基質(zhì)塊苗移栽機(jī)擋銷(xiāo)式自動(dòng)送苗分苗裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔志超，管春松，徐 陶，李吉成，陳亞勇，宋井玲，鄭書(shū)河※

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州，350100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京，210014；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，南京，210014；4.山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博，255000）

0 引言

蔬菜是中國(guó)僅次于糧食的第二大種植農(nóng)作物，常年種植面積超2 000 萬(wàn)hm2以上[1-2]，其中，以甘藍(lán)為代表的葉類(lèi)蔬菜約占蔬菜總種植面積的25%[3]，育苗移栽是其主要種植方式。葉類(lèi)蔬菜要求單株定植，自動(dòng)化移栽是解決這一問(wèn)題的有效途徑，目前葉類(lèi)蔬菜自動(dòng)移栽裝備缺乏或可靠性差[4-6]，現(xiàn)有蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)應(yīng)用在葉類(lèi)蔬菜上存在兩方面問(wèn)題：一是送-分苗方法依賴(lài)秧苗自身優(yōu)勢(shì)，適于根系發(fā)達(dá)的茄果類(lèi)長(zhǎng)莖苗[7-8]，不適于闊葉、短莖的葉類(lèi)蔬菜；二是送-分苗要求精度高，導(dǎo)致機(jī)器可靠性低，影響栽植效率。因此，亟需探索針對(duì)葉類(lèi)蔬菜秧苗特點(diǎn)的育苗方式與送-分苗方法，解決葉類(lèi)蔬菜優(yōu)質(zhì)高效自動(dòng)移栽的瓶頸問(wèn)題。

基質(zhì)塊苗是實(shí)現(xiàn)葉類(lèi)蔬菜自動(dòng)移栽的有效育苗方式，其載苗塊體規(guī)則，穩(wěn)定性好，苗齡大小與植株形態(tài)對(duì)送-分苗效果影響小[9]。歐洲國(guó)家在基質(zhì)塊育苗移栽方面研究應(yīng)用較早，意大利Ferrari 公司和Hortech 公司、法國(guó)CM&Regero 公司分別以輸送帶為送苗載體匹配氣動(dòng)夾板實(shí)現(xiàn)整排基質(zhì)塊苗的送-分功能，分苗效率在50～60 株/min 左右；荷蘭ISO Group (IG Agri Systems BV 公司)通過(guò)輸送帶和高速氣動(dòng)推桿組合設(shè)計(jì)分苗效率可達(dá)120 株/min，自動(dòng)化程度較高[10-11]。國(guó)內(nèi)在基質(zhì)塊苗移栽方面的研究起步略晚，許斌星[12]設(shè)計(jì)了開(kāi)合板式自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)凸輪輪廓參數(shù)通過(guò)連桿帶動(dòng)開(kāi)合板動(dòng)作實(shí)現(xiàn)分苗功能，以基質(zhì)塊棉花苗為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，綜合合格率90.26%；徐陶等[13]設(shè)計(jì)了一種基質(zhì)塊苗移栽機(jī)專(zhuān)用送-取苗裝置，柵條式送-取苗機(jī)構(gòu)配合作業(yè)實(shí)現(xiàn)送苗、分苗和栽苗，以基質(zhì)塊甘藍(lán)苗為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，分苗頻率為55 株/min 時(shí)栽植合格率達(dá)到95.3%；廖慶喜等[14-17]基于同步帶送苗方式設(shè)計(jì)了氣動(dòng)夾板式和對(duì)輥式分苗裝置，以油菜基質(zhì)塊苗為對(duì)象，分別進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化，夾板式和對(duì)輥式分苗成功率分別為92.5%和88.67%，基本滿(mǎn)足油菜單株定植的要求。此外，VIKAS 等[18]基于LDR和LED 傳感系統(tǒng)研制了3 自由度串聯(lián)機(jī)械臂栽植機(jī)構(gòu)，適用于圓柱形紙缽苗，由輸送鏈板實(shí)現(xiàn)整排秧苗平移，機(jī)械手取、分苗并完成栽植，送苗合格率94.7%，栽植合格率93.28%，但栽植效率較低僅20 株/min；宋玉潔等[19-20]針對(duì)玉米生物質(zhì)方體缽盤(pán)苗設(shè)計(jì)了一種切塊式供分苗裝置，采用切割刀將整條缽盤(pán)苗切分成單株方塊苗，切分合格率79.2%，其送-分苗方法對(duì)基質(zhì)塊苗具有較高參考價(jià)值。綜上，基質(zhì)塊育苗對(duì)作物適應(yīng)性較廣，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究均采用同步帶或輸送帶實(shí)現(xiàn)整排基質(zhì)塊苗的輸送，可靠性較高，但分苗機(jī)構(gòu)種類(lèi)繁多，技術(shù)尚未成熟，試驗(yàn)效果參差不齊，高效低損的送-分苗裝置仍是基質(zhì)苗自動(dòng)移栽機(jī)所亟需攻克的核心技術(shù)。

