丹參膜上傾斜移栽機構設計與試驗

徐高偉 劉宏新 FARMAN A C 方會敏 薦世春 何騰飛

(1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院， 濟南 250100;3.信德農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院， 坦杜阿拉亞 70060)

0 引言

丹參植株中平均直徑為5 mm丹參根部的各活性成分平均含量是平均直徑為15 mm丹參根部的3倍[1]，因此在提取活性成分時，常選用側根較多、根部較細的丹參植株。針對以上情況，為培育活性成分含量較高的丹參植株，山東省農(nóng)業(yè)主推技術“丹參大壟雙行覆膜高效生產(chǎn)技術”根據(jù)植物根系向地性規(guī)律，采用膜上傾斜移栽的栽培模式，以丹參種苗傾斜地面45°的方式插入壟中，同時保證種苗根部與水平面夾角約為30°[2]。采用此種模式由于種苗根部與水平面夾角較小，在丹參的生長期內可使丹參植株的主根不致過粗，且在主根上形成數(shù)量較多、直徑較細的側根，以用于提取更多的活性成分[3]。然而，由于丹參移栽機械化配套工作起步較晚，針對上述種植模式的丹參移栽幾乎全部由人工完成，不僅勞動強度大、生產(chǎn)效率低，而且作業(yè)質量難以保證[4-6]。

目前，市場上膜上移栽機構主要以移栽蔬菜[7]、煙草[8]等作物的缽苗移栽為主，要求缽苗移栽后具有較高的直立度，不符合丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求、運動軌跡和栽植器姿態(tài)的要求。而采用傾斜移栽農(nóng)藝要求的作物有甘薯和甘草，國內外甘薯斜栽機構為帶夾式[9]和鏈夾式[10]，從作物的植株形態(tài)和農(nóng)藝要求等方面，甘薯傾斜移栽機構無法實現(xiàn)丹參種苗的膜上斜栽。首先，帶夾式機構的末端夾持裝置易對丹參種苗造成損傷；其次，鏈夾式機構無法進行膜上移栽；甘草則采用一種甘草傾斜移栽開溝器[11]，通過控制土壤顆?；亓鲗崿F(xiàn)了甘草苗的傾斜移栽，該種方法也無法進行膜上傾斜移栽。農(nóng)藝要求的差異導致丹參膜上傾斜移栽運動軌跡和栽植器姿態(tài)與甘薯、甘草傾斜移栽不同。

對于丹參專用移栽機構，課題組設計一種勻速雙曲柄五桿式丹參移栽機構[12]用于垂直移栽丹參種苗，這種方式能提高丹參種苗扎根深度，栽培主莖長度和粗度較大的丹參植株，以滿足制備丹參飲片的要求。關于五桿式移栽機構，近幾年較多學者對其進行研究，取得了較多的成果[13-18]，而適用于提取丹參活性成分、滿足丹參膜上傾斜移栽農(nóng)藝要求的專用移栽機構尚未見相關報道。

針對以上情況，本文結合“丹參大壟雙行覆膜高效生產(chǎn)技術”提出的丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，在借鑒前人對單變速曲柄非圓齒輪-五桿移栽機構研究成果的基礎上，將勻速雙曲柄五桿式丹參移栽機構勻速轉動的雙曲柄變?yōu)樽兯匐p曲柄，設計一種變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機構，實現(xiàn)丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，提高丹參膜上傾斜移栽的工作效率和作業(yè)質量。

1 設計要求與工作原理

1.1 移栽農(nóng)藝要求分析

根據(jù)提取丹參活性成分藥用用途所配套的丹參膜上傾斜移栽農(nóng)藝要求，將丹參種苗傾斜地面45°的方式栽入覆蓋地膜的地壟中，同時保證種苗根部與水平面夾角約為30°，丹參種苗傾斜移栽深度為100 mm，株距為200 mm，示意圖如圖1所示。

圖1 丹參膜上傾斜移栽示意圖Fig.1 Schematic of tilted transplanting on Salvia miltiorrhiza

為滿足丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，移栽機構的末端執(zhí)行裝置采用鴨嘴栽植器，通過在栽植過程中對鴨嘴栽植器傾斜姿態(tài)的控制使丹參種苗滿足上述角度要求，同時由于鴨嘴栽植器姿態(tài)傾斜，還需要丹參種苗能順利從鴨嘴栽植器栽入地壟中。

