溫室穴盤苗自動移栽機(jī)設(shè)計與試驗

<p>2 0 1 6 年 11 月 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報 第 47 卷 第 11 期doi: 106041/j issn1000-1298201611008溫室穴盤苗自動移栽機(jī)設(shè)計與試驗韓綠化1， 2毛罕平1， 2胡建平1， 2徐靜云1， 2趙崢嶸1， 3馬國鑫1， 3( 1 江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室 ， 鎮(zhèn)江 212013; 2 江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 ， 鎮(zhèn)江 212013;3 江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點實驗室 ， 鎮(zhèn)江 212013)摘要 : 針對種苗從高密度穴盤移植到低密度穴盤 ， 或者從穴盤直接移植到花盆的溫室穴盤苗移栽生產(chǎn)需要 ， 設(shè)計了一種輕簡型自動移栽機(jī) 。利用成熟的直線模組和無桿氣缸組合設(shè)計出自動移栽機(jī)械臂 ， 驅(qū)動取苗末端執(zhí)行器往復(fù)于來源盤和目標(biāo)盤進(jìn)行取苗 、移苗 、栽苗操作 ， 采用雙排鏈傳動實現(xiàn)穴盤和花盆輸送 ， 對穴盤苗的夾取操作采用氣動兩指四針鉗夾式夾缽取苗方法 。根據(jù)所設(shè)計的移栽機(jī)工作要求 ， 構(gòu)建電氣控制系統(tǒng) 。試制樣機(jī) ， 開展試驗研究 。采用直線位移傳感器系統(tǒng)檢測分析機(jī)器取苗移栽移位性能 ， 結(jié)果顯示對于 128/72 孔穴盤苗 ， 移栽效率分別達(dá)到1 221 株 /h 和 1 025 株 /h， 運(yùn)用單樣本 t 檢驗法分析得到實測取苗移位間隔與理論設(shè)定穴孔間隔無顯著差別 ， 標(biāo)準(zhǔn)差低于 0. 5， 整機(jī)工作精度準(zhǔn)確 。以當(dāng)?shù)刈孕信嘤姆N苗為移栽對象 ， 進(jìn)行溫室穴盤苗移栽生產(chǎn)試驗 ， 對比分析自動取苗移栽效能 ， 結(jié)果顯示多種穴盤苗移栽成功率平均達(dá)到 90. 70%， 苗缽?qiáng)A取破碎率低于 5%， 自動取苗移栽效果較好 。關(guān)鍵詞 : 溫室 ; 穴盤苗 ; 移栽機(jī) ; 位移傳感器中圖分類號 : S223. 92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A 文章編號 : 1000-1298( 2016) 11-0059-09收稿日期 : 2016-04-13 修回日期 : 2016-05-30基金項目 : 國家自然科學(xué)基金項目 ( 51475216) 、“十二五 ”國家科技支撐計劃項目 ( 2013BAD08B03) 、江蘇省科技支撐計劃項目( BE2014373) 、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目 ( CX( 15) 1033-5) 、江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心項目( NZXT02201402) 和江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目 ( 蘇財教 ( 2014) 37 號 )作者簡介 : 韓綠化 ( 1980) ， 男 ， 助理研究員 ， 博士 ， 主要從事穴盤苗全自動移栽關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究 ， E-mail: hlh_ujs163 com通信作者 : 毛罕平 ( 1961) ， 男 ， 教授 ， 博士生導(dǎo)師 ， 主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備和設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境控制技術(shù)研究 ， E-mail: maohp ujs edu cnDesign and Test of Automatic Transplanter for Greenhouse Plug SeedlingsHan Lühua1， 2Mao Hanping1， 2Hu Jianping1， 2Xu Jingyun1， 2Zhao Zhengrong1， 3Ma Guoxin1， 3( 1 Key Laboratory of Modern Agriculture Equipment and Technology， Ministry of Education， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China2 Jiangsu Province Synergistic Innovation Center of Modern Agricultural Equipment and Technology， Zhenjiang 212013， China3 High-tech Key Laboratory of Agricultural Equipment and Intelligence of Jiangsu