棉花裸苗移栽机自动送苗机构的设计与仿真分析

符美军，全腊珍,2*，熊耐新，李桂文，邹运梅,2

(1.湖南农业大学 工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；3.三一重工集团，湖南 长沙 410100)

随着棉花无土育苗技术的不断成熟，棉花裸苗移栽面积逐年扩大，实现机械化裸苗移栽不仅能提高生产效率、节省成本，还能大大降低劳动强度。目前，国内所研制的棉花裸苗移栽机大都采取人工送苗方式，劳动强度大且生产效率低，而日本研制的全自动裸苗移栽机，价格昂贵且有漏苗现象[1]。笔者以南通富来威公司生产的 2-ZQ4型半自动棉花裸苗移栽机为研究对象，拟设计一种能够实现横向和纵向送苗自动化的送苗机构，并加装苗盘空苗检测和送苗机构控制系统，减少因苗盘空苗而产生的漏苗现象。

1 送苗机构的设计

1.1 送苗机构的工作原理

送苗机构结构如图1所示。机构工作时，由电机(自带减速器)带动送苗机构中的锥齿轮转动，一方面，锥齿轮带动三销槽轮运动，三销槽轮带动圆柱凸轮转动，凸轮机构带动连杆横向运动，连杆带动苗盘完成横向送苗；另一方面，锥齿轮带动链轮转动，链轮带动单销槽轮，单销槽轮带动同步带轮转动，由同步带轮带动苗盘完成纵向送苗。当苗盘中出现空穴时，由检测系统发信号给机构控制系统，控制电机加速转动，由送苗机构带动苗盘快速移动。

图1 送苗机构结构示意图Fig. 1 Send seedling mechanism structure diagram

选用湖南农业大学棉花科学研究所使用的 10孔×10孔规格苗盘作为试验苗盘，根据苗盘的大小和安装位置要求，设计长750 mm、宽750 mm、高440 mm的苗盘架，水平放置苗盘；根据苗盘的形状，送苗机构带动苗盘横向送完一行(10株330 mm)后，再纵向前进一格(间距33 mm)，如此往复，移栽时棉苗苗盘呈“弓”字型运动轨迹。

1.2 横向送苗机构的设计

根据苗盘的运动轨迹，横向送苗机构需要完成往复直线间歇运动。采用槽轮机构完成间歇运动，圆柱凸轮机构完成循环往复直线运动，横向送苗机构如图2所示。

图2 横向送苗机构Fig. 2 Horizontal send seedlings institutions

为了减少冲击，槽轮机构选择槽数z =4的外槽轮，圆销数n∈[1,4][5]。当n取1和2时，效率较低；n为4时无间歇时间，且容易发生干涉。为满足机构工作要求，提高工作效率，n取 3。根据机构安装位置要求，取中心距a=60 mm，计算得圆销转动半径R=42.42 mm，销钉半径r1=7.7 mm，锁止弧半径r2=30.1 mm。

为了将槽轮机构的圆周间歇运动转换成往复直线间歇运动，圆柱凸轮采用循环往复螺旋曲线轮廓凹槽[10]。苗盘放在与从动杆固连的苗盘架上，圆柱凸轮。当槽轮机构作间歇转动时，由凸轮机构带动苗盘作往复直线间歇运动，完成横向送苗要求。

1.3 纵向送苗机构的设计

纵向送苗机构(图3)由槽轮机构、带传动机构和链传动机构组成。

图3 纵向送苗机构Fig. 3 Longitudinal send seedlings institutions

选择槽数z=4的外槽轮，由于横向送苗1行(10株)，纵向才送苗1株(间距33 mm)，故圆销数n取1，中心距选取 35 mm。计算得：圆销转动半径R=24.74 mm，销钉半径r1=4.12 mm，锁止弧半径r2=18.15 mm。

为了防止皮带打滑，保证传动精度，采用同步带传动，并在带上增加一定数量和间距的凸缘。通过计算，取同步带轮分度圆半径R=21 mm。根据需要链传动机构选用08A节距为12.7 mm的滚子链。当横向送苗1行后，同步带上的凸缘嵌入苗盘底部的凹槽中，带动苗盘纵向移动1格，完成纵向送苗。

2 送苗机构检测控制系统的设计

系统采用Atmega-16作为主控芯片，Maxon牌RE-35直流伺服电机和 MLDS3610型直流伺服驱动器作为动力驱动系统。

检测系统包括空苗信号检测和移栽机前进速度检测。为使移栽机速度与送苗机构速度匹配，采用光电传感器对移栽机速度进行检测，获得移栽机速度信号。机构输送时，行程开关固定不动，棉苗随着苗盘一起运动，棉苗茎秆触碰行程开关产生电信号，若有苗，则输出高电平“1”；若空苗，输出低电平“0”，完成对棉苗空苗与否的检测。

控制系统启动后，将移栽速度信号与空苗信号同时输入主控芯片进行运算，得到有苗和空苗时的电机转速信号，伺服驱动器对信号进行处理，驱动电机按照计算出的转速转动，电机带动送苗机构输送苗盘，保证空苗时能够加速运动，让空苗孔快速通过取苗口，取苗机构的机械手能够正常取苗，避免棉苗漏栽现象。

3 送苗机构仿真分析

移栽时，移栽机前进速度取0.4 m/s，移栽棉苗株距 440 mm，移栽机移栽 1株棉苗的间隔时间t1=1.6 s[14]。为保证移栽机前进速度与送苗机构速度相互匹配，电机转速取9 r/min，选取1个送苗周期(横向→纵向→反向横向→纵向)，送苗机构移动行程726 mm。

利用Pro/E三维软件对送苗机构进行三维建模和运动学仿真分析[12-13]，得到送苗机构横向和纵向位移与时间的关系(图4、图5)。

图4 横向位移与时间的关系Fig.4 Displancement projection on transverse

图5 纵向位移与时间的关系Fig.5 Displacement projection on longitudinal

由图4可知，在1个周期内，横向位移逐渐增加，且具有间歇段，每段增加33 mm(送苗1株)，所需时间1.6 s；约17.6 s后，位移开始逐渐减小，每段减小量为33 mm，所需时间仍为1.6 s。可保证送苗机构输送棉苗间隔时间和移栽机移栽棉苗间隔时间相等。

图5表明送苗机构运动的周期性变化，0～16 s时，位移不变，表示送苗机构正在横向运动，纵向不运动；16～17.6 s时，纵向位移急剧下降，且减少的量为固定值33 mm，表示送苗机构纵向前进1格。结合送苗机构横向和纵向的运动轨迹，可以得出结论：所设计的机构横向作循环间歇往复运动，纵向作间歇运动。整个苗盘的运行轨迹呈“弓”字型，满足所需的轨迹要求。

4 结 论

a.设计了一种棉花裸苗移栽机自动送苗机构，并对机构进行了虚拟仿真分析。结果表明：所设计的机构能够实现棉花苗盘横向送苗和纵向送苗自动化，自动送苗间隔时间(1.6 s)和移栽机移栽棉苗的间隔时间(1.6 s)一致；苗盘的运行轨迹呈“弓”型，满足所需的轨迹要求。

b.为自动送苗机构添加苗盘空穴检测和机构控制系统，系统用ATMega16单片机作为主控芯片，对系统进行模拟试验。结果表明：当检测系统检测到苗盘空穴时，控制系统能控制送苗机构加速移动，使下1株棉苗迅速到达取苗口，可避免棉苗移栽时的漏苗现象。

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