1.2 栽植器的姿態(tài)和端點運動軌跡分析

由上述分析可知，影響丹參傾斜栽植的因素為鴨嘴栽植器的姿態(tài)。鴨嘴栽植器的姿態(tài)會產(chǎn)生兩方面的影響：一方面，鴨嘴栽植器的姿態(tài)影響栽植器端點的行程軌跡，由于丹參種苗通過鴨嘴栽植器端點位置栽出，栽植器端點的形成軌跡對丹參種苗的傾斜角度會產(chǎn)生影響；另一方面，鴨嘴栽植器的傾斜方向應與栽植器端點軌跡傾斜方向一致，同時傾斜的角度要能使丹參種苗克服自身與鴨嘴栽植器內壁的摩擦力順利落入地壟，即鴨嘴栽植器的姿態(tài)傾斜角度要大于丹參種苗與鴨嘴栽植器內表面材料的摩擦角。綜合各因素鴨嘴栽植器傾斜角度從栽植丹參種苗開始到結束過程中的變化區(qū)間應在50°～90°范圍內。最后，為使膜上傾斜移栽所呈的穴口盡量小，栽植器在剛開始插入地壟時至到達最低點的傾斜角度變化區(qū)間與栽植器在剛退出地壟時至最低點的傾斜角度變化區(qū)間要相近。

針對以上情況，應保證鴨嘴栽植器在栽植過程中的栽植器端點形成軌跡要求、栽植器傾斜角度要求和其他農(nóng)藝要求：①鴨嘴栽植器端點軌跡頂部段與壟面線的夾角α1在45°±5°范圍內，且越接近45°越好。②鴨嘴栽植器端點軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1在30°±5°范圍內，且越接近30°越好。③栽植器從插入地壟最低點至剛退出地壟時這一過程中與壟面線所呈夾角γ1～γ2變化區(qū)間在50°～90°范圍內。④栽植器從最低點至剛開始插入地壟時這一過程中與壟面線所呈夾角變化區(qū)間γ1～γ3與γ1～γ2相近。⑤栽植器傾斜方向與栽植器端點軌跡傾斜方向一致。⑥絕對運動軌跡最低點與壟面線的垂直距離h1，即移栽深度為100 mm。⑦絕對軌跡升程h不低于250 mm。⑧單個運動周期內絕對運動軌跡與壟面線的交點距離l，即入土、出土軌跡與壟面線的交點距離越小越好。⑨絕對軌跡頂端的軌跡為接苗段軌跡，該段軌跡越平穩(wěn)，接苗成功率越高，接苗后丹參種苗在鴨嘴栽植器內的位置越穩(wěn)定，即絕對軌跡頂端軌跡波動行程h2越小越好。丹參膜上傾斜移栽機構的栽植器傾斜角度和端點運動軌跡如圖2所示。

圖2 鴨嘴栽植器姿態(tài)和端點軌跡分析Fig.2 End point trajectory analysis and gesture of duckbill planting apparatus

1.3 丹參種苗不回帶的臨界條件

鴨嘴栽植器到達地壟最低點之前，栽植器未打開，丹參種苗與栽植器為一體，相對鴨嘴栽植器靜止狀態(tài)，當鴨嘴栽植器到達最低點時鴨嘴栽植器打開，此時丹參種苗在栽植器中因受重力作用而能克服與鴨嘴栽植器的最大靜摩擦力落入地壟中，保證丹參種苗的栽植深度。當?shù)⒎N苗有向下滑動趨勢且達到臨界狀態(tài)時，受力情況如圖3所示，建立力學平衡方程

(1)

式中θf——丹參種苗與鴨嘴栽植器內部材料的摩擦角，(°)，摩擦角通過將丹參種苗置于與鴨嘴栽植器內表面材料相同(Q235)的自制斜面儀上，調節(jié)斜面儀的角度測得，約為47°

