蔬菜移栽夾莖式取苗裝置設計與試驗.pdf

null null null null 年 null 月 農 業(yè) 機 械 學 報 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 蔬菜移栽夾莖式取苗裝置設計與試驗 王 秀 null null 劉蒙滋 null null 翟長遠 null null 韓長杰 null 楊 碩 null 高原源 null nullnull 北京市農林科學院智能裝備技術研究中心 北京 nullnullnullnullnullnull nullnull 江蘇大學農業(yè)工程學院 鎮(zhèn)江 nullnullnullnullnullnull nullnull 新疆農業(yè)大學機電工程學院 烏魯木齊 nullnullnullnullnullnull 摘要 針對半自動移栽機作業(yè)效率低 作業(yè)質量差的問題 設計了一種面向蔬菜移栽機器人的夾莖式自動取苗裝 置 取苗裝置經過整排取苗 等距分苗 精準投苗 可實現高效 高質自動化取投苗作業(yè) 建立多級剪叉分苗機構 與夾苗裝置的運動力學模型 對缽苗下落運動 氣動系統(tǒng)進行模型設計及分析計算 搭建取苗試驗裝置 試驗選取 穴盤辣椒苗作為研究對象 以缽苗苗齡 基質含水率 取苗頻率為試驗因素 設計以取苗成功率 基質破碎率為評價 指標的單因素試驗 根據試驗結果 采用 nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull 響應曲面分析法設計正交試驗 探究了苗齡與基質含水 率 苗齡與取苗頻率及基質含水率與取苗頻率之間的交互作用對取苗效果的影響 優(yōu)化取苗參數 試驗結果表明 當苗齡 nullnull null 缽苗基質含水率 nullnullnull 取苗頻率 nullnull 株 nullnullnullnull 時 取苗成功率為 nullnullnull nullnullnull 基質破碎 nullnull nullnullnull 可滿足大田 自動化移栽的取苗及投苗要求 關鍵詞 蔬菜自動移栽機 夾莖式取苗裝置 氣動夾苗裝置 中圖分類號 nullnullnullnullnull null 文獻標識碼 null 文章編號 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 修回日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 和北京市農林科學院科技創(chuàng)新建設專項 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者簡介 王秀 nullnullnullnullnull 男 研究員 博士 主要從事農業(yè)機械自動化研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null null nullnullnull nullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null Intelligent Equipment esearch Center Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences Beijing nullnullnullnullnullnull China null School of Agricultural Engineering Jiangsu University Zhenjiang nullnullnullnullnullnull China null College of Mechanical and Electrical Engineering Xinjiang Agricultural University Urumqi nullnullnullnullnullnull China nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null 引言 移栽作業(yè)是蔬菜種植規(guī)?；豢苫蛉钡囊画h(huán) 而我國的移栽作業(yè)仍以人工作業(yè)與半自動移栽機作 業(yè)為主 存在作業(yè)效率低 作業(yè)質量差和勞動強度大 的問題 null nullnull 為解決半自動移栽作業(yè)存在的問題 自動移栽機器人成為發(fā)展趨勢之一 null nullnull 取投苗裝置是移栽機器人的核心機構 設計高 效 穩(wěn)定 適用性高的取苗裝置是國內外自動移栽機 研制的重點及難點 null nullnull 國內外學者對此展開一系 列的研究 以歐美為代表的大型移栽機器人主要采 用機 電 氣一體技術 具有整排取苗 效率高 體積 龐大的特點 null nullnull 典型機型有澳大利亞的 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 型移栽機 采用氣動四爪夾取機構 氣缸驅動 移栽爪取苗 投苗 標準化程度高 適應多種苗盤 適 用于溫室流水線工作 nullnull 以日本為代表的小型自 動移栽機自動化程度高 結構緊湊 具有小塊地壟上 移栽的特點 nullnull nullnullnull 典型機型有洋馬農機株式會社的 nullnullnullnull 型蔬菜自動移栽機 采用行星齒輪與槽型凸輪 機構合成取苗爪從苗盤取苗后投入栽植器的運動軌 跡 nullnull 為滿足國內的農藝與栽植要求 一些學者提 出了頂出式 nullnull nullnullnull 