旱田缽苗移栽機縱向送苗機構優化設計與試驗

薛向磊 王 磊 許春林 周脈

(1.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.浙江理工大學機械與自動控制學院， 杭州 310018)

0 引言

缽苗移栽不傷根、便于工廠化育苗，具有省種、增產、提升復種指數等優點[1-4]。旱田移栽勞動強度大、機械化程度低，限制了大面積推廣，因此迫切需要高效缽苗移栽機。

送苗裝置是全自動缽苗移栽機的核心部件之一，我國市場上缽苗移栽機多采用人工送苗[5]。歐美等發達國家全自動缽苗移栽機運用機電液控制多個動作串聯完成送苗過程，整機結構復雜、價格昂貴。日本機型采取整排頂出式取苗方式[6-8]，其縱向送苗機構配備的特制硬質缽盤造價較高，難以在我國推廣。國內研究者提出全自動缽苗移栽方案[9-10]，橫向送苗均采用空間雙螺旋軸凸輪機構，相關技術已趨于成熟[11-16]。符美軍等[17]設計的棉花裸苗移栽機送苗機構，運用單銷槽輪帶動縱向送苗，難以保證驅動準確性。那明君等[18]提出棘輪齒輪式縱向送苗機構，由棘輪驅動齒輪送苗，通過彈簧作用于頂珠將齒輪定位，但長期工作極易磨損。俞高紅團隊[19-21]設計的雙棘輪式缽苗移栽機縱向送苗機構，在送苗完成前開始定位棘輪，可減小累積誤差，但結構復雜且驅動阻力較大。目前市場缺少適用于高效旱田缽苗移栽機的縱向送苗機構[22]。

基于上述現狀，本文設計一種棘輪連桿式旱田缽苗移栽機縱向送苗機構，根據機構工作原理與農藝要求建立運動學模型，并將設計要求數值化，開發縱向送苗機構優化設計軟件，確定機構參數值及棘輪結構參數范圍；試制物理樣機，運用二次正交旋轉中心組合試驗方法，以棘輪驅動面高度、棘輪定位面高度、取苗轉速為試驗因素，以送苗成功率為評價指標，進行參數優化試驗。

1 設計要求與工作原理

1.1 設計要求

縱向送苗機構的作用為：移栽機構每取完1行苗，將缽盤整體向下移動至指定取苗位置，供移栽機構連續取苗栽植。根據農藝要求旱田缽苗穴盤單缽容積為21～25 cm3[23]，本文使用塑料軟質缽盤(圖1)，缽體呈倒方錐形，上穴口37 mm×37 mm，下穴口17 mm×17 mm，穴口深度40 mm，穴盤規格為15×8穴，橫縱向相鄰穴孔中心距均為40 mm，缽盤上下兩端設有錐桶型連接柱，各柱壁面設有連接卡扣，作業時利用錐筒型連接柱插入卡扣將前后缽盤無縫隙連接為一體。為滿足旱田缽苗移栽要求，筆者提出了取栽一體式缽苗移栽機構[24]，如圖2、3所示：機構為順時針轉動，其中A—B—C—D—A表示夾片尖點取苗輸送靜軌跡，缽苗于D點在取苗臂作用下投入鴨嘴栽植器中；E—F—G—H—E為栽植器尖點接苗植苗靜軌跡；缽盤放置于秧箱上由鏈輪帶動縱向移動，棘輪與鏈輪同軸固定，機構適用于多功能缽苗移栽試驗臺[25]，移栽機構旋轉一周橫向移箱40 mm，每取完一排缽苗進行一次縱向送苗，由鏈輪帶動缽盤向下進給40 mm。棘輪連桿式縱向送苗機構裝配于秧箱上，其設計要求為：縱向送苗一次缽盤向下移動40 mm；送苗完成時機構及時回位，減少送苗過沖與累積誤差；高速移栽狀態下，機構保持穩定工作；縱向送苗機構非工作階段，棘輪處于鎖緊狀態。

圖1 育苗缽盤

圖2 取栽一體式缽苗移栽機構運動軌跡

圖3 縱向送苗方案

1.2 工作原理

圖4為棘輪連桿式縱向送苗機構原理圖，其中鉸鏈O固定于機架，鉸鏈B、E、O1固定于秧箱。撥桿隨雙向螺旋軸周期轉動，擺桿、連桿、驅動臂、定位桿、驅動桿與棘輪隨秧箱相對于機架往復橫向移動，當秧箱運動至左右兩個送苗位置時撥桿與擺桿接觸并驅動擺桿擺動，動力由連桿傳至驅動臂帶動驅動桿運動，驅動桿頂起定位桿解鎖棘輪的同時帶動棘輪轉動一定角度，棘輪與送苗鏈輪軸固連由此驅動送秧鏈輪轉輪齒槽，限定棘輪及送秧鏈輪的驅動轉角，復位彈簧帶動機構回復原位，至此完成一個縱向送苗周期，秧箱繼續往復橫向移動直至下一次縱向送苗開始。

