溫室水培葉菜高速稀植機構設計與試驗.pdf

第37卷 第1期 農 業(yè) 工 程 學 報 Vol 37 No 1 2021年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2021 1 溫室水培葉菜高速稀植機構設計與試驗 童俊華1 3 孟青新1 辜 松2 武傳宇1 3 馬 可1 1 浙江理工大學機械與自動控制學院 杭州 310018 2 華南農業(yè)大學工程學院 廣州 510642 3 浙江省種植裝備技術重點實驗室 杭州 310018 摘 要 溫室水培葉菜幼苗種植需將缽苗從穴盤移栽至栽培槽中 傳統(tǒng)人工作業(yè)勞動強度大 效率低 而通過移栽機自 動化作業(yè)效率高 質量好 該研究設計了一種多移植手的穴盤取苗高速稀植移栽機構 可實現(xiàn)穴盤內成排取苗和栽培槽 變間距并行植苗作業(yè) 高速稀植移栽機采用受拉緩沖帶串接針爪式多移植手減緩變間距栽植過程中的不等速沖擊 通過 油壓緩沖器減緩多移植手縱橫向高速移動在末端位置的沖擊 在移植手結構和葉菜缽苗狀況確定的情況下 對稀植作業(yè) 過程中多移植手間的受拉緩沖帶彈性系數(shù)K 水平方向平均速度v1 水平運動末端油壓緩沖器吸收能量N1 垂直方向平 均速度v2和垂直運動末端油壓緩沖器吸收能量N2這5個因素進行正交試驗 結果表明 水平方向的平均速度v1和水平 運動末端油壓緩沖器吸收能量N1間的耦合關系和緩沖帶彈性系數(shù)K對高速稀植過程的移栽成功率影響較大 多移植手機 構最優(yōu)參數(shù)組合為K為0 128 N m v1為0 49 m s v2為0 74 m s N1為6 J N2為15 J 此時移栽效率為3 956株 h 植 苗成功率為96 7 滿足高效稀植的作業(yè)需求 關鍵詞 農業(yè)機械 設計 試驗 溫室 移栽 穴盤苗 多移植手 水培葉菜 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 中圖分類號 S147 2 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2021 01 0001 09 童俊華 孟青新 辜松 等 溫室水培葉菜高速稀植機構設計與試驗 J 農業(yè)工程學報 2021 37 1 1 9 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 http www tcsae org Tong Junhua Meng Qingxin Gu Song et al Design and experiment of high speed sparse transplanting mechanism for hydroponics pot seedlings in greenhouses J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 1 1 9 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 http www tcsae org 0 引 言 設施園藝智能化是當前世界農業(yè)智能化裝備的研 發(fā)熱點和產業(yè)升級的重點 中國設施園藝裝備近年也在 迅速發(fā)展 1 3 設施園藝中采用營養(yǎng)液為根系直接提供 營養(yǎng)和水分的水培技術 已經得到國內很多研究機構的 推廣與應用 4 6 葉菜水培作業(yè)環(huán)節(jié)中 需將穴盤苗批 量稀植移栽到栽培槽里 通常人工作業(yè)強度大 效率低 國外學者較早開展缽苗機械化移栽的相關研究 Ting 等 7 8 研究了一種基于SCARA工業(yè)機器人手臂本體安 裝單末端執(zhí)行器進行不同規(guī)格穴盤間的移栽模式 證明 了溫室缽苗機械移栽的可行性 Choi等 9 設計了一種五 連桿取缽機構 取苗成功率為97 Dong等 10 研制了 一種由移栽機構 送盆機構 送盤機構 機架和控制器 組成多移植手蔬菜移栽機 移栽速度為2 800盆 h 日 本研發(fā)了一種半自動移栽機PVHR2 E18 移栽效率為 3 600株 h 11 意大利法拉利公司生產的FPS型移栽機 收稿日期 2020 09 14 修訂日期 2020 11 05 基金項目 國家重點研發(fā)計劃 2017YFD0701504 廣東省重點領域研發(fā)計 劃項目 2019B020222004 浙江省重點研發(fā)項目 2018C02046 作者簡介 童俊華 博士 副教授 