蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與研究.pdf

nullnull 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備 2023年第6期 蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)及其關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與研究 宋元萍 山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心 山西太原 030031 摘要 我國(guó)人口眾多 對(duì)新鮮蔬菜有巨大需求 有必 要對(duì)蔬菜種植做系統(tǒng)性研究 以蔬菜移栽環(huán)節(jié)作為研 究對(duì)象 簡(jiǎn)單分析蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)的工作原理 從送 苗機(jī)構(gòu) 苗盤推送機(jī)構(gòu) 液壓缸選型等方面 詳細(xì)分 析關(guān)鍵部件的功能 并研究曲柄搖桿的參數(shù) 取苗機(jī) 構(gòu)工作原理與運(yùn)動(dòng)軌跡 完善蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè) 計(jì) 旨在為更多農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)提供技術(shù)幫助 推 動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展 關(guān)鍵詞 自動(dòng)移栽機(jī) 機(jī)械原理 關(guān)鍵部件 0 引言 當(dāng)前 主要依靠人工移栽或半自動(dòng)機(jī)械設(shè)備移 栽 不僅移栽效率偏低 也難以有效保證蔬菜移栽質(zhì) 量 為此 有必要對(duì)自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)高質(zhì) 量 高效率的蔬菜移栽作業(yè) 筆者在查閱大量相關(guān)資 料后 設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 性能良好的牽引式自動(dòng)移 栽機(jī) 1 自動(dòng)移栽機(jī)工作原理 本文設(shè)計(jì)的蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)將采用牽引式設(shè)計(jì)模 式 其結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì) 可以細(xì)分為以下幾個(gè)部分 承 載各個(gè)機(jī)構(gòu)的機(jī)架 取苗機(jī)構(gòu) 放苗機(jī)構(gòu) 移動(dòng)地輪 裝置等 苗盤橫向有6個(gè)蔬菜秧苗移栽穴 縱向有12個(gè) 蔬菜秧苗移栽穴 自動(dòng)移栽機(jī)的尾部設(shè)置兩條輸送帶 運(yùn)行期間 需要將苗盤放在輸送帶上 啟動(dòng)PLC Programmable Logic Controller 可編程邏輯控制器 控制系統(tǒng) 輸苗 機(jī)構(gòu)將會(huì)從等待狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài) 1 此時(shí) 兩條輸 送帶在預(yù)熱后 以循環(huán)往復(fù)的交替方式 將苗盤運(yùn)送 到中間位置的推盤上 在確認(rèn)苗盤已經(jīng)抵達(dá)推盤后 液壓缸會(huì)通過(guò)移動(dòng)推盤 將苗盤運(yùn)送到步進(jìn)移位輸送 帶的預(yù)設(shè)位置 取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)平行4連桿 通過(guò)電機(jī)驅(qū) 動(dòng) 采用2次的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 完成蔬菜秧苗的取苗與放苗 動(dòng)作 并進(jìn)入下一個(gè)蔬菜秧苗的取 放動(dòng)作循環(huán) 取 苗機(jī)構(gòu)分左 右兩側(cè) 共2組 1組擁有6個(gè)負(fù)責(zé)夾取蔬 菜秧苗的苗夾 即取苗機(jī)構(gòu)共設(shè)置12個(gè)苗夾 可以實(shí) 