圖4 縱向送苗機構原理圖

送苗完成后驅動棘爪回復原位，當送苗棘輪單次轉動誤差較小時，前一次縱向送苗誤差僅影響下次送苗時驅動爪空行程的大小，即若上一次送苗量過大，則下次送苗空行程增大導致送苗量減小，反之亦然，該機構在一定范圍內對累計誤差有補償作用。

2 縱向送苗機構運動學分析

對縱向送苗過程進行運動學分析[26]。如圖5所示，建立以鉸鏈為坐標原點，以水平方向為x軸、豎直方向為y軸的直角坐標系。將機構分為驅動桿機構與棘輪機構兩部分進行分析。

圖5 縱向送苗機構運動分析

2.1 驅動桿機構運動學分析

初始時刻秧箱移動至送苗位置，驅動撥桿與擺桿開始接觸。

撥桿以角速度ω做圓周轉動，則

φOA(t)=ωt

(1)

撥桿端點A坐標

(2)

式中lOA——撥桿長度，mm

φOA(t)——撥桿相對水平方向逆時針轉角，rad

撥桿驅動擺桿擺動過程，撥桿沿擺桿上滑動，鉸鏈點B固定于秧箱，根據秧箱結構已知(xB,yB)，擺桿端點I、C兩點的坐標為

(3)

(4)

式中lBI——擺桿左臂長度，mm

lBC——擺桿右臂長度，mm

φBI(t)——擺桿左臂相對水平方向角度，rad

φBC(t)——擺桿右臂相對水平方向角度，rad

(5)

式中β1——擺桿兩臂夾角，rad

鉸鏈點E固定于秧箱上，xE、yE已知，則連桿端點D坐標為

(6)

其中

φCD(t)=φCE(t)-θC(t)

(7)

(8)

式中θC(t)——△DCE內角，rad

lCD——連桿長度，mm

lED——驅動桿上端長度，mm

φCD(t)——連桿相對于水平方向角度，rad

(9)

(10)

(11)

式中φCE(t)——連線CE向量角，rad

φED(t)——驅動臂左臂相對于水平方向角度，rad

驅動臂右臂F點坐標為

(12)

其中

φEF(t)=φED(t)-β2

(13)

式中lEF——驅動臂左臂長度，mm

φEF(t)——驅動臂右臂相對水平方向角度，rad

β2——驅動臂左右臂之間夾角，rad

棘輪驅動過程中，驅動桿上端點K沿定位桿滑動，△EFK中驅動臂EF與驅動桿FK的夾角為

(14)

(15)

(16)

φFK(t)=φFE(t)-θF(t)

(17)

(18)

式中lKF——驅動桿上端長度，mm

lEK——驅動桿與定位桿接觸點到鉸鏈點E距離，mm

φFK——驅動桿上端相對于水平方向角度，rad

φFE(t)——FE相對于水平方向角度，rad

定位桿端點MM′沿棘輪齒面滑動，設定位爪與定位桿間夾角為φMM′。定位桿轉動角度為

(19)

(20)

(21)

(22)

式中φEK——定位桿相對于水平方向角度，rad

lEM——定位桿長度，mm

lMM′——定位爪長度，mm

對驅動爪進行分析，驅動爪JJ′與驅動桿之間夾角為φJJ′，點J′沿齒面滑動。驅動爪下端坐標為

(23)

(24)

(25)

其中

θJJ′(t)=φKF(t)-φJJ′

(26)

2.2 棘輪機構運動學分析

棘輪裝配在秧箱上，轉動中心坐標為(xO1,yO1)，驅動爪端點J′在棘輪齒面上滑動，設棘輪驅動完成時刻棘爪端點坐標為(x′J′,y′J′)，則單次送苗行程棘輪轉角為

(27)

設棘輪齒數為Z，設計要求棘輪驅動一個送秧行程對應轉過一個齒距，則

(28)

S=φO1RM

(29)

式中S——單次送苗行程，mm

RM——送苗鏈輪半徑，mm

棘輪驅動過程中，定位桿端點與棘爪端點均沿齒面滑動。設棘輪齒根圓與齒頂圓半徑分別為R1、R2，棘輪齒高即定位面高度為x2，棘爪滑過棘輪驅動齒面長度即驅動面高度為x1，則

(30)

(31)

x1=R2-R1

(32)

(33)