頂出夾取式 nullnull nullnullnull 插入夾取 式 nullnull nullnullnull 氣力式 nullnull nullnullnull 等形式多樣的取苗機構 葉 秉良等 nullnull nullnullnull 采用非圓柱齒輪的運動特性設計偏心 齒輪 null 非圓齒輪行星輪系蔬菜取苗機構 建立取苗 機構的運動學模型 數學模型和動力學模型 對取苗 機構進行優(yōu)化 具有較好的取苗效果 但取苗運動軌 跡復雜 影響取苗穩(wěn)定性 nullnullnull 等 nullnull 結合頂出式 和插入夾持式取苗的優(yōu)缺點設計了一種插入頂出式 取苗裝置 解決了頂出式取苗機構導致缽苗翻滾等 問題 馮世杰等 nullnull 基于自制非標活動苗盤設計出 頂出托舉式取苗裝置 通過穴盤定位裝置下方的推 舉機構 將自制活動苗盤頂開 將缽苗整體推出 進 而機械爪取苗 取苗效果好 但取苗裝置針對自制非 標苗盤 難以推廣 基于以上分析 為實現自動化移栽 提高自動移 栽機的取苗質量及穩(wěn)定性 本文設計夾莖式取苗裝 置 采用氣動夾苗裝置完成缽苗夾取 多級剪叉機構 實現等距分苗 經過理論分析后對關鍵部件設計優(yōu) 化 完成取苗裝置的搭建 選擇辣椒苗作為試驗對 象 進行單因素試驗和正交試驗 驗證取苗機構的作 業(yè)可靠性及穩(wěn)定性 null 自動取苗裝置試驗平臺結構與工作原理 nullnull null 試驗平臺整機結構 設計的蔬菜移栽取苗裝置試驗平臺如圖 null 所 示 取苗裝置試驗平臺由送盤裝置 取苗裝置 栽植 裝置 氣動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成 取苗裝置由夾 苗裝置 分苗裝置 提升裝置及移位裝置組成 作業(yè) 時送盤裝置通過步進電機將放置在推苗桿上的苗盤 送到取苗位置 夾苗裝置夾取苗莖 由分苗機構將夾 取的缽苗等距分開 移位氣缸將缽苗移動到苗杯上 方 當苗杯探測傳感器接收到投苗信號后 控制系統(tǒng) 控制夾苗裝置將缽苗投入苗杯中 變頻電機為試驗 平臺的栽植裝置提供動力 栽植裝置中的苗杯運動 到栽植器上方時苗杯打開 將苗杯中的缽苗依次投 入栽植器中 完成一次取苗周期 圖 null 整排夾莖式取苗裝置結構簡圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull 取苗固定架 nullnull 移位氣缸 nullnull 分苗機構 nullnull 苗杯 nullnull 苗杯探 測傳感器 nullnull 栽植器 nullnull 變頻電機 nullnull 穴盤定位桿 nullnull 推苗桿 nullnullnull 苗盤定位傳感器 nullnullnull 苗爪定位傳感器 nullnullnull 夾苗裝置 nullnullnull 提升氣缸 nullnullnull 移位固定板 nullnull null 工作原理 取苗裝置作業(yè)過程如圖 null 所示 推苗桿順著鏈 條均勻布置在送盤裝置上 作業(yè)時推苗桿支撐苗盤 并與苗盤定位桿配合定位苗盤 取苗過程分為以下 null 個階段 null夾苗 送盤裝置的步進電機帶動推苗桿 運動進而推動苗盤前進 苗盤定位傳感器檢測到苗 盤到達并發(fā)出苗盤到位信號 檢測到夾苗裝置到達 取苗位置 苗爪定位傳感器信號觸發(fā) 苗盤到位信 號與夾苗裝置到位信號同時存在時 夾苗裝置夾持 苗莖 null取苗 夾取完成后 提升氣缸收縮 將缽苗 從苗盤中取出 null移位 分苗氣缸帶動多級剪叉分 苗機構使缽苗等距分開 分苗氣缸停止運動時 相鄰 缽苗之間的距離與相鄰苗杯之間的距離相等 同時 移位氣缸收縮將缽苗從送盤裝置上方移動到苗杯上 方 null投苗 苗杯探測傳感器檢測苗杯位置信息 當 獲取 null 個苗杯信號后 夾苗裝置的苗爪張開 缽苗落 入苗杯中 投苗后整個取苗機構按照原路返回 完成 一次取苗周期 等待下次取苗 nullnullnull第 null 期 王秀 等 蔬菜移栽夾莖式取苗裝置設計與試驗 圖 null 取苗裝置取苗過程示意圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull 移位氣缸 nullnull 移位導軌 nullnull 移位滑塊 nullnull 提升氣缸 nullnull 剪叉 分苗機構 nullnull 缽苗 nullnull 夾苗裝置 nullnull 苗杯 null 試驗平臺關鍵部件設計 nullnull null 取苗裝置 nullnull nullnull null 分苗裝置設計 取苗裝置采用取苗 null 分苗 null 投苗的自動化控制 方式 取苗裝置將缽苗從苗盤中取出自動投入到苗 杯中 分苗過程采用多級剪叉分苗機構實現缽苗等 距分散 圖 null 為多級剪叉分苗機構作業(yè)原理圖 剪叉 分苗機構的剪桿中心連接 null 個滑塊 第 null 個滑塊與 導軌固定連接 其中圖 nullnull 為分苗機構收縮狀態(tài) 夾 苗裝置之間的距離與苗盤穴口間距相同 分苗氣缸 伸出過程中推動第 null 個滑塊運動 除與導軌固定連 接的滑塊外 余下滑塊隨著第 null 個滑塊等速 等距在 導軌上分散 夾苗裝置固定板與滑塊固定連接 固定 板上的夾苗裝置隨滑塊分散 分苗氣缸停止運動時 夾苗裝置之間的距離與相鄰苗杯之間的距離一致 分苗機構展開狀態(tài)如圖 nullnull 所示 圖 null 分苗機構工作原理圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 夾苗裝置固定板 nullnull 