Province， Zhenjiang 212013， China)Abstract: The seedlings in greenhouse at a certain stage are transplanted from high density trays into lowdensity flats for further growth and development To meet the demands of transplant production ingreenhouse， a simple-type automatic transplanter for plug seedlings was designed The transplanterconsisted of a manipulator， an end-effector and two conveyors The manipulator consisting of a motor， alinear modules and a rodless cylinder， moved the end-effector to the desired working position forextracting， transferring and discharging a seedling The conveyors were designed to move the plug tray/pot to the end-effector&#39;s working space It was the pallet-type double-row chain transmission units Theend-effector was a pincette-type mechanism using two fingers and four pins for picking up seedlingsWhen the end-effector extracted seedlings from the tray cells， its two cylinder fingers push out four pick-up pins to penetrate into the root soil deeply and then close making the pick-up pins hold the soil of theseedlings firmly for lifting When the end-effector released seedlings at the discharge point， its twocylinder fingers open making the pick-up pins loosen the soil of the seedlings and then pulled the pick-uppins back for discharging According to the requirement of automatic transplanting of greenhouseseedlings， the electric control system was configured for the prototype The step transmission for pickingup seedlings was examined with the linear displacement sensor The test results indicated that thetransplanting rate was about 1221 seedlings per hour for the 128-cell tray and 1025 seedlings per hour forthe 72-cell tray， respectively The statistical analysis of one-sample t test showed that there was nosignificant difference in the step transmissions between the testing value and the theoretical value， and thestandard deviation was less than 0. 5 The performance tests were further conducted to evaluate themachine efficiency For the four locally produced vegetable seedlings， the average success ratio inpicking up seedlings was up to 90. 70%， and the soil damage ratio was less than 5% The performanceof transplanting was satisfactoryKey words: greenhouse; plug seedling; transplanter; displacement sensor引言在商業(yè)溫室里 ， 種苗移栽生產(chǎn)已成為一項有益的生產(chǎn)模式 1。為了滿足進(jìn)一步的生長發(fā)育要求 ，溫室移栽生產(chǎn)需要將高密度穴盤培育的種苗移植到低密度穴盤 ， 或者從穴盤直接移植到花盆 。