式中 (xJ′(0),yJ′(0))——棘爪端點初始坐標，mm

(x′M′,y′M′)——驅動桿完全頂起時端點坐標，mm

3 縱向送苗機構優化設計

根據機構運動學分析結果，本文運用機構分析—理論建模—計算機優化的設計流程對該機構進行優化設計。

3.1 優化目標確定

基于運動學分析結果對棘輪連桿式縱向送秧機構進行優化設計[27-28]，結合機構傳動特性與旱田缽苗移栽機縱向送苗機構設計要求，建立優化目標并將設計要求數值化：①驅動臂驅動瞬間傳動角γ介于45°～90°。②送苗過程搖桿擺動角λ<20°。③棘輪齒頂圓半徑R2<70 mm。④棘輪模數m>8 mm。⑤驅動桿鉸鏈點與棘輪不干涉(即F點與棘輪齒面最小距離Δ>5 mm)。⑥單次送苗行程S范圍為35～45 mm。

3.2 縱向送苗機構優化軟件開發

根據機構運動學分析結果，基于Visual Basic 6.0開發縱向送苗機構優化設計軟件，如圖6所示，該軟件將上述目標嵌入優化目標顯示區，并實現對縱向送秧機構的結構尺寸、位置和運動狀態的模擬，操作人員通過調節參數可實時觀測優化目標與機構運動的反饋結果，直至參數滿足所有目標要求，完成對縱向送秧機構的優化設計過程，大大降低了設計難度，縮短了研發周期。

圖6 縱向送苗機構優化設計軟件界面

得出滿足優化目標要求的參數，相關機構參數為：lOA=30 mm,lBI=70 mm,lBC=20 mm,xB=60 mm，yB=30 mm,xO=-102 mm,yO=-97 mm,φ0=30°,β1=102°，lFK=15 mm,xE=100 mm,yE=-74 mm,lCD=127 mm，lDE=24 mm,lEF=57 mm,β2=128°,φFJ=-20°，lFJ=100 mm,φJJ′=25°,φMM′=82°,lEM=88 mm，lMM′=40 mm,lJJ′=7 mm,xO1=200 mm,yO1=0 mm。其余調節參數：t1=9,t2=1,r4=32,r5=10,r6=15。所得優化目標結果為：γ=50°，λ=12°，R2=56 mm，m=9.7 mm，Δ=6.5 mm，S=40.000 19 mm。

3.3 棘輪優化設計

棘輪連桿式縱向送苗機構定位桿受彈簧作用沿棘輪齒頂圓周滑動，回位阻力大、行程長，極易引起定位失誤造成送苗失敗。本文對送苗棘輪進行改進設計，如圖7所示，改進后棘輪定位桿沿斜面滑動至指定位置，縮短回位行程、減小棘輪驅動阻力，有利于定位桿對棘輪及時定位，減少送苗誤差。

圖7 棘輪改進前后結構簡圖

圖8 送苗誤差分析

4 試驗

根據優化軟件得出縱向送苗機構結構參數值及棘輪參數范圍，由于棘輪驅動與回位過程運動較為復雜，采用軟件優化與仿真分析無法準確反映機構實際工作情況，本文通過試制物理樣機，運用試驗設計對機構進行參數優化[29]，確定最終設計參數與工作參數。

4.1 試驗因素

驅動面高度x1:由棘輪驅動過程分析可知，驅動面過高引起送苗過沖，過低導致送苗不足，是產生縱向送苗誤差的主要因素。根據軟件優化結果：x1取值介于1.5～3.5 mm。

定位面高度x2:定位面過低時，引起定位失敗。由于回位過程中定位桿沿棘輪齒面滑動，定位面與驅動面高度差影響其回位行程與回位速度，為保證棘輪定位及時，避免送苗積累誤差，需通過試驗確定其最優組合。根據軟件優化結果：x2取值介于3.5～5.5 mm。

取苗轉速x3：栽植機構取苗轉速決定縱向送苗機構的驅動頻率，縱向送苗機構驅動過程產生的振動直接影響送苗作業穩定性，進而影響送苗質量。根據現有全自動移栽機相關要求并結合取栽一體式缽苗移栽機構特點，取苗轉速介于100～200 r/min。

4.2 評價指標與試驗方法

旱田缽苗如茄子、番茄、辣椒、棉花等作物每畝移栽株數為2 000～3 500株，本文取用棉花缽苗為3 000株，育苗周期35 d，苗高為150～200 mm，移栽前以“干長根”為原則進行煉苗。根據缽盤規格與整機情況，以持續縱向送苗120次送苗成功率為試驗指標，其計算公式為

(34)

式中y——送苗成功率，%

n1——送苗成功次數

n——送苗總次數

采用三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗方法，根據各因素水平上下限確定試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼

試驗裝置由取栽一體式缽苗移栽機構、秧箱、橫向送苗機構、縱向送苗機構、可移動條形土槽、高速攝像機等組成，試驗通過變頻調速三相鼠籠異步電動機為送苗機構提供動力并驅動條形土槽。本文以棉花缽苗為例，試驗開始前完成育苗：育苗地點為東北農業大學工程學院植物工廠實驗室，選用品種為魯棉研18號，育苗基質采用徐州耀德化工有限公司生產的園藝營養基質，內含有珍珠巖、蛭石、草炭、有機質等，原土為東北黑土，根據農藝要求，原土與基質質量比為1∶2。試驗(圖9)采用高速攝影技術記錄單次送苗周期棘輪轉角。所用高速攝像機型號為：PHANTOMV5.1，該機主要參數：NIKON 50 mm/1.8定焦鏡頭；SR-CMOS彩色傳感器； 3.4 GB超高速DRAM；1 024像素×1 024像素拍攝速度為1 200 f/s，最高95 000 f/s。使用PCC 2.8軟件處理高速圖像(圖9b)，具體方法為：捕獲棘輪驅動面上端點運動軌跡PP′;以棘輪轉動中心O1為原點建立直角坐標系，得出棘輪轉角φO1。根據前文所述送苗成功標準判定送苗成功次數，進而得出送苗成功率。試驗地點：東北農業大學農業機械化試驗中心；試驗時間：2019年9月30日。

圖9 送苗試驗

4.3 試驗結果與分析

4.3.1試驗結果

試驗結果如表2所示，A、B、C為因素編碼值。

4.3.2回歸模型建立與顯著性檢驗

采用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據進行統計與處理[30]，試驗結果方差分析如表3所示。

對試驗結果進行分析，在可信度α=0.05下，進行F檢驗：各因素對送苗合格率的回歸模型均為極顯著(P<0.001)，同時失擬項不顯著(P>0.1)，說明所選模型適當，無未加控制的因素對指標存在影響，試驗指標與試驗因素(編碼值)之間存在著模型確定關系，剔除不顯著項后，得出回歸模型方程

y=92.4-1.6A-3.54B-0.83C+1.33AB-

0.957AC-0.96BC-1.678A2+0.97C2

(35)

表2 試驗設計與結果

表3 方差分析

注：** 表示差異極顯著(P<0.01)。

4.3.3各因素對指標影響貢獻率

考慮到試驗指標的回歸方程為多元非線性模型，本文采用因素貢獻率來確定各因素對試驗指標的相對重要程度。根據試驗回歸設計中各因素對指標影響貢獻率計算方法[31]，得出各因素x1、x2、x3對送苗成功率的貢獻率分別為：2.94、1.96、2.88，結果表明：各因素貢獻率由大到小依次為x1、x3、x2。

4.3.4各因素對指標影響效應分析

通過數據處理，得出各因素之間極顯著交互作用對指標影響的響應曲面，如圖10所示。

圖10 試驗因素響應曲面

當取苗轉速一定，驅動面高度x1<2.5 mm時，送苗成功率與驅動面高度呈正相關，當驅動面高度2.5 mm

4.4 參數優化

綜合擬合的二次回歸旋轉模型、雙因素響應曲面以及實際作業條件要求，針對各試驗因素設定約束區間

(36)

運用Optimization模塊，求解最大取苗成功率。優化結果為驅動面高度為2.32 mm、定位面高度為3.5 mm、取苗轉速為100 r/min時，送苗成功率為99.85%。

4.5 性能驗證試驗

根據優化得到最終設計參數組合，根據實際加工情況，取棘輪驅動面高度為2.3 mm、定位面高度3.5 mm、取苗轉速100 r/min，于2019年10月5日在東北農業大學農業機械化試驗中心進行驗證試驗。試驗條件與方法與上述試驗相同，結果表明：送苗成功率為99.17%；考慮到加工條件引起的誤差，該試驗驗證了回歸模型的可靠性，結果滿足設計要求。

5 結論

(1)設計了一種棘輪連桿式缽苗移栽機縱向送苗機構，該機構結構簡單、定位準確，且對累積誤差有一定的補償作用。

(2)建立了棘輪連桿式縱向送苗機構運動學模型，分析了縱向送苗過程，并將設計要求數值化，開發了縱向送苗機構優化設計軟件，得到一組滿足設計要求的結構參數與棘輪參數范圍。

(3)對送苗棘輪進行優化設計，根據軟件優化結果，運用二次正交旋轉中心組合試驗方法，以棘輪驅動面高度x1、棘輪定位面高度x2、取苗轉速x3為試驗因素，以送苗成功率y為評價指標，進行參數優化試驗，得出送苗成功率回歸模型：x1=2.32 mm、x2=3.5 mm、x3=100 r/min時，送苗成功率為99.85%。

(4)根據優化結果，試制物理樣機進行試驗驗證，x1=2.3 mm、x2=3.5 mm、x3=100 r/min時，送苗成功率為99.17%，驗證了回歸模型的可靠性，結果滿足設計要求。