主要從事農業(yè)裝備智能化技術方面的研 究 Email jhtong 通信作者 武傳宇 教授 博士生導師 主要從事智能農業(yè)裝備與機器人 技術研究 Email cywu 移栽效率為2 500株 h 12 Dihingia等 13 研制一種半自動 旱地缽苗移栽機 可實現(xiàn)兩行并聯(lián)移栽作業(yè) 移栽效率 為31株 min 近些年 國內學者也開展了適合本土育苗 農藝的缽苗自動移栽技術研究 孫國祥等 14 基于有限元 分析 設計一種末端機械手指 機械手指平均移栽成功 率為95 76 平均傷苗率為3 06 錢少明等 15 通過建 立氣動驅動器中氣壓值與抓持能力之間關系 研制采摘 黃瓜末端執(zhí)行器 抓持成功率為90 胡敏娟等 16 設計 了一種變形滑針式取苗器 繆小花等 17 18 對穴盤苗缽基 質進行力學分析 韓綠化等 19 20 設計了一種輕簡型自動移 栽 對于128 72孔穴盤苗 移栽效率分別達到122株 h和 1 025株 h 高國華等 21 研制了一套斜入式穴盤苗移栽手 爪 試驗測試移栽成功率可達98 胡建平等 22 設計了 一種8爪并聯(lián)作業(yè)式高效全自動缽苗移栽設備 移栽成 功率可達90 23 馬銳等 23 設計了一種整排夾持的全自 動移栽機末端執(zhí)行器 并進行結構參數(shù)優(yōu)化 許春林等 24 提出了一種Hermite 插值行星輪系全自動草莓缽苗移栽 機構 取苗成功率為92 黨玉功等 25 研制一種單自由 度開式鉸鏈四桿取苗機械臂 取苗成功率91 32 馬曉 曉等 26 對一種番茄缽苗自動取苗裝置進行結構優(yōu)化 周 昕等 27 研制了一種剛度大 精度高及累積誤差小的并聯(lián) 移栽機器人 試驗測試移栽機構加速度高于20 mm s2時 移栽缽苗合格率明顯降低 童俊華等 28 研究一種指鏟式 末端執(zhí)行器 通過增大指鏟與苗缽基質的接觸面積 減少 農業(yè)裝備工程與機械化 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2021年 2 穴孔內基質的殘留 上述研究主要圍繞單移植手抓取移 栽可靠性能開展 對基于多移植手高速稀植機構的設計 優(yōu)化研究較少 本文以華南地區(qū)種植較多的水培葉菜缽苗為對象 設計一種針爪式多移植手機構進行稀植移栽作業(yè) 對影 響移栽成功率的多移植手變間距移植過程中的沖擊因素 進行正交試驗分析 獲得高速稀植移栽的最佳機構參數(shù) 組合 1 多移植手高速稀植機構試驗平臺 水培葉菜缽苗多移植手稀植作業(yè)主要包括2個步驟 一是多移植手并攏從穴盤中成排取苗 二是多移植手變 間距分開在栽培槽中植苗 本研究設計的多移植手稀植 機構試驗平臺由3個部分組成 多移植手稀植作業(yè)部件 穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件 如圖1所示 其中多 移植手稀植作業(yè)部件橫跨在穴盤輸送部件和栽培槽輸送 部件上方 將供苗穴盤中葉菜缽苗移栽至空栽培槽內 穴盤輸送部件用于輸送供苗穴盤 其兩側設置光電傳感 器用于檢測供苗穴盤是否到位 栽培槽輸送部件間歇輸 送空栽培槽 本試驗平臺基于三菱FX3U 63MT型PLC 進行自動時序控制 其結構和作業(yè)參數(shù)如表1所示 1 栽培槽工作臺 2 進給氣缸 3 下料框 4 輸送機 5 穴盤 6 多移植手稀 植作業(yè)部件 7 導向件 1 Cultivation trough workbench 2 Feeding cylinder 3 Blanking frame 4 Conveyor 5 Seedling tray 6 Sparse transplanting component with multiple end effectors 7 Guiding part 圖1 多移植手高速稀植機構試驗平臺 Fig 1 Test platform of high speed spare transplanting mechanism with multiple end effectors 表1 試驗平臺結構和作業(yè)參數(shù) Table 1 Structure and operation parameters of test platform 參數(shù)Parameters 數(shù)值Values 外形尺寸 長 寬 高 Boundary dimension length width height mm 1 250 1 600 1 382 移植手數(shù)量Number