溫室穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

<p>2 0 1 6 年 11 月 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 第 47 卷 第 11 期doi: 106041/j issn1000-1298201611008溫室穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)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(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 鎮(zhèn)江 212013)摘要 : 針對(duì)種苗從高密度穴盤(pán)移植到低密度穴盤(pán) ， 或者從穴盤(pán)直接移植到花盆的溫室穴盤(pán)苗移栽生產(chǎn)需要 ， 設(shè)計(jì)了一種輕簡(jiǎn)型自動(dòng)移栽機(jī) 。利用成熟的直線模組和無(wú)桿氣缸組合設(shè)計(jì)出自動(dòng)移栽機(jī)械臂 ， 驅(qū)動(dòng)取苗末端執(zhí)行器往復(fù)于來(lái)源盤(pán)和目標(biāo)盤(pán)進(jìn)行取苗 、移苗 、栽苗操作 ， 采用雙排鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)和花盆輸送 ， 對(duì)穴盤(pán)苗的夾取操作采用氣動(dòng)兩指四針鉗夾式夾缽取苗方法 。根據(jù)所設(shè)計(jì)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(kāi)展試驗(yàn)研究 。采用直線位移傳感器系統(tǒng)檢測(cè)分析機(jī)器取苗移栽移位性能 ， 結(jié)果顯示對(duì)于 128/72 孔穴盤(pán)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(yàn)法分析得到實(shí)測(cè)取苗移位間隔與理論設(shè)定穴孔間隔無(wú)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(duì)象 ， 進(jìn)行溫室穴盤(pán)苗移栽生產(chǎn)試驗(yàn) ， 對(duì)比分析自動(dòng)取苗移栽效能 ， 結(jié)果顯示多種穴盤(pán)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(dòng)取苗移栽效果較好 。關(guān)鍵詞 : 溫室 ; 穴盤(pán)苗 ; 移栽機(jī) ; 位移傳感器中圖分類號(hào) : S223. 92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 文章編號(hào) : 1000-1298( 2016) 11-0059-09收稿日期 : 2016-04-13 修回日期 : 2016-05-30基金項(xiàng)目 : 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 ( 51475216) 、“十二五 ”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 ( 2013BAD08B03) 、江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目( BE2014373) 、江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)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(xiàng)目( NZXT02201402) 和江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目 ( 蘇財(cái)教 ( 2014) 37 號(hào) )作者簡(jiǎn)介 : 韓綠化 ( 1980) ， 男 ， 助理研究員 ， 博士 ， 主要從事穴盤(pán)苗全自動(dòng)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(xiàng)有益的生產(chǎn)模式 1。為了滿足進(jìn)一步的生長(zhǎng)發(fā)育要求 ，溫室移栽生產(chǎn)需要將高密度穴盤(pán)培育的種苗移植到低密度穴盤(pán) ， 或者從穴盤(pán)直接移植到花盆 。人工從事移植工作勞動(dòng)強(qiáng)度大 ， 比較費(fèi)時(shí) ， 而且受人為因素影響 ， 難以及時(shí)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(duì)溫室種苗移栽生產(chǎn)具有重要實(shí)用價(jià)值 。國(guó)外已報(bào)道的溫室穴盤(pán)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(cè)試分析不同取苗爪進(jìn)行穴盤(pán)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(dòng)移栽機(jī)已在設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用 7。這類溫室全自動(dòng)移栽機(jī)性能很好 ， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 價(jià)格昂貴 ， 使用維護(hù)困難 ， 而且與我國(guó)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(lái) ， 我國(guó)學(xué)者積極開(kāi)展溫室穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽技術(shù)研究 8 17?？