孙正 薛龙 何梁 刘木华 黎静 郑建鸿
摘要:针对现有的半自动辣椒移栽机效率低、劳动强度大的问题,设计一种自动取投苗装置。该装置由夹苗部件、平移机构、垂直移动机构、控制系统和穴盘架等组成。控制系统驱动平移机构和垂直移动机构运动,分别带动夹苗部件和穴盘使其产生联动,实现夹苗部件依次从穴孔中将辣椒苗拔出,然后移动到导苗管上方投苗,完成整个取投苗过程。用72孔穴盘育苗,选取55天苗龄的辣椒穴盘苗为研究对象,对5盘共360株辣椒穴盘苗,以15株/min的移栽速度,进行取投苗试验,試验结果得到:取苗成功率为96.39%,投苗成功率为98.27%,茎叶损伤率为7.79%,满足辣椒穴盘苗移栽的农艺要求,该研究可为自动化移栽机的设计提供参考。
关键词:全自动移栽机;自动取投苗机构;辣椒穴盘苗;夹茎式;蔬菜移栽
中图分类号:S223.9
文献标识码:A
文章编号:20955553 (2023) 070048
07
Design and experiments of automatic taking and throwing device for chili plug seedlings
Sun Zheng1, Xue Long1, 2, He Liang1, Liu Muhua1, 2, Li Jing1, 2, Zheng Jianhong1
(1. College of Engineering, Jiangxi Agricultural University, Nanchang, 330045, China;
2. Jiangxi Province Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment, Nanchang, 330045, China)
Abstract: To address the problems of low efficiency and high labor intensity of the existing semi-automatic pepper transplanter, an automatic seedling taking and dropping device was designed. The device was composed of seedling clamping parts, a translation mechanism and vertical movement mechanism, a control system, a hole tray frame, and other components. The control system drove the translation and vertical moving mechanisms, which in turn drove the seedling clamping parts and the hole plate to produce joint movement, respectively. This process enabled the seedling clamping parts to pull out the chili seedlings from the hole sequentially, and then move them to the top of the seedling guide tube to drop them, completing the whole process of seedling taking and dropping. The seedlings were raised with 72-hole trays, and the 55-day-old chili plug seedlings were selected as the research object. A total of 360 chili plug seedlings were transplanted in 5 trays at the rate of 15 plants per minute. The experiment results showed that the success rate of seedling extraction was 96.39%, the success rate of seedling infusion was 98.27%, and the stem and leaf damage rate was 7.79%. This study can provide a reference for the design of automatic transplanters.
