在2 s內(nèi)轉(zhuǎn)一圈 并完成抓取 在移栽的過程中扎坑錐能夠同時開展注水作 業(yè) 根據(jù)栽植的實際需求 添加相應(yīng)的營養(yǎng)液 提升秧苗的成活率 結(jié)論 該移栽機應(yīng)用了新型清潔能源 提高了移栽設(shè)備 的環(huán)保性 解決了既往人力移栽過程中所出現(xiàn)的多樣化問題 在多壟蔬菜移栽領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景與價值 關(guān)鍵詞 蔬菜移栽機 太陽能 多壟蔬菜 機械設(shè)計 中圖分類號 S223 9 文獻標志碼 A DOI 10 3969 j issn 1672 3872 2023 13 040 1 太陽能多壟蔬菜移栽機整體設(shè)計思路 1 1 整體設(shè)計思路 研究小組所設(shè)計的太陽能多壟蔬菜移栽機屬于 坐水型移栽設(shè)備 該設(shè)備具有以下優(yōu)點 第一 可以 通過太陽能供電的方式 解決既往農(nóng)耕設(shè)備能耗過高 的問題 第二 通過多壟坐水的工作方法 能夠節(jié)省 人力資源 降低蔬菜種植成本 并提高工作速率 該 裝置設(shè)有太陽能光伏板 在晴天時能夠收集陽光 并 將能量存儲于蓄電池之中 以便在陰天時備用 同時 采用了并聯(lián)式油電混合動力形式 解決了太陽能供電 不穩(wěn)定的問題 1 1 2 基本工作原理 該移栽機通過控制系統(tǒng)操控前端機械爪的工作 效率 保證秧苗能夠精準落在漏苗盤上 同時在其相 對端設(shè)置了一個推板 推板的工作頻率與機械手抓苗 頻率保持一致 能夠減少機械手的多余運動損耗 提 升機械的工作效率 圓盤共分為兩層進行設(shè)計 上下 層之間呈現(xiàn)出相反的運作方式 2 為能夠保證抓苗 以及漏苗的作業(yè)順利完成 在設(shè)計時則將機械手與漏 苗頻率設(shè)定為了線性關(guān)系 最后 通過扎坑結(jié)構(gòu)動力 系統(tǒng) 完成注水扎坑規(guī)律作業(yè) 并利用覆土輪壓實 保證秧苗充分吸收養(yǎng)分 提高秧苗成活率 2 太陽能多壟蔬菜移栽機關(guān)鍵部件設(shè)置 2 1 機械爪的設(shè)計 在設(shè)計機械爪時 帶動其進行抓取行為的部件由 三個可移動軸負責 暫時將其命名為 X 軸 Y 軸 Z 軸 其能夠在立體空間中 讓機械爪完成取苗轉(zhuǎn)動任務(wù) X 軸與 Y 軸之間需要保持0 5 m 的伸縮距離 避免其 在運動的過程中發(fā)生碰撞現(xiàn)象 而 Z 軸的伸縮距離則 設(shè)定為0 6 m 這樣可以保證各個軸在高速作業(yè)的過 程中 不受互相的影響 整體裝置的橫寬為2 m 同 時可以安設(shè)三個機械爪 以便達成多壟蔬菜移栽的目 標 由于機械爪的主要構(gòu)成元素為金屬 為避免對蔬 菜秧苗的傷害 則要在抓夾部分安裝多個軟性硅膠保 護裝置 并設(shè)置一個平衡反饋系統(tǒng) 以保證對蔬菜秧 苗的損害降至最低 此外 為能夠控制機械手運作抓 力的區(qū)間大小 需要利用單片機加以控制 這樣能夠 在最短的時間之內(nèi)將蔬菜秧苗從秧盤中抓到漏苗圓 盤內(nèi) 3 2 2 漏苗圓盤的設(shè)計 將漏苗圓盤設(shè)置為兩層 上層圓盤中均勻分布 了 8 個直徑為20 mm 的孔 主要用于落苗 而下層圓 盤只設(shè)置了一個孔洞 然后將兩層圓盤設(shè)置為相反運 動的形式 這樣當圓盤機械爪依照既定的線路運作之 后 剛好會與其中的一個落苗孔重疊 此時機械爪會 松開抓夾 使得秧苗落入到下層的落苗孔之中 二者 之間的頻率能夠剛好統(tǒng)一 實現(xiàn)抓苗與漏苗的一體化 作業(yè) 4 2 3 育秧盤的設(shè)計 育秧盤要滿足每棵秧苗的放置距離 因此在設(shè)計 以前 相關(guān)設(shè)計人員則要加大秧苗長寬的調(diào)研 經(jīng)過 計算發(fā)現(xiàn)將秧苗盤設(shè)置的長寬設(shè)定為50 mm 最為適 