偟膩?lái)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(kāi)展溫室穴盤(pán)苗移栽針對(duì)性研究 ， 推動(dòng)穴盤(pán)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(duì)溫室穴盤(pán)苗移栽生產(chǎn)需要 ， 設(shè)計(jì)一種輕簡(jiǎn)型鉗夾式夾缽取苗移栽機(jī) ， 對(duì)移栽機(jī)進(jìn)行測(cè)試分析 ， 并開(kāi)展自動(dòng)取苗移栽試驗(yàn)研究 ， 分析其實(shí)際工作效能 。1 整機(jī)功能設(shè)計(jì)如圖 1 所示 ， 所設(shè)計(jì)的溫室穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)為笛卡爾運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) ， 采用龍門(mén)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(lái)源盤(pán) /目標(biāo)盤(pán)輸送機(jī)構(gòu) 、控制系統(tǒng)等組成 。來(lái)源盤(pán) /目標(biāo)盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)分別用來(lái)輸送苗盤(pán) /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(wú)桿氣缸組合構(gòu)造的移栽機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器從來(lái)源盤(pán)夾取穴盤(pán)苗 ( A) ， 移送 ( B) 至目標(biāo)盤(pán)栽植 ( C) 。圖 1 溫室穴盤(pán)苗輕簡(jiǎn)型自動(dòng)移栽機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig1 Schematic of simple-type automatic transplanterfor greenhouse plug seedlings1 來(lái)源盤(pán)輸送機(jī)構(gòu) 2 穴盤(pán) 3 穴盤(pán)苗 4 取苗末端執(zhí)行器5 無(wú)桿氣缸 6 直線模組 7 機(jī)架 8、11 電動(dòng)機(jī) 9 光電開(kāi)關(guān)10 控制系統(tǒng) 12 花盆 13 輸送鏈 14 橫梁桿 15 目標(biāo)盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)以穴盤(pán)移栽幼苗到花盆為例 ， 移栽系統(tǒng)的工作過(guò)程如下 :( 1) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直線模組的滑塊帶動(dòng)末端執(zhí)行器到來(lái)源盤(pán)幼苗正上方 ， 無(wú)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(diǎn) ( A) 。( 2) 末端執(zhí)行器出針刺入苗缽抓緊幼苗 ， 無(wú)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(lái)源盤(pán)直線運(yùn)輸幼苗到目標(biāo)花盆 ( B) 。( 4) 在目標(biāo)花盆上方 ， 無(wú)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(diǎn) ( C) ， 末端執(zhí)行器執(zhí)行釋放幼苗動(dòng)作 ， 完成一次取苗 移06 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 1 6 年苗 栽苗工作 。( 5) 依次類推 ， 分別從來(lái)源盤(pán)靠近目標(biāo)花盆一側(cè)的穴孔里取苗 ， 逐個(gè)移栽幼苗到目標(biāo)花盆 ， 取完整排苗后來(lái)源盤(pán)進(jìn)給一個(gè)穴孔位 ， 取完整盤(pán)輸送新的來(lái)源盤(pán) 。2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)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(dòng)取苗末端執(zhí)行器到要求的工作位置 ， 主要由電動(dòng)機(jī) 、直線模組 、無(wú)桿氣缸等構(gòu)成 。其中 ， 直線模組系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) ， 形成從來(lái)源盤(pán)到目標(biāo)盤(pán) X 方向平行移位功能 ， 無(wú)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(jiàn)圖 1) 。在設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn) 。其工作原理是 : 傳動(dòng)帶安裝在直線模組兩側(cè)的傳動(dòng)軸 ， 其中一端作為動(dòng)力輸入軸 ， 在開(kāi)口傳動(dòng)帶上固定一塊用于增加設(shè)備工件的滑塊 。當(dāng)有動(dòng)力輸入時(shí) ， 通過(guò)帶輪帶動(dòng)傳動(dòng)帶而使滑塊運(yùn)動(dòng) 。