Keywords: automatic transplanter; automatic seedling taking and throwing mechanism; chili plug seedlings; clip stem type; vegetable transplanting
0 引言
辣椒是江西等省市的主要经济作物,但辣椒移栽用工成本高,全自动辣椒移栽机是解决辣椒移栽劳动强度大、效率低等问题的主要方式[13]。全自动移栽机与半自动相比增加了自动取苗机构,因此设计合理的自动取投苗机构是辣椒移栽自动化的必经之路[45]。
国外对于自动移栽机研究起步较早[68],例如,美国Agriplant全自动移栽机,该机通过取苗手从穴盘中成排取苗,生产效率可达2.5hm2/d,但价格昂贵,后期维修不方便[9]。日本洋马PF2R全自动蔬菜移栽机是小型全自动移栽机,用自动取苗器夹取穴盘苗,育苗需用可蜷曲专业育苗盘,成本较高[10]。这两种全自动移栽机成本较高,维修不便,对于国内的生产并不适用。
近年来,国内学者对全自动取投苗机构的研究越来越多[1114],主要类型有插入夹取式取苗机构、顶出式取苗机构和夹茎式取苗机构。针对插入夹取式取苗机构的研究有:党玉功等[15]设计的开式铰链四连杆型取投苗机械臂,用行星轮系和凸轮高副对转动副进行约束,最终设计了一种单自由度全机械式的取投苗机构;石乔等[16]设计的一种蔬菜苗移栽机自动取投苗装置,得到了一组优化连杆与凸轮结构参数,使其取苗指末端能以一定姿态及轨迹插入钵苗基质中取苗。這类机构操作控制简单,但是其执行末端插入基质进行取苗,易对苗根和基质造成损伤。针对顶出式取苗机构的研究有:金鑫等[17]设计了一种蔬菜移栽穴盘苗自动输送装置,该机构用圆柱凸轮机构和齿轮—槽轮机构顶出穴盘苗,结合配套设计的取投苗机构实现自动取投苗,但该类机构有损伤穴盘苗根部的可能。针对夹茎式取苗机构的研究有:赵晓琪等[18]重点对取苗机构进行了设计,该取苗机构使用气动加刹车线柔性变距机构实现变距投苗功能,由于气动动力源特殊,加大了其实际应用的难度。现有取投苗机构存在易损伤穴盘苗根部和基质,以及动力源为气动,难以投入实际生产的问题。
针对现有移栽机自动取投苗装置存在易损伤穴盘苗根部和基质,以及气动动力源难以投入实际生产等问题,在查阅国内外相关文献资料的基础上,本文采用夹取辣椒穴盘苗茎秆的取苗方式以降低穴盘苗和基质损伤率,并采用电动方式以达到驱动能源单一化,增强适用性的目的。
1 整机机构与工作原理
1.1 整机结构
辣椒穴盘苗取投苗装置由机架、夹苗部件、平移装置、导苗管和控制系统组成,如图1所示。平移装置分为夹苗部件平移机构和育苗盘垂直移动机构,夹苗部件通过平移机构实现横向和纵向移动,育苗盘搭载于穴盘架上,穴盘架与直线模组上的滑块连接带动育苗盘实现垂直方向的上下移动。
如图1所示,两个滑块行程为0~400mm的Y轴直线模组通过连接件分别固定在机架上,其中一个直线模组的一端接有Y轴步进电机,远离Y轴步进电机的方向为Y轴正方向,两个Y轴直线模组之间由联动杆连接。滑块行程为0~600mm的X轴直线模组通过连接件安装在两个Y轴直线模组的滑块上,X轴步进电机通过电机连接件连接在同步带的一端,滑块远离X轴步进电机的方向为X轴正方向。夹苗部件搭载在X轴滑块上,将夹苗部件设为C轴。滑块行程为0~250mm的Z轴直线模组是滚珠丝杆直线模组,将此直线模组竖直安装,滑块远离Z轴电机的上升方向设为Z轴正方向,穴盘架搭载在Z轴滑块上,育苗盘直接放置在穴盘架上。穴盘架的倾斜角度为35°,标准穴盘尺寸宽为280mm,因此穴盘运动范围为0~229.36mm,Z轴直线模组符合要求。
1.2 工作原理
将穴盘固定在穴盘架上,为了防止夹苗部件和穴盘苗发生干涉,所以将Z轴直线模组滑块上升,夹苗部件从穴盘最底层的一排孔穴开始取苗。夹苗部件路径规划如图2所示。
整个装置的工作原理是夹苗部件从起始点A出发,沿路径1移动到导苗管上方的落苗点B,为了防止在夹苗部件移动过程中执行末端与穴盘苗茎秆发生干涉,因此夹苗部件沿路径2移动到准备取苗点C,再由Y轴运动使夹苗部件沿路径3移动到取苗点D,夹苗部件执行夹取动作,执行末端夹取到穴盘苗底部茎秆后,沿路径4退回到准备取苗点C,执行末端保持夹持穴盘苗状态、沿路径5回到落苗点B,此时夹苗部件的执行末端松开穴盘苗,穴盘苗自行下落进导苗管,重复上述步骤。当夹苗部件从左至右夹取完成第一排十二个穴盘苗之后,Z轴滑块位置下降,带动苗盘架下降,让夹苗部件夹取第二排穴孔。以此类推,完成总共六排的取苗动作。