作者簡介 王士檳 1999 男 山西孝義人 碩士研究生 研究方向為機械工程 通信作者 王引衛(wèi) 1974 男 陜西興平人 碩士研究生 教授 研究方向為機械電子工程 2023 年 7 月上 137 Agricultural Machinery and Equipment 農(nóng)業(yè)機械與裝備 宜 同時 將推板推送秧苗的頻率設(shè)定為了每40 s 一 排 育秧盤的長寬高分別為1 000 mm 500 mm 80 mm 5 在推送的過程中 會沿著500 mm 寬的方向不 斷移動 其移動的距離為50 mm 每排可以設(shè)置20 個 秧苗 機械爪每秒能夠抓取2 棵秧苗進行作業(yè) 這樣 不僅能夠與推板的工作時間相適配 還能滿足推送距 離要求 提高機械手的工作效率 2 4 落苗平土部件 該移栽機的落苗平土部件分為兩大結(jié)構(gòu) 一是覆 土輪 二是落苗撥片 其中 覆土輪主要由兩個輪子 夾角所形成 其定軸擺放的角度為40 尖角頂點距 離地面10 cm 這樣即便是通過機械覆土 也不會使 得幼苗受到傷害 6 此外 當秧苗脫落時 設(shè)計人員 也應(yīng)充分考慮到高度因素對其所產(chǎn)生的沖擊力 因此 需要通過落苗撥片與垂直套筒相配合的方式來完成 其所形成的角度 剛好能夠避免秧苗垂直方向朝下產(chǎn) 生較強的沖擊力 這樣不僅能保護秧苗 還能夠提高 秧苗根部培土的保有率 而在設(shè)計落苗套筒時 建議 采用伸縮的形式 這樣可以使得機械能夠面向不同的 地形開展種植作業(yè) 同時還要在套筒內(nèi)部設(shè)置一個用 于減速緩沖的凸起瓣膜 當兩片落苗撥片安置在旋轉(zhuǎn) 軸承上時 便會形成一個較大的工作空間 便于設(shè)備 作業(yè) 3 太陽能多壟蔬菜移栽機控制系統(tǒng)構(gòu)建 3 1 控制模塊 該移栽機的控制模塊的核心為單片機 單片機主 要由紅外線信號轉(zhuǎn)換電路 光電測速信號接口 4 位 數(shù)碼管顯示屏以及蜂鳴器報警系統(tǒng)等部分所組成 其 不僅控制功能較為全面 還能夠通過模塊化的方式 單獨對每一部件進行靈活指示作業(yè) 此外 該系統(tǒng)還 能夠?qū)崿F(xiàn)全向輪兩輪驅(qū)動避障以及循線功能 具體的 運作結(jié)構(gòu)為 電機 電機驅(qū)動 單片機 超聲波模塊 與紅外循跡模塊 3 2 感應(yīng)模塊 該移栽機的感應(yīng)模塊可以分為兩大部分 一是 超聲波與紅外傳感器 二是紅外循跡模塊 首先 超 聲波模塊主要起到了測距的功能 評測的范圍為 2 cm 400 cm 能夠開展非接觸式距離感應(yīng)檢測 其中 測距設(shè)備的精度能夠達到3 mm 同時 該模塊還設(shè) 有超聲波發(fā)射器以及接收器 與控制電路相銜接 能 夠在作業(yè)的過程中達到精準避障的目標 7 其次 紅 外循跡模塊為四路 該模塊的運作原理為 通過紅外 傳感器來感知車輪下是否存有黑色目標線 并將所探 測到的數(shù)據(jù)信息傳送給單片機 單片機在接收到信息 后進行自動處理 同時電機會產(chǎn)生控制反應(yīng) 而紅外 模塊只需要讀取單片機所錄入的IO 即可 最后 完 成整個循線作業(yè) 3 3 電機驅(qū)動 在實際作業(yè)的過程中 單片機系統(tǒng)較小 且所輸 出的電壓經(jīng)評測僅有5 V 輸出電流微弱 而電機的 功率又較大 為保證機械正常的運作 則需要單獨設(shè) 置一個驅(qū)動模塊 以便完成信號的轉(zhuǎn)換 其運作原理 為 當系統(tǒng)運作時 單片機只需要輸出一個邏輯控制 信號便可控制電機的轉(zhuǎn)動 電機建議選為調(diào)速電機 這樣單片機能夠通過單片機的控制 利用傳送帶將幼 苗放置落苗口 此時的幼苗輸送時間也與其保持一 致 幼苗便可以按照既定的規(guī)律完成移栽作業(yè) 8 3 4 供能模塊 該移栽機的供能模式為太陽能和油電混合動力 系統(tǒng) 這兩種動力供應(yīng)形式能夠達到互補的效果 同 時也不會因為太陽能的不穩(wěn)定 