設(shè)施膜上移栽機栽植機構(gòu)設(shè)計與試驗_王春輝.pdf

第 期 王春輝 等 設(shè)施膜上移栽機栽植機構(gòu)設(shè)計與試驗 設(shè)施膜上移栽機栽植機構(gòu)設(shè)計與試驗 王春輝 尹義蕾 丁小明 陳永生 付亞斌 陳杰 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院 北京市 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室 北京市 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所 南京市 寶雞市鼎鐸機械有限公司 陜西寶雞 摘要 針對設(shè)施蔬菜穴盤苗移栽機膜上作業(yè)效果不好 穩(wěn)定性較差等問題 設(shè)計一種八桿栽植機構(gòu) 建立八桿栽植機構(gòu)的數(shù) 學模型并進行仿真分析與效果驗證 使用 動力仿真軟件 對八桿栽植機構(gòu)的虛擬樣機在取投苗效率為 株 栽植深度為 株距為 時進行仿真分析 仿真分析結(jié)果表明 膜面連接長度滿足蔬菜移栽機 行業(yè)標準 按蔬菜移栽機膜面穴口開孔合格率中膜面連接長度測定方法對八桿栽植機構(gòu)樣機進行試驗測試 試驗結(jié)果表 明 樣機株距設(shè)置為 時 膜面連接長度平均值為 與仿真結(jié)果誤差分 別為 關(guān)鍵詞 移栽機 八桿栽植機構(gòu) 膜面連接長度 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 王春輝 尹義蕾 丁小明 陳永生 付亞斌 陳杰 設(shè)施膜上移栽機栽植機構(gòu)設(shè)計與試驗 中國農(nóng)機化學報 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 基金項目 國家重點研發(fā)計劃 第一作者 王春輝 男 年生 河北保定人 碩士 助理工程師 研究方向為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能裝備 通訊作者 尹義蕾 男 年生 山東泰安人 碩士 高級工程師 研究方向為設(shè)施農(nóng)業(yè)智能裝備 引言 截至 年 我國設(shè)施蔬菜面積已超過 為保障菜籃子供應和提高農(nóng)民收入發(fā)揮了重大作用 穴 盤育苗移栽是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一 相 較于直播 移栽可有效提高作物產(chǎn)量與收益 當 前 我國設(shè)施穴盤苗移栽主要是膜上移栽 移栽株距 深度 覆土效果等要求高 相關(guān)的裝備研制仍處于起步 階段 作業(yè)主要依靠人工 成本高 效率低 勞動強度 大 因此 研制適用性強 移栽效率高的穴盤苗移栽機 是一個亟待解決的難題 取投苗與栽植機構(gòu)是移栽機械的關(guān)鍵組成部分 其機械化與自動化能夠顯著提高移栽效率 降低勞動 強度 近年來 國內(nèi)很多學者都對栽植機構(gòu)進行了 一系列的應用與研究 石河子大學的李華等 設(shè)計的 型全自動蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機采用了行星 輪系 五桿式栽植機構(gòu) 由于該機構(gòu)使用了較為復雜 的行星輪系因此加工與維護的成本較高 江蘇大學的 王震 設(shè)計了入土角度與栽植深度可調(diào)鴨嘴式高速移 栽裝置 其栽植機構(gòu)對土壤的劃痕較長實用性不高 不 適宜做溫室內(nèi)的膜上移栽 昆明理工大學的于英杰 等 設(shè)計了一種雙曲柄式花椰菜缽苗栽植機構(gòu) 該機 構(gòu)可保持末端的姿態(tài)不變 但其自由度為 需要有兩 個曲柄同步轉(zhuǎn)動 其加工與維護的成本較高 東北林 業(yè)大學的李樹森等 設(shè)計了一種新型六桿栽植機構(gòu) 該機構(gòu)可使末端在工作時保持姿態(tài)不變 但并沒有對 該機構(gòu)進行實際的試驗 其實用性有待進一步研究 