通過(guò)選型比較 ， 選用東莞遠(yuǎn)程自動(dòng)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(pán)移植到低密度穴盤(pán)的跨度需要 。移栽機(jī)械臂上下升降功能采用無(wú)桿氣缸方式實(shí)現(xiàn) 。由于采用氣動(dòng)方式實(shí)現(xiàn) ， 取苗提升動(dòng)作迅速 ， 其輸出力以及工作速度靈活可調(diào) 。此外 ， 在無(wú)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(dòng)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(huì)社小金井生產(chǎn)的 OV 系列開(kāi)口式無(wú)桿氣缸 ， 對(duì)照選型表 ， 型號(hào) OV16 滿足取苗提升力 12設(shè)計(jì)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(pán)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(shí) ， 撐開(kāi)兩根氣缸機(jī)械手指 ， 當(dāng)橡膠氣囊放氣時(shí) ， 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(guò)兩根氣缸機(jī)械手指伸出 4 根夾取針插入穴盤(pán)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(dòng)下取出苗缽 ， 通過(guò)橡膠氣囊撐開(kāi) 2 根氣缸機(jī)械手指 ， 4 根夾取針?lè)潘蓨A持缽體 ， 2 根氣缸手指回縮夾取針脫離穴盤(pán)苗缽體來(lái)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(guó)穴盤(pán)苗移栽生產(chǎn)實(shí)際情況 ， 設(shè)計(jì)了取苗末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)參數(shù) 12。在實(shí)際應(yīng)用中 ， 通過(guò)調(diào)節(jié)收緊彈簧的預(yù)緊量能有效控制對(duì)穴盤(pán)苗缽體的夾持力度 ， 并且通過(guò)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(kāi)度 ， 以適應(yīng)不同規(guī)格尺寸穴盤(pán)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(jì)輸送裝置移送來(lái)源盤(pán) /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(dòng)機(jī)等組成 。雙排鏈之間傳輸穴盤(pán) /花盆 ， 設(shè)計(jì)時(shí)附加橫桿推送 。主動(dòng)鏈輪連通電動(dòng)機(jī) ， 帶動(dòng)鏈條橫連桿移動(dòng) ， 使穴盤(pán) /花盆實(shí)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(gè)穴孔位進(jìn)行下一排苗夾取 。而目標(biāo)花盆實(shí)現(xiàn)流水線間歇輸送 ?？紤]控制簡(jiǎn)單 ， 選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輸送裝置 ， 同時(shí)配置多個(gè)對(duì)射光電傳感器 ， 通過(guò)探測(cè)穴盤(pán)或者花盆前側(cè)邊緣來(lái)判斷輸送位置信息 。2. 4 控制系統(tǒng)針對(duì)所設(shè)計(jì)的溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī) ， 取苗臂往復(fù)移位采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) ， 采用激光光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)是否到位來(lái)控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制方式 ， 氣動(dòng)回路控制采用多路磁性開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)與電磁閥通斷控制結(jié)構(gòu) 。于是有 3 套步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) ， 使用 6 個(gè)光電開(kāi)關(guān)配合接近開(kāi)16第 11 期 韓綠化 等 : 溫室穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)關(guān)檢測(cè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的位置信息 ， 使用6 個(gè)磁性開(kāi)關(guān)傳感器檢查氣動(dòng)執(zhí)行狀態(tài)信息 ， 3 個(gè)電磁閥控制 3 個(gè)執(zhí)行氣缸動(dòng)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(jì) ， 選用北京多普康自動(dòng)化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 TOP5530 型三軸運(yùn)動(dòng)控制器 。