人工從事移植工作勞動強(qiáng)度大 ， 比較費時 ， 而且受人為因素影響 ， 難以及時完整移栽作業(yè) ， 栽植質(zhì)量難以保障 2。為此 ， 研發(fā)性能可靠 、經(jīng)濟(jì)適用的移植機(jī)械手 ， 對溫室種苗移栽生產(chǎn)具有重要實用價值 。國外已報道的溫室穴盤苗移栽機(jī)研究 ， 主要是用于成熟的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)測試分析不同取苗爪進(jìn)行穴盤苗移栽的工作能力和適應(yīng)性 3 6， 這些研究為溫室移栽裝備研發(fā)提供了指導(dǎo) 。目前 ， 全自動移栽機(jī)已在設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用 7。這類溫室全自動移栽機(jī)性能很好 ， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 價格昂貴 ， 使用維護(hù)困難 ， 而且與我國的育苗技術(shù)及其他移栽輔助作業(yè)不配套 ， 從而降低了移栽成功率和移栽效率 。近年來 ， 我國學(xué)者積極開展溫室穴盤苗自動移栽技術(shù)研究 8 17。總的來看 ， 所研制的移栽機(jī)工作效率偏低 ， 為 675 株 /h 8、500 株 /h 9、800 株 /h 10，移栽成功率低 ， 苗缽崩壞率達(dá)到 10% 左右 8。需要進(jìn)一步開展溫室穴盤苗移栽針對性研究 ， 推動穴盤育苗移栽產(chǎn)業(yè)快速高效和可持續(xù)發(fā)展 ， 提高設(shè)施園藝機(jī)械化水平 。本文針對溫室穴盤苗移栽生產(chǎn)需要 ， 設(shè)計一種輕簡型鉗夾式夾缽取苗移栽機(jī) ， 對移栽機(jī)進(jìn)行測試分析 ， 并開展自動取苗移栽試驗研究 ， 分析其實際工作效能 。1 整機(jī)功能設(shè)計如圖 1 所示 ， 所設(shè)計的溫室穴盤苗自動移栽機(jī)為笛卡爾運(yùn)動系統(tǒng) ， 采用龍門架型機(jī)械手構(gòu)造 ， 由移栽機(jī)械臂 、取苗末端執(zhí)行器 、來源盤 /目標(biāo)盤輸送機(jī)構(gòu) 、控制系統(tǒng)等組成 。來源盤 /目標(biāo)盤輸送機(jī)構(gòu)分別用來輸送苗盤 /花盆到取苗末端執(zhí)行器的工作位置( A、C) ， 由直線模組和無桿氣缸組合構(gòu)造的移栽機(jī)械臂驅(qū)動末端執(zhí)行器從來源盤夾取穴盤苗 ( A) ， 移送 ( B) 至目標(biāo)盤栽植 ( C) 。圖 1 溫室穴盤苗輕簡型自動移栽機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig1 Schematic of simple-type automatic transplanterfor greenhouse plug seedlings1 來源盤輸送機(jī)構(gòu) 2 穴盤 3 穴盤苗 4 取苗末端執(zhí)行器5 無桿氣缸 6 直線模組 7 機(jī)架 8、11 電動機(jī) 9 光電開關(guān)10 控制系統(tǒng) 12 花盆 13 輸送鏈 14 橫梁桿 15 目標(biāo)盤輸送機(jī)構(gòu)以穴盤移栽幼苗到花盆為例 ， 移栽系統(tǒng)的工作過程如下 :( 1) 電動機(jī)驅(qū)動直線模組的滑塊帶動末端執(zhí)行器到來源盤幼苗正上方 ， 無桿氣缸上端進(jìn)氣 、下端回氣放下滑塊 ， 使得末端執(zhí)行器到達(dá)取苗點 ( A) 。( 2) 末端執(zhí)行器出針刺入苗缽抓緊幼苗 ， 無桿氣缸下端進(jìn)氣 、上端回氣 ， 從而提升末端執(zhí)行器使得幼苗被取出 。( 3) 保持幼苗提升狀態(tài) ， 從來源盤直線運(yùn)輸幼苗到目標(biāo)花盆 ( B) 。( 4) 在目標(biāo)花盆上方 ， 無桿氣缸上端進(jìn)氣 、下端回氣放下滑塊 ， 使得末端執(zhí)行器到達(dá)放苗點 ( C) ， 末端執(zhí)行器執(zhí)行釋放幼苗動作 ， 完成一次取苗 移06 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報 2 0 1 6 年苗 栽苗工作 。( 5) 依次類推 ， 分別從來源盤靠近目標(biāo)花盆一側(cè)的穴孔里取苗 ， 逐個移栽幼苗到目標(biāo)花盆 ， 取完整排苗后來源盤進(jìn)給一個穴孔位 ， 取完整盤輸送新的來源盤 。2 關(guān)鍵部件設(shè)計2. 1 移栽機(jī)械臂移栽機(jī)械臂相當(dāng)于人的手臂 ， 在標(biāo)記 X-Y 平面內(nèi)驅(qū)動取苗末端執(zhí)行器到要求的工作位置 ， 主要由電動機(jī) 、直線模組 、無桿氣缸等構(gòu)成 。其中 ， 直線模組系統(tǒng)由電動機(jī)驅(qū)動 ， 形成從來源盤到目標(biāo)盤 X 方向平行移位功能 ， 無桿氣缸緊固在直線模組的滑塊上 ， 形成 Y 方向升降功能 ， 二者配合形成取苗 ( A) 移苗 ( B) 栽苗 ( C) 工作軌跡 ( 見圖 1) 。在設(shè)計中 ， 移栽機(jī)械臂往復(fù)移送功能采用直角坐標(biāo)機(jī)器人上使用的直線模組結(jié)構(gòu)實現(xiàn) 。其工作原理是 : 傳動帶安裝在直線模組兩側(cè)的傳動軸 ， 其中一端作為動力輸入軸 ， 在開口傳動帶上固定一塊用于增加設(shè)備工件的滑塊 。