為得到一種結(jié)構(gòu)簡單 實用性高 成本較低的栽植 機構(gòu) 本文提出一種八桿單自由度的栽植機構(gòu) 建立該 機構(gòu)的運動學方程 并進行仿真分析與試驗 栽植機構(gòu)設(shè)計與工作原理 整機結(jié)構(gòu) 移栽機主要由行走機構(gòu) 送苗機構(gòu) 栽植機構(gòu)三部 分組成 行走機構(gòu)采用直流無刷電機驅(qū)動 經(jīng)帶有差 速減速機減速后將動力輸出到驅(qū)動輪上 工作時需要 人工將苗投喂到送苗機構(gòu)的送苗盒中 送苗機構(gòu)再將 苗繼續(xù)投喂給栽植機構(gòu) 栽植機構(gòu)將苗栽植到壟上 第 卷 第 期 年 月 中國農(nóng)機化學報 中國農(nóng)機化學報 年 栽植機構(gòu)設(shè)計 八桿栽植機構(gòu)如圖 所示 主要由機架 驅(qū)動輪 滑動連桿 平行四桿機構(gòu) 平行四桿機構(gòu) 栽植盒 組成 在兩個平行四桿機構(gòu)的共同作用下可使得栽植 盒在工作時姿態(tài)保持不變 栽植盒為鴨嘴式結(jié)構(gòu) 可 垂直與作業(yè)方向打開 圖 八桿栽植機構(gòu)平面圖 栽植盒 滑動連桿 驅(qū)動輪 機架 平行四桿機構(gòu) 平行四桿機構(gòu) 為便于說明和分析 八桿栽植機構(gòu)可簡化為圖 的機構(gòu)簡圖 八桿指的是圖中 八根桿件 圖 栽植機構(gòu)簡圖 栽植機構(gòu)活動構(gòu)件數(shù) 低副數(shù)量 高 副數(shù)量 代入自由度公式 可得栽植機構(gòu)的自由度為 因此只需要一個原 動件 便可實現(xiàn)復雜確定的動作 減速箱的輸出軸 帶動 繞 點轉(zhuǎn)動 點為栽植盒末端 以各個桿逆 時針轉(zhuǎn)動為正 軸正半軸為初始化的相位基準 則各 個桿和構(gòu)件的初始相位為 世界坐標系為 以減速器的輸出軸為原點作為機架坐標系 構(gòu)件 為機架 各個桿之間通過轉(zhuǎn)動副連接 各個桿長 為 曲柄 可繞原點 轉(zhuǎn)動 桿可在構(gòu)件 中滑動 構(gòu)件 可繞點 自由轉(zhuǎn)動 其余各個桿之間鉸 支連接 點為桿 的中心位置 因為機構(gòu)中存在 平行四桿機構(gòu) 和 則構(gòu)件 桿件 桿件 桿件只能在 坐標系內(nèi)實現(xiàn)平移而 不能轉(zhuǎn)動 所以夾角 保持不變 作業(yè)速度大 小為 方向沿世界坐標系的 負方向 工作原理 送苗機構(gòu)在主動鏈輪的帶動下使鏈條上的送苗盒 圍繞送苗架運動 在需要投苗的位置安裝有撞塊 當送 苗盒移動到投苗位置后開合機構(gòu)上的軸承與撞塊碰撞 迫使送苗盒打開 送苗盒里的苗落入栽植盒內(nèi) 越過此 位置后在彈簧作用下送苗盒關(guān)閉 在八桿栽植機構(gòu)中 桿 由減速器驅(qū)動 當栽植 盒正好運動到最高位置時送苗機構(gòu)正好將送苗盒運送 到其正上方 然后打開送苗盒將苗投入到栽植盒內(nèi) 八桿栽植機構(gòu)末端的栽植盒繼續(xù)運動到最低位置 由 于存在兩個平行四桿機構(gòu) 可使得送苗盒落入栽植盒 內(nèi)的缽苗姿態(tài)保持不變 保證了移栽缽苗的直立度 當 栽植盒運行到最低點時栽植盒打開 缽苗自由落入穴 孔中 穴孔在栽植盒入土出土時形成 栽植盒從最 低點繼續(xù)運行到最高點重復上述動作 送苗機構(gòu)的送 苗盒同時給兩套栽植機構(gòu)供苗 當一套機構(gòu)的栽植盒 插入土中放苗時 送苗機構(gòu)正好將苗放入另一套機構(gòu) 的栽植盒中 在鏈條上的送苗盒依次間隔的放入各自 對應的栽植機構(gòu)中 八桿栽植機構(gòu)運動學分析 如圖 所示 在機架坐標系 下 根據(jù)圖 栽 植機構(gòu)簡圖列出矢量封閉方程組 烅 烄 烆 根據(jù)矢量方程組中的第一個式子可得 烅 烄 烆 整理可得 槡 烅 烄 烆 根據(jù)矢量方程組中的第二個式子可得 烅 烄 烆 第 期 王春輝 等 設(shè)施膜上移栽機栽植機構(gòu)設(shè)計與試驗 消去 整理可求得關(guān)于 的解為 槡 槡 烅 烄 烆 