現(xiàn)一次性進(jìn)行12個(gè)蔬菜秧苗的取苗 放苗動(dòng)作 極大 提升蔬菜移栽效率 需要注意的是 兩組苗夾需要保 持錯(cuò)位狀態(tài) 即讓蔬菜秧苗保持左前 右后或左后 右前的位置 既可以實(shí)現(xiàn)快速放置蔬菜秧苗 提升蔬 菜秧苗移栽工作效率 也可以避免蔬菜秧苗間距過(guò) 小 增加土壤 水分等競(jìng)爭(zhēng) 影響蔬菜秧苗發(fā)育生長(zhǎng) 質(zhì)量 苗盤相同的列 以間隔方式夾取蔬菜秧苗 并 將其轉(zhuǎn)移到分苗漏斗中 在完成苗盤的取苗工作后 PLC控制系統(tǒng)會(huì)控制苗盤以橫向方式進(jìn)行移動(dòng) 以上是 整個(gè)自動(dòng)移栽機(jī)行走作業(yè)前的所有準(zhǔn)備工作 在自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)入行走狀態(tài)時(shí) 移栽機(jī)構(gòu)也進(jìn)入 獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài) 在移栽機(jī)構(gòu)上設(shè)置7個(gè)鴨嘴放苗機(jī)構(gòu) 利用鏈條 鏈輪的傳動(dòng)方式 配合設(shè)計(jì)成橢圓形的苗 杯 完成間歇行走 移栽間歇性配合 當(dāng)確認(rèn)苗杯已 經(jīng)到達(dá)分苗漏斗的正下方時(shí) 電機(jī)會(huì)讓漏斗口從閉合 狀態(tài)切換成開(kāi)啟狀態(tài) 進(jìn)入放苗程序 蔬菜秧苗會(huì)放 在吊杯中 并在出苗口進(jìn)行移栽 等到檢測(cè)出苗盤已 經(jīng)實(shí)現(xiàn)6次橫向移動(dòng)后 橫向的所有蔬菜秧苗全部移栽 完別 之后會(huì)將苗盤移動(dòng)到初始位置 并進(jìn)行退盤操 作 PLC控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示操作人員及時(shí)補(bǔ)充苗盤 自動(dòng)移栽機(jī)的結(jié)構(gòu) 由以下部分組成 負(fù)責(zé)承 載整個(gè)自動(dòng)移栽機(jī)負(fù)荷的地輪 鎮(zhèn)壓輪對(duì)已種植蔬菜 苗周邊土塊進(jìn)行碾碎壓實(shí)處理 讓蔬菜苗和周邊土壤 保持緊密接觸 以減少蔬菜根系裸露土壤外的概率 控制水分蒸發(fā) 蔬菜苗輸送機(jī)構(gòu) 為取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 提供驅(qū)動(dòng)力的電機(jī) 苗盤收集裝置 夾取蔬菜苗 夾 用于抓取蔬菜種植的去苗機(jī)構(gòu) 自動(dòng)移栽機(jī) 架 液壓缸 如果自動(dòng)移栽機(jī)有其他使用需求 也可 以在這種結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上 配置相應(yīng)裝置 增加自動(dòng)移栽 機(jī)的使用功能 2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì) 2 1 送苗機(jī)構(gòu) 考慮到在自動(dòng)移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)擁有相對(duì)固定的 位置 在送苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) 就需要讓尾部的兩條輸送 帶以交替運(yùn)動(dòng)方式 讓苗盤移動(dòng)到步進(jìn)移位輸送帶 上 等到苗盤完成6次橫向移動(dòng)后 會(huì)將沒(méi)有蔬菜秧苗 的苗盤移動(dòng)到后方的收集筐中 步進(jìn)移位輸送帶也會(huì) nullnull 農(nóng)業(yè)裝備農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備 2023年第6期 移動(dòng)到初始位置 等到接收下一個(gè)苗盤 再進(jìn)行下次 的蔬菜秧苗移栽作業(yè) 正因?yàn)槿∶鐧C(jī)構(gòu)具有間歇性取 苗的工作特性 在設(shè)計(jì)步進(jìn)移位輸送帶時(shí) 要考慮到 結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題 避免出現(xiàn)取苗間隔期間 結(jié)構(gòu)負(fù)荷失 衡 增加自動(dòng)移栽機(jī)側(cè)翻概率 可以利用橫向直線上 