本文以葉類(lèi)蔬菜典型代表甘藍(lán)作為基質(zhì)塊苗培育試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)一種輸送帶+擋銷(xiāo)組合式送-分苗裝置，測(cè)定基質(zhì)塊苗力學(xué)特性，開(kāi)展送-分苗過(guò)程理論分析，探究基質(zhì)塊苗穩(wěn)定送-分苗條件，以高分苗成功率和低破損率為研究目標(biāo)，搭建試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證優(yōu)化裝置作業(yè)性能，以期為基質(zhì)塊苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究提供參考。

1 基質(zhì)塊苗力學(xué)特性測(cè)定

基質(zhì)塊苗的形狀尺寸、力學(xué)與摩擦特性等是設(shè)計(jì)自動(dòng)送-分苗裝置的基礎(chǔ)依據(jù)[21-22]，本文以甘藍(lán)基質(zhì)塊苗為測(cè)試對(duì)象，通過(guò)測(cè)量基質(zhì)塊苗外部尺寸、測(cè)定基質(zhì)塊抗壓力F、基質(zhì)塊摩擦系數(shù) μ，為擋銷(xiāo)安裝高度、夾板夾力及輸送帶角度等部件的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

1.1 材料與儀器

育苗基質(zhì)塊外形尺寸為40 mm×40 mm×40 mm 立方體，將黏土壤與商品育苗基質(zhì)以體積比為1:2、壓縮比0.6 壓制成型，甘藍(lán)品種選用“中甘21”，播后生長(zhǎng)期30 d，平均株高105.33 mm，葉片3～4 片。使用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的UTM6503 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行送、分苗過(guò)程中基質(zhì)塊受到的擠壓變形或破損試驗(yàn)；運(yùn)用自制的自然摩擦角測(cè)定裝置，包括提升機(jī)構(gòu)、斜板和數(shù)顯傾角儀（Syntek 公司），測(cè)定送苗過(guò)程基質(zhì)塊苗保持穩(wěn)定的最大傾角。

1.2 測(cè)試方法與結(jié)果

試驗(yàn)前2 d 停止?jié)菜瑴y(cè)得基質(zhì)塊平均含水率為12.2%～20.5%。如圖1a 所示，將基質(zhì)塊苗置于UTM6503型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的工作臺(tái)，并保證固定在傳感器上的壓板與基質(zhì)塊在同一垂線(xiàn)。設(shè)定電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行速度為50 mm/min，并執(zhí)行加載程序，當(dāng)基質(zhì)塊與壓板接觸直至破損，系統(tǒng)卸載壓板復(fù)位，以基質(zhì)塊破損過(guò)程中對(duì)應(yīng)的壓力峰值為基質(zhì)塊最大抗壓力。隨機(jī)選擇3 組，每組10 株基質(zhì)塊苗進(jìn)行測(cè)試，記錄平均值。

圖1 基質(zhì)塊苗抗壓及摩擦特性試驗(yàn)Fig.1 Compression resistance and friction characteristics test of substrate block seedlings

如圖1b 所示，將摩擦角測(cè)定裝置鋼板貼上與輸送帶同材質(zhì)的PVC 橡膠板，把單株基質(zhì)塊苗與基質(zhì)塊苗組分別沿鋼板升角方向放在鋼板上，緩慢啟動(dòng)提升機(jī)構(gòu)，當(dāng)基質(zhì)塊苗產(chǎn)生微滑動(dòng)時(shí)，記錄角度測(cè)定儀的角度值，每項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)3 組（單苗塊試驗(yàn)組累計(jì)9 株，基質(zhì)塊苗組10 株為一組，累計(jì)90 株），取平均值。根據(jù)摩擦力與支持力的關(guān)系計(jì)算基質(zhì)塊苗靜摩擦系數(shù)μ[23-24]。

由基質(zhì)塊抗壓力-壓縮量曲線(xiàn)表明，基質(zhì)塊壓縮量在0～2 mm 時(shí)，抗壓力呈近似線(xiàn)性急劇增加，基質(zhì)塊內(nèi)部顆粒產(chǎn)生滑移重新排列[25]，孔隙度減少，基質(zhì)塊變緊實(shí)，體積相應(yīng)減小；隨著壓縮量繼續(xù)增加至2.55 mm 時(shí)，基質(zhì)塊抗壓力抵達(dá)峰值108.44 N，基質(zhì)塊開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，然后隨著壓縮量的增加抗壓力呈下降趨勢(shì)。

由摩擦特性測(cè)試結(jié)果可知，單株基質(zhì)塊苗摩擦角平均為24.7°、摩擦系數(shù)平均為0.46，基質(zhì)塊苗組（10 株為一組）摩擦角為28.9°、摩擦系數(shù)平均為0.55。同等摩擦材質(zhì)下，基質(zhì)苗組摩擦系數(shù)和提升角度均大于單株基質(zhì)塊苗摩擦系數(shù)和提升角度，說(shuō)明整排取苗輸送有利于避免送苗倒伏，可提高分苗成功率和栽植立直率。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