在具體使用中 ， 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)移動(dòng)系統(tǒng)采用 S 形加減速曲線控制 ， 根據(jù)所用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特性和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ， 確定啟動(dòng)頻率 、啟動(dòng)時(shí)間 、啟動(dòng)速度等參數(shù) 19。為了及時(shí)快速響應(yīng)各個(gè)夾取動(dòng)作 ， 對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作到位信息進(jìn)行檢測(cè) ， 以到位磁性開(kāi)關(guān)的檢測(cè)信號(hào)為觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)下一執(zhí)行動(dòng)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(pán)苗自動(dòng)移栽工作要求 ， 編制控制軟件 ， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供苗 、送盆以及取苗 、移苗 、栽苗等移栽操作 。3 試驗(yàn)與結(jié)果分析3. 1 取苗移位試驗(yàn)3. 1. 1 試驗(yàn)方案對(duì)取苗移位進(jìn)行檢測(cè) ， 分析移位運(yùn)動(dòng)特性 ， 以考核移栽系統(tǒng)作業(yè)性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求 ， 為機(jī)器的進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù) 。試驗(yàn)方案為 : 采用直線位移傳感器對(duì)自動(dòng)取苗移位運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè) ， 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(dòng)取苗移栽過(guò)程中末端執(zhí)行器位置變化以及外界振動(dòng)干擾引起的位移應(yīng)變信號(hào) ， 經(jīng)隔離變送器輸入到數(shù)據(jù)采集儀記錄 ， 通過(guò)數(shù)據(jù)分析研究移栽機(jī)實(shí)際運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性 。所用儀器如表 1 所示 。表 1 取苗移位檢測(cè)儀器Tab1 Instruments of transplanting transmission tests名稱 型號(hào) 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(hào)模式 : 0. 5 V， 將 12 24 V 工作電壓穩(wěn)壓成 5 V的電壓信號(hào) ， 并輸出電壓信號(hào)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(dòng)對(duì)穴取苗移位檢測(cè)Fig4 Tests for transplanting transmission of picking up seedlings from tray cells1 末端執(zhí)行器 2 無(wú)桿氣缸 3 直線模組 4 機(jī)架 5 直線位移傳感器 6 計(jì)算機(jī) 7 控制系統(tǒng)自動(dòng)移位檢測(cè)試驗(yàn)如圖 4a 所示 。將直線位移傳感器機(jī)體安裝在自動(dòng)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(wú)桿氣缸上端緊固 ， 通過(guò)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器從而帶動(dòng)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(hào) ， 從而檢測(cè)移栽機(jī)實(shí)際運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性 。應(yīng)用前對(duì)直線位移檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)位移量與測(cè)量電壓信號(hào)關(guān)系標(biāo)定 ， 采樣頻率為 1 000 Hz。對(duì)標(biāo)定結(jié)果擬合 ， 如圖 4b 所示 ， 得到實(shí)際位移 Dp( mm) 與位移傳感器電壓測(cè)量值 Vout( mV) 的關(guān)系 :26 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 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(pán)移栽幼苗到花盆 ， 分別進(jìn)行 128 孔 、72 孔兩種規(guī)格穴盤(pán)自動(dòng)取苗移位檢測(cè) ， 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(dòng)以不產(chǎn)生沖擊為準(zhǔn) ) ， 無(wú)桿氣缸全行程工作 。理論設(shè)定兩種規(guī)格穴盤(pán)的穴孔間隔為 32 mm( 128 穴盤(pán) ) 、42. 5 mm( 72 穴盤(pán) ) ， 花盆設(shè)定尺寸為口徑 360 mm。進(jìn)行 128/72 穴盤(pán)單排苗連續(xù)取苗往復(fù)移位 ， 重復(fù) 10 次試驗(yàn) 。試驗(yàn)后采用 SPSS 18. 