θ——鴨嘴栽植器傾斜角，(°)

fs——丹參種苗與鴨嘴栽植器內部材料的摩擦因數(shù)

m——丹參種苗質量，g

g——重力加速度，取9.8 m/s2

N——鴨嘴栽植器內壁對丹參種苗的支持力，N

F1——丹參種苗重力在x方向上的分力，N

Fmax——丹參種苗相對于鴨嘴栽植器內壁的最大靜摩擦力，N

由式(1)可得，θ=47°。因此，丹參種苗能向下滑動的條件為θ>47°。

圖3 丹參種苗受力示意圖Fig.3 Schematic of stress bearing of Salvia miltiorrhiza seedlings

1.4 機構方案的確定

根據(jù)栽植器的姿態(tài)和栽植端點軌跡分析，一方面，由于栽植丹參種苗過程中對栽植器傾斜角和栽植器端點軌跡角度均有要求且變化規(guī)律復雜，課題組在勻速雙曲柄五桿式丹參移栽機構的基礎上，將勻速轉動的雙曲柄改為變速雙曲柄，進一步控制鴨嘴栽植器的姿態(tài)；另一方面，丹參種苗長度較長，接苗時需要的時間也較多，為增加接苗時間，需要移栽機構運動軌跡的接苗部分軌跡近似水平，在豎直方向上速度接近于0；而在栽植丹參種苗的過程中對于栽植器的加速度又有要求。因此，研究方案為以具有近似勻速運動特性[19]的變形橢圓齒輪機構驅動五桿機構的雙曲柄，得到一種變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機構，根據(jù)栽植器傾斜角和栽植器端點軌跡的要求，通過人機交互的方式得到機構參數(shù)組合，最后分析栽植器的速度是否滿足設計條件。機構結構簡圖如圖4所示，該機構主要由變形橢圓齒輪傳動機構和五桿機構組成。其中1、2、3為變形橢圓齒輪，組成變形橢圓齒輪傳動機構，勻速轉動的動力由變形橢圓齒輪2傳入，通過變形橢圓齒輪傳動機構傳到變形橢圓齒輪1、3，變形橢圓齒輪1、3將變形橢圓齒輪2的勻速轉動轉變?yōu)樽兯俎D動。機架AM、曲柄AB、曲柄MD、連桿BL、兩鉸接點DL組成五桿機構，連桿DE與連桿CL以一定角度固聯(lián)，F(xiàn)G為末端執(zhí)行裝置固聯(lián)在連桿DE的E端。曲柄AB和曲柄MD分別與變形橢圓齒輪1和3固聯(lián)，隨變形橢圓齒輪1和3同向變速轉動，進而帶動連桿DE擺動，栽植器FG在連桿DE帶動下隨連桿DE做向左側傾斜的往復運動，突破地膜后成穴并完成膜上傾斜移栽。

圖4 移栽機構示意圖Fig.4 Schematic of transplanting mechanism

2 機構理論模型

2.1 機構運動學模型

本節(jié)以O點為坐標原點，水平方向為x軸、豎直方向為y軸建立直角坐標系，如圖5所示。

圖5 移栽機構數(shù)學模型Fig.5 Mathematical model of transplanting mechanism

2.1.1位移模型

變形橢圓齒輪1相對于變形橢圓齒輪2的角位移[20]為

(2)

變形橢圓齒輪3相對于變形橢圓齒輪2的角位移為

(3)

式中e——變形橢圓齒輪偏心率

m1、m2——變形橢圓齒輪變形系數(shù)

φ——變形橢圓齒輪2的角位移，rad

φ23——變形橢圓齒輪3相對于變形橢圓齒輪2的角位移，rad

φ21——變形橢圓齒輪1相對于變形橢圓齒輪2的角位移，rad

為保證變形橢圓兩段節(jié)曲線封閉，m1和m2應滿足

(4)

變形橢圓齒輪的節(jié)曲線方程為

(5)

r2=2a-r1

(6)

(7)

r4=2a-r3

(8)

式中a——變形橢圓齒輪長半軸長度，mm

r1——變形橢圓齒輪2軸心到嚙合點P的距離，mm

r2——變形橢圓齒輪1軸心到嚙合點P的距離，mm

r3——變形橢圓齒輪2軸心到嚙合點Q的距離，mm

r4——變形橢圓齒輪3軸心到嚙合點Q的距離，mm

A點的位移方程為

(9)

M點的位移方程為

(10)

B點的位移方程為

(11)

D點的位移方程為

(12)

根據(jù)矢量方程lMA+lAB+lBL=lMD+lDL可得L點的位移方程為

(13)

令

(14)

求得

(15)

將θ4回代可求出θ3為

(16)

C點的位移方程為

(17)

L點的位移方程為

(18)

E點的位移方程為

(19)

F點的位移方程為

(20)

G點的位移方程為

(21)