of end effectors 6 穴盤規(guī)格Seedling tray specification 6穴 行 1 12行 栽培槽尺寸 長 寬 高 Cultivation trough dimension length width height mm 660 75 50 輸入氣壓Input air pressure MPa 0 6 0 8 電機功率Motor power kW 0 75 電機轉速Motor speed r min 1 800 以甘藍缽苗稀植為例 試驗平臺作業(yè)時 將供苗穴 盤放置穴盤輸送部件 傳感器檢測到供苗穴盤后 將其 輸送至取苗位置 同時栽培槽輸送部件將栽培槽輸送至 植苗位置 多移植手稀植作業(yè)部件動作 氣缸驅動多移 植手至最佳取苗位置 移植手成排抓取穴盤內缽苗 而 后氣缸帶動多移植手整體上升移至植苗位置 同時多移 植手等間距分開 將甘藍缽苗整體植入對應的栽培槽槽 孔內 而后多移植手整體返回初始位置 同時穴盤輸送 部件帶動穴盤進給1排穴孔的距離 下一排缽苗進入移 栽作業(yè) 栽培槽輸送部件推送送料筒內部下個空栽培槽 至植苗位置 等待下一排缽苗栽植 如此往復實現(xiàn)穴盤 內成排取苗和栽培槽中變間距并行植苗作業(yè) 2 關鍵部件設計 2 1 穴盤輸送部件 根據(jù)移植作業(yè)要求 設計穴盤輸送部件移送穴盤至 移植手工作位置 如圖1所示 穴盤輸送部件主要由輸 送機和導向件組成 整體外形尺寸 長 寬 高 1 220 mm 440 mm 740 mm 輸送機由72齒3M帶輪 主從動滾筒 0 75 kW的80EMA 02A型伺服電機 2 25 m 長的5935型網鏈輸送帶等組成 根據(jù)輸送穴盤外寬尺寸 540 mm 280 mm 主 從動滾筒設計為長346 mm 外徑25 mm 配裝4個與網鏈輸送帶嚙合的T10型鏈輪 輸送機輸送穴盤時 在輸送帶運動方向2側布置設計2040 導向型材件和直徑為30 mm的PU60832型導向輪進行穴 盤位置及運動方向的限制 主動帶輪與伺服電機固連 通過同步帶帶動與從動帶輪固連的主動滾筒轉動 使穴 盤實現(xiàn)按需水平間歇輸送 在整排缽苗被取走后 進給 一個穴孔位進行下一排缽苗夾取 為了避免輸送速度過 快導致穴盤和輸送帶打滑和停車時穴盤滑移 通過預試 驗 確定穴盤輸送速度為0 45 m s 2 2 栽培槽輸送部件 如圖1所示 栽培槽輸送部件由栽培槽工作臺 進 給氣缸和下料框組成 整體外形尺寸 長 寬 高 1 520 mm 725 mm 900 mm 其工作原理 栽培槽填滿下 料框 進給氣缸推動最底層栽培槽運動至工作位置 而 后復位 在重力作用下料框中剩余栽培槽整體下降一個 槽高 移植結束后 進給氣缸推動下料框中下一個栽培 槽至工作位置 為了保證氣缸推桿在栽培槽中心位置順 利推動 選用亞德客ACE型25 mm缸徑氣缸 行程為 150 mm 進給氣缸推力F0 20 00 85 4F pD 1 式中p為輸入氣體平均壓力 0 7 MPa D0為氣缸缸徑 25 mm 最底層栽培槽摩擦力Ff 0fF KM g 2 式中K為下料框最多可容納放栽培槽數(shù)量 M0為栽培槽 質量 kg g為重力系數(shù) 9 8 N kg 為摩擦系數(shù) 由式 1 可得進給氣缸推力F0為291 N 本文設計 的下料框最多可容納6個栽培槽 栽培槽質量為0 44 kg 其摩擦系數(shù)為0 4 由式 2 可得最底層栽培槽做大摩 第1期 童俊華等 溫室水培葉菜高速稀植機構設計與試驗 3 擦力Ff為10 N 小于進給氣缸推力F0 進給氣缸滿足要 求 為避免進給速度過快導致停車時栽培槽滑移 通過 預試驗 確定栽培槽平均進給速度為0 23 m s 2 3 多移植手稀植作業(yè)部件 2 3 1 總體結構 多移植手稀植作業(yè)部件是移栽機的核心機構 主要 包括垂直氣缸 齒條 齒輪 垂直滑軌 垂直油壓緩沖 器 多移植手 水平滑軌 水平橫移氣缸 水平緩沖器 和機架 整體外形尺寸 長 寬 高 為1 600 mm 600 mm 1 375 mm 如圖2所示 多移植手機構通過水平橫移氣 缸和垂直氣缸分別在水平滑軌和垂直滑軌上進行往復運 動 利用油壓緩沖器吸收氣缸帶動部件運行產生的沖擊 力 實現(xiàn)柔性停車 齒輪和齒條嚙合組成同步器 維持 多移植手整體兩側同步升降 1 左垂直氣缸 2 齒條 3 齒輪 4 垂直滑軌 5 左垂直油壓緩沖器 6 多 移植手機構 7 水平滑軌 8 水平氣缸 9 右垂直油壓緩沖器 10 水平油壓 緩沖器 11 右垂直氣缸 12 機架 1 Vertical cylinder in left 2 Rack 