0 軟件對(duì)所獲數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)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(pán)移栽幼苗到花盆的取苗移位位移與時(shí)間關(guān)系圖 ， 采用單個(gè)取苗末端執(zhí)行器工作 ， 對(duì)于128 穴盤(pán)苗 ， 取完整排苗需移位 8 次 ( -) ， 對(duì)于72 穴盤(pán)苗 ， 取完整排苗需移位 6 次 ( -) 。圖 5 從穴盤(pán)取苗移位到花盆位移檢測(cè)結(jié)果Fig5 Testing results of transplanting transmission from tray cells to pots如圖 5 所示 ， 從穴盤(pán)移栽幼苗到花盆 ， 一個(gè)移栽過(guò)程主要包括取苗和栽苗兩個(gè)環(huán)節(jié) ， 并且在時(shí)間和路程上取苗與栽苗相等 。其中 ， 取苗過(guò)程分為取苗移位和取苗執(zhí)行兩部分 ， 栽苗過(guò)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(duì)等 ， 取苗執(zhí)行和栽苗執(zhí)行對(duì)等 。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器移位 ， 利用氣動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)取苗和栽苗動(dòng)作 ， 在取苗和栽苗的過(guò)程中氣動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生了高頻振動(dòng)信號(hào) ， 表現(xiàn)在數(shù)據(jù)圖上為取苗點(diǎn) ( 圖 5a 中-和圖 5b 中 -) 和栽苗點(diǎn)的噪聲信號(hào) ， 而在取苗和栽苗移位的過(guò)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(diǎn)和栽苗點(diǎn)應(yīng)注意調(diào)節(jié)氣動(dòng)沖擊和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停車的平穩(wěn)性 。如圖 5a 所示 ， 從移栽時(shí)間上看 ， 每移栽 8 株苗 ，所得 10 次測(cè)試分析的平均運(yùn)行時(shí)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(cè)試分析的平均運(yùn)行時(shí)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(dòng)移栽機(jī)工作效率 7相當(dāng) ， 對(duì)于 128/72 孔穴盤(pán)苗 ， 移栽效率分別達(dá)到 20 株 /min( 128 孔穴盤(pán)苗 ) 和 17. 1 株 /min( 72 孔穴盤(pán)苗 ) 。但是采用單個(gè)取苗末端執(zhí)行器工作 ， 在相同的穴盤(pán)輪廓尺寸與花盆間距下 ， 128 孔穴盤(pán)布局要比 72 孔穴盤(pán)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(pán)穴孔間隔和孔數(shù)不同 ， 雖然取完 72 穴盤(pán)整排苗節(jié)省了運(yùn)行時(shí)間 ， 比 128 穴盤(pán)少用 2. 514 s，但移栽株數(shù)相對(duì)少 2 株 。此外 ， 以高于幼苗高度為準(zhǔn) ， 通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)桿氣缸上油壓緩沖器來(lái)改變滑塊行程 ， 可以縮短末端執(zhí)行器上下升降移位時(shí)間 ， 能進(jìn)一步提高移栽工作效率 。為了使穴盤(pán) /花盆輸送與取苗栽苗協(xié)調(diào)配合 ， 需要分析移栽過(guò)程中最短運(yùn)行時(shí)間 ， 以保證在下次取苗前來(lái)源盤(pán)輸送到位和在下次栽苗前目標(biāo)盆輸送到位 。從移栽過(guò)程分析來(lái)看 ， 來(lái)源盤(pán)輸送的動(dòng)作執(zhí)行是在整排苗中最后 1 株幼苗取完后開(kāi)始 ， 到下次取苗到來(lái)前完成來(lái)源盤(pán)輸送 ， 而目標(biāo)盆輸送的動(dòng)作執(zhí)行是在每次栽完苗之后開(kāi)始 ， 到下次栽苗到來(lái)前完成目標(biāo)盆輸送 ， 分別對(duì)應(yīng) t1和 t2時(shí)間段 ( 見(jiàn)圖 5a、5b中 ) 。因此 ， 來(lái)源盤(pán)是整排苗取完之間的空檔時(shí)間移位 ， 目標(biāo)盆是每?jī)芍昝缰g的最短空檔時(shí)間移位 。在所測(cè)試的移栽效率下 ， 對(duì)移位檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 ，得出 128 穴孔來(lái)源盤(pán)輸送時(shí)間為 1. 937 s， 72 穴孔來(lái)源盤(pán)輸送時(shí)間為 2. 491 s， 128 穴盤(pán)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)盆輸送最短時(shí)間為 1. 623 s， 72 穴盤(pán)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)盆輸送最短時(shí)間為 2. 036 s。與移位間隔相比較 ， 可得能同時(shí)滿足兩種規(guī)格穴盤(pán) /花盆移栽輸送的最低平均速度為 20. 