式中XO、YO——變形橢圓齒輪2旋轉中心坐標值

l1——機架MA長度，mm

l2——曲柄AB長度，mm

l3——連桿BC長度，mm

l4——連桿DC長度，mm

l5——曲柄MD長度，mm

l6——連桿CE長度，mm

l7——栽植器下端EG長度，mm

l8——栽植器上端FE長度，mm

l9——連桿CL長度，mm

l10——鉸接點D與L的距離，mm

θ1——機架MA初始安裝角，rad

θ2——曲柄AB初始安裝角，rad

θ3——連桿BL角位移，rad

θ4——鉸接點D和L角位移，rad

θ5——曲柄OD初始安裝角，rad

θ6——連桿CE角位移，rad

θ7——栽植器FG與連桿CE固聯(lián)角，rad

θ8——連桿CL與連桿DE固聯(lián)角，rad

θ9——直線DL與連桿DE夾角，rad

2.1.2速度模型

對L點位移方程求導，可得到L點的速度方程

(22)

將式(22)簡化可得連桿DE和連桿BL的角速度

(23)

(24)

其中，由反轉法可得

(25)

(26)

則變形橢圓齒輪1、3相對于變形橢圓齒輪2的角速度分別為

(27)

(28)

對G點的位移方程進行一階求導，得到G點的速度方程為

(29)

2.2 機構約束模型

設計的五桿機構屬于雙曲柄型，雙曲柄為變速轉動，為使機構形成完整封閉的運動軌跡，五桿機構各尺寸參數(shù)需要滿足雙曲柄存在的必要條件，必要條件是指兩原動件按一定運動規(guī)律作整周運動時，五桿機構在每一時刻都滿足裝配條件[21-26]。

2.2.1五桿機構裝配條件

移栽機構數(shù)學模型見圖5，其裝配條件可表示為

(30)

令x=max(l3，l10)，y=min(l3，l10)，則有

(31)

化簡式(30)、(31)可確定l3、l10取值范圍

(32)

2.2.2變形橢圓齒輪五桿機構雙曲柄存在必要條件

由運動學模型可得機構B點和D點坐標，曲柄AB和MD轉動的角位移分別為φ23和φ21，BD之間的距離平方為

(33)

(34)

根據(jù)勻速雙曲柄五桿式丹參膜上移栽機構各參數(shù)[12]并結合機構裝配條件以及丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，初定l1=290 mm、l2=95 mm、l3=122 mm、l4=225 mm、l5=60 mm、l9=45 mm、θ1=10°、θ2=90°、θ5=120°、a=l1/4=72.5 mm，根據(jù)式(32)和上述參數(shù)可得lBDmax和lBDmin取值范圍，再結合式(33)、(34)，初定變形橢圓齒輪參數(shù)值為：e=0.1、m1=1.3。

初定的變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機構參數(shù)值為l1=290 mm、l2=95 mm、l3=122 mm、l4=225 mm、l5=60 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=10°、θ2=90°、θ5=120°、θ7=90°、θ8=90°、θ5-θ2=30°、a=72.5 mm、e=0.1、m1=1.3。

圖6 人機交互可視化輔助程序界面Fig.6 Visual auxiliary programs for human-computer interaction

2.3 人機交互可視化輔助程序及應用

在上述建立的數(shù)學模型基礎上運用Matlab編寫變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式膜上傾斜移栽機構人機交互可視化輔助程序，如圖6所示。

應用輔助程序得到的相關機構參數(shù)對栽植器端點絕對運動軌跡參數(shù)h1、α1、β1、l、h、h2以及栽植器傾斜角度區(qū)間γ1～γ2和γ1～γ3的影響規(guī)律，由于五桿機構相關參數(shù)對栽植器端點絕對運動軌跡和栽植器傾斜角度的影響規(guī)律與文獻[12]給出的勻速雙曲柄五桿機構基本一致，不再贅述，具體數(shù)據(jù)見表1?，F(xiàn)分析變形橢圓齒輪參數(shù)對栽植器端點運動軌跡和栽植器傾斜角的影響規(guī)律。

表1 機構參數(shù)對栽植器傾斜角參數(shù)和端點絕對運動軌跡參數(shù)的影響規(guī)律Tab.1 Influence rules of parameters for mechanism on tilted angle and endpoint absolute motion trajectory of planting apparatus

圖7 a與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系曲線Fig.7 Relationship curves between a and tilted angle and endpoint trajectory of planting apparatus

2.3.1a與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系

在初定的移栽機構各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變變形橢圓齒輪長半軸長度a，a與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系如圖7所示。