基質(zhì)塊苗自動(dòng)送-分苗裝置由間歇送苗機(jī)構(gòu)和自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成，如圖2 所示。間歇送苗機(jī)構(gòu)由后輸送帶、輸送槽、氣缸Ⅰ、主動(dòng)輪軸及支架等組成，后輸送帶傾斜布置，兩側(cè)設(shè)置輸送槽，輸送槽前方一側(cè)設(shè)置缺口裝有氣動(dòng)間歇夾緊機(jī)構(gòu)。自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)由前輸送帶、側(cè)邊輸送帶、擋銷(xiāo)、滑移機(jī)構(gòu)、氣缸Ⅱ、機(jī)架等組成，前輸送帶一端靠近后輸送帶一端呈水平布置，兩側(cè)設(shè)置側(cè)邊輸送帶與其呈垂直方向；擋銷(xiāo)跨過(guò)側(cè)邊輸送帶A 位于前輸送帶上面，前輸送帶下方設(shè)置氣缸Ⅱ，氣缸Ⅱ通過(guò)多個(gè)連桿與擋銷(xiāo)連接，實(shí)現(xiàn)擋銷(xiāo)往復(fù)擺動(dòng)；氣缸Ⅱ一側(cè)設(shè)置滑移機(jī)構(gòu)，滑移機(jī)構(gòu)上安裝側(cè)邊輸送帶A 固定座，滑移機(jī)構(gòu)與機(jī)架之間設(shè)有彈簧，氣缸Ⅱ活塞桿上的推板與滑移機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)接觸，氣缸Ⅱ與彈簧的共同作用促使側(cè)邊輸送帶A 隨滑移機(jī)構(gòu)往復(fù)直線(xiàn)移動(dòng)。

圖2 送-分苗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of conveying and separating device

2.2 工作原理

后輸送帶、前輸送帶及側(cè)邊輸送帶A、B 均由主動(dòng)輪軸通過(guò)鏈條與齒輪傳遞動(dòng)力。工作時(shí)，基質(zhì)塊苗被整排放入后輸送帶槽內(nèi)，當(dāng)基質(zhì)塊苗被輸送至間歇夾緊機(jī)構(gòu)位置時(shí)，間歇夾緊機(jī)構(gòu)在氣缸Ⅰ的帶動(dòng)下繞支點(diǎn)往復(fù)擺動(dòng)，完成對(duì)基質(zhì)塊苗的夾緊與放行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)后輸送帶上的基質(zhì)塊苗間歇向分苗機(jī)構(gòu)輸送。基質(zhì)塊苗被輸送至前輸送帶位置時(shí)，氣缸Ⅱ帶動(dòng)擋銷(xiāo)和側(cè)邊輸送帶實(shí)現(xiàn)分苗動(dòng)作，一方面，氣缸Ⅱ活塞桿通過(guò)擋銷(xiāo)連桿帶動(dòng)擋銷(xiāo)繞支點(diǎn)做往復(fù)擺動(dòng)；另一方面，與氣缸Ⅱ活塞桿固定連接的推板推動(dòng)與側(cè)邊輸送帶A 固定連接的滑移機(jī)構(gòu)使其往復(fù)直線(xiàn)移動(dòng)。擋銷(xiāo)與側(cè)邊輸送帶A、間歇夾緊機(jī)構(gòu)呈反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擋銷(xiāo)擺出前輸送帶上方時(shí)，側(cè)邊輸送帶A 則靠近前輸送帶與側(cè)邊輸送帶B 共同夾緊基質(zhì)塊苗，并配合前輸送帶實(shí)現(xiàn)單株基質(zhì)塊苗快速送至栽植器，此時(shí)間歇送苗機(jī)構(gòu)的夾板擺入輸送槽暫停送苗；當(dāng)擋銷(xiāo)擺入前輸送帶上方時(shí)，側(cè)邊輸送帶A 遠(yuǎn)離前輸送帶，間歇送苗機(jī)構(gòu)夾板擺出輸送槽，擋銷(xiāo)擋住送苗機(jī)構(gòu)送來(lái)的基質(zhì)塊苗，從而保證栽植器未取苗之前前輸送帶頂端僅保留一株基質(zhì)塊苗，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)塊苗的定量、定距栽植。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

間歇送苗機(jī)構(gòu)和自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)經(jīng)控制系統(tǒng)控制協(xié)同工作是該裝置穩(wěn)定作業(yè)的前提，因此需要對(duì)間歇送苗機(jī)構(gòu)、自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)開(kāi)展送-分苗過(guò)程理論分析，設(shè)計(jì)邏輯控制方法，確定裝置穩(wěn)定送-分苗條件和關(guān)鍵機(jī)構(gòu)工作參數(shù)。

3.1 間歇送苗機(jī)構(gòu)

3.1.1 輸送槽參數(shù)設(shè)計(jì)

間歇送苗機(jī)構(gòu)的主要功能是將輸送槽內(nèi)的基質(zhì)塊苗定量有序的向分苗機(jī)構(gòu)輸送，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分苗動(dòng)作提供條件，如圖3 所示。為保證間歇送苗機(jī)構(gòu)能容納一整排基質(zhì)塊苗，輸送帶設(shè)計(jì)長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短，過(guò)長(zhǎng)會(huì)使基質(zhì)塊苗數(shù)量過(guò)多，推擠效應(yīng)會(huì)增加前一基質(zhì)塊苗的集中受力造成傾倒；過(guò)短則會(huì)增加取苗頻率。因此輸送帶長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足：

圖3 間歇送苗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of intermittent conveying seedlings mechanism