2 关键部件设计
2.1 夹苗部件
夹苗部件是本装置的关键部件,在苗盘上夹苗和导苗管上放苗两个状态之间运转。如图3所示,夹苗部件的取投苗动作有3个过程:(1)取苗,夹苗板移动到穴孔上,两块夹苗板在辣椒苗茎秆处进行夹持;(2)运苗,夹苗板夹持住辣椒苗将其从穴盘中拔出并移动到导苗管上方;(3)投苗,夹苗板在导苗管上方张开,辣椒苗自由落体到导苗管中。
针对夹苗部件夹取和放开穴盘苗两个动作,将上下夹苗臂设计为剪叉形状,如图4所示。
上下夹苗臂的中间部分有通孔,用螺栓穿过通孔进行紧固,把上下夹苗臂固定在夹苗臂支撑座上。在上下夹苗臂后端支出螺栓当支柱,支柱上悬挂回位弹簧。在上下夹苗臂后端安装步进电机,步进电机轴上安装凸轮,上下夹苗臂后端与凸轮表面接触,上下夹苗臂后端在拉簧的作用下处于夹紧状态,后端夹紧凸轮。取苗过程中,凸轮由长边旋转到短边,末端夹苗板由张开变为夹紧,夹住辣椒穴盘苗茎秆;运苗过程则保持住夹苗部件的夹紧状态,凸轮不旋转;进行投苗过程时,凸轮由短边旋转至长边,末端夹苗板由夹紧变为张开,穴盘苗便自由下落。
夹苗部件处于夹紧运动状态时,穴盘苗茎秆所受到的夹持力取决于回位弹簧的拉力。弹簧原长l=40mm,夹紧运动状态时,弹簧长度与凸轮短边长度相等即l1=48mm,弹簧还是处于弹性变形的状态,遵循胡克定律,查询得到本选型弹簧的弹性系数k=1.22N/mm,因此,弹簧拉力
F1
=k×Δx=k×(l1-l)
=1.22×(48-40)=9.76 N
(1)
夹苗部件的受力分析如图5所示,F1为弹簧拉力,F2为夹持力作用在钵苗茎秆上的反作用力,力矩平衡得夹持力F2的计算如式(2)所示。
F2=F1×LaLb=9.76×37225=1.6N
(2)
式中:
La——弹簧拉力F1力臂;
Lb——夹持力F2力臂。
夹苗部件有两个运动状态,张开和夹紧,上下夹苗臂这两个状态之间变化完成夹取穴盘苗和投放穴盘苗的动作。
2.2 控制系统
2.2.1 系统组成
控制系统包括X、Y、Z三轴控制和夹苗部件C轴的控制,整个装置由4个步进电机组成动力源。X轴、Y轴步进电机的型号为57BYG100-310A,选用的步进电机驱动器是DM542;Z轴步进电机的型号为86BYG250H,选用的步进电机驱动器为DMA860H。C轴步进电机的型号为42BYG48,选用的步进电机驱动器是DM542。控制全体电机的控制器选用2017版TC55运动控制器。电路连接着电机、驱动器、控制器,将各轴电机联合在一起,实现四轴联动。首先步进电机上的输入线有四根,分别是A+、A-、B+、B-,需要连接到电机驱动器的相应位置。电机驱动器上有P+、P-、D+、D-四个接口,需要和四轴控制器上的接口对应连接,且X轴、Y轴、Z轴、C轴四个轴的电机连线对应到控制器的各个接口。整个控制系统供电采用24 V稳压电源,电源正负极需要接在控制器和四个电机驱动器上。整体连线如图6所示。
2.2.2 控制器控制原理
四轴运动控制器中搭载着高性能32位CPU,可根据设定好的程序,发送脉冲,从而控制步进电机运转。步进电机接受一定数量的脉冲,即转动相应的角度,同步带上的滑块即可移动相应的距离。在控制器中输入的是各轴上滑块移动的距离和速度,因此控制器需要把移动的距离和速度转换成脉冲个数和脉冲频率,再发送到电机驱动器,由驱动器驱动电机完成转动的角度和速度。
控制器中通过设置重要的转换参数——电子齿轮,即将滑块移动的距离转换成需要发送的脉冲数,计算如式(3)所示。
N=N1N2
(3)
式中:
N——电子齿轮齿数比;
N1——电机转动一周所需脉冲数;
N2——电机转动一周滑块移动距离。
例如X轴参数设置,经过测量,X轴的同步带上,电机转动一周,滑块移动125000μm;而电机单向转动一周所需要的脉冲数与驱动器所设置的细分有关,如设置为1600pul/r的细分,电机转动一周需要1600个脉冲。因此X轴电子齿轮计算式如式(4)所示。
1600pul125000μm=8625pul/μm
(4)
若设置X轴滑块移动200mm,那么控制器要发送的脉冲数计算式如式(5)所示。
200000μm×8pul625μm=2560pul
(5)
速度设置为6000mm/min,那么滑块移动200mm所需要的时间为2s。