當(dāng)有動力輸入時 ， 通過帶輪帶動傳動帶而使滑塊運(yùn)動 。通過選型比較 ， 選用東莞遠(yuǎn)程自動化科技有限公司生產(chǎn)的 CCMW50 重載同步帶直線模組 ， 有效行程為 1000 mm， 能滿足幼苗從高密度穴盤移植到低密度穴盤的跨度需要 。移栽機(jī)械臂上下升降功能采用無桿氣缸方式實現(xiàn) 。由于采用氣動方式實現(xiàn) ， 取苗提升動作迅速 ， 其輸出力以及工作速度靈活可調(diào) 。此外 ， 在無桿氣缸兩端配置油壓緩沖裝置 ， 可減小沖擊力 ， 也能調(diào)節(jié)活塞移動行程 ， 從而適應(yīng)不同植株高度的幼苗取苗 ， 以縮短移位距離 ， 提高運(yùn)行效率 。這里 ， 選用日本株式會社小金井生產(chǎn)的 OV 系列開口式無桿氣缸 ， 對照選型表 ， 型號 OV16 滿足取苗提升力 12設(shè)計要求 ，其許用軸向彎矩為 3. 2 N·m， 選擇工作有效行程為200 mm， 可滿足多數(shù)穴盤苗植株取苗高度要求 17 18。2. 2 取苗末端執(zhí)行器如圖 2 所示 ， 取苗末端執(zhí)行器相當(dāng)于人的手指 ，采用鑷子型兩指四針鉗夾式結(jié)構(gòu) 12， 主要由氣缸機(jī)械手指 、橡膠氣囊 、限位塊 、收緊彈簧 、擋塊 、夾取針等組成 。其中 ， 氣缸機(jī)械手指在限位塊內(nèi)繞 T 型骨架上的轉(zhuǎn)軸擺轉(zhuǎn) ， 由雙作用微型氣缸 、管接頭 、緊固在活塞桿上的夾取針和手指擋塊組成 ， 夾取針為叉子型 ， 在雙作用微型氣缸推拉下沿著手指擋塊孔伸縮 ， 從而構(gòu)造成兩指兩側(cè)各伸縮兩針 。兩根氣缸機(jī)械手指在彈簧收緊作用下并行夾住橡膠氣囊 ， 當(dāng)橡膠氣囊充氣時 ， 撐開兩根氣缸機(jī)械手指 ， 當(dāng)橡膠氣囊放氣時 ， 借助于收緊彈簧作用力 ， 兩根氣缸機(jī)械手指合攏閉合 。其工作原理為通過兩根氣缸機(jī)械手指伸出 4 根夾取針插入穴盤苗缽體 ， 氣缸機(jī)械手指合攏夾取針夾緊缽體 ， 在取苗裝置帶動下取出苗缽 ， 通過橡膠氣囊撐開 2 根氣缸機(jī)械手指 ， 4 根夾取針放松夾持缽體 ， 2 根氣缸手指回縮夾取針脫離穴盤苗缽體來放苗 。圖 2 兩指四針鉗夾式取苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖Fig2 Schematic of pincette-type end-effector withtwo figures and four pins for picking up seedlings1 T 型骨架 2 轉(zhuǎn)軸 3 管接頭 4 墊塊 5 橡膠氣囊 6 支撐桿 7 雙作用微型氣缸 8 收緊彈簧 9 限位塊 10 擋塊11 活塞桿 12 幼苗 13 夾取針 14 缽體 15 穴孔 16 限位螺釘 17 腰型槽根據(jù)我國穴盤苗移栽生產(chǎn)實際情況 ， 設(shè)計了取苗末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù) 12。在實際應(yīng)用中 ， 通過調(diào)節(jié)收緊彈簧的預(yù)緊量能有效控制對穴盤苗缽體的夾持力度 ， 并且通過調(diào)節(jié)氣缸機(jī)械手指在 T 型骨架腰型槽和限位塊螺釘?shù)陌惭b距離 ， 能獲取不同夾取針開度 ， 以適應(yīng)不同規(guī)格尺寸穴盤苗夾取作業(yè) 。2. 3 輸送機(jī)構(gòu)根據(jù)要求的移栽操作 ， 設(shè)計輸送裝置移送來源盤 /目標(biāo)盆到取苗末端執(zhí)行器的工作位置 。其結(jié)構(gòu)上采用雙排鏈輸送單元 ， 由鏈輪 、鏈條 、轉(zhuǎn)軸 、電動機(jī)等組成 。雙排鏈之間傳輸穴盤 /花盆 ， 設(shè)計時附加橫桿推送 。主動鏈輪連通電動機(jī) ， 帶動鏈條橫連桿移動 ， 使穴盤 /花盆實現(xiàn)按需水平間歇步進(jìn)移位 。在整排苗被取完移栽后 ， 進(jìn)給一個穴孔位進(jìn)行下一排苗夾取 。而目標(biāo)花盆實現(xiàn)流水線間歇輸送 ?？紤]控制簡單 ， 選用步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動輸送裝置 ， 同時配置多個對射光電傳感器 ， 通過探測穴盤或者花盆前側(cè)邊緣來判斷輸送位置信息 。2. 4 控制系統(tǒng)針對所設(shè)計的溫室穴盤苗移栽機(jī) ， 取苗臂往復(fù)移位采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng) ， 采用激光光電開關(guān)檢測是否到位來控制電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制方式 ， 氣動回路控制采用多路磁性開關(guān)狀態(tài)檢測與電磁閥通斷控制結(jié)構(gòu) 。于是有 3 套步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng) ， 使用 6 個光電開關(guān)配合接近開16第 11 期 韓綠化 等 : 溫室穴盤苗自動移栽機(jī)設(shè)計與試驗關(guān)檢測步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動的位置信息 ， 使用6 個磁性開關(guān)傳感器檢查氣動執(zhí)行狀態(tài)信息 ， 3 個電磁閥控制 3 個執(zhí)行氣缸動作 ， 其系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)如圖 3 所示 。