滑塊 nullnull 夾苗裝置 nullnull 固定滑塊 本研究采用山東火絨農業(yè)科技有限公司設計的 nullnullnullnull nullnull 型半自動移栽機作為栽植裝置 其相鄰 苗杯的間距 L 為 nullnullnull nullnull 取苗系統(tǒng)針對 nullnull 穴盤的 育苗盤 苗盤穴口間距 X 為 nullnull nullnull 滑塊的長度應小 于苗盤穴口間距 X 選用滑塊的長度為 nullnull nullnull 如 圖 null 所示 對多級剪叉分苗機構進行分析 剪桿的中 心在導軌上做直線運動 剪叉的剪桿長度為 null 有 U nullnullJ nullnullB null U nullnull nullnullnullnull null nullnull nullnullnullnull null null J null L null B null X null 式中 Unullnullnull多級剪叉分苗機構行程 nullnull Jnullnullnull分苗機構展開相鄰滑塊之間距離 nullnull nullnullnull剪叉分苗機構的半剪桿長 nullnull Bnullnullnull分苗機構收縮相鄰滑塊之間距離 nullnull null null nullnullnull未展開時剪桿在豎直方向夾角 null null nullnullnull展開時剪桿在豎直方向夾角 故臂長為 null null U null nullnullnullnull null null nullnullnullnull null null B nullnullnullnull null null 由此可以得到 B null Unullnullnullnull null null nullnullnullnull null null nullnullnullnull null null 對于剪叉分苗機構 null null nullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull 隨 著 null null 的減小 所需氣缸推力會急劇增大 null null nullnullnull 時 剪叉分苗機構臂長未能最大程度利用 null null nullnullnull 時 角度增大對位移的增長效果減小 nullnull 將數據代 入式 null null null null null 計算得出 U null nullnullnull nullnull 將 null null null nullnull null null nullnullnull 代入式 null 并對剪桿長度進行圓整 選取剪桿長度 null nullnullnullnull nullnull 半剪桿長 nullnullnull nullnull 取苗裝置在一次取苗周期中 分苗氣缸 提升氣 缸 移位氣缸 夾苗氣缸分別伸縮 null 次 共有 null 個動 作 取苗頻率在 nullnull 株 nullnullnull 下 氣缸平均開合時間為 nullnull null null 分苗機構的收縮與張開時間應小于 nullnull null null 分 苗氣缸在帶動負載情況下 先做加速運動 達到最大 速度后為勻速運動 故 v m null U t z null a q null v m t j null 式中 v m nullnullnull分苗氣缸最大速度 nullnullnull t z nullnullnull分苗氣缸運動時間 null a q nullnullnull分苗氣缸作用滑塊的加速度 nullnullnull null t j nullnullnull分苗氣缸加速時間 null 假定剪叉分苗機構的剪桿為輕桿 連接剪桿之 間的光滑鉸鏈作為理想鉸 如圖 nullnull 所示 對氣缸直 接作用滑塊進行受力分析 有 nullnullnull 農 業(yè) 機 械 學 報 null null null null 年 F w null F Anull nullnullnullnull null F Anull nullnullnullnull null f null m z a q null 其中 f nullnullm z g nullnull 式中 F w nullnullnull氣缸拉力 null fnullnullnull滑塊所受摩擦力 null m z nullnullnull滑塊 夾苗裝置固定板 夾苗裝置的總 質量 nullnull F Anull F Anull nullnullnull剪桿對滑塊的作用力 null nullnullnullnull剪桿在豎直方向夾角 a q nullnullnull分苗氣缸作用滑塊的加速度 nullnullnull null nullnullnullnull滑塊與導軌之間的摩擦因數 gnullnullnull重力加速度 nullnullnull null 分別對分苗機構各滑塊進行受力分析 在各滑 塊運動過程中 各滑塊之間的加速度比與位移比相 同 對各滑塊進行受力分析可以得出 F w nullnullf nullnullm z a q nullnull 在氣缸伸出過程中 由于加速時間短 可看作勻 加速運動 分苗過程中缽苗的加速度及減速對缽苗 基質的影響顯著 減小滑塊加速度 t j 取 nullnull null null 單個 滑塊 夾苗裝置固定板 夾苗裝置的總質量 m z null null nullnull null nullnullnull null 將上述數據代入公式得出最小氣缸推 力 F nullnullnullnull nullnull