87 mm/s， 即為穴盤(pán) /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(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)取苗點(diǎn)和栽苗點(diǎn)存在高頻噪聲信號(hào)干擾 ， 對(duì)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(hào)曲線 。針對(duì) 128 孔穴盤(pán)和 72 孔穴盤(pán) ， 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(jì)所用穴盤(pán)穴孔間隔當(dāng)作比較值 ， 將測(cè)試所得取苗移位間隔 ( 圖 5 中 h1、h2) 與理論設(shè)計(jì)穴孔間隔進(jìn)行單樣本 t 檢驗(yàn) ( =0. 05) 。從單樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出 ， 128、72 穴盤(pán)自動(dòng)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(yàn)結(jié)果如表 2 所示 。表 2 取苗移位單樣本 t 檢驗(yàn)結(jié)果Tab2 One-sample t test of transplanting transmission for picking up seedlings from tray cells檢驗(yàn)值 t 統(tǒng)計(jì)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(pán) ) 1. 808 7 69 0. 074 8 0. 108 6 0. 011 2 0. 228 542. 5( 72 穴盤(pán) ) 1. 513 0 49 0. 137 0 0. 086 6 0. 028 4 0. 201 6從表 2 檢驗(yàn)結(jié)果可以看出 ， 對(duì)于 128 孔穴盤(pán)和72 孔穴盤(pán) ， 檢驗(yàn) p 值均大于顯著水平 0. 05， 表明實(shí)測(cè)取苗移位間隔與理論設(shè)計(jì)穴孔間隔無(wú)顯著差別 。通過(guò)實(shí)測(cè)檢驗(yàn)分析 ， 驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)自動(dòng)取苗移位系統(tǒng)的可靠性 ， 能精準(zhǔn)達(dá)到對(duì)穴移位取苗功能 。另外 ，在自動(dòng)移栽試驗(yàn)中 ， 調(diào)整末端執(zhí)行器夾取針開(kāi)合距離時(shí) ， 應(yīng)注意自動(dòng)取苗移位偏差 ， 防止夾取針插入苗缽的過(guò)程中超越移位偏差邊界刺破穴盤(pán) ， 從而不能對(duì)正取苗 。3. 2 自動(dòng)移栽試驗(yàn)3. 2. 1 試驗(yàn)方案以番茄 、黃瓜 、辣椒 、西蘭花為移栽對(duì)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(pán)苗自動(dòng)移栽試驗(yàn) ， 同時(shí)考慮取苗移位偏差影響 ， 試驗(yàn)情況如圖 6 所示 。在試驗(yàn)中 ， 分別從 128 孔穴盤(pán)和 72孔穴盤(pán)移栽幼苗到花盆 ( 使用 50 孔穴盤(pán)代替 ) 。所用穴盤(pán)苗來(lái)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(zhǎng)特性如表 3 所示 。每個(gè)試驗(yàn)中 ， 連續(xù)移栽整盤(pán)苗 ， 重復(fù) 3 次 。移栽工作效率為 128 孔穴盤(pán)20 株 /min， 72 孔穴盤(pán) 17 株 /min。自動(dòng)移栽試驗(yàn)如圖 6 所示 ， 記錄試驗(yàn)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(dòng)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(gè)NMS空穴數(shù) ， 個(gè)NFF取苗失敗數(shù) ， 主要包括幼苗未被取出 、根坨破碎過(guò)半以及未成功投苗數(shù) ， 株NLD傷苗數(shù) ， 株對(duì)于蔬菜穴盤(pán)苗 ， 夾取針刺破葉子 ， 或者單個(gè)葉子被撕扯掉等現(xiàn)象 ， 不會(huì)對(duì)幼苗后期生長(zhǎng)造成太大圖 6 輕簡(jiǎn)型溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)自動(dòng)移栽試驗(yàn)裝置Fig6 Test equipment for transplanting of simple-typeautomatic transplanter for greenhouse plug seedlings1 直線模組 2 無(wú)桿氣缸 3 機(jī)架 4 控制器 5 氣動(dòng)回路6 空壓機(jī) 7 目標(biāo)盤(pán) 8 來(lái)源盤(pán) 9 取苗末端執(zhí)行器 10 穴盤(pán)苗 11 壓盤(pán)條 12 分苗板的影響 ， 這里 NLD只統(tǒng)計(jì)幼苗主莖折斷情況 。3. 2. 2 結(jié)果與分析自動(dòng)取苗移栽性能試驗(yàn)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(pán)苗的取苗移栽成功率分別為 83. 59%和 86. 57%， 自動(dòng)取苗移栽效果最差 ， 其余 3 種穴盤(pán)苗的取苗移栽成功率均在 90%以上 。其中 ， 西蘭花的自動(dòng)取苗移栽效果最好 ， 移栽成功率為 93. 