圖 3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig3 Hardware structure diagram of control system根據(jù)控制主體設(shè)計 ， 選用北京多普康自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 TOP5530 型三軸運(yùn)動控制器 。在具體使用中 ， 對步進(jìn)電動機(jī)移動系統(tǒng)采用 S 形加減速曲線控制 ， 根據(jù)所用步進(jìn)電動機(jī)特性和驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點 ， 確定啟動頻率 、啟動時間 、啟動速度等參數(shù) 19。為了及時快速響應(yīng)各個夾取動作 ， 對氣動執(zhí)行元件動作到位信息進(jìn)行檢測 ， 以到位磁性開關(guān)的檢測信號為觸發(fā)信號啟動下一執(zhí)行動作 ， 從而使取苗末端執(zhí)行器具備感應(yīng)能力 。最終 ， 根據(jù)溫室穴盤苗自動移栽工作要求 ， 編制控制軟件 ， 實現(xiàn)自動供苗 、送盆以及取苗 、移苗 、栽苗等移栽操作 。3 試驗與結(jié)果分析3. 1 取苗移位試驗3. 1. 1 試驗方案對取苗移位進(jìn)行檢測 ， 分析移位運(yùn)動特性 ， 以考核移栽系統(tǒng)作業(yè)性能是否達(dá)到設(shè)計要求 ， 為機(jī)器的進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù) 。試驗方案為 : 采用直線位移傳感器對自動取苗移位運(yùn)動狀態(tài)檢測 ， 方法是將拉桿式直線位移傳感器的伸縮拉桿緊固在取苗末端執(zhí)行器上 ， 獲取自動取苗移栽過程中末端執(zhí)行器位置變化以及外界振動干擾引起的位移應(yīng)變信號 ， 經(jīng)隔離變送器輸入到數(shù)據(jù)采集儀記錄 ， 通過數(shù)據(jù)分析研究移栽機(jī)實際運(yùn)行動態(tài)特性 。所用儀器如表 1 所示 。表 1 取苗移位檢測儀器Tab1 Instruments of transplanting transmission tests名稱 型號 主要技術(shù)特性 生產(chǎn)企業(yè)直線位移傳感器 KTC-600mm線性精度 ( ± % FS) : ± 0. 05%， 重復(fù)性精度 : 0. 01 mm，最大工作速度 : 10 m/s深圳市淞研精工科技有限公司插頭式變送模塊 BZ2204A輸出信號模式 : 0. 5 V， 將 12 24 V 工作電壓穩(wěn)壓成 5 V的電壓信號 ， 并輸出電壓信號深圳市淞研精工科技有限公司數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng) BZ7201 USB 接口數(shù)據(jù)采集儀 ， 分辨率 : 16 位 ， 采樣頻率 : 200 kHz 北戴河蘭德科技有限責(zé)任公司圖 4 自動對穴取苗移位檢測Fig4 Tests for transplanting transmission of picking up seedlings from tray cells1 末端執(zhí)行器 2 無桿氣缸 3 直線模組 4 機(jī)架 5 直線位移傳感器 6 計算機(jī) 7 控制系統(tǒng)自動移位檢測試驗如圖 4a 所示 。將直線位移傳感器機(jī)體安裝在自動移栽機(jī)械手機(jī)架上 ， 其伸縮拉桿沿取苗水平移位方向與無桿氣缸上端緊固 ， 通過驅(qū)動末端執(zhí)行器從而帶動直線位移傳感器拉桿伸縮 ， 引起直線位移傳感器阻值壓變 ， 最終將直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電信號 ， 從而檢測移栽機(jī)實際運(yùn)行動態(tài)特性 。應(yīng)用前對直線位移檢測系統(tǒng)進(jìn)行移動位移量與測量電壓信號關(guān)系標(biāo)定 ， 采樣頻率為 1 000 Hz。對標(biāo)定結(jié)果擬合 ， 如圖 4b 所示 ， 得到實際位移 Dp( mm) 與位移傳感器電壓測量值 Vout( mV) 的關(guān)系 :26 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報 2 0 1 6 年Dp=0. 187 7Vout+2. 320 1， 其線性擬合度為 0. 999 8，具有較好的線性度 。設(shè)定從穴盤移栽幼苗到花盆 ， 分別進(jìn)行 128 孔 、72 孔兩種規(guī)格穴盤自動取苗移位檢測 ， 系統(tǒng)以高速狀態(tài)運(yùn)行 ( 控制器步進(jìn)移位設(shè)定為 1 000 mm/min，氣動以不產(chǎn)生沖擊為準(zhǔn) ) ， 無桿氣缸全行程工作 。理論設(shè)定兩種規(guī)格穴盤的穴孔間隔為 32 mm( 128 穴盤 ) 、42. 