式中Ls為輸送帶總長(zhǎng)度，mm；n為整排基質(zhì)塊苗數(shù)量，取值15 株；ks為相鄰兩基質(zhì)塊苗間隙系數(shù)，取值0.25[26-27]；b為基質(zhì)塊棱長(zhǎng)，取值40 mm；ΔL為輸送帶長(zhǎng)度余量，至少預(yù)留1 株基質(zhì)塊苗的棱長(zhǎng)尺寸，取值40～50 mm[12]。計(jì)算得輸送帶總長(zhǎng)度Ls=603.5 mm，長(zhǎng)度余量?jī)?nèi)取整650 mm。

為使基質(zhì)塊苗能順利放入輸送槽內(nèi)，且平穩(wěn)的向前輸送，輸送槽寬度應(yīng)略大于基質(zhì)塊棱長(zhǎng)，即輸送槽寬度應(yīng)滿(mǎn)足：

式中Bs為輸送槽寬度，mm；ΔB為寬度余量，取b/8。計(jì)算得輸送槽寬度Bs=45 mm。

3.1.2 間歇送苗受力分析

夾板工作時(shí)應(yīng)保證夾緊區(qū)的基質(zhì)塊苗不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，如圖4a 所示，假設(shè)夾緊區(qū)的基質(zhì)塊苗為一個(gè)整體，對(duì)其進(jìn)行受力分析，夾板應(yīng)滿(mǎn)足受力關(guān)系：

圖4 間歇送苗受力分析Fig.4 Force analysis of intermittent seedlings delivery

圖4b 中，F(xiàn)t為連續(xù)輸送區(qū)的基質(zhì)塊苗對(duì)間歇輸送區(qū)的基質(zhì)塊苗的推擠力，應(yīng)對(duì)連續(xù)輸送區(qū)的基質(zhì)塊苗進(jìn)行受力分析，假設(shè)連續(xù)輸送區(qū)的基質(zhì)塊苗為一個(gè)整體，其受力平衡方程為

聯(lián)立式（3）～（4）得：

式（3）～（5）中μ1為輸送帶與整排基質(zhì)塊苗的摩擦系數(shù)，取值0.55；μ2為夾板與整排基質(zhì)塊苗的摩擦系數(shù)，取值0.5；G為基質(zhì)塊苗重力，取值0.98 N；γ為基質(zhì)苗與水平面的夾角，取值12.5°；n1為夾緊區(qū)基質(zhì)塊苗的數(shù)量，取值6 株；n2為連續(xù)輸送區(qū)基質(zhì)塊苗的數(shù)量，取值9 株，計(jì)算得連續(xù)輸送區(qū)基質(zhì)塊苗的推擠力Ft=6.65 N，夾板夾力F≥ 22.15 N。

3.1.3 間歇夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5 所示，在桿件尺寸、安裝位置等已知的情況下，夾板的夾力與氣缸Ⅰ的活塞桿伸展長(zhǎng)度密切相關(guān)，夾板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度δ受氣缸活塞桿的直接影響，δ角過(guò)大，需要?dú)飧椎某叽缭酱螅绊懶屎桶惭b位置；δ角過(guò)小，則影響夾板夾緊力。為此，須分析氣缸在工作位置時(shí)AB′的所需長(zhǎng)度和常態(tài)位置時(shí)AB的靜態(tài)長(zhǎng)度。

圖5 基質(zhì)塊苗被夾緊時(shí)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic diagram of the mechanism when the substrate block seedlings are clamped

以氣缸Ⅰ的鉸接點(diǎn)A為原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系，作B'C′延長(zhǎng)線(xiàn)與過(guò)O點(diǎn)的x軸相交，建立虛擬O'點(diǎn)，根據(jù)幾何關(guān)系獲得所需坐標(biāo)點(diǎn)O'點(diǎn)、C'點(diǎn)、B'點(diǎn)的位置，以O(shè)'點(diǎn)為引導(dǎo)點(diǎn)求得LO'B'和LO'A距離：

從而推導(dǎo)出氣缸工作行程：

式（8）～（9）中LOA為夾板下固定點(diǎn)到氣缸Ⅰ固定點(diǎn)的距離，取值40 mm；LOC為夾板下固定點(diǎn)到折點(diǎn)距離，取值95 mm；LBC為夾板上固定點(diǎn)到折點(diǎn)距離，取值38 mm；δ取值30°。計(jì)算得氣缸Ⅰ常態(tài)位置總長(zhǎng)度LAB=139 mm、工作位置總長(zhǎng)度LAB′=149 mm，可選用寧波亞德客自動(dòng)化工業(yè)有限公司生產(chǎn)的B06-MI 16×10SCA復(fù)動(dòng)型氣缸。

3.2 自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)