而出現(xiàn)降低設(shè)備工作 效率的情況 太陽能的基本構(gòu)成形式為 光伏板將接 收到的能量 通過電流的方式 傳送至太陽能控制器 與逆變電流進行整合 最終所產(chǎn)生的電能供給傳感器 以及電機進行負載作業(yè) 多余的電量會被存儲在蓄電 池之中 9 3 5 扎坑系統(tǒng) 由于研究小組所設(shè)置的移栽機具備自動坐水的 功能 扎坑動力傳動系統(tǒng)也在其中發(fā)揮了重要的作 用 而該系統(tǒng)中的主要部件為扎坑錐 通過混合供能 系統(tǒng)的帶動 能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)律性的上下作業(yè) 其中在錐 頭的部位設(shè)有高壓的注水出口 能夠在移栽以后 對 坑苗進行注水作業(yè) 水中含有合理配置的生根劑 能 夠滿足秧苗的實際生長營養(yǎng)需求 能夠幫助移栽人員 進行緩苗作業(yè) 主要的機構(gòu)運作方式為曲柄滑塊搖 桿 不僅接觸面大 且承載能力也較強 具有耐磨的 特點 能夠滿足設(shè)備的重復性多次作業(yè)需求 此外 其上下運動的自由度也較高 能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)的低副轉(zhuǎn) 動 保證扎坑作業(yè)的順利開展 10 4 太陽能多壟蔬菜移栽機試驗結(jié)果分析 4 1 機械爪旋轉(zhuǎn)運動性能 為能夠檢驗上述方案的可行性 還要對機械爪轉(zhuǎn)138 2023 年 7 月上 Agricultural Machinery and Equipment 農(nóng)業(yè)機械與裝備 動與抓取運動性能進行評測 在檢測時 讓機械爪通 過 360 旋轉(zhuǎn)的方式 對苗圃進行抓取 最終發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩 從最初的9 800 N m 變?yōu)榱? 200 N m 由此可以看 出 機械爪在啟動時的轉(zhuǎn)矩需求較大 在啟動之后的 轉(zhuǎn)矩才能逐漸穩(wěn)定 并且在平動與平動加速時 呈現(xiàn) 出一種明顯的波形變化 這也表示機械爪在轉(zhuǎn)動的過 程中發(fā)生了爪力變化 經(jīng)評測發(fā)現(xiàn) 其能夠滿足設(shè)備 的實際抓取變化需求 轉(zhuǎn)動角的速度為 s 同時也 表明了其能夠在2 s 內(nèi)轉(zhuǎn)一圈 并完成抓取作業(yè) 4 2 機械爪抓取運動性能 根據(jù)上述機械爪運動特性的分析 能夠發(fā)現(xiàn)機械 爪在抓取的過程中實際上是以直線以及圓周的方式 在運作 當這兩種運動重疊在一起之后 便能夠看出 機械爪的抓取過程較為復雜 但通過SolidWorks 軟 件對抓取機構(gòu)進行建模與仿真演示 11 發(fā)現(xiàn)抓取機 構(gòu)能夠滿足實際作業(yè)需求 4 3 整體試驗結(jié)果的分析 在進行整機試驗時 具體的移栽效果也與秧苗的 根莖長度以及株高有著較大的關(guān)聯(lián)性 以芹菜的移 栽為例 本芹的株距為8 cm 左右 而西芹的株距為 20 cm 左右 經(jīng)計算本芹每666 67 m 2 需栽苗45 000 株左右 而西芹每666 67 m 2 需栽苗16 000 株左右 在測試過程中 利用本移栽機對西芹秧苗移栽進行了 檢驗 最終發(fā)現(xiàn)西芹的株距保持在每19 cm 一棵 并 且機械在運行的過程中速度較為平均 通過推算 該 距離能夠滿足西芹的生長密度需求 在長久的移栽 過程中 該設(shè)備的速度穩(wěn)定 經(jīng)整機評測 最終得出以下幾點結(jié)果 一是本機 械的設(shè)計 能夠取代傳統(tǒng)的人工移栽抓苗 取苗以及 投苗作業(yè) 并且一次可以移栽 3 壟 滿足多壟作業(yè)的 需求 二是由于在秧盤處安設(shè)了推板 因此提高了該 機械設(shè)備的工作效率 在移栽的過程中扎坑錐能夠同 