5 mm( 72 穴盤 ) ， 花盆設(shè)定尺寸為口徑 360 mm。進(jìn)行 128/72 穴盤單排苗連續(xù)取苗往復(fù)移位 ， 重復(fù) 10 次試驗 。試驗后采用 SPSS 18. 0 軟件對所獲數(shù)據(jù)作統(tǒng)計方差分析 ， 設(shè)顯著水平 =0. 05。3. 1. 2 結(jié)果與分析圖 5 為從穴盤移栽幼苗到花盆的取苗移位位移與時間關(guān)系圖 ， 采用單個取苗末端執(zhí)行器工作 ， 對于128 穴盤苗 ， 取完整排苗需移位 8 次 ( -) ， 對于72 穴盤苗 ， 取完整排苗需移位 6 次 ( -) 。圖 5 從穴盤取苗移位到花盆位移檢測結(jié)果Fig5 Testing results of transplanting transmission from tray cells to pots如圖 5 所示 ， 從穴盤移栽幼苗到花盆 ， 一個移栽過程主要包括取苗和栽苗兩個環(huán)節(jié) ， 并且在時間和路程上取苗與栽苗相等 。其中 ， 取苗過程分為取苗移位和取苗執(zhí)行兩部分 ， 栽苗過程分為栽苗移位和栽苗執(zhí)行兩部分 ， 取苗移位和栽苗移位對等 ， 取苗執(zhí)行和栽苗執(zhí)行對等 。采用步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動末端執(zhí)行器移位 ， 利用氣動方式實現(xiàn)取苗和栽苗動作 ， 在取苗和栽苗的過程中氣動和步進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生了高頻振動信號 ， 表現(xiàn)在數(shù)據(jù)圖上為取苗點 ( 圖 5a 中-和圖 5b 中 -) 和栽苗點的噪聲信號 ， 而在取苗和栽苗移位的過程中系統(tǒng)以平滑的 S 形曲線運(yùn)行 ， 表明選用的控制器以及步進(jìn)移位參數(shù)設(shè)定較好 ，而在取苗點和栽苗點應(yīng)注意調(diào)節(jié)氣動沖擊和電動機(jī)啟動停車的平穩(wěn)性 。如圖 5a 所示 ， 從移栽時間上看 ， 每移栽 8 株苗 ，所得 10 次測試分析的平均運(yùn)行時間 T1為 23.579 s， 則移栽效率約為 20. 36 株 /min。如圖 5b 所示 ， 每移栽6 株苗 ， 所得 10 次測試分析的平均運(yùn)行時間 T2為21. 065 s， 則移栽效率約為 17. 09 株 /min， 與荷蘭飛梭 PC-21 全自動移栽機(jī)工作效率 7相當(dāng) ， 對于 128/72 孔穴盤苗 ， 移栽效率分別達(dá)到 20 株 /min( 128 孔穴盤苗 ) 和 17. 1 株 /min( 72 孔穴盤苗 ) 。但是采用單個取苗末端執(zhí)行器工作 ， 在相同的穴盤輪廓尺寸與花盆間距下 ， 128 孔穴盤布局要比 72 孔穴盤布局移栽效率高 ， 每分鐘多移栽 3. 27 株幼苗 ， 主要原因是兩種穴盤穴孔間隔和孔數(shù)不同 ， 雖然取完 72 穴盤整排苗節(jié)省了運(yùn)行時間 ， 比 128 穴盤少用 2. 514 s，但移栽株數(shù)相對少 2 株 。此外 ， 以高于幼苗高度為準(zhǔn) ， 通過調(diào)節(jié)無桿氣缸上油壓緩沖器來改變滑塊行程 ， 可以縮短末端執(zhí)行器上下升降移位時間 ， 能進(jìn)一步提高移栽工作效率 。為了使穴盤 /花盆輸送與取苗栽苗協(xié)調(diào)配合 ， 需要分析移栽過程中最短運(yùn)行時間 ， 以保證在下次取苗前來源盤輸送到位和在下次栽苗前目標(biāo)盆輸送到位 。從移栽過程分析來看 ， 來源盤輸送的動作執(zhí)行是在整排苗中最后 1 株幼苗取完后開始 ， 到下次取苗到來前完成來源盤輸送 ， 而目標(biāo)盆輸送的動作執(zhí)行是在每次栽完苗之后開始 ， 到下次栽苗到來前完成目標(biāo)盆輸送 ， 分別對應(yīng) t1和 t2時間段 ( 見圖 5a、5b中 ) 。因此 ， 來源盤是整排苗取完之間的空檔時間移位 ， 目標(biāo)盆是每兩株苗之間的最短空檔時間移位 。在所測試的移栽效率下 ， 對移位檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 ，得出 128 穴孔來源盤輸送時間為 1. 937 s， 72 穴孔來源盤輸送時間為 2. 491 s， 128 穴盤對應(yīng)的目標(biāo)盆輸送最短時間為 1. 623 s， 72 穴盤對應(yīng)的目標(biāo)盆輸送最短時間為 2. 036 s。與移位間隔相比較 ， 可得能同時滿足兩種規(guī)格穴盤 /花盆移栽輸送的最低平均速度為 20. 87 mm/s， 即為穴盤 /花盆輸送系統(tǒng)的運(yùn)行速度條件 。在滿足運(yùn)行速度的條件下 ， 末端執(zhí)行器相鄰兩次取苗移位間隔 ( 圖 5 中 h1、h2) 應(yīng)達(dá)到理論設(shè)定的穴孔間距要求 ， 以保證從穴孔里準(zhǔn)確取苗 。由于在36第 11 期 韓綠化 等 : 溫室穴盤苗自動移栽機(jī)設(shè)計與試驗取苗點和栽苗點存在高頻噪聲信號干擾 ， 對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理 ， 獲得取苗移位平滑信號曲線 。針對 128 孔穴盤和 72 孔穴盤 ， 分別取出相鄰兩次取苗移位采集得到的間隔數(shù)據(jù) ， 各有 70 組和 50組數(shù)據(jù) 。