自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)是將整排基質(zhì)塊苗按照一定頻率進(jìn)行逐塊分離。該機(jī)構(gòu)執(zhí)行部件采用氣壓傳動(dòng)為直接動(dòng)力配合多連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)。如圖6 所示，栽植器沿運(yùn)動(dòng)軌跡呈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)接近傳感器未檢測(cè)到栽植器（即兩栽植器間隔處）時(shí)，PLC 控制電磁換向閥左路接通，氣缸Ⅱ活塞桿伸出，擋銷(xiāo)擺出前輸送帶上方實(shí)現(xiàn)放苗，基質(zhì)塊苗由m1處被送至m2處，呈待取狀態(tài)；當(dāng)栽植器轉(zhuǎn)至接近傳感器檢測(cè)域時(shí)PLC 控制電磁換向閥右路接通，氣缸Ⅱ活塞桿縮回，擋銷(xiāo)擺入前輸送帶上方實(shí)現(xiàn)擋苗，此時(shí)栽植器取走前輸送帶端部基質(zhì)塊苗，依次循環(huán)。

圖6 自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of automatic seedling separation mechanism

3.2.1 穩(wěn)定分苗條件

為保證擋銷(xiāo)處于擋苗狀態(tài)時(shí)，前輸送帶上始終存有基質(zhì)塊苗供分苗，要求前輸送帶速度大于栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)速度，但前輸送帶速度過(guò)快會(huì)使基質(zhì)塊苗在接觸擋銷(xiāo)瞬間發(fā)生傾翻。如圖7 所示，對(duì)基質(zhì)塊接觸擋銷(xiāo)的瞬間進(jìn)行分析。

圖7 基質(zhì)塊苗接觸擋銷(xiāo)的瞬間受力Fig.7 Force at moment substrate block seedling contact with stop pin

擋銷(xiāo)對(duì)基質(zhì)塊質(zhì)心：

式中d為擋銷(xiāo)到基質(zhì)塊質(zhì)的垂直距離，mm。

如圖7a 理想狀態(tài)下，兩擋銷(xiāo)對(duì)基質(zhì)塊質(zhì)心所形成的力矩與力臂相等，且合力與基質(zhì)塊質(zhì)心位于同一水平線(xiàn)，不會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩，因此基質(zhì)塊不存在傾翻的可能。實(shí)際生產(chǎn)中，基質(zhì)塊育苗期間塊體之間難免存在差異，兩擋銷(xiāo)合力難保位于每個(gè)基質(zhì)塊的質(zhì)心位置，若出現(xiàn)偏差，則出現(xiàn)傾翻的可能。基質(zhì)塊在慣性力的作用下會(huì)翻轉(zhuǎn)到圖7b 狀態(tài)，基質(zhì)塊碰到擋銷(xiāo)前，基質(zhì)塊所受力對(duì)擋銷(xiāo)的力矩為0，基質(zhì)塊碰到擋銷(xiāo)后，基質(zhì)塊所受力對(duì)擋銷(xiāo)的力矩還為0，滿(mǎn)足能量守恒定律[27]，當(dāng)基質(zhì)塊苗處于臨界傾翻狀態(tài)時(shí)基質(zhì)塊苗損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。

動(dòng)能ΔEk的變化：

勢(shì)能ΔEm的變化：

動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能：

式（11）～（14）中m為基質(zhì)塊苗的質(zhì)量，取值100 g；v為基質(zhì)塊苗獲得的輸送速度，m/s；當(dāng)λ=45°時(shí)，基質(zhì)塊苗為臨界傾倒?fàn)顟B(tài)，計(jì)算得輸送速度v=0.16 m/s，所以，要保證基質(zhì)塊苗接觸擋銷(xiāo)時(shí)不會(huì)發(fā)生傾翻，需保證前輸送帶速度小于基質(zhì)塊苗理論輸送速度。

3.2.2 分苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

擋銷(xiāo)的擺動(dòng)角度φ直接影響分苗效果，擋銷(xiāo)擺入前輸送帶上方與基質(zhì)塊前進(jìn)面保持平行接觸時(shí)視為理想擋苗狀態(tài)，擋銷(xiāo)擺出前輸送帶上方遠(yuǎn)離基質(zhì)塊體時(shí)視為理想放苗狀態(tài)。在擋銷(xiāo)與連接組件尺寸、安裝位置均已知的情況下，通過(guò)計(jì)算擋銷(xiāo)擺角φ和擺桿擺角η，可間接求得連桿兩端點(diǎn)繞支點(diǎn)擺動(dòng)的直線(xiàn)距離，從而得出所需氣缸的工作行程。

如圖8 所示，以O(shè)2和O3各為坐標(biāo)原點(diǎn)分別建立平面直角坐標(biāo)系，獲得所需坐標(biāo)點(diǎn)H、H'、E'、E''的位置。

圖8 擋銷(xiāo)工作原理簡(jiǎn)圖Fig.8 Schematic diagram of working principle of stop pin

計(jì)算得出擋銷(xiāo)擺角φ：

由H點(diǎn)、H'點(diǎn)坐標(biāo)和擋銷(xiāo)擺角φ 推導(dǎo)出G′到G′′的位移距離：

計(jì)算得出擋銷(xiāo)擺桿擺角η：

由E'點(diǎn)、E''點(diǎn)坐標(biāo)和擺桿擺角η推導(dǎo)出氣缸Ⅱ活塞桿的行程為

計(jì)算得氣缸Ⅱ的活塞工作行程LE′E′′=18.5 mm，連桿往復(fù)行程LG′G′′=12 mm，φ=24.4°，η=13.8°，根據(jù)LE′E′′距離可選用寧波亞德客自動(dòng)化工業(yè)有限公司生產(chǎn)的B06-MI 20×20 SCA 型復(fù)動(dòng)型氣缸。