控制器则自动发送2 560个脉冲给X轴控制器,X轴上的滑块在此条件下移动200mm需要2s。由于从落苗點到72个取苗点的空间距离都不一致,但最终的取苗速度需要确定一个恒定的数值。在控制器中,可以设置绝对运动的各个点的空间坐标,以及运动速度。由于距离和运动时间为确定值,因此需要计算每个点到点运动时的运动速度。将夹苗模块从落苗点出发,到再次回到落苗点为一个取投苗周期,在这个周期内,夹苗模块在点与点之间运动的距离总和除以设定的周期时间,即为在此周期内各点运动的平均速度。
取苗机构的取投苗速度由设定的取投苗周期决定。机构的取投苗周期即有20株/min、15株/min、10株/min三个选项。
如图7所示,控制器有两种模式,一是机构单独控制操作,可以单独控制各轴运动;二是整盘取投苗操作,将设定好的各点坐标按照工作原理描述的顺序输入到控制器中,控制器即可按照设定好的运动流程发送相应的脉冲给各轴驱动器,驱动器驱动电机完成运动流程。
3 试验与分析
3.1 试验方法与指标
本研究辣椒穴盘苗自动取投苗装置的取投苗试验于2021年12月在江西农业大学工学院进行。
试验对象选取55天苗龄的72孔穴辣椒苗,育苗基质配比按照珍珠岩、蛭石、草炭体积比1∶1∶3,采用基质含水率均值为70%,选取5盘生长一致的穴盘苗进行试验,测量苗的平均高度为156.8mm,平均茎秆直径为3.22mm,取苗频率为15株/min。
试验方法:将一盘辣椒苗放置在穴盘架上,打开装置电源开关,在控制器上选择72孔穴的取苗频率为15株/min的程序,选择好程序后,选择开始按钮,开始试验。从穴盘中夹取出来视为取苗成功并记录株数,将穴盘苗放置到导苗管中的视为投苗成功并记录株数,观察取苗时损伤茎叶的钵苗并记录株数。共选取5盘生长一致的穴盘苗进行5次平行试验,统计每次试验的取苗成功数、投苗成功数和损伤茎叶数。
本试验以取苗成功率Z1、投苗成功率Z2和茎叶损伤率Z3作为取投苗效果的评价指标。
Z1=X1X×100%
(6)
Z2=X2X1×100%
(7)
Z3=X3X1×100%
(8)
式中:
X1——
从穴盘中夹取出来为取苗成功数,株;
X2——
穴盘苗放置到导苗管中的投苗成功数,株;
X3——取苗时损伤茎叶数,株;
X——穴盘苗总数,株。
3.2 结果分析
对360株辣椒穴盘苗进行取投苗试验,试验结果如表1所示。
穴盘苗取苗成功率为96.39%,投苗成功率为98.27%,茎叶损伤率为7.79%。夹取穴盘苗时,正常状态是夹取穴盘苗的茎秆。由于所选用的穴盘苗并不是通过生产线生产的工厂化育苗,生长具有一定随机性,夹苗部件会夹取到茎秆上的枝叶。因此,影响取苗成功的主要因素是穴盘苗的生长随机性,个别生长过快的穴盘苗茎秆上方枝叶宽大,取苗时发生干涉导致取苗失败且损伤茎叶。若选用工厂化育苗的生长一致的适龄辣椒苗,夹取效果将得到提升。夹苗部件夹取穴盘苗并移动到落苗点时,由于惯性,个别穴盘苗的底部土块晃动幅度大,穴盘苗下落到导苗管之外,导致投苗失败。本研究的取投苗装置整个工作过程对穴盘苗根系和基质不会造成损伤,穴盘苗可正常生长发育。
針对取投苗速度的进一步提高,可以更换功率更大的电机来提高直线模组上滑块的运动速度,继而加快夹苗模块的运动速度,达到更佳的取投苗效果,实现高速移栽的目标。
4 结论
1) 设计了自动取投苗装置的整体机构部件,包括机架、取苗机构、平移装置、导苗管和控制系统,利用直线模组组成空间直角坐标系,根据取苗机构和穴盘苗之间的空间位置关系规划取苗动作与路径。根据取苗动作,设计了以原长40mm弹簧为动力源,夹持力为1.6N的剪叉式夹苗部件;根据路径规划,设计取投苗周期,有20株/min、15株/min、10株/min 3种选项灵活应用。
2) 设计了控制系统,对整机的硬件和软件进行设计。硬件设计包括了硬件选型和连接电路设计,电路连接着电机、驱动器、控制器,将各轴电机联合在一起实现四轴联动。软件设计包括了对控制器的控制,根据规划好的取苗路径和设定好的取苗频率,计算控制器中的控制参数,编写程序,完成穴盘苗72孔位的取苗动作。
3) 完成了辣椒穴盘苗自动取苗装置取苗试验。试验对象选取5盘55天苗龄的72孔穴辣椒穴盘苗,试验结果得出:穴盘苗取苗成功率为96.39%,投苗成功率为98.27%,茎叶损伤率为7.79%。试验表明辣椒穴盘苗自动取投苗装置可以满足移栽机相关行业标准,验证了设计的合理性。
参 考 文 献
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