把理論設(shè)計所用穴盤穴孔間隔當(dāng)作比較值 ， 將測試所得取苗移位間隔 ( 圖 5 中 h1、h2) 與理論設(shè)計穴孔間隔進(jìn)行單樣本 t 檢驗 ( =0. 05) 。從單樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出 ， 128、72 穴盤自動取苗移位的平均值分別為 32. 108 6 mm、42. 586 6 mm， 標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0. 502 6、0. 404 7。檢驗結(jié)果如表 2 所示 。表 2 取苗移位單樣本 t 檢驗結(jié)果Tab2 One-sample t test of transplanting transmission for picking up seedlings from tray cells檢驗值 t 統(tǒng)計量 自由度 p 值 ( 雙側(cè) ) 均值差值差分的 95%置信區(qū)間下限 上限32( 128 穴盤 ) 1. 808 7 69 0. 074 8 0. 108 6 0. 011 2 0. 228 542. 5( 72 穴盤 ) 1. 513 0 49 0. 137 0 0. 086 6 0. 028 4 0. 201 6從表 2 檢驗結(jié)果可以看出 ， 對于 128 孔穴盤和72 孔穴盤 ， 檢驗 p 值均大于顯著水平 0. 05， 表明實測取苗移位間隔與理論設(shè)計穴孔間隔無顯著差別 。通過實測檢驗分析 ， 驗證了所設(shè)計自動取苗移位系統(tǒng)的可靠性 ， 能精準(zhǔn)達(dá)到對穴移位取苗功能 。另外 ，在自動移栽試驗中 ， 調(diào)整末端執(zhí)行器夾取針開合距離時 ， 應(yīng)注意自動取苗移位偏差 ， 防止夾取針插入苗缽的過程中超越移位偏差邊界刺破穴盤 ， 從而不能對正取苗 。3. 2 自動移栽試驗3. 2. 1 試驗方案以番茄 、黃瓜 、辣椒 、西蘭花為移栽對象 ， 取苗末端執(zhí)行器按最優(yōu)工作參數(shù)組合 12進(jìn)行多種穴盤苗自動移栽試驗 ， 同時考慮取苗移位偏差影響 ， 試驗情況如圖 6 所示 。在試驗中 ， 分別從 128 孔穴盤和 72孔穴盤移栽幼苗到花盆 ( 使用 50 孔穴盤代替 ) 。所用穴盤苗來自江蘇省鎮(zhèn)江市當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶自行培育的種苗 ， 其生長特性如表 3 所示 。每個試驗中 ， 連續(xù)移栽整盤苗 ， 重復(fù) 3 次 。移栽工作效率為 128 孔穴盤20 株 /min， 72 孔穴盤 17 株 /min。自動移栽試驗如圖 6 所示 ， 記錄試驗結(jié)果并作數(shù)據(jù)分析 。取苗成功率代表了取苗 、帶苗 、投苗的成功情況 ， 是自動取苗移栽性能好壞的綜合表現(xiàn) 。這里移栽成功率 S定義為S=NSF NMS NFF NLDNSF NMS×100%式中 NSF進(jìn)給穴孔總數(shù) ， 個NMS空穴數(shù) ， 個NFF取苗失敗數(shù) ， 主要包括幼苗未被取出 、根坨破碎過半以及未成功投苗數(shù) ， 株NLD傷苗數(shù) ， 株對于蔬菜穴盤苗 ， 夾取針刺破葉子 ， 或者單個葉子被撕扯掉等現(xiàn)象 ， 不會對幼苗后期生長造成太大圖 6 輕簡型溫室穴盤苗移栽機(jī)自動移栽試驗裝置Fig6 Test equipment for transplanting of simple-typeautomatic transplanter for greenhouse plug seedlings1 直線模組 2 無桿氣缸 3 機(jī)架 4 控制器 5 氣動回路6 空壓機(jī) 7 目標(biāo)盤 8 來源盤 9 取苗末端執(zhí)行器 10 穴盤苗 11 壓盤條 12 分苗板的影響 ， 這里 NLD只統(tǒng)計幼苗主莖折斷情況 。3. 2. 2 結(jié)果與分析自動取苗移栽性能試驗結(jié)果如表 4 所示 。由表 4 知 ， 128 孔穴孔和 72 孔穴孔黃瓜穴盤苗的取苗移栽成功率分別為 83. 59%和 86. 57%， 自動取苗移栽效果最差 ， 其余 3 種穴盤苗的取苗移栽成功率均在 90%以上 。其中 ， 西蘭花的自動取苗移栽效果最好 ， 移栽成功率為 93. 60% ( 128 孔穴盤 ) 和 93. 87%( 72 孔穴盤 ) ， 其次是辣椒和番茄 ， 辣椒穴盤苗自動取苗移栽效果高于番茄穴盤苗 ?？偟膩砜?， 對于同一種穴盤苗 ， 72 孔穴盤的取苗移栽成功率均高于128 孔穴盤 ， 穴孔大一點成功取苗移栽的可能性增大 。分別對 128 孔穴盤苗和 72 孔穴盤苗移栽不成功的情況與供試情況作比較 ， 如圖 7 所示 。如圖 7a顯示 ， 對于 128 孔穴盤育苗移栽 ， 辣椒穴盤苗未取出數(shù)最多 ， 達(dá)到 4%， 其次是黃瓜和西蘭花穴盤苗 ， 番茄穴盤苗未取出數(shù)最少 。對于 72 孔穴盤育苗移栽 ，穴盤苗未取出數(shù)百分比由大到小依次為辣椒 、番茄 、黃瓜 、西蘭花 。