蔬菜穴盘投放式摆盘装置的设计与仿真

谢晓东，张秀花

(河北农业大学 机电工程学院， 河北 保定 071001)

0 引言

PVC软穴盘是我国农民用于铺放在苗床或平坦的地面上进行播种育秧的一种标准化钵体苗育秧盘，穴盘育苗是在多孔穴盘中以草炭、蛙石、珍珠岩等混合轻型物料为育苗基质进行精量播种，是一项快速培育优质壮苗的新型蔬菜育苗技术[1-3]。我国自20世纪80年代引入了穴盘育苗技术，目前该技术已经成为了我国培育蔬菜的主要方式之一[4]。据统计，2015年国内的蔬菜产量达到了7.8万t，约有60%的蔬菜是采用穴盘育苗方式种植的[5]。穴盘在经过播种、覆土等环节后会被转运到大棚内进行育秧，其搬运摆放环节多以人工参与为主，摆放所需成本较高，劳动强度大[6-7]。由于成本关系，我国所用穴盘以软盘为主[8]，且秧盘摆放是大棚育秧生产环节中重要的一项，摆盘工作的好坏甚至影响幼苗后期的生长[9]。

在苗床自动化搬运方面，荷兰VISSER集团公司利用输送轨道、驱动机构和检测系统可对苗床堆叠后进行输送，盘垛下线后配合使用电动车和人力液压搬运车对穴盘进行搬运，实现了穴盘育苗育秧自动一体化生产[10]；但是，其整套装置成本较高，不符合我国国情，在国内也未见引进。东北农业大学的马静龙等研制了一种育秧大棚自动摆盘装置，其以多关节机械手为主要摆放机构，整个装置动作灵活，摆放范围较大[11]，但未见样机的研制及实际应用。综上所述，国内的穴盘搬运摆放工作仍然以人工为主，对于机械化摆盘的研究还较为欠缺。鉴于此，需要研制一种高效的、针对于软盘的摆盘机械，以提高穴盘育苗流水线的机械化程度。本文设计了一种在大棚内工作的摆盘机，提出了投放式摆盘的方案，并利用ADAMS和ANSYS进行动力学和静力学仿真分析，为摆盘装置的研制提供了合理的依据。

1 摆盘机的结构及设计原理

整套装置主要由投盘器、连杆、机架、车体及支撑杆组成，如图1所示。

1.投盘器 2.穴盘 3.U形托盘 4.连杆 5.摆放平台 6.支撑杆 7.机架 8.车体

机架安装在可移动的车体上，投盘器安装在连杆上，U型托盘安装在投盘器内，U型托盘可在投盘器内相互分开或闭合。摆盘前，将已经完成播种覆土后的穴盘放置在投盘器内的U形托盘上，如图2(a)所示。当投放器接近摆放平台时，托有穴盘的U形托盘自穴盘底部分开，穴盘底部的间隙逐渐变大，当间隙足够大时，穴盘在自身重力作用下利用自身形变的特性从分开的间隙弯曲着地，完成摆放过程，如图2(b)所示。随后，投盘器升离摆放平台(如图1所示)，重新将待摆放的穴盘放置在投盘器内，并开始下一次摆盘工序。

图2 穴盘投放过程

由于在人工摆放穴盘时人的两只手也是在缓慢抽离穴盘底部的过程中完成摆盘动作的，因此在此投放过程中U形托盘慢慢抽离穴盘底部的过程类似于人手摆放穴盘的过程。

平行四边形机构维护简单，使用寿命较长，各个杆件间可通过相互配合来实现某一杆件的始终水平[12]。本设计中，连杆、机架和投盘器共同组成了平行四边形机构。工作时，通过连杆的转动，整个平行四边形机构可以实现整体形状的变化。例如，对于连杆间的张开或者并拢的动作，当连杆张开时，投盘器远离地面进行取盘等操作；当连杆并拢时，投盘器接近地面进行摆盘操作。另外，在此过程中，由于平行四边形机构的特性，投盘器始终处于水平状态。

2 关键部件的设计

投盘器相当于工业机器人中的末端执行机构。目前，在需要摆放机械的各个领域中，常见的末端执行机构主要包括夹持式执行机构、真空吸附式执行机构及磁吸式执行机构[13-14]。由于要摆放的穴盘为塑料软盘，在夹持时容易变形，故夹持式机构并不适用；软质穴盘在摆放时其中充满了基质土，故真空式和磁吸式执行机构也不适用。为了在不损坏穴盘的前提下将其精确地置于地面，提出了投放式的摆盘方案。投盘器尺寸的设计应该以穴盘尺寸为依据，并由此合理选择摆放方式及驱动方案等。