的間歇性運(yùn)動(dòng)模式 解決以往步進(jìn)移位輸送帶設(shè)計(jì)的 結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題 保障自動(dòng)移栽機(jī)的正常運(yùn)行 同時(shí) 需要在其后側(cè)下方設(shè)置若干滾輪 并在其 前方設(shè)置滑塊 利用滾動(dòng)作業(yè)方式 合理控制步進(jìn)移 位輸送帶的摩擦系數(shù) 避免出現(xiàn)苗盤移動(dòng)速度過(guò)快 取苗頻率不可控的問(wèn)題 在參考大量文獻(xiàn)后 擬采用 絲桿電機(jī)機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)高效 穩(wěn)定的往復(fù)運(yùn)動(dòng) 保證苗 盤移動(dòng)速度的穩(wěn)定性 2 選用擁有較大剛性與轉(zhuǎn)動(dòng)精 度的螺桿轉(zhuǎn)動(dòng) 螺母移動(dòng)設(shè)計(jì) 螺桿直徑為25 mm 導(dǎo)程為10 mm 將自動(dòng)移栽機(jī)的行走速度閾值鎖定在 0 4 m s 這意味著吊杯輪盤周長(zhǎng)預(yù)估為2 m 在吊杯輪 盤轉(zhuǎn)動(dòng)1周后 需要消耗5 s的時(shí)間 需保證絲桿電機(jī)機(jī) 構(gòu)推動(dòng)步進(jìn)移位輸送帶回到初始位置的時(shí)間低于5 s 又因?yàn)樘嵘竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 力矩則會(huì)降低 如果轉(zhuǎn) 速過(guò)快 會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象 即步進(jìn)電機(jī)獲得步進(jìn)電源 輸出 卻沒(méi)有達(dá)到步進(jìn)電源的輸出脈沖數(shù) 在原設(shè)計(jì) 中 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn) s 想要讓苗盤回到初始位 置 則要橫向移動(dòng)約220 mm 對(duì)以上數(shù)據(jù)整理 計(jì)算 可以獲得 絲桿的最小導(dǎo)程應(yīng)為8 8 mm 考慮到步進(jìn) 移位輸送帶處于橫向勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 苗盤位置精度要 求不高 可以通過(guò)以下公式計(jì)算 Fn Mg 1 T Fn L 2 2 式中 T代表驅(qū)動(dòng)扭矩 絲桿導(dǎo)程L為10 mm Mg 約等于300 N 因?yàn)椴竭M(jìn)移位輸送帶與相關(guān)配件 填土 苗盤的總重需要控制在30 kg 取最大值即為300 N 摩 擦系數(shù) 選擇0 1 給進(jìn)絲桿的工作效率 選擇0 85 可以獲得步進(jìn)移位輸送帶的驅(qū)動(dòng)扭矩T為M 0 056 N M為苗盤重量 對(duì)于送苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單分為以下幾部分 對(duì)苗盤在縱向位置進(jìn)行限位的感應(yīng)裝置 基于步進(jìn) 機(jī)械設(shè)備的移位輸送帶 提供移位輸送帶動(dòng)力的 步進(jìn)電機(jī) 調(diào)整苗盤左右位置的尾部輸送帶 在苗盤到達(dá)指定位置時(shí) 進(jìn)行下一步操作的苗盤到位 感應(yīng) 用于向前推動(dòng)苗盤的苗盤推板 與螺母配 合 將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位移 控制的絲杠 2 2 苗盤推送機(jī)構(gòu) 苗盤推送機(jī)構(gòu)可以細(xì)分為用于承載苗盤的托板 負(fù)責(zé)感應(yīng)苗盤移栽情況的感應(yīng)器 提供整個(gè)推動(dòng)機(jī)構(gòu) 的液壓缸組件等部分 苗盤托板與液壓缸 需要和自 動(dòng)移栽機(jī)的機(jī)架進(jìn)行連接固定 并在苗盤托板的底部 安裝感應(yīng)器 在苗盤輸送裝置獲得苗盤后 托板底部 的感應(yīng)器會(huì)感知苗盤已經(jīng)到達(dá)預(yù)設(shè)位置 并進(jìn)行相應(yīng) 的推送程序 等到感應(yīng)器獲得退盤信號(hào)后 液壓缸則 會(huì)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài) 