大蒜种植机自动定向装置研究

吴军，张雪松



大蒜种植机自动定向装置研究

吴军，张雪松

（中原工学院信息商务学院，河南 郑州 451191）

针对大蒜种植采用人工方式已不适应社会需求的现状，根据蒜瓣植入土壤时蒜头必须竖直向上的要求，设计一种机械式分种装置，由筛种板、植种板组成。首先根据蒜种竖截面的不规则形状，在筛种板上设计若干个尺寸大小刚好容下蒜头插入的圆孔，将合格位姿的蒜头筛出，再由种植板逐个拾取，拾取后的蒜种姿态竖直方向旋转180°，最终由压入机构将蒜种压入土壤中，确保蒜种鳞芽朝上姿态。该方法结构简单，成本低廉，识别率高，用于大蒜种植机械可有效提高蒜种栽种成活率。

大蒜种植；蒜种位姿；自动定向；参数设计

1　概论

大蒜是人们日常饮食生活中一种重要的经济食品，既可以调味去腥，又具有杀菌、抗毒等医疗保健功效。中国已经是全球最大的大蒜生产国与消费国之一，年产量约为世界总产量的1/3，大蒜产地遍布全国，种植面积呈逐年上升趋势，已成为农民生活的一项重要经济收入来源。大蒜栽种长期以来依靠人工进行，栽种劳动强度大、生产效率低下、种植质量参次不齐，不适合大规模的现代化农业生产。因此，实现大蒜播种机械化，提高农业生产率及生产质量已成为共识。近几年，国内外有关大蒜播种的研究较多[1-3]，但是为了保证栽种成活率，要求蒜瓣在植入土壤时必须保持根部向下的姿态。这一栽种时的特殊要求和蒜瓣具有的不规则外形，导致至今还没有大蒜播种机械能够在国内推广成功。

为此，解决蒜瓣栽种时如何保持特殊的固定姿态问题，成为大蒜播种机械的关键技术之一。主要的研究方案有旋转导向式、螺旋导引式、光电识别调整式等，前两个方案通过机械旋转或是螺旋导槽依靠蒜瓣重力进行自我调整，但实验表明识别准确率难以保证，第三个方案通过光电感应对单体进行识别后进行机械调整，效率明显偏低，均不能做到大面积机械化推广[4-6]。

2　机械栽种过程与定位分析

大蒜具有不规则外形，表现为鳞芽端尖细而根部粗大，当根部向下栽种时种苗成活率较高，同时鳞芽向上可以使植株竖直利于提高植密度。当采用机械栽种时，一般使料仓中的蒜种由高处空间向低处空间坠落，坠落路线有直线式、螺旋式等几种，其中直线式最为简单，可以通过狭长缝隙对成堆蒜种进行个体分离，但不能控制通过缝隙的蒜种姿态，由于物体重心越低姿态越稳的物理规律，最终落入土壤中的蒜种以平躺姿势居多，所以这类机械只能替代部分人工操作，还需要人工把蒜种扶正，并插入土壤中这一操作环节。螺旋式坠落是沿固定螺旋轨迹下行，下行过程中始终有支撑，蒜种保持大头向下卧式姿势直到落入土壤中，由于姿态可控，因此可以用压入机构对其进行挤压，但这种下落方式必须保证蒜种之间彼此不产生相互碰撞挤压，否则下落过程中的蒜种姿态仍无法控制成一致，因此螺旋式下落要求蒜种以单体形式下落，且两粒蒜种要有一定的时间间隔，效率较低，不能满足机械化生产高效的初衷，难以大规模推广。

3　定向装置的机构构成与工作机理

定向装置主要由筛种板和植种板两部分组成。筛种板的作用是对料仓的大量蒜种进行筛分，得到一个个分离出来的单体，并得到大头向上唯一姿态的蒜种。导向板的作用是引导筛种板的蒜种，当其随链条由上部转移到下部时，蒜种姿态进行反转，最终成为大头向下姿态，然后被压种机构压入开好的种穴内完成播种过程。与定向装置配合工作的有送料料仓和压种机构。

筛种板由软不锈钢板冲压制成，板与链式传送带做成一体连接，链传动的优点是对环境的适应性强，不易损坏。其主动链轮通过链轮轴、联轴器与传送电机相连。当传送电机做单向循环匀速运动时，链条带动筛种板随其一起动作。筛种板被置于料仓底部开口处，料仓中贮存着大量蒜种，由一个小型电机带动，使其沿与水平面夹角约为30°的斜向支撑轴匀速旋转，蒜种随着料仓的旋转运动而在仓壁上不停地上升、下落。通过蒜种数据采集分析得出蒜种截面形状尺寸的统计数据，以蒜种竖截面上的水平中线尺寸为直径，在筛种板上制出若干等间距圆孔，用来对蒜种进行定位。当料仓中的蒜种沿仓壁旋转下落至筛种板上时，姿态不一，但只有细尖的头部朝下的蒜种可以掉入筛种板的圆孔中，由于仓壁的不停运动，后续蒜种推动前面筛种板上的蒜种离开，只有落入圆孔中的蒜种由于低姿且被握持的原因被保留下来，随着筛种板的移动离开料仓。为避免蒜种离开筛种板上部时从圆孔中脱离，在筛种板与植种板之间设置一个弧形导引板，从而使筛分出的蒜种顺利进入植种板。