根據(jù)矢量方程組中的第三個式子可得 烅 烄 烆 機架坐標系 原點 在世界坐標系 的 方向上高度恒為 以速度恒定 運行 時間后的位置 坐標為 則 點在世界坐標系 的位置 方程 對式 求一階導可得 點的速度 烅 烄 烆 對式 求二階導可得 點的加速度 烅 烄 烆 可通過式 式 的求解得到栽植機盒末端 點的實際運動學參數(shù) 八桿栽植機構(gòu)軌跡仿真分析 實際工作過程中 由于存在水平方向的行進速度 導致栽植機構(gòu)在完成缽苗插植工作時 并不能垂直入 土和出土 在作業(yè)方向上容易產(chǎn)生膜 撕裂 的現(xiàn)象 在膜上移栽時 若相鄰穴口間的地膜連接部分變短 覆 蓋地膜容易撕開 為探究八桿栽植機構(gòu)在設(shè)施膜 上移栽時膜面連接長度是否合格對其進行仿真分析 在分析移栽軌跡對膜面連接長度的影響時 栽植盒在 最低點投苗打開方向與軌跡垂直 因此可忽略其對膜 面連接長度的影響 作業(yè)速度的確定 設(shè)從取苗到放苗動作所用的時間為 驅(qū)動桿轉(zhuǎn)速 為 則有 烅 烄 烆 式中 機構(gòu)取投苗效率 株 驅(qū)動桿從投苗點到達取苗點時轉(zhuǎn)過的角 度 栽植機構(gòu)個數(shù) 由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中主要是一 壟雙行模式 本文實際樣機個數(shù)為 當取投苗效率 株 時 根據(jù)式 可 求得驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速 作業(yè)時作業(yè)速度 驅(qū)動 軸轉(zhuǎn)速 株距滿足 式中 作業(yè)速度 驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速 株距 通過實際調(diào)研可知 設(shè)施果菜的株距范圍為 根據(jù)式 可得在取投苗效率 株 時 作業(yè)速度范圍為 膜面長度仿真分析 將栽植機構(gòu)三維模型導入到 中并施加對應 的運動副 添加驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速為 設(shè)置仿真時間為 仿真模型如圖 所示 圖 仿真模型 分 別 選 取 作 業(yè) 速 度 穴孔深 對其進行軌跡仿真分析 得到的仿真軌跡如圖 圖 所示 最大栽植穴口在栽植盒入土和出土時形成 選取 栽植深度為 距離栽植盒最下端高 處寬 為 當株距為 時 栽植盒在穴口水平 方向上產(chǎn)生約 的滑移 加上栽植盒寬度后穴口 寬度為 不考慮地膜物理特性則膜面連接長度 為 同理 采用同樣的仿真步驟 可得株距為 膜面連接長度為 株距為 膜 面連接長度為 中國農(nóng)機化學報 年 圖 株距 仿真軌跡 圖 株距 仿真軌跡 圖 株距 仿真軌跡 根據(jù)行 業(yè) 標 準 蔬 菜 移 栽 機 作 業(yè) 質(zhì) 量 對膜面穴口開孔合格的測定要求 株距大 于等于 且小于 時 膜面長度大于株距 的 株距大于等于 時 膜面長度大于株距 的 可知八桿栽植機構(gòu)在對設(shè)施果菜苗進行移栽 時均滿足標準中的膜面穴口開孔合格指標 試驗分析 為驗證八桿栽植機構(gòu)膜上移栽的效果 按照實際 三維設(shè)計的尺寸加工并裝配 在溫室內(nèi)進行膜上移栽 試驗 選用平均苗高為 番茄苗進行試驗 八 桿栽植機構(gòu)的減速機和行走機構(gòu)均由調(diào)速電機進行驅(qū) 動 通過調(diào)節(jié)八桿栽植機構(gòu)的電機驅(qū)動器將驅(qū)動轉(zhuǎn)速調(diào) 整到 然后 分別將行走速度調(diào)節(jié)到 進行作業(yè) 在三種速度下對應的 株距為 根據(jù) 行 業(yè) 標 準 中 蔬 菜 移 栽 機 作 業(yè) 質(zhì) 量 標 準 對膜面穴口開孔合格的測定要 求 需要連續(xù)測定 個地膜穴口開孔 由于整個移栽 機存在兩個八桿栽植機構(gòu)因此每種速度下應栽植 棵苗 整個試驗需栽植 棵苗 試驗樣機如圖 所示 試驗現(xiàn)場如圖 所示 株距 測量如圖 所示 圖 