在推動(dòng)苗盤后 移動(dòng)到初始位置 3 苗盤推送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 可以簡(jiǎn)單分為 負(fù)責(zé)托 起苗盤的盤托板 用于短距離運(yùn)輸苗盤的輸送機(jī) 構(gòu) 唯一可隨意拆卸 更換的苗盤 用于感應(yīng)苗 盤是否抵達(dá)預(yù)設(shè)位置的感應(yīng)器 推動(dòng)苗盤的推板 提供推板前進(jìn)動(dòng)力的液壓缸 2 3 液壓缸的選型 液壓缸結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單 需要先獲得液壓能 再將其 轉(zhuǎn)化成機(jī)械能 帶動(dòng)其他機(jī)械部件進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn) 動(dòng) 因?yàn)橐簤焊坠ぷ髟磔^為簡(jiǎn)單 整體結(jié)構(gòu)并不復(fù) 雜 所以工作性能可靠 在自動(dòng)移栽蔬菜秧苗的環(huán)境 中 可以正常工作 不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的系統(tǒng)故障 在液 壓缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 沒(méi)有傳動(dòng)間隙 不需要額外設(shè)置減 速裝置 可以保持全過(guò)程的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng) 又因?yàn)樘钔撩?盤總重量偏輕 液壓缸在自動(dòng)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)中主要負(fù)責(zé) 推盤作業(yè) 所以在選擇液壓缸型號(hào)時(shí)主要考慮其行程 是否滿足自動(dòng)移栽機(jī)的工作需求 本設(shè)計(jì)中 選擇的苗盤總長(zhǎng)度為540 mm 當(dāng)苗盤 移動(dòng)到輸送帶的3 4位置 就可進(jìn)行相應(yīng)的推盤動(dòng)作 以此即可獲得液壓缸的行程范圍 即400 450 mm 在 參考市面上的大部分液壓缸后 最終選擇缸徑20 mm 行程450 mm 壓力14 Mpa的液壓缸 可以滿足苗盤移 動(dòng)需求 也可以為自動(dòng)移栽機(jī)提供足夠的動(dòng)力 且價(jià) 格低廉 3 曲柄搖桿的參數(shù)設(shè)計(jì) 擺桿主要功能是驅(qū)動(dòng)苗夾 完成取苗與放苗動(dòng) 作 需要確保運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性 避免蔬菜秧苗脫落 需 要在設(shè)計(jì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)時(shí) 取消其急回特性 如果選 擇沒(méi)有急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 其行程速比系數(shù) 將沒(méi)有極位夾角 即k 1 在搖桿達(dá)到最遠(yuǎn) 最近的 極限位置時(shí) 曲柄和連桿處于同一直線上 設(shè)計(jì)擺桿 長(zhǎng)度為100 mm 擺角為120 機(jī)架長(zhǎng)度為335 mm nullnull 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備 2023年第6期 在機(jī)架與連桿 機(jī)架與極限位置的角度分析中 需要 考慮到曲柄與連桿在極限位置的特殊情況下 擁有共 線的特性 所以 設(shè)計(jì)曲柄長(zhǎng)度86 6 mm 連桿長(zhǎng)度 331 2 mm 可滿足自動(dòng)移栽機(jī)在工作狀態(tài)下的曲柄搖 桿運(yùn)動(dòng)要求 4 取苗機(jī)構(gòu)的工作原理與運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì) 4 1 工作原理 取苗機(jī)構(gòu)主要由平行四連桿機(jī)構(gòu) 曲柄搖桿 苗 夾 帶輪機(jī)構(gòu)等部分構(gòu)成 在實(shí)際工作中 苗夾需要 預(yù)先固定于平行四連桿機(jī)構(gòu)的豎桿位置 并讓苗夾維 持開(kāi)口向下的工作狀態(tài) 四連桿的兩端通過(guò)鉸接進(jìn)行 固定 另外兩端則做水平布置 固定端與水平端相垂 直 