植种板结构与筛种板一致，在板上等间距一定距离，开有若干稍大圆孔，该孔直径以稍大于蒜种的最大截面尺寸为宜，即当蒜种竖直时能顺利通过该圆孔。当筛种板随着链条的移动而将蒜种经由导引板移动至植种板时，其大头端落入植种板的圆孔内。该植种板由贴近的两层薄钢板组成，二者由电机控制可做细微的间歇性横向相对运动。当蒜种移入植种板时由于两层板的对应圆孔有少许重叠，导致叠加后的圆孔呈现椭圆形状，蒜种大头被阻挡而不会从孔中下落，当底层钢板做横向往复运动时，两圆孔重合，蒜种此时下落入下方的土壤中。之后两圆孔又恢复初始时的少许重叠状态，继续接收植种板转移过来的蒜种。如此循环往复不断。在一个周期内的圆孔重合时期，蒜种被横向植入一排土壤，周期内的圆孔重叠时期，行走机构纵向移动一个距离。调整植种板孔距，或是调整行走机构移动速度，最终得到理想的蒜种纵横向间距。

4　关键参数设计

4.1　料仓与筛种板的设计

料仓与筛种板的设计，其重要的设计参数要求必须满足料仓旋转速度与筛种板的移动速度合理配合的要求。由于料仓旋转至底部位置时其切向速度方向与筛种板移动速度方向正交，如果料仓旋转速度过慢而筛种板移动速度过快，会导致合格姿态的蒜种尚未及时落入圆孔时孔已移走，待下一孔到来时该蒜种已离开筛种板而失去筛种机会，效率过低。但当料仓旋转速度过快时，也会出现合乎条件的蒜种不能正常落入圆孔的情况，旋转过快，蒜种所受离心力大于自身重力，当经过圆孔时姿势来不及调整入孔就已经被离心力驱使离开筛种板。公式如下：

<&<（1）

式（1）中：为料仓壁线速度；为筛种板线速度；为蒜种平均离心力；为蒜种平均重力。

4.2　筛种板与植种板的配合

筛种板是连续运动，而植种板是间歇运动，筛种板输送蒜种的时间应当短于植种板接受同样数量的蒜种的时间，否则植种板圆孔可能空置。当设计筛种板、植种板孔距一致时，见公式（2）；当设计筛种板孔距大于植种板孔距时，见公式（3）。

>（2）

=（3）

式（2）（3）中：为植种板间歇运动的平均速度。

4.3　植种板与行走机构的参数设计

根据大蒜播种的工艺要求，设计蒜种的行距与列距。横向行距由植种板的孔距决定，纵向列距由行走机构的行走速度决定。栽种效率取决于机构的行走速度，但行走过快不能影响压入机构压种的效果。

从以上各种参数的设计可以看出，如果想得到合理的大蒜播种参数，必须对各机构的动作进行协同控制。PLC控制系统是工业三大控制系统之一，与工控机控制系统相比，其成本低、空间小；与单片机控制系统相比，其稳定性好、适应恶劣环境能力强，因此本装置采用PLC控制系统来实现各机构的联动配合。

5　结束语

大蒜种植机械的关键是蒜种定位，采用纯机械式定位方式，通过筛分装置，得到倒立的蒜种单体，经导引后蒜种姿态反转成正立姿态，然后被移入植种装置进行播种，对定位各机构的参数进行合理设计，辅以PLC控制实现各机构协同动作。该方法简便易行、可靠性高、效果显著，便于大规模推广应用。

［1］栗晓宇，耿爱军，侯加林，等.大蒜播种机研究现状及展望［J］.农业机械，2017（02）：105-107.

［2］林悦香，尚书旗，杨然兵.大蒜生产机械的现状与发展［J］.农机化研究，2012（03）：55-57.

［3］韩秋燕，王小瑜，郝杰，等. 插穴式自动定向大蒜播种机的设计研究［J］.农机化研究，2016，38（7）：172-175.

［4］谢学虎，张永，刘召，等.大蒜播种机种植机构的设计［J］.农业工程学报，2015，31（1）：34-39.

［5］高迟，薛少平，李绅淑，等.大蒜鳞芽方向识别的实验研究［J］.农机化研究，2010，32（10）：136-139.

［6］荐世春，刘云东.大蒜播种机蒜瓣自动定向控制装置的试验研究［J］.农业装备与车辆工程，2009（10）：28-29.

〔编辑：张雅丽〕

2095－6835（2018）19－0139－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.19.139

吴军（1971—），男，辽宁北镇人，讲师，研究方向为数控技术、机电一体化技术。