投盘器主要包括摆盘壳体、U形托盘、齿轮及齿条，如图3所示。摆盘壳体对称布置在U形托盘两端，并通过壳体连接件相连，挡板固定在壳体上；在壳体内有3段滑槽，中间的托盘滑槽与U形托盘相连接，上下的滑槽上安装有滑轨，滑轨可在滑槽内滑动。电机主轴穿过壳体与齿轮相连，齿轮和上下齿条相啮合，齿条安装在滑轨上，齿条的无齿端和U形托盘连接在一起。由于齿条布置在齿轮上下两侧，在齿轮转动时，上下齿条将沿着相反的方向滑动，利用上下齿条的不同向滑动，可实现U型托盘的分开或者合并。当U形托盘上放有穴盘并进行摆放时，U形托盘和穴盘底部会产生相对滑动，这种滑动在穴盘底部产生的摩擦力会对穴盘的姿态产生影响，故在托盘两侧设计了挡板装置，通过该挡板和U形托盘共同作用，可令穴盘在水平方向保持姿态的统一，在保证穴盘平稳着地的同时保证了被摆放穴盘的整齐，对大棚内有限空间进行了充分利用。

1.挡板 2.U形托盘 3.齿条 4.齿轮 5.电动机 6.滑轨 7.滑槽 8.托盘滑槽 9.壳体连接件 10.摆盘壳体

3 运动仿真与结果

3.1 ADAMS运动学仿真

根据实际情况及穴盘育苗的农艺要求，穴盘摆放机械应满足以下设计要求：

1)穴盘在靠近摆放平台的过程中，为了保证穴盘内基质土不受摆盘动作的影响，其运动过程应当尽量平稳。

2)穴盘在被投放过程中的运动状态应尽量平稳，以避免其从被投放到落地过程中所受振动和挤压对基质土造成冲击和松动，令种子暴露在空气中或产生移位，影响育苗质量。

为了验证整机在工作时通过平行四边形机构进行摆盘动作的平稳性，现对整机的运动过程进行仿真。将本机的三维模型导入ADAMS中(见图4)，并按照实际情况设定各个构件的相关参数，如材料类型、摩擦力等；为了便于观察机构的运动，将部分构件隐藏，得到摆盘机虚拟样机模型。通过ADAMS运动仿真，可在ADAMS/PostProcessor中生成装置在摆盘动作中的某一点或者某个部件的速度、加速度、位移等曲线图，通过观察图像可知是否有速度或者加速度的突变，以及整个装置是否有部件干涉等情况。

图4 摆盘装置虚拟样机

在摆盘执行机构在实际中执行摆盘动作时，设计其运动过程为：平行四边形连杆的角速度应从0增加到某值后保持不变，随后从该值缓慢降低到0。为了保证摆盘的平稳，避免运行动作对穴盘出现过大的冲击，在仿真时引入了ADAMS中的Step函数。为了便于观察穴盘的运动过程，通过合理设置Step函数，最终确定穴盘的运动形式为：四连杆机构带动穴盘完成“加速-匀速-减速”运动过程。同时，应用此函数对连杆的角速度进行定义，由此得到的仿真数据可为实际中的机械摆放动作作为参考。

ADAMS有着丰富的运动函数库，其中的Step函数有设计过程函数和运行过程函数两种格式及用法。设计过程(design-time)Step函数格式为:Y=Step (A,x0,h0,x1,h1)，由数组A的x值生成点(x0,h0)与(x1,h1)之间的阶跃曲线，并返回一个Y值数组。运行过程(run-time ) Step函数格式为:Y=Step (x,x0,h0,x1,h1)，它通过三次多项式逼近海赛(Heaviside)阶跃函数，其定义为

其中，x为自变量;y为函数值;x0为阶跃函数起点自变量值;h0为阶跃起点处函数值;x1为阶跃终点自变量值;h1为阶跃终点函数值[15]。

在ADAMS中，将各个构架设置为相应的运动副，在电机所在处设置回转副后添加驱动。参照实际中的摆放用时，穴盘的移动时间应该设置为1min左右。在此基础上，为了使速度曲线较为平滑，使之便于观察，基于step函数在ADAMS函数构建器中创建电机处旋转副的等效速度函数。

V(t)的表达式为

V(t)=step(time,1,0,20,-3d)+

step(time,21,0,36,0)+step(time,37,0,62,3d)