由圖7可知，隨著a逐漸增加，栽植器端點相對運動軌跡逐漸向左傾斜且變寬，長短軸比值逐漸增加；絕對運動軌跡最低點與壟面線的垂直距離h1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點軌跡頂部段與壟面線的夾角α1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1逐漸減小，栽植過程中栽植器與壟面線所呈夾角γ1、γ2、γ3逐漸增大且γ2<γ3，絕對軌跡頂端軌跡波動行程h2逐漸增加，單個運動周期內絕對運動軌跡與壟面線的交點距離l逐漸減小；絕對軌跡升程h逐漸增大。

2.3.2e與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系

在初定的移栽機構各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變變形橢圓齒輪偏移率e，e與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系如圖8所示。

圖8 e與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系曲線Fig.8 Relationship curves between e and tilted angle and endpoint trajectory of planting apparatus

由圖8可知，隨著e逐漸增加，栽植器端點相對運動軌跡先逐漸向左側偏轉且變寬，同時相對運動軌跡右側逐漸向左側凹陷，長短軸比值逐漸減??；絕對運動軌跡最低點與壟面線的垂直距離h1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點軌跡頂部段與壟面線的夾角α1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1逐漸減小，栽植過程中栽植器與壟面線所呈夾角γ1、γ2、γ3逐漸增大且γ2<γ3，絕對軌跡頂端軌跡波動行程h2逐漸減小，單個運動周期內絕對運動軌跡與壟面線的交點距離l先減小后增大；絕對軌跡升程h先減小后增大。

2.3.3m1與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系

在初定的移栽機構各參數(shù)中保持其余參數(shù)不變，改變變形橢圓齒輪變形系數(shù)m1，m1與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系如圖9所示。

圖9 m1與栽植器傾斜角和端點軌跡之間的關系曲線Fig.9 Relationship curves between m1 and tilted angle and endpoint trajectory of planting apparatus

由圖9可知，隨著m1逐漸增加，栽植器端點相對運動軌跡底部逐漸向右側偏轉，同時相對運動軌跡右側逐漸向右凸顯，長短軸比值基本不變；絕對運動軌跡最低點與壟面線的垂直距離h1逐漸減小，鴨嘴栽植器端點軌跡頂部段與壟面線的夾角α1逐漸減小，但變化量較小，鴨嘴栽植器端點軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1逐漸減小，栽植過程中栽植器與壟面線所呈夾角γ1、γ2逐漸增大，γ3逐漸減小且γ2<γ3，絕對軌跡頂端軌跡波動行程h2逐漸減小，但變化量較小，單個運動周期內絕對運動軌跡與壟面線的交點距離l先減小后增大；絕對軌跡升程h逐漸減小。

3 機構參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標和變量

要得到一組滿足變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上移栽機構工作要求的結構參數(shù)，優(yōu)化參數(shù)時需考慮如下優(yōu)化目標：

(1)鴨嘴栽植器端點軌跡頂部段與壟面線的夾角α1在45°±5°范圍內，且越接近45°越好。

(2)鴨嘴栽植器端點軌跡底部段與壟面線所呈夾角β1在30°±5°范圍內，且越接近30°越好。

(3)栽植器從插入地壟最低點到剛退出地壟這一過程中與壟面線所呈夾角γ1～γ2變化區(qū)間在50°～90°范圍內。

(4)栽植器從插入地壟最低點到開始插入地壟這一過程中與壟面線所呈夾角變化區(qū)間γ1～γ3與γ1～γ2相近。

(5)栽植器傾斜方向與栽植器端點軌跡傾斜方向一致。

(6)絕對運動軌跡最低點與壟面線的垂直距離h1，即移栽深度為100 mm。

(7)絕對軌跡升程h不低于250 mm。

(8)單個運動周期內絕對運動軌跡與壟面線的交點距離l越小越好。

(9)絕對軌跡頂端軌跡波動行程h2越小越好。

優(yōu)化變量中，l2、l5、θ2、θ5、l3、l10、θ1、θ7為變速五桿機構參數(shù)；a、e、m1為變形橢圓齒輪參數(shù)。

3.2 參數(shù)優(yōu)化步驟

根據(jù)俞高紅等[27]提出的機構參數(shù)優(yōu)化方法，優(yōu)化過程如下：

圖11 栽植器栽植過程中的姿態(tài)Fig.11 Gestures of planting apparatus in process of planting

(1)以機構約束模型為基礎，初定參數(shù)各初始值，獲得參數(shù)初始工作軌跡和目標值。

(2)根據(jù)移栽深度和絕對軌跡角度的優(yōu)化目標，同時結合機構參數(shù)對栽植器傾斜角參數(shù)和端點絕對運動軌跡參數(shù)的影響規(guī)律，調整五桿機構各參數(shù)，不斷調整上述各參數(shù)值，使各個目標值逐步符合優(yōu)化目標要求。