使用柱塞將未取出的穴盤苗從穴孔排水口頂出 ， 發(fā)現(xiàn)這些苗缽的盤根較少 ， 根系沒有從46 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報 2 0 1 6 年表 3 移栽用穴盤苗的生長特性Tab3 Growth characteristics of seedlings used in performance tests穴盤孔數(shù) 種類 苗齡 /d 根坨含水率 /% 葉片數(shù) 株高 /mm 葉長 /mm 葉寬 /mm番茄 32 57. 49 ±2 2 3 真葉 112. 50 ±6. 75 37. 55 ±5. 49 23. 19 ±4. 11黃瓜 20 58. 72 ±2 2 子葉 1 心葉 72. 62 ±5. 51 41. 25 ±5. 17 24. 47 ±4. 68128 辣椒 42 56. 24 ±2 3 4 真葉 178. 80 ±8. 05 33. 91 ±6. 52 22. 26 ±3. 14西蘭花 31 59. 01 ±2 2 3 真葉 86. 75 ±8. 99 75. 31 ±8. 65 50. 19 ±8. 04番茄 45 58. 63 ±2 4 5 真葉 131. 65 ±5. 28 39. 43 ±4. 67 24. 09 ±4. 63黃瓜 31 59. 84 ±2 1 葉 1 心 87. 46 ±6. 15 62. 54 ±6. 43 35. 68 ±6. 4472 辣椒 51 58. 49 ±2 5 6 真葉 182. 17 ±6. 41 37. 19 ±5. 75 28. 62 ±4. 17西蘭花 38 58. 47 ±2 4 5 真葉 90. 14 ±6. 34 81. 46 ±7. 37 57. 08 ±7. 74注 : 株高 、葉長 、葉寬數(shù)據(jù)為算術(shù)平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)偏差 。表 4 自動取苗性能試驗結(jié)果Tab4 esults of performance tests for automatic transplanting穴盤孔數(shù) 種類NSFNMSNFF1NFF2NLDNFF3S/%番茄 384 9 4 15 9 9 90. 13128黃瓜 384 0 6 12 33 12 83. 59辣椒 384 0 15 12 0 0 92. 97西蘭花 384 9 6 6 12 0 93. 60番茄 216 7 4 6 5 3 91. 3972黃瓜 216 0 3 5 14 7 86. 57辣椒 216 2 6 4 2 2 93. 46西蘭花 216 4 2 4 4 3 93. 87注 : NFF1為幼苗未被取出數(shù) ; NFF2為根坨破碎過半數(shù) ; NFF3為未成功投苗數(shù) 。圖 7 自動移栽試驗不成功情況分析Fig7 Failure analysis in automatic transplanting seedlings from tray cells穴孔底部到上部包裹基質(zhì)體 。結(jié)合苗缽破碎情況( 圖 7b) ， 多種穴盤苗自動夾取缽體過半的破碎率低于 5%， 對于同一種穴盤 ， 破碎率由大到小依次為番茄 、黃瓜 、辣椒 、西蘭花 。進(jìn)一步檢查苗缽結(jié)構(gòu)體 ， 缽體破碎源自根系包裹不嚴(yán)密 ， 只取出苗莖主根區(qū)一團(tuán)基質(zhì) ， 大部分苗缽殘留在穴孔內(nèi) 。對盤根性差的穴盤苗應(yīng)改善育苗根系結(jié)構(gòu) 。從圖 7c 可以看出 ， 黃瓜穴盤苗斷莖情況比較嚴(yán)重 ， 這是黃瓜苗莖干生理結(jié)構(gòu)脆弱所致 。雖然西蘭花苗缽質(zhì)量最好 ， 但斷莖情況僅次于黃瓜穴盤苗 ， 主要是西蘭花幼苗芽頂部折斷 ， 分析發(fā)現(xiàn)試驗用西蘭花穴盤苗植株多數(shù)彎曲 ，取苗時夾取針容易壓折苗莖 ， 導(dǎo)致芽頂折斷 。番茄56第 11 期 韓綠化 等 : 溫室穴盤苗自動移栽機(jī)設(shè)計與試驗穴盤苗比較硬實 ， 但在夾取過程中由于植株龐大 ， 機(jī)械提取時不易折彎 ， 有很多折傷的情況 。辣椒穴盤苗斷莖數(shù)很少 ， 主要原因是辣椒苗生性直立 ， 葉子滑溜 ， 夾取很順暢 ， 但 72 孔穴盤培育的辣椒苗植株比較大 ， 取苗時有折斷現(xiàn)象 。在未成功釋放穴盤苗方面 ， 黃瓜和番茄穴盤苗未成功投苗數(shù)較多 ( 圖 7d) ，最高為 3. 24%， 試驗時發(fā)現(xiàn)黃瓜和番茄幼苗植株冠幅較大 ， 投苗時幼苗葉子牽掛糾纏在取苗末端執(zhí)行器上 ， 不能準(zhǔn)確定點釋放 ， 對 72 穴孔辣椒苗和西蘭花苗也是這種情況 。機(jī)械化移栽時 ， 使用根系發(fā)達(dá)的矮壯苗有利于生產(chǎn)作業(yè) 20。單從自動取苗移栽成功率來看 ， 4 種穴盤苗平均取苗移栽成功率為 90. 70%。所設(shè)計的溫室穴盤苗移栽機(jī)能較好地從穴盤中抓取幼苗 ， 并移送至生長盤 /花盆栽植 。相比國內(nèi)其它的移栽機(jī)構(gòu) 8， 10， 所研制的移栽機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單 ， 功能精確 ， 并經(jīng)濟(jì)適用于當(dāng)?shù)氐囊圃陨a(chǎn) 。與荷蘭 PC-21 型移栽機(jī) 7相比 ， 在相當(dāng)?shù)娜∶缫圃运俣认?， 多種穴盤苗移栽效果較好 ， 并且所設(shè)計的溫室穴盤苗自動移栽裝置通過機(jī)械 、電氣 、氣動技術(shù)的優(yōu)化配置 ， 使其結(jié)構(gòu)簡單 。然而仍需要從園藝條件</p>