3 Gear 4 Vertical slide rail 5 Vertical oil shock absorber in left 6 Multiple end effectors mechanism 7 Horizontal slide rail 8 Horizontal cylinder 9 Vertical oil shock absorber in right 10 Horizontal oil shock absorber 11 Vertical cylinder in right 12 Frame 圖2 多移植手稀植作業(yè)部件結構簡圖 Fig 2 Simplified structure diagram of the sparse transplanting component with multiple end effectors 多移植手機構在穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件之 間往復運動 1個行程運行時間小于4 s 因此水平橫移 氣缸選取亞德客SC氣缸 缸徑為32 mm 行程為580 mm 本文設計的多移植手機構水平運動總質量M1為6 5 kg 摩擦系數(shù)為0 3 根據(jù)公式 1 2 計算 水平橫移 氣缸推力為478 N 大于其水平摩擦阻力19 1 N 預試驗 測得多移植手機構最大平均運行速度可為1 07 m s 最短 運行時間為0 54 s 多移植手機構選取亞德客ACE 型氣缸 缸徑為 40 mm 行程為80 mm來實現(xiàn)上下升降功能 通過理論 計算 該研究設計的多移植手機構垂直單側質量M2為 13 5 kg 其和機架滑軌間摩擦系數(shù)為0 2 根據(jù)公式 1 2 計算 水平橫移氣缸推力為879 2 N 大于其豎直阻 力158 76 N 摩擦力和重力之和 預試驗測得多移植 手機構豎直最大平均運行速度為1 31 m s 最短運行時間 為0 06 s 由上述分析可知 該多移植手機構運行1個行 程最短時間為1 32 s 符合機構3 800株 h的高速稀植設 計要求 2 3 2 多移植手機構 多移植手機構是實現(xiàn)缽苗整排夾取和變間距植苗的 關鍵部件 主要包括6個移植手組件 分離氣缸 安裝 板和受拉緩沖帶 如圖3所示 移植手組件通過受拉緩沖 帶連接 與分離氣缸缸體相連移植手組件固定 氣缸拉扯 推桿末端移植手組件 從而分散相鄰移植手至與相鄰栽培 槽間距一致 氣缸回縮帶動推桿末端移植手組件依次壓縮 移植手組件間距 直至與穴盤相鄰穴孔間距一致 多移植手合并時相鄰中心間距與穴盤相鄰穴孔中心 間距一致 為42 5 mm 展開時與栽培槽孔相鄰間距一致 為100 mm 為了確保6組移植手正常移植作業(yè) 分離氣 缸行程需為288 mm 考慮安裝空間和分離效率滿足生產 需求 選取缸徑為20 mm的亞德客MG型氣缸 通過理 論計算 該單移植手組件質量為0 8 kg 其與機架導軌摩 擦系數(shù)為0 2 根據(jù)式 1 2 計算 分離氣缸推力 為78 5 N 大于其分離總摩擦阻力9 4 N 該分離氣缸滿 足要求 為避免分離速度過快導致缽苗基質振動破損 通過預試驗確定多移植手平均分離速度為0 42 m s 1 移植手組件 2 分離氣缸 3 安裝板 4 受拉緩沖帶 1 End effector component 2 Separation cylinder 3 Fixing board 4 Tension buffer zone 圖3 多移植手機構示意圖 Fig 3 Schematic diagram of multiple end effectors mechanism 移植手組件間固定等長的受拉緩沖帶在分離氣缸推 動下實現(xiàn)多移植手等間距分離 多移植手組件分離存在 慣性沖擊 沖擊過大則影響缽苗移栽過程基質完整度和 移植成功率 其分離受力情況如圖4所示 1 受拉緩沖帶 2 移植手組件 1 Tension buffer zone 2 End effector component 注 F為氣缸推力 N F T為第一段受拉緩沖帶拉力 N f為摩擦力 N a 1為第一個移植手組件加速度 m s 2 x0為受拉緩沖帶起始長度 m x1為第一段受拉緩沖帶張緊長度 m x 2為第二段受拉緩沖帶張緊長度 m Note F is the cylinder thrust N F T is the tension force of first section tension buffer zone N f is the friction force N a 1 is the