八桿栽植機構(gòu)試驗樣機 圖 試驗現(xiàn)場 株距 株距 株距 圖 株距測量 對試驗連續(xù)測得的膜面連接長度編號為 第 期 王春輝 等 設(shè)施膜上移栽機栽植機構(gòu)設(shè)計與試驗 在三種株距下測得的膜面連接長度統(tǒng)計如圖 圖 所示 圖 株距 時膜面長度統(tǒng)計 圖 株距 時膜面長度統(tǒng)計 圖 株距 時膜面長度統(tǒng)計 由于溫室內(nèi)地面平整 壟高誤差較小 因此每次試 驗過程中連續(xù)成功開孔 個 開孔合格率 為 較小工作量 統(tǒng)一選取每次前進方向的左側(cè)進行測量 圖中虛線為在該株距下的合格膜面連接長度 實線為實 際測 得 的 膜 面 連 接 長 度 八 桿 栽 植 機 構(gòu) 在 株 距 為 時 膜 面 平 均 連 接 長 度 仿 真 值 株 距 為 時 膜 面 平 均 連 接 長 度 仿真值 株距為 時 膜面平均 連接長度 仿真值 在三種株距下 根據(jù) 計算出的膜面穴口開孔合格率均為 在 株距時 膜面連 接長度仿真與試驗測試結(jié)果誤差分別為 驗證了仿真結(jié)果的正確性和設(shè)計的合理性 誤 差初步分析可能是受地膜的本身屬性 壟面平整度和 行走速度不均勻引起 結(jié)論 提出了一種結(jié)構(gòu)簡單 加工成本低的八桿栽植 機構(gòu) 建立了該機構(gòu)的數(shù)學模型 并介紹其工作原理 在取投苗效率為 株 時 對 株 距 為 時 對八桿栽植機構(gòu)進行了 仿真分析 仿真分析結(jié)果表明 株距為 膜面連 接長度為 大于 株距為 膜面連接長度 大于 株距為 膜面連接長度 大于 在株距為 范圍內(nèi) 膜面連接長度隨株距 的增大而增大 在三種株距下 根據(jù) 計算出的膜面穴口開孔合格率均為 均滿 足蔬菜移栽機作業(yè)質(zhì)量標準 中的 膜面穴口開孔指標要求 對八桿栽植機構(gòu)進行了田間試驗 在株距分別 為 時 根據(jù) 計算出的膜面穴口開孔合格率均為 實際 作業(yè)膜面連接長度與仿真誤差分別為 驗證了仿真結(jié)果的正確性和設(shè)計的合理性 參 考 文 獻 王寧 任玲 李江全 等 穴盤苗移栽機自動取苗技術(shù)研究 現(xiàn)狀與展望 中國農(nóng)機化學報 邵園園 劉藝 玄冠濤 等 多功能鴨嘴式蔬菜移栽機設(shè)計 與仿真分 析 中國農(nóng)機化學報 廖慶喜 王洋 胡喬磊 等 油菜基質(zhì)塊苗移栽機取苗裝置 設(shè)計與試驗 農(nóng)業(yè)機械學報 中國農(nóng)機化學報 年 廖禺 占建仁 賀捷 等 蔬菜育苗移栽機械的研究與發(fā) 展 南方農(nóng)機 袁挺 王棟 文永雙 等 蔬菜移栽機氣吹振動復合式取苗機 構(gòu)設(shè)計與試驗 農(nóng)業(yè)機械學報 李華 曹衛(wèi)彬 李樹峰 等 型全自動蔬菜穴盤 苗鋪膜移栽機的研制 農(nóng)業(yè)工程學報 王震 入土角度與栽植深度可調(diào)鴨嘴式高速栽植裝置設(shè)計 及試驗 鎮(zhèn)江 江蘇大學 于英杰 秦偉 賴慶輝 等 花椰菜缽苗移栽機栽植機構(gòu)設(shè) 計與試驗 農(nóng)業(yè)機械學報 李樹森 李昱瑩 丁禹程 等 新型六桿移栽機構(gòu)的設(shè)計與 運動仿真分析 中國農(nóng)機化學報 華爾天 鹿浩 李生輝 等 基于進化理論的變自由度機 構(gòu)設(shè)計與 原 型 系 統(tǒng) 研 究 農(nóng) 業(yè) 機 械 學 報 黎寧慧 旱地移栽機的設(shè)計及其關(guān)鍵部件的研制 南 京 南京農(nóng)業(yè)大學 李鵬斌 顏華 王品隆 等 移栽機小株距栽植機構(gòu)桿件 優(yōu)化與試驗 農(nóng)業(yè)機械學報 謝守勇 陽尚宏 劉軍 等 蔬菜移栽機斜插夾缽式取投 苗裝置研制 農(nóng)業(yè)工程學報 于紅英 唐德威 王建宇 平面五桿機構(gòu)運動學和動力學 特性分析 哈爾濱工業(yè)大學學報 廖慶喜 張照 胡喬磊 等 油菜紙缽苗移栽機氣動取苗 機構(gòu)設(shè)計與軌跡分析 農(nóng)業(yè)機械學報