(3)根據(jù)栽植器姿態(tài)的優(yōu)化目標同時結合機構參數(shù)對栽植器傾斜角參數(shù)和端點絕對運動軌跡參數(shù)的影響規(guī)律，微調變形橢圓齒輪各參數(shù)，使各個目標值逐步符合鴨嘴栽植器端點軌跡和傾斜角度的要求。

3.3 優(yōu)化結果及分析

3.3.1栽植器端點軌跡和姿態(tài)分析

根據(jù)以上步驟，通過人機交互的方式，確定一組較優(yōu)的參數(shù)：l1=290 mm、l2=100 mm、l3=122 mm、l4=229 mm、l5=64 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=10°、θ2=95°、θ5=114°、θ7=90°、θ8=90°、a=72.5 mm、e=0.24、m1=1.1。輔助程序輸出的相對和絕對運動軌跡如圖10所示，其對應的絕對軌跡參數(shù)為：h1=100.8 mm、α1=42.6°、β1=33.7°、γ1～γ2取值范圍為54.3°～72.2°、γ1～γ3為54.3°～73.2°、l=3.2 mm、h=273.1 mm、h2為35.7 mm。

圖10 滿足丹參膜上傾斜移栽農(nóng)藝要求栽植器端點軌跡Fig.10 Endpoint trajectories of planting apparatus to meet agronomic requirements of Salvia miltiorrhiza tilted transplanting on mulch-film

栽植器在栽植丹參種苗過程中的姿態(tài)如圖11所示。

3.3.2栽植器端點速度分析

根據(jù)輔助程序得到的參數(shù)對栽植器端點進行速度分析，圖12為栽植器端點的速度變化曲線。

由圖12可知，在標記f處栽植器達到最低點，之后栽植器向上運動，先變快后變慢，到達標記g處，此時栽植器上升至軌跡上部左頂點，到達左頂點后栽植器近似水平運動，栽植器y方向速度接近于0 m/s，如標記m處所示。

根據(jù)分析可得，標記m處為栽植器接苗過程中的速度變化曲線，在這一過程中栽植器y方向速度接近于0 m/s，符合機構方案中對栽植器速度的要求。

4 機構設計與試驗

4.1 機構設計與運動仿真

根據(jù)優(yōu)化出的參數(shù)對變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機構進行結構設計并建立三維模型。移栽機構三維模型如圖13所示，由變形橢圓齒輪機構、五桿機構、鴨嘴栽植器和凸輪控制機構組成。

圖12 栽植器端點速度變化曲線Fig.12 Velocity changing curves of transplanter endpoint

圖13 移栽機構三維模型Fig.13 Three-dimensional model of transplanting mechanism1.變形橢圓齒輪機構 2.五桿機構 3.鴨嘴栽植器 4.凸輪控制機構

將以上三維模型導入到虛擬仿真軟件中進行仿真，得到栽植器端點的相對運動軌跡，仿真結果如圖14所示。將得到的栽植器端點相對運動軌跡與輔助程序所得到的栽植器端點相對運動軌跡進行比較，可以看出兩者的栽植器端點軌跡基本一致，檢驗了三維機構設計與理論分析結果的一致性。

圖14 虛擬仿真相對運動軌跡Fig.14 Relative motion trajectory of virtual simulation

4.2 臺架試驗

臺架試驗是通過測量機構栽植器端點形成的實際軌跡情況，來驗證數(shù)學模型的準確性以及人機交互可視化輔助程序的可靠性。

采用3D打印技術完成移栽機構中變形橢圓齒輪的實體成型，其余部件采用機械加工完成并對零部件進行裝配，完成物理樣機的試制。變形橢圓齒輪和試驗樣機如圖15所示。

圖15 變形橢圓齒輪與樣機Fig.15 Trial-manufacturing deformed elliptic gears and prototype

試驗平臺由變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機構、YSJ-750型調速電動機(減速比1∶15)、JAC580N型變頻器(供電電壓380 V)、SJM12-10P1型霍爾式轉速傳感器(最大檢測距離10 mm)、160K-C-8GB型高速攝像機(幀數(shù)2 000 f/s)、無頻閃LED光源(供電電壓220 V)組成，如圖16所示。