固定端與橫桿形成搖桿機(jī)構(gòu) 水平端與豎桿形 成平行四連桿機(jī)構(gòu) 水平端的一側(cè)在獲得電機(jī)驅(qū)動(dòng)力 后 會(huì)對(duì)橫桿做圓周運(yùn)動(dòng) 并聯(lián)動(dòng)平行四連桿的豎桿 做往復(fù)運(yùn)動(dòng) 對(duì)于取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單分為 作為核心部 件的右平行四連桿機(jī)構(gòu)與左平行四連桿機(jī)構(gòu) 基于 步進(jìn)機(jī)械設(shè)備的步進(jìn)皮帶 實(shí)現(xiàn)取苗動(dòng)作的步進(jìn)移 位輸送機(jī)構(gòu) 在抵達(dá)最大位移距離時(shí)拉回步進(jìn)移位 輸送機(jī)構(gòu)的回位彈簧 與回位彈簧構(gòu)成一個(gè)整體的 磁吸 用于夾取蔬菜的苗夾 進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的搖 桿機(jī)構(gòu) 提供取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的電機(jī) 4 2 運(yùn)動(dòng)軌跡 取苗機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)如下 曲柄86 6 mm 連桿 331 2 mm 搖桿100 mm 機(jī)架335 Mm 長(zhǎng)桿310 mm 短桿80 mm 再使用歐德克連桿仿真設(shè)計(jì)軟件 對(duì)取 苗機(jī)構(gòu)做運(yùn)動(dòng)仿真 可以從取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡中看 出 連桿機(jī)構(gòu)可以保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài) 不會(huì)出現(xiàn)相互 干涉情況 因?yàn)槊鐘A在取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持不對(duì) 稱弓背式的運(yùn)行軌跡 所以在使用過(guò)程中 操作人員 可以根據(jù)蔬菜移栽要求 對(duì)搖桿與平行四連桿長(zhǎng)桿之 間的夾角進(jìn)行調(diào)整 維持苗夾對(duì)稱運(yùn)動(dòng)軌跡 提升蔬 菜移栽的效率與質(zhì)量 5 結(jié)論 當(dāng)前 我國(guó)蔬菜移栽主要采用半自動(dòng)移栽模式 相較于人工移栽模式 可以有效提升蔬菜秧苗移栽效 率 但是需要額外配置3 4名 臺(tái)的種植人員 沒(méi)有徹 底解決勞動(dòng)強(qiáng)度偏大的問(wèn)題 本設(shè)計(jì)的自動(dòng)移栽機(jī) 整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 不涉及更為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu) 而 且 整體結(jié)構(gòu)制造成本偏低 符合大多數(shù)種植戶的經(jīng) 濟(jì)條件 盡管在移栽效率與移栽質(zhì)量上 和歐美等發(fā) 達(dá)國(guó)家的自動(dòng)移栽機(jī)有一定差距 在實(shí)際應(yīng)用中需要 種植人員對(duì)蔬菜秧苗進(jìn)行二次調(diào)整 但是本設(shè)計(jì)的自 動(dòng)移栽機(jī)仍具有較高的實(shí)用價(jià)值 可以適應(yīng)大多數(shù)蔬 菜秧苗的移栽條件 另外 如果種植人員有額外的蔬 菜秧苗移栽需求 可以將其他機(jī)械設(shè)備安裝到自動(dòng)移 栽機(jī)上 具有二次改造可能性 參考文獻(xiàn) 1 韓長(zhǎng)杰 肖立強(qiáng) 李洪雷 等 辣椒穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2021 37 13 20 29 2 朱興亮 郭彥克 韓長(zhǎng)杰 等 茄果類缽苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2021 42 5 19 26 3 李江全 葉星晨 汪博文 等 基于LabVIEW的自動(dòng)移栽機(jī) 整排取投苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 2021 43 9 113 120