acceleration of first end effector component m s 2 x 0 is the initial length of tension buffer zone m x1 is the tension length of first section tension buffer zone m x 1 is the tension length of second section tension buffer zone m 圖4 多移植手機構分離過程受力分析示意圖 Fig 4 Schematic diagram of force analysis of multiple end effectors in separation process 由圖4可得 第一個移植手組件的受力平衡方程為 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2021年 4 T 1 T 1 0 F f F ma F K x x 3 式中K為受拉緩沖帶彈性系數(shù) N m m為單移植手組件 質量 kg 第二個移植手組件的受力平衡方程為 1 2 0 2 Kx f K x x ma 4 式中a2為第二個移植手組件加速度 m s2 以此類推 第n個移植手組件的受力平衡方程為 1 0 2 3 4 5 6 i i nK x x x f ma i 5 式中xi 1為受拉緩沖帶第i 1段張緊長度 m xi為受拉緩 沖帶第i段張緊長度 m an為第n個移植手組件加速度 m s2 由式 3 5 可知 當K 0時 第一移植手組 件到達一定運行速度后 帶動第二移植手組件與其等速 度運動 第二移植手組件到達一定運行速度后 瞬間帶 動第三移植手組件與其等速度運動 依次類推 這種剛 性分離過程中的瞬時加速度比較大 缽苗承受劇烈局部 沖擊振動 破壞基質之間黏結力 易導致缽苗移植過程 中基質塊散落 當K 0時 第一移植手組件在分離氣缸 作用力下 緩慢帶動余下移植手組件進行柔性分離 減 緩缽苗移栽過程沖擊振動現(xiàn)象 因此本研究受拉緩沖帶 由剛性和柔性2種緩沖帶組成 如圖3b所示 圖中深色 標識線代表剛性緩沖帶 淺色標識線代表柔性緩沖帶 分離氣缸推動多移植手組件逐步分開 其中柔性緩沖帶 緩沖分離過程中的沖擊 而等長的剛性緩沖帶則保證了 多移植手組件在氣缸停止推動后可等間距的分布開 2 3 3 多移植手稀植作業(yè)部件碰撞過程仿真分析 通過多移植手稀植作業(yè)部件碰撞仿真分析 為水平 緩沖器和豎直緩沖器的選型提供依據(jù) 由于多移植手稀 植作業(yè)部件主要以氣缸作為動力源 因此在移栽作業(yè)過 程中機構停車時易產生較大沖擊力 若沖擊力過大 機 械振動劇烈 易導致抓取的缽苗基質散落 影響缽苗移 栽成功率 多移植手稀植作業(yè)部件沖擊振動產生原因主 要為水平橫移氣缸和垂直氣缸運行到達末端后與機架發(fā) 生的碰撞 在Solidworks軟件中進行三維模型構建 并 輸出為x t格式文件 將x t文件導入到Adams軟件中 多移植手機構與機架分別設定豎直和水平2個方向為碰 撞約束 參考鋁材料進行阻尼和密度參數(shù)設置 具體仿 真參數(shù)設置如表2所示 表2 多移植手稀植作業(yè)部件仿真參數(shù)設置 Table 2 Parameter setting of simulation for the sparse transplanting component with multiple end effectors 主要參數(shù)Main parameters 數(shù)值Values 多移植手機構和機架垂直約束 碰撞 多移植手機構和機架水平約束 碰撞 缸體和機架約束 固定 阻尼 N mm 1 150 推板密度 g cm 3 2 7 機架密度 g cm 3 2 7 由于泥炭基質持水能力差且易坍塌 29 水平停車沖 擊力過大 缽苗水平輸送過程基質塊易散落 造成缽苗 在移動過程中掉落或在植入栽培槽后倒伏嚴重 因此需 要降低碰撞產生的沖擊力 本文設計機構的氣泵源壓力 輸入范圍為0 6 0 8 MPa 多移植手機構水平運動總質量 約為6 5 kg 其水平末端運行速度與第一個移植手機組件 運行速度相等 為 12v al 6 式中l(wèi)為多移植手機構水平末端運行位移 m a1由式 7 計算 21 1 14a PD M 7 式中P為氣泵源輸入壓力 MPa D1為水平橫移氣缸缸 徑 mm M1為多移植手機構水平運動總質量 kg 由前文可知 水平橫移氣缸缸徑為32mm 位移為 580 mm 氣泵源最大輸入壓力為0 8 MPa 