60% ( 128 孔穴盤(pán) ) 和 93. 87%( 72 孔穴盤(pán) ) ， 其次是辣椒和番茄 ， 辣椒穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗移栽效果高于番茄穴盤(pán)苗 。總的來(lái)看 ， 對(duì)于同一種穴盤(pán)苗 ， 72 孔穴盤(pán)的取苗移栽成功率均高于128 孔穴盤(pán) ， 穴孔大一點(diǎn)成功取苗移栽的可能性增大 。分別對(duì) 128 孔穴盤(pán)苗和 72 孔穴盤(pán)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(duì)于 128 孔穴盤(pán)育苗移栽 ， 辣椒穴盤(pán)苗未取出數(shù)最多 ， 達(dá)到 4%， 其次是黃瓜和西蘭花穴盤(pán)苗 ， 番茄穴盤(pán)苗未取出數(shù)最少 。對(duì)于 72 孔穴盤(pán)育苗移栽 ，穴盤(pán)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(pán)苗從穴孔排水口頂出 ， 發(fā)現(xiàn)這些苗缽的盤(pán)根較少 ， 根系沒(méi)有從46 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 1 6 年表 3 移栽用穴盤(pán)苗的生長(zhǎng)特性Tab3 Growth characteristics of seedlings used in performance tests穴盤(pán)孔數(shù) 種類 苗齡 /d 根坨含水率 /% 葉片數(shù) 株高 /mm 葉長(zhǎng) /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(zhǎng) 、葉寬數(shù)據(jù)為算術(shù)平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)偏差 。表 4 自動(dòng)取苗性能試驗(yàn)結(jié)果Tab4 esults of performance tests for automatic transplanting穴盤(pán)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(guò)半數(shù) ; NFF3為未成功投苗數(shù) 。圖 7 自動(dòng)移栽試驗(yàn)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(pán)苗自動(dòng)夾取缽體過(guò)半的破碎率低于 5%， 對(duì)于同一種穴盤(pán) ， 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(duì)盤(pán)根性差的穴盤(pán)苗應(yīng)改善育苗根系結(jié)構(gòu) 。從圖 7c 可以看出 ， 黃瓜穴盤(pán)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(pán)苗 ， 主要是西蘭花幼苗芽頂部折斷 ， 分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)用西蘭花穴盤(pán)苗植株多數(shù)彎曲 ，取苗時(shí)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(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)穴盤(pán)苗比較硬實(shí) ， 但在夾取過(guò)程中由于植株龐大 ， 機(jī)械提取時(shí)不易折彎 ， 有很多折傷的情況 。辣椒穴盤(pán)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(pán)培育的辣椒苗植株比較大 ， 取苗時(shí)有折斷現(xiàn)象 。在未成功釋放穴盤(pán)苗方面 ， 黃瓜和番茄穴盤(pán)苗未成功投苗數(shù)較多 ( 圖 7d) ，最高為 3. 24%， 試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)黃瓜和番茄幼苗植株冠幅較大 ， 投苗時(shí)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(diǎn)釋放 ， 對(duì) 72 穴孔辣椒苗和西蘭花苗也是這種情況 。機(jī)械化移栽時(shí) ， 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(dòng)取苗移栽成功率來(lái)看 ， 4 種穴盤(pán)苗平均取苗移栽成功率為 90. 70%。所設(shè)計(jì)的溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)能較好地從穴盤(pán)中抓取幼苗 ， 并移送至生長(zhǎng)盤(pán) /花盆栽植 。相比國(guó)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(jiǎn)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(pán)苗移栽效果較好 ， 并且所設(shè)計(jì)的溫室穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽裝置通過(guò)機(jī)械 、電氣 、氣動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化配置 ， 使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 。然而仍需要從園藝條件</p>