此Step函数所表达的意义为：

1～20s，连杆由静止开始，缓慢加速转动至V(t)=30(°)/s；21～36s，连杆保持匀速转动；37～62s，连杆缓慢减速直至速度为0。

进行仿真分析后，在产生的结果集中提取关于穴盘的速度、加速度和位移曲线，如图5所示。

图5 穴盘运动曲线

其中，位移曲线位移量是以ADAMS内置坐标系为参照。可见，穴盘的运动速度没有突变现象，且速度曲线和加速度曲线呈对应关系，穴盘的加速度曲线较为平滑，最大加速度为0.1m/s2，且没有明显的突变现象，穴盘在运动时所受的冲击较小；同时，穴盘位移曲线过渡自然，没有突变产生。由此可知，穴盘的整个运动过程比较平稳，仿真结果符合设计要求。

3.2 穴盘投放状态的有限元分析

现通过ANSYS软件对穴盘的投放变形量进行分析。图6为一种常见的72孔PVC软穴盘，其尺寸参数540mm(长)×280mm(宽)×40mm(高)。结合穴盘投放方式的设计要求，可知需要注意的参数如下：

1)投盘器底部离地或平台高度H；

2)穴盘在被投放时的最大形变量L。

为了避免投盘器在进行投盘作业时触碰到已经摆放完毕的穴盘，造成穴盘的移动或者损坏，投盘器在投放穴盘时与摆放平台或地面的高度应该大于或等于穴盘的自身高度，即H≥40mm。为了便于说明，设H=40mm。为了实现穴盘的变形着地，减小穴盘在着地时所受的冲击，穴盘在被投放时应满足条件L>H；若L

图6 穴盘实物图

穴盘临近落地时，穴盘部分与U形托盘部分最后接触的是穴盘最两侧底部的两条边，此时穴盘整体的变形量最大。设此时为穴盘落地的临界状态，如图7(a)所示。为了便于仿真，将穴盘模型上的圆角适当简化；PVC材料的弹性模量通常为2.4～4GPa，泊松比为0.38～0.47。由于穴盘较薄，且为软质PVC，故设置弹性模量为2.4GPa，设置其泊松比为0.4。随后，对穴盘进行网格化分，并对穴盘的两侧进行固定约束，如图7(b)所示，以此模拟穴盘在落地临界状态下的状态。

图7 穴盘投放临界状态示意图

经查阅有关资料，可知我国常用的基质土密度为900kg/cm3 [16]。经计算，穴盘在装满基质土时，质量为m=2.87kg。为了便于仿真，设其总的重力为G=mg≈29.4N，将重力添加到穴盘的中心位置，随后对穴盘进行仿真分析，得到穴盘受力变形量的分布结果如图8所示。可见，穴盘最大变形量为L=57mm>H=40mm。

图8 穴盘形变量分布图

由此关系式可知：穴盘底部在达到落地临界条件之前就已经着地。由于穴盘的泊松比介于0.38～0.47之间，而在仿真时预先设定穴盘泊松比为0.4，因此需明确泊松比的改变是否会对仿真结果造成影响。为了验证仿真结果基于泊松比设置的合理性，增强仿真结果的说服力，依次在ANSYS/Preprocessor中对穴盘的相关参数进行改变。由此发现：当穴盘泊松比在0.38～0.47间变化时，得到的所有仿真结果中穴盘的形变分布云图几乎相同，且各仿真结果形变云图中最大形变量之间的差距在2mm左右。这说明，泊松比的改变并不会对仿真结果造成影响，仿真结果合理。

在此过程中，U形托盘的张开速度决定了穴盘的投放速度，过快的张开速度会令穴盘在被投放到落地过程中受到较大的冲击，令穴盘内的基质土受到影响；张开速度过慢则会降低摆盘环节的工作效率。参考实际中人工的摆盘速度[17]，结合投放器的设计尺寸参数，应将穴盘的投放用时设置在5s左右，即设置U形托盘的张开速度为28mm/s左右。

穴盘的应力分布图如图9所示。其最大拉力出现在穴盘中心位置，大约为23N。查阅相关资料[18]，参考穴盘的横截面积，可知PVC材料的穴盘所能承受的最大拉力远大于23N，故“投放式”摆盘方式不会损伤穴盘，摆盘方案符合设计要求。

图9 穴盘应力分布图

4 结论

1)本文基于平行四边形机构设计了穴盘的摆放装置，整个装置安装在可移动的车体上，简化了穴盘的搬运过程，符合大棚育苗的农艺要求。

2)应用ADAMS软件对装置进行了动力学仿真分析，得到了穴盘的速度和位移曲线，运动曲线平稳且无突变现象，仿真结果验证了相关机构的合理性。

3)通过ANSYS软件对穴盘进行了有限元分析，得到了穴盘的形变分布图。由仿真结果可知：穴盘最大变形量L=57mm>H=40mm，投放式摆盘方案满足设计要求，得到的相关数据为今后摆盘机的研制提供了合理依据。

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