由式 6 7 計算得水平末端運行最大平均速度為1 07 m s 設定 稀植作業(yè)部件的多移植手水平運行速度為1 07 m s 則其 末端與機架進行碰撞仿真 產生的沖擊力變化如圖5a所示 由圖5a可知 多移植手機構與機架水平碰撞產生的最大沖 擊力為250 N 水平橫移氣缸推動多移植手機構撞擊機架的動能為 21K 2MvE 8 式中v為多移植手機構水平撞擊瞬間速度 m s 水平橫移氣缸推動多移植手機構撞擊機架的驅動 能量為 ED FS 9 式中F為多移植手機構沖擊力 N S為碰撞緩沖位移 初 始值為0 01 m m 由此可得沖擊力總能量為 ET EK ED 10 由式 7 10 可知 水平橫移氣缸牽引多移植 手機構水平運動最大速度造成沖擊總能量為6 22 J 為降 低水平碰撞產生的沖擊力 在多移植手機構水平運動末 端位置安裝吸收能量可調節(jié)型西捷克AD1210 油壓緩沖 器 其行程10 mm 最大吸收能量12 J 此時水平橫移氣 缸牽引移植手水平運動最大沖擊力產生的總能量小于 AD1210油壓緩沖器最大吸收能量 該油壓緩沖器可起到 緩解多移植手移動作業(yè)部件與機架水平碰撞產生剛性沖 擊力 減少振動沖擊對缽苗夾持成功率的影響 多移植手稀植作業(yè)部件兩側各安裝一個垂直氣缸 若多移植手機構垂直沖擊力過大 缽苗植入栽培槽內時 缽苗基質振散 缽苗易掉落槽孔外部或傾倒斜于栽培槽 內部 不利于缽苗后期生長 本文設計的多移植機構垂 直單側質量為15 3 kg 垂直運動加速度為 22 2 2 24a PD M g M 11 式中D2為垂直氣缸缸徑 mm M2為多移植機構垂直單 側質量 kg 由前文可知 本文設計水平橫移氣缸缸徑為40 mm 位移為80 mm 汽泵源最大輸入壓力為0 8 MPa 根據(jù)公 第1期 童俊華等 溫室水培葉菜高速稀植機構設計與試驗 5 式 6 和 11 計算得多移植手機構垂直最大運行速度 為1 31 m s 設定稀植作業(yè)部件一側多移植手機構水平運 行速度為1 31 m s 其和機架垂直碰撞產生的沖擊力變化 如圖5b所示 由圖5b可知 多移植手機構與機架垂直 碰撞產生的最大沖擊力為370 5 N 圖5 多移植手機構與機架碰撞沖擊力仿真曲線 Fig 5 Simulation curve of impact force between multiple end effectors mechanism and frame 根據(jù)式 8 11 可知 垂直氣缸牽引多移植手 機構垂直碰撞最大速度產生的總能量為16 83 J 為降低 垂直碰撞產生的沖擊力 在多移植手機構垂直運行末端 位置安裝吸收能量可調節(jié)型西捷克AD1410油壓緩沖器 其行程10 mm 最大吸收能量20 J 垂直碰撞產生最大沖 擊力產生的總能量小于AD1410 油壓緩沖器最大吸收能 量 該油壓緩沖器可起到緩解多移植手移動作業(yè)部件與 機架垂直碰撞產生的剛生沖擊力 減少振動沖擊對成功 率的影響 3 移栽性能試驗 3 1 試驗材料 試驗選用杭州市蕭山區(qū)雷東村農場培育的甘藍幼苗 栽培基質為泥炭 蛭石與珍珠巖組成 基質配比6 3 1 基質含水率為81 01 30 育苗溫度為28 5 培育周期 2 5周 穴盤尺寸為540 mm 280 mm 72孔 PS材質 試驗缽苗為株高H 80 96 mm 株寬L 45 58 mm 葉 片數(shù)4 6片 缽苗基質塊高度h1為38 44 mm 上邊平 均寬l1 41 mm 底邊平均寬l2 22 mm 如圖6所示 圖6 甘藍缽苗幾何尺寸 Fig 6 Geometry size of cabbage seedling tray 預試驗發(fā)現(xiàn) 栽培槽葉菜缽苗基質塊質量小于原缽 苗基質塊質量40 時 缽苗在栽培槽內易發(fā)生傾斜 葉 片傾倒于管內 不利于后期的生長管理 定義移栽成功 指標Q為多移植手稀植作業(yè)部件成功拾取缽苗并輸送投 放至栽培槽中 且移栽后的缽苗基質塊質量 原缽苗基 質塊質量40 1 2 3 4 100 S S S S SQ S 12 式中S為缽苗總數(shù)量 S1為穴盤中未取出缽苗數(shù) S2為 移栽過程中掉落在栽培槽外部缽苗數(shù) S3為移栽過程中 移植手帶苗數(shù) S4為移栽后缽苗基質塊質量 原基質塊 質量40 缽苗數(shù) 參考前期研究成果 30 31 本文采用4根伸縮針式機 械移植手進行缽苗移栽作業(yè) 重點分析多移植手機構組 件高速稀植作業(yè)過程中停車沖擊對缽苗移栽成功率和效 率的影響 3 2 試驗方法 在試驗缽苗狀態(tài) 移植手結構和抓取深度等條件相 