3.3 控制系統(tǒng)

3.3.1 控制原理

控制系統(tǒng)采用CP1H-X40DT-D 型PLC (programmable logic controller)控制，控制器與觸屏輸入顯示器連接實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并通過(guò)控制信號(hào)啟動(dòng)和調(diào)整間歇送苗機(jī)構(gòu)、自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)以及立直栽苗機(jī)構(gòu)工作。各部分機(jī)構(gòu)內(nèi)在組成和機(jī)構(gòu)之間的能量供給關(guān)系、信號(hào)通路方向和秧苗栽植處理過(guò)程的空間處理過(guò)程如圖9 所示。

圖9 控制原理圖Fig.9 Diagram of control principle

其中，送-分-栽苗機(jī)構(gòu)之間的控制和反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)如下：人機(jī)交互結(jié)構(gòu)的輸入和輸出信號(hào)通過(guò)VGA(video graphics array,1987)視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)，輸入的數(shù)字則轉(zhuǎn)化為PLC 的寄存器和E2PROM (electrically erasable programmable read-only memory)寄存器內(nèi)。控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過(guò)PWM(pulse width modulation)信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通訊實(shí)現(xiàn)控制。此外，接近傳感器和PLC 之間的通訊方式為BCD8421 編碼的串口數(shù)字信號(hào)，接近傳感器通過(guò)紅外線(xiàn)檢測(cè)傳感器與每個(gè)周期上的栽植器距離轉(zhuǎn)化為BCD8421 的數(shù)字信號(hào)，并以閾值來(lái)判斷每個(gè)栽植器的實(shí)際動(dòng)作周期，實(shí)現(xiàn)間歇送苗機(jī)構(gòu)、自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)和直立栽苗機(jī)構(gòu)的動(dòng)作起點(diǎn)和周期保持同步。

接收PLC 系統(tǒng)控制信號(hào)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出電機(jī)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)后輸送帶給基質(zhì)塊苗提供前進(jìn)的速度，電磁閥在接收到控制信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)夾板間歇對(duì)秧苗夾緊，實(shí)現(xiàn)間歇送苗和整齊排列。前輸送帶和側(cè)輸送帶同步運(yùn)行給秧苗提供運(yùn)輸速度，使得秧苗的運(yùn)動(dòng)方向和輸送的末端位置有較高的穩(wěn)定性。栽植器的運(yùn)動(dòng)周期與自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)分苗動(dòng)作的周期對(duì)應(yīng)，若該部分的時(shí)間周期出現(xiàn)偏差時(shí)，接近傳感器通過(guò)PID 控制間歇送苗機(jī)構(gòu)和自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)的送苗速度來(lái)調(diào)節(jié)。

3.3.2 控制流程

系統(tǒng)控制流程（圖10）主要通過(guò)PLC 控制器及其通訊部件來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要包括：初始化、速度控制、秧苗移栽控制、中斷處理和速度控制算法。

圖10 控制流程圖Fig.10 Flow chart of control

由于系統(tǒng)需要將初始電位、時(shí)間基準(zhǔn)、界面顯示、運(yùn)動(dòng)起始值與周期校準(zhǔn)同步，因此在系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化階段，包含系統(tǒng)的初始化、時(shí)鐘初始化、用戶(hù)界面初始化及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)歸零初始化。初始化階段結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入指令等待狀態(tài)，由于秧苗移栽控制需要特定的開(kāi)始時(shí)間和運(yùn)行周期，此時(shí)需要用戶(hù)輸入啟動(dòng)指令或速度修改指令。若用戶(hù)輸入速度后并按下啟動(dòng)系統(tǒng)則按照用戶(hù)新輸入的速度值運(yùn)行并更新歷史數(shù)據(jù)值；如果用戶(hù)直接啟動(dòng)系統(tǒng)則讀取歷史存儲(chǔ)的速度數(shù)據(jù)值進(jìn)行啟動(dòng)，使得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)保持與啟動(dòng)前的最后一次運(yùn)行一致的速度運(yùn)行。此外，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)中斷跳轉(zhuǎn)進(jìn)行急停和停止操作，當(dāng)執(zhí)行急停時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即停止；若指令為停止，系統(tǒng)則完成最后一個(gè)工作周期后，逐步慢速停止。其中，急停和停止的中斷等級(jí)不同，急停的中斷等級(jí)優(yōu)先于停止指令，這保證急停的觸發(fā)會(huì)在最快的速度下停止系統(tǒng)的所有動(dòng)作，最大限度減少意外事故的發(fā)生。

3.3.3 PID 控制算法

由于分苗和栽苗機(jī)構(gòu)部分互相獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，而栽苗機(jī)構(gòu)在動(dòng)作的過(guò)程中容易受到環(huán)境的不均勻阻力干擾(例如不同的土壤硬度帶來(lái)的阻力差異)，除此以外，電壓變化和控制信號(hào)也可能存在著周期性的隨機(jī)性干擾，這些干擾產(chǎn)生的微小位移差異會(huì)在周期性動(dòng)作下產(chǎn)生積累作用進(jìn)而影響整體的栽苗動(dòng)作。為使分苗和栽苗機(jī)構(gòu)部分的速度保持穩(wěn)定一致，避免由于受外力和其他干擾的誤差導(dǎo)致秧苗的漏送和多送問(wèn)題，本文運(yùn)用了PID（proportion integral derivative）控制算法[28]對(duì)間歇送苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制調(diào)整，實(shí)現(xiàn)分苗和栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)之間的速度保持一致。