圖16 試驗平臺Fig.16 Test platform1.高速攝像機 2.計算機 3.無頻閃LED光源 4.變頻器 5.移栽機構 6.霍爾式轉速傳感器 7.調速電動機 8.機架

通過高速攝像機測量移栽機構實際相對運動軌跡，并運用Photron FASTCAM Analysis軟件進行處理，得到的結果如圖17所示。理論相對運動軌跡(圖10a)與實際相對運動軌跡相比基本一致，驗證了理論模型的準確性。

圖17 移栽機構實際測量的相對運動軌跡Fig.17 Actual measurement relative motion of transplanting mechanism

4.3 樣機田間試驗

4.3.1試驗條件

為驗證移栽機構的作業(yè)性能，試制了搭載變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機構的移栽機樣機。該機采用25 kW輪式拖拉機牽引，其作業(yè)速度為0.25 m/s，根據(jù)上述作業(yè)條件對移栽機進行重復性田間試驗，試驗在山東省農(nóng)業(yè)科學研究院藥用植物研究中心實驗基地進行，如圖18所示。

4.3.2試驗方法與設備

采用育苗基地培育的紫花丹參種苗進行大壟膜上移栽試驗，按照我國旱地移栽機械作業(yè)標準(JB/T 10291—2013)進行，每次重復試驗移栽200株丹參種苗，重復3次。丹參種苗平均總長度約為200 mm，主莖部分的平均長度約為150 mm，記錄并測定旱地移栽機械作業(yè)標準中的主要性能指標，其中丹參種苗與壟平面的夾角通過將丹參種苗挖開后使用數(shù)顯角尺測量，所測量的丹參種苗角度均在±5°范圍內為立苗角度合格，立苗角度合格率應不低于90%[9]。

圖18 田間移栽試驗Fig.18 Field transplanting experiment

試驗設備包括：187-101型數(shù)顯角尺(量程0～360°)、卷尺(量程1～3 m)、標桿和計時器等。

4.3.3試驗結果與分析

主要移栽性能測量數(shù)據(jù)如表2所示。立苗角度合格率平均值為90.7%，滿足丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，但合格率偏低，其原因是3D打印齒輪質量和轉動慣量較小，機構作業(yè)時產(chǎn)生的振動較大，影響了立苗角度合格率；漏栽率平均值為2.7%，造成漏栽的原因是部分丹參種苗長有較多須根，在回程過程中鴨嘴栽植器閉合時夾住須根回帶丹參種苗而引起了漏苗；株距變異系數(shù)平均值為5.6%，是由于機器作業(yè)速度發(fā)生波動而引起的；栽植深度合格率平均值為93.7%，究其原因是移栽試驗田地形起伏以及機構振動造成。

表2 主要移栽性能測量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement data of main transplanting performance

5 結論

(1)根據(jù)丹參膜上傾斜移栽的農(nóng)藝要求，基于變形橢圓齒輪設計了一種雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機構，并建立了機構的理論模型。結合機構數(shù)學模型采用Matlab開發(fā)了人機交互可視化輔助程序，并獲得了機構參數(shù)對鴨嘴栽植器傾斜角、端點相對和絕對運動軌跡特性的影響規(guī)律。

(2)借助輔助程序通過人機交互的方式得到一組滿足丹參膜上傾斜移栽農(nóng)藝要求的機構參數(shù)組合：l1=290 mm、l2=100 mm、l3=122 mm、l4=229 mm、l5=64 mm、l6=229 mm、l7=243 mm、l8=100 mm、l9=45 mm、θ1=10°、θ2=95°、θ5=114°、θ7=90°、θ8=90°、a=72.5 mm、e=0.24、m1=1.1。

(3)研制樣機進行了臺架和田間試驗，結果表明，變形橢圓齒輪-雙變速曲柄五桿式丹參膜上傾斜移栽機構理論模型正確，機構能在滿足丹參膜上傾斜移栽的同時保證作業(yè)質量，移栽機構立苗角度合格率為90.7%、漏栽率為2.7%、株距變異系數(shù)為5.6%、栽植深度合格率為93.7%。