同的情況下 根據(jù)上述分析知 多移植手高速稀植作業(yè) 過程影響移栽成功率主要的因素為受拉緩沖帶彈性系數(shù) K 水平平均速度v1 水平末端油壓緩沖器吸收能量N1 垂直平均速度v2和垂直末端油壓緩沖器吸收能量N2 其 中v1和N1間存在交互作用 當v1單獨作用時 其值越大 移栽效率越高 但成功率越低 而當水平末端緩沖器吸 收能量N1作用于v1末端時 通過調節(jié)N1值大小 緩沖 移植手到達末端速度瞬間減小產生的振動沖擊 從而提 高移栽成功率 同樣 v2和N2間也存在交互作用 v2單 獨作用時 其值增大會導致移栽成功率越低現(xiàn)象 而吸 收能量N2作用于末端 通過調節(jié)N2值大小 緩沖v2末 端瞬間減小產生的機械沖擊振動現(xiàn)象 從而提高移栽成 功率 因此設計五因素三水平正交試驗 對溫室葉菜缽 苗稀植機構試驗平臺移栽性能進行分析 受拉緩沖帶是多移植手等間距分離的關鍵聯(lián)接件 受拉緩沖帶的彈性系數(shù)K決定了多移植手分離時的振動 程度 但彈性系數(shù)過大 不利于氣缸伸展進行移植手分 離 根據(jù)多移植手稀植部件分離運動分析 選取受拉緩 沖帶的彈性系數(shù)K為0 0 064 0 128 N m的3個水平進 行試驗 缽苗在水平和垂直方向移送時 氣缸作為驅動部件 垂直氣缸推動多移植手機構向上運動帶動抓取的缽苗與 穴盤壁分離 水平橫移氣缸則帶動多移植手機構水平移 動至栽培槽上方 最后垂直氣缸推動多移植手機構向下 運動將缽苗植入栽培槽內 以上作業(yè)過程均為變加速變 減速的運動過程 加速運動使移植手爪針與基質塊間產 生振動沖擊 易導致苗針夾苗不穩(wěn) 缽苗基質散落 移 植影響因素的初步測試發(fā)現(xiàn) 水平平均運行速度v1大于 0 7 m s時 移栽成功率小于60 v1小于0 2 m s時 水 平運動耗時大于3 s 遠大于v1為0 7 m s時的0 8 s耗時 綜合考慮 通過氣閥調節(jié)得到v1 0 30 0 49 0 68 m s 作為水平速度的3個水平 同理 確定v2 0 26 0 50 0 74 m s 為減緩沖擊影響 本移植裝置使用的油壓緩沖器為 吸收能量可調節(jié)型 可通過旋轉吸振器尾部調整旋鈕 改變其吸收能量值 來調節(jié)油壓吸振器緩沖強度 油壓 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2021年 6 緩沖器吸收能量過大或過小 對多移植手部件都為剛沖 擊狀態(tài) 起不到緩沖作用 因此選取合適的吸振器緩沖 強度對穩(wěn)定移栽過程與提高成功率較為重要 根據(jù)運行 速度和輸入壓力 選取水平末端油壓緩沖器吸收能量N1 分別為6 9 和12 J 垂直末端油壓緩沖器吸收能量N2 分別為10 15 和20 J作為試驗水平 稀植移栽正交試驗 因素水平如表3所示 基于SPSS分析軟件進行正交試驗設計 每組試驗水 平測試5次 正交試驗結果如表4所示 試驗平臺如圖7 所示 表3 試驗因素水平 Table 3 Experiment factors level 水平 Levels 受拉緩沖帶彈性系數(shù) Elastic coefficient of tension buffer zone K N m 1 水平平均速度 Horizontal average velocity v1 m s 1 垂直平均速度 Vertical average velocity v2 m s 1 水平末端油壓緩沖器吸收能量 Horizontal end oil buffer absorption energy N1 J 垂直末端油壓緩沖器吸收能量 Vertical end oil buffer absorption energy N2 J 1 0 0 30 0 26 6 10 2 0 064 0 49 0 50 9 15 3 0 128 0 68 0 74 12 20 表4 稀植移栽交互正交試驗結果 Table 4 Interactive orthogonal experiment results of sparse transplanting 試驗序號 Test No K N m 1 空 Blank v1 m s 1 N1 J v1 N1 1 v1 N1 2 v2 m s 1 N2 J v2 N2 1 v2 N2 2 平均效率 Average efficiency 株 h 1 移栽成功率 Transplantation success rateQ 1 0 1 0 3 6 1 1 0 26 10 1 1 2 934 96 70 2 0 2 