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與指標(biāo)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)自動(dòng)送-分苗裝置的實(shí)際分苗效果，以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源分別驅(qū)動(dòng)前、后輸送帶，以電磁換向閥控制氣缸驅(qū)動(dòng)擋銷(xiāo)與夾板，并搭建試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)獲取裝置最優(yōu)參數(shù)組合，如圖11 所示。試驗(yàn)用苗為苗齡30 d 的甘藍(lán)基質(zhì)塊苗，基質(zhì)塊為棱長(zhǎng)40 mm 立方體，基質(zhì)塊之間無(wú)粘連、串根，送-分苗過(guò)程中，秧苗傾斜產(chǎn)生的力矩不影響試驗(yàn)效果。試驗(yàn)地點(diǎn)為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所東區(qū)實(shí)驗(yàn)室。

圖11 自動(dòng)送-分苗臺(tái)架試驗(yàn)Fig.11 Bench test of automatic conveying and separating

由理論分析可知，影響送-分苗效果的主要因素與前、后輸送帶送苗速度和擋-放苗頻率有關(guān)，因此，以前、后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和擋銷(xiāo)頻率為試驗(yàn)因素，以分苗成功率和基質(zhì)塊破損率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行性能試驗(yàn)。

分苗成功率Y1為單株分離且保持完整、豎直狀態(tài)的苗塊NF占整排基質(zhì)塊苗N的比例。

基質(zhì)塊破損率Y2為分苗過(guò)程中基質(zhì)塊因外部受力基質(zhì)散落質(zhì)量大于基質(zhì)塊苗總質(zhì)量1/3 的基質(zhì)苗塊NP占總株數(shù)N的比例[29]。

4.2 單因素試驗(yàn)

通過(guò)自動(dòng)送-分苗試驗(yàn)臺(tái)預(yù)試驗(yàn)，前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為88、99、110、121、132 r/min，后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為66、73、79、86、92 r/min，擋銷(xiāo)頻率設(shè)置為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 s/次。分別設(shè)計(jì)以下單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)選用120 株基質(zhì)塊苗進(jìn)行測(cè)試，重復(fù)試驗(yàn)3 次取平均值，當(dāng)對(duì)其中1 個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，另外2 個(gè)因素各取中間值，分別考察各因素對(duì)對(duì)分苗成功率和基質(zhì)塊破損率的影響。

由圖12a 和圖12c 可知前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和擋銷(xiāo)頻率對(duì)分苗成功率與基質(zhì)塊破損率的影響波動(dòng)范圍較大，前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速在99～121 r/min，擋銷(xiāo)頻率在1.8～2.2 s/次時(shí)分苗成功率和基質(zhì)塊破損率綜合性較佳。

圖12 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Single factor test results

圖12b 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)分苗成功率整體影響波動(dòng)范圍較小，轉(zhuǎn)速越高分苗成功率越高，但高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)基質(zhì)塊破損率影響較大，綜合分析分苗成功率和基質(zhì)塊破損率試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)73～86 r/min 時(shí)綜合性較佳。

4.3 多因素試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為獲得最優(yōu)參數(shù)組合，驗(yàn)證上述3 因素交互作用對(duì)分苗效果的影響，采用三因素三水平Box-Behnken 響應(yīng)曲面分析法[30-31]。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速99、110、121 r/min，后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速73、79.5、86 r/min，擋銷(xiāo)頻率1.8、2.0、2.2 s/次設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表1 所示。試驗(yàn)共17 組，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，每次120 株基質(zhì)塊苗，取3 次平均值記錄數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Experimental scheme and results

4.3.2 結(jié)果與分析

運(yùn)用Design Expert8.0.6 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，由表3 可知，分苗成功率Y1的回歸模型中，回歸項(xiàng)X1、X3、X1X3、X12、X32對(duì)方程影響顯著（P＜0.05），其余項(xiàng)影響不顯著（P≥0.05）；基質(zhì)塊破損率Y2的回歸模型中，回歸項(xiàng)X2、X3、X2X3、X22、X32其余項(xiàng)影響不顯著（P≥0.05）。剔除不顯著項(xiàng)，回歸方程分別為

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variance analysis of regression models

4.3.3 交互作用分析

由圖13a 可知，當(dāng)后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速為79.5 r/min 時(shí)，響應(yīng)面變化趨勢(shì)隨前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和擋銷(xiāo)頻率的增大而減小，表明前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和擋銷(xiāo)頻率對(duì)分苗成功率均具有較大影響，前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速為99 r/min、擋銷(xiāo)頻率1.8 s/次時(shí)分苗成功率最高。

圖13 交互作用分析Fig.13 Interaction analysis

由圖13b 可知，當(dāng)前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速為110 r/min 時(shí)，響應(yīng)面變化趨勢(shì)沿后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速與擋銷(xiāo)頻率增大而似線(xiàn)性增大，后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速為73 r/min、擋銷(xiāo)頻率為1.8 s/次時(shí)，基質(zhì)塊破損率最低。