時開展注水作業(yè) 能夠根據(jù)栽植的實際需求 添加相 應(yīng)的營養(yǎng)液 便于工作人員進行緩苗工作 極大地提 升了秧苗的成活率 三是通過后期的建模仿真 發(fā)現(xiàn) 該移栽機的運動機構(gòu)符合實際的作業(yè)要求 提高了抓 苗以及投苗的精準性 相比人工作業(yè)而言 可以大幅 度減小誤差 這表明 移栽機能夠提高移栽工作的質(zhì) 量 同時能降低移栽成本 滿足基本的作業(yè)需求 可 以加快傳統(tǒng)多壟蔬菜種植作業(yè)的轉(zhuǎn)型 提高農(nóng)業(yè)種植 自動化水平和農(nóng)戶的經(jīng)濟收益 5 結(jié)語 綜上所述 在既往多壟蔬菜移栽的過程中 不僅 要消耗大量的勞動力 蔬菜還會受到多種因素的影響 從而出現(xiàn)損苗率提升以及成活率下降的問題 12 14 研 究小組設(shè)計的太陽能多壟蔬菜移栽機不僅應(yīng)用了新 型的清潔能源 還提高了移栽設(shè)備的環(huán)保性 能夠解 決既往人力移栽過程中所出現(xiàn)的多樣化問題 在多壟 蔬菜移栽領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景與價值 能夠推動 我國多壟蔬菜種植技術(shù)的高質(zhì)量發(fā)展 參考文獻 1 梁秋艷 鄭君發(fā) 劉訓報 等 太陽能多壟蔬菜移栽機設(shè)計與 試驗 J 實驗技術(shù)與管理 2022 39 11 126 131 2 胡建平 劉育彤 劉偉 等 蔬菜自動移栽機頂夾拔組合 式取苗裝置試驗研究 J 農(nóng)業(yè)機械學報 2022 53 S1 110 117 184 3 鄭君發(fā) 梁秋艷 劉訓報 等 太陽能多壟蔬菜坐水移栽機 設(shè)計 J 佳 木 斯 大 學 學 報 自 然 科 學 版 2022 40 2 89 92 126 4 岳丹松 王東偉 尚書旗 等 4HL 6型三壟六行智能花生 聯(lián)合收獲機的設(shè)計和試驗 J 農(nóng)機化研究 2021 43 9 109 112 120 5 計東 胡熙 哲旋瑞 等 雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移 栽裝置設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學報 2022 53 12 126 133 146 6 李慧霜 馬月虹 曹新偉 手扶式移栽機栽植機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與 試驗 J 中國農(nóng)機化學報 2022 43 11 24 31 7 趙美卿 衛(wèi)立新 郭凌云 新型高密度灌木幼苗移栽機仿真與 試驗 J 農(nóng)業(yè)工程 2022 12 10 107 113 8 張倩男 王克雄 張曉娟 等 基于主成分分析法的甘藍機械 化移栽模式綜合評價 J 北方園藝 2022 19 1 7 9 萬穎文 高偉林 牽引式單雙行蔬菜移栽機作業(yè)質(zhì)量對比 J 拖拉機與農(nóng)用運輸車 2022 49 5 39 42 10 袁挺 張宇 尹金亮 等 蔬菜移栽機曲柄搖桿 導軌組合式 取投苗裝置研究 J 農(nóng)業(yè)機械學報 2022 53 12 116 125 11 葉海平 多肉植物自動移栽機末端執(zhí)行器設(shè)計與試驗 J 南方 農(nóng)機 2022 53 10 58 60 12 胡顯威 韓長杰 國內(nèi)外自動移栽機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議 J 南方農(nóng)機 2020 51 16 4 79 13 葉洋洋 肖麗萍 黃糧 糧 等 水稻缽苗移栽機發(fā)展研究與展 望 J 南方農(nóng)機 2018 49 19 5 7 14 周瑩 孫磊 蔬菜穴盤苗移栽機發(fā)展現(xiàn)狀分析 J 南方農(nóng)機 2016 47 10 16 19