整排式移栽机分苗机构的设计与试验

崔财豪，陈忠斌，徐道发，黄 琳，杨雪梅，付永岗

（北京吉利学院汽车工程学院，北京102202）

1 分苗机构的设计

末端执行器是实现钵苗夹持和释放的关键机构，取放苗作业的顺利进行是整排移栽机正常工作的前提。新疆地区常用的钵苗盘规格通常为128穴，苗格宽30～40mm左右，由于钵苗紧密排列，相邻钵苗间距较小，给钵苗的释放增加一定的难度。为提高放苗成功率，设计一种分苗机构，使末端执行器在放苗时处于散开状态。

整排式全自动移栽机工作于复杂多变的大田环境，为提高整排移栽机分苗稳定性，需设计一种结构简单、价格低廉的分苗机构，并且保证各末端执行器的间距时刻保持一致。为此，设计一种剪叉式分苗机构来实现末端执行器的聚拢和散开。分苗机构由基本剪叉单元组成，基本剪叉单元通过并联的方式连接到一起，即首铰链连首铰链，末铰链连末铰链，该类变异形式可以增大分苗机构在水平方向的扩展能力。分苗机构一端的中间铰销固定，在活动端提供动力驱动剪叉分苗机构变幅，当末端执行器取苗时，分苗机构呈聚拢状态，此时各末端执行器与苗盘中某排苗格一一对应；当末端执行器放苗时，分苗机构呈散开状态，此时各末端执行器与输送带放苗一一相对应。剪叉式分苗机构的三维模型如图1[1-2]。

图1 剪叉式分苗机构三维图

图2 剪叉式分苗机构结构示意

剪叉式分苗机构具有结构紧凑、可控性好等优点，在分苗机构的非固定端提供动力，其结构如图2[3]。

为分析方便，忽略机构自重，将作用点假设为中心位置。剪叉臂两端销孔中心连线长度为L，与垂直线夹角为α。结合分苗机构的结构特点和受载情况建立力学模型[4]。

作用力作用在中心位置，建立力学模型，如图3。

图3 作用点力学模型建立

分析受力情况得：

第1层剪叉机构与剪叉臂力学模型如图4、图5。

图4 第1 层剪叉机构力学模型

图5 第1 层单个剪叉臂力学模型

由第1 层剪叉机构的力学模型可得：

第2 层剪叉式分苗机构与剪叉臂力学模型与如图6、图7。

图6 第2 层剪叉机构力学模型

图7 第2 层单个剪叉臂力学模型

由第2 层剪叉机构的力学模型可得：

第n 层剪叉机构的力学模型可得各铰接点的受力通式为：分苗机构的各剪叉臂两端所受水平力均为F/2，垂直力自左向右依次增大。由于ctga 为减函数，分苗运动的初始位置（最左一层）为各剪叉臂最大受力状态。

第n 层剪叉臂的中间铰销只承受垂直方向的力，其剪应力为：

式中AQ—剪切面面积。分苗机构各剪叉臂的铰销所受的剪应力层数n 和剪叉臂垂直线夹角有关。

执行元件提供的驱动力：

分苗机构位移变化量：

初始值α与杆件长度呈对应关系，在长度确定后α即为固定值，此时末端执行器彼此紧挨。但α值选择应选择适中，过大容易引起分苗机构无法顺利收缩，过小影响末端执行器的安装。为此构建分苗机构的三维模型并进行仿真分析，确定中间杆件长度L 为80 mm、两端杆件为40 mm 时分苗效果最佳。此时，当分苗机构总长度从224 mm 变化至448 mm 时，即单层剪叉单元宽度从32 mm 变化至64 mm，值从23.58°变化至53.13°，满足分苗要求，分苗机构安装位置如图8。

图8 分苗机构安装位置

2 控制系统的构建

为实现分苗控制，选取行程为250 mm 的迷你气缸作为分苗机构的伸缩控制元件，由于气缸行程大于机构位移，故增加磁性开关来保证气缸行程的精确性。同样选取行程为5 mm 薄型气缸来实现末端执行器的夹苗放苗操作，为保证各气缸动作一致配备一个电磁阀。控制系统采用三菱MT 型PLC 作为核心控制器，需增加中间继电器实现对电磁阀的控制，气缸规格如表1。

表1 气缸参数表

控制系统由控制器、气缸、电磁阀、中间继电器、磁性开关和电源等组成，气动系统回路为气缸动作提供气压，其动作依靠电磁阀的通断来实现，控制器通过中间继电器控制电磁阀的通断。气动系统回路如图9，图中A1-A8 为夹苗气缸，B 为分苗气缸，DT1、DT2为二位五通电磁阀；电控系统硬件接线如图10，磁性开关限定分苗气缸的行程，MT 型PLC 通过中间继电器实现电磁阀的通断，进而实现机构取苗、分苗和放苗的控制。

图9 气动系统

图10 硬件电路

系统工作时，默认苗盘正确放置于待取送区域，末端执行器正向移动至取苗位置，PLC 通过中间继电器控制电磁阀的通断实现钵苗的整排夹持，夹持完毕后将钵苗整排取出；末端执行器反向移动至放苗位置，分苗气缸动作使末端执行器呈散开状态，释放钵苗，当取送行数大于16 时表明当前苗盘中的钵苗已取送完毕，控制流程如图11。

使用GX-Works2 编写程序，模拟运行后将程序写入PLC 进行空载调试，运行无误时进行试验验证，判断分苗机构和控制系统的设计是否满足要求。

图11 气动系统流程

3 试验材料与方法

选取50 天苗龄的石番36 号番茄穴盘苗进行试验，基质含水率均值为75%，基质受压变形的极限力5.8 N，此时基质抗压力较高，易于苗针夹持。

选取5 张苗盘（标记NO.1 至NO.5）进行试验，以钵苗成功夹持为前提，考察夹持成功后的钵苗的分苗效果。主要从分苗成功率和放苗准确率两方面来进行考察，分别统计整盘钵苗中成功分苗和准确放苗的个数，计算分苗成功率SDS 和放苗准确率APS，试验结果如表2。

表2 试验统计表

由表2 可知，分苗成功率平均值为96.4%，表明分苗机构在分苗过程中钵苗掉落较少；放苗准确率平均值为96.1%，在第2、4、5 三次试验中，末端执行器夹持的所有钵苗均被成功投放在指定位置。分析分苗机构在分苗时钵苗掉落的原因主要有以下两点：（1）少数钵苗根系不够发达，基质强度不高；（2）分苗气缸分苗速度较快，造成台架震动易使钵苗掉落。解决方案：（1）加强育苗过程的操作规范，使钵苗处于最易夹持状态；（2）保持压力恒定使气缸处于最佳状态，通过节流阀调节气缸工作速度。

4 结论

设计了一种适用于整排式全自动移栽机的分苗机构，并依据机构原理构建数学模型，求得各杆件的具体尺寸，实现末端执行器的散开和聚拢。

构建分苗控制系统，进行试验验证，表明剪叉式分苗机构能够满足末端执行器聚拢取苗分散放苗的要求。