4.3.4 參數(shù)優(yōu)化

為獲得較好的分苗效果，以高分苗成功率、低基質(zhì)塊破損率為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行自動(dòng)送-分苗裝置工作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，利用Design Expert8.0.6 數(shù)據(jù)分析軟件中的Optimization-Numerical 模塊進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

優(yōu)化后得到影響因素最佳參數(shù)組合為前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速104 r/min、后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速75 r/min、擋銷(xiāo)頻率1.85s/次，在該參數(shù)組合下分苗成功率93.26%、基質(zhì)塊破損率3.35%。采用上述優(yōu)化獲取的最佳參數(shù)組合進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)試驗(yàn)3 次并取平均值作為試驗(yàn)驗(yàn)證值，試驗(yàn)結(jié)果為：分苗成功率92.73%、基質(zhì)塊破損率4.09%，驗(yàn)證值與優(yōu)化結(jié)果分別相差0.53 和0.74 個(gè)百分點(diǎn)，基本一致。

4.3.5 田間試驗(yàn)

將自動(dòng)送-分苗裝置安裝到基質(zhì)塊苗移栽機(jī)上并于2022 年5 月在常熟橫塘蔬菜專(zhuān)業(yè)合作社開(kāi)展田間驗(yàn)證試驗(yàn)（圖14）。前、后輸送帶分別選用Z11、Z16的05B 鏈輪同步驅(qū)動(dòng)，電磁換向閥得失電頻率設(shè)為1.85 s/次，設(shè)置參數(shù)組合為：前輸送帶轉(zhuǎn)速104 r/min、后輸送帶轉(zhuǎn)速75 r/min、擋銷(xiāo)頻率1.85 s/次。試驗(yàn)重復(fù)3 次，每行連續(xù)共放120 株基質(zhì)塊苗進(jìn)行移栽計(jì)算結(jié)果取平均值。

圖14 田間試驗(yàn)Fig.14 Field test

田間試驗(yàn)結(jié)果：分苗成功率91.81%、基質(zhì)塊破損率4.62%，由于鏈傳動(dòng)存在誤差及田間試驗(yàn)影響因素較多，與兩指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果相對(duì)誤差分別為1.45 和1.27 個(gè)百分點(diǎn)，在樣機(jī)指標(biāo)允許變動(dòng)范圍之內(nèi)，表明該裝置設(shè)計(jì)合理，工作性能穩(wěn)定。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基質(zhì)塊苗移栽機(jī)專(zhuān)用的自動(dòng)送-分苗裝置，闡述了整體結(jié)構(gòu)與工作原理，根據(jù)測(cè)定的育苗基質(zhì)塊抗壓力及摩擦角力學(xué)特性參數(shù)，設(shè)計(jì)了間歇送苗和自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)，通過(guò)理論分析獲得關(guān)鍵部件的受力與坐標(biāo)函數(shù)，確定了送-分苗過(guò)程中基質(zhì)塊苗穩(wěn)定送-分苗的機(jī)構(gòu)工作條件。進(jìn)行臺(tái)架優(yōu)化試驗(yàn)和田間驗(yàn)證試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）以前、后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和擋銷(xiāo)頻率為因素，以分苗成功率和基質(zhì)塊破損率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行性能試驗(yàn)。通過(guò)單因素試驗(yàn)確定了前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍99～121 r/min，后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍73～86 r/min，擋銷(xiāo)頻率范圍1.8～2.2 s/次。采用Box-Behnken 中心組合試驗(yàn)法分析并建立優(yōu)化模型，得到最佳參數(shù)組合：前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速104 r/min，后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速75 r/min，擋銷(xiāo)頻率1.85 s/次，該參數(shù)組合下分苗成功率93.26%、基質(zhì)塊破損率3.35%，驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果分別相差0.53 和0.74 個(gè)百分點(diǎn)，基本一致。

2）田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，分苗成功率91.81%、基質(zhì)塊破損率4.62%，與兩指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果相對(duì)誤差分別為1.45 和1.27 個(gè)百分點(diǎn)，均低于2 個(gè)百分點(diǎn)，在樣機(jī)指標(biāo)允許變動(dòng)范圍之內(nèi)，該研究可為基質(zhì)塊苗自動(dòng)移栽關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供參考。

基質(zhì)塊育苗對(duì)秧苗種類(lèi)不受約束，不僅適用于葉類(lèi)蔬菜，對(duì)茄果類(lèi)、結(jié)球類(lèi)等蔬菜及扦插苗均具有較好的適應(yīng)性。基質(zhì)塊體積適中、形狀規(guī)則，具有較高的護(hù)根、保墑作用，尤其適用于北方嚴(yán)寒地區(qū)早春茬蔬菜種植。但目前基質(zhì)塊育苗原料以進(jìn)口泥炭為主成本較高，移栽裝備自動(dòng)化、智能化水平有待提升，建議可從國(guó)產(chǎn)基質(zhì)化配方改良替代進(jìn)口泥炭育苗和自動(dòng)化、智能化移栽裝備開(kāi)發(fā)兩方面開(kāi)展相關(guān)研究。