0 49 9 2 2 0 50 15 2 2 3 816 90 00 3 0 3 0 68 12 3 3 0 74 20 3 3 4 500 83 30 4 0 064 1 0 3 12 2 1 0 50 10 1 2 3 016 86 70 5 0 064 2 0 68 9 3 3 0 26 20 2 1 4 153 93 30 6 0 064 3 0 49 6 1 2 0 74 15 3 3 3 956 96 70 7 0 128 1 0 68 6 3 1 0 50 20 2 2 4 320 93 30 8 0 128 2 0 3 9 1 2 0 74 10 3 1 3 103 90 00 9 0 128 3 0 49 12 2 3 0 26 15 1 3 3 686 93 30 10 0 128 1 0 49 12 2 3 0 74 20 3 2 3 956 90 00 11 0 128 2 0 3 9 1 2 0 50 15 2 3 3 016 100 00 12 0 128 3 0 68 6 3 1 0 26 10 1 1 4 153 93 30 13 0 128 1 0 68 6 3 1 0 74 15 3 3 4 500 93 30 14 0 128 2 0 3 9 1 2 0 26 10 1 1 2 934 96 70 15 0 128 3 0 49 12 2 3 0 50 20 2 2 3 816 96 70 Pi 90 00 92 00 94 02 94 66 96 02 92 66 94 66 92 66 93 34 94 00 Ji 92 23 94 00 94 00 93 34 91 34 94 68 93 34 94 66 94 66 92 00 Ki 94 07 92 66 90 00 91 30 91 30 91 32 90 66 91 32 90 66 94 66 Si 30 26 6 23 32 51 17 67 44 18 17 17 24 92 12 46 24 92 15 71 注Pi為第i列因素水平1試驗結果平均值 Ji為第i列因素水平2試驗結果平均值 Ki為第i列因素水平3試驗結果平均值 Si為第i列因素離均差平方和 i 1 2 3 Note P i is average of test results of level 1 of factor in column i Ji is average of experiment results of level 2 of factor in column i Ki is average of experiment results of level 3 of factor in column i S i is sum of squares of deviation from mean of factor in column i i 1 2 3 圖7 葉菜缽苗多移植手稀植移栽試驗 Fig 7 Experiments of leaf plug seedlings spare transplant with multiple end effector 3 3 試驗結果與分析 為判斷因素水平變化所引起的試驗成功率變動顯著 性 采用單因素試驗方差由對表4進行分析 試驗因素方 差分析結果如表5所示 由表可知 N1 N2的方差與隨 機序列空白方差相差不大 其偏差主要由于試驗誤差干 擾造成 其值變化對移栽成功率影響比較小 對其他試 驗因素進行顯著性檢測 求解其他試驗因素顯著性F值 如表5所示 表5試驗結果方差分析表 Table 5 Analysis of variance table of test results 方差來源 Variance source 自由度 Degree of freedom f 方差 Variance V 顯著性 Statistical significance F K 2 15 13 4 86 空 2 3 11 1 00 v1 2 16 25 5 23 N1 2 8 83 2 84 v2 2 12 46 4 01 N2 2 8 46 2 72 v1 N1 4 15 34 4 93 v2 N2 4 10 00 3 20 由表5可知 因素K和v1對移栽成功率影響顯著 v2次之 因素 v1 N1 交互作用大于因素 v2 N2 交 互作用 多移植手機構的水平平均速度對缽苗移栽成功 率影響顯著 水平平均速度越大 缽苗基質承受沖擊力 第1期 童俊華等 溫室水培葉菜高速稀植機構設計與試驗 7 越大 基質散落程度嚴重 導致移栽成功率越低現(xiàn)象 作用于v1末端的水平末端油壓緩沖器吸收能量N1單獨 作用對