蔬菜缽苗密植移栽機多行取苗機構設計與試驗.pdf

null null null null 年 null 月 農 業(yè) 機 械 學 報 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 蔬菜缽苗密植移栽機多行取苗機構設計與試驗 俞高紅 null null 王系林 null null 劉建剛 null null 葉秉良 null null 李 祥 null null 趙 雄 null null nullnull 浙江理工大學機械與自動控制學院 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 浙江省種植裝備技術重點實驗室 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 農機智能控制與制造技術福建省高校重點實驗室 武夷山 nullnullnullnullnullnull 摘要 為實現蔬菜缽苗密植自動移栽 提出一種能夠降低因齒輪間的齒側間隙引起的傳動誤差進而提高運動準確 性的大重合度非圓齒輪傳動機構 根據小青菜缽苗密植移栽農藝要求 設計了密植移栽取苗軌跡和一種基于該傳 動機構的非圓齒輪行星輪系八行同步取苗機構 開展了取苗機構的逆向設計 并對其進行了運動學分析 自主開 發(fā)了密植移栽取苗機構反求設計軟件 為降低傳動誤差 該行星輪系取苗機構一級齒輪傳動采用大重合度非圓齒 輪傳動 二級齒輪傳動采用斜齒輪傳動 每級齒輪傳動的重合度均接近 null 基于虛擬樣機技術和高速攝像技術對取 苗機構進行軌跡測試試驗 得到試驗和仿真取苗軌跡 并對比理論計算軌跡 三者軌跡基本一致 驗證了密植移栽 取苗機構設計的可行性 對密植移栽取苗機構進行取苗試驗 取苗機構的取苗成功率為 nullnullnull 左右 檢驗了機構樣 機性能 關鍵詞 蔬菜缽苗 密植移栽 取苗機構 反求設計 精密取苗 大重合度非圓齒輪 中圖分類號 nullnullnullnullnull null 文獻標識碼 null 文章編號 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull OSID 收稿日期 nullnullnullnull nullnull nullnull 修回日期 nullnullnullnull nullnull nullnull 基金項目 浙江省重點研發(fā)項目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null國家科學自然基金面上項目 nullnullnullnullnullnullnullnull 和農機智能控制與制造技術福建省高校重點實驗 室 武夷學院 開放基金項目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者簡介 俞高紅 nullnullnullnullnull 男 教授 博士生導師 主要從事移栽裝備創(chuàng)新設計和機構運動學與動力學研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull Design and Experiment of Multi Row Seedling Taking Mechanism for Dense Planting and Transplanting of Vegetable Pot Peedlings nullnull nullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnull null null null School of Mechanical Engineering and Automation Zhejiang Sci tech University Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Zhejiang Province Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Fujian Provincial Key Laboratory of Agricultural Machinery Intelligent Control and Manufacturing Technology Wuyishan nullnullnullnullnullnull China Abstract nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 0 引言 機械移栽可以克服由季節(jié)導致的作物不能連作 接茬的問題 育苗移栽技術有利于緩和季節(jié)對作物 的影響 保證作物生長條件和發(fā)育的一致性 有利于 作物的穩(wěn)定生長 提高土地的利用率和復種指 數 null nullnull 由于小青菜種植的行距和株距都比較小 目前沒有適用的自動移栽機 主要依靠人工種植 蔬 菜缽苗密植移栽機取苗機構的設計是實現小青菜全 自動密植移栽的關鍵 且穴盤苗取苗機構是自動蔬 菜移栽機的核心部件 因此研制結構合理 性能穩(wěn)定 和取推苗精度高的穴盤苗取苗機構是實現精密移栽 的前提 null nullnull 國內外學者對寬行距移栽的取苗機構進行了諸 多研究 null nullnullnullnull 等 null 研發(fā)了一款多連桿機構驅動 的滑道式取苗機構 通過搖桿和滑道控制取苗秧針 的位置和姿態(tài) 但是該取苗機構取苗效率較低 韓 國 nullnullnullnull 等 null 研制了一種連桿組合式單臂取苗機 構 該取苗機構通過在取苗單臂上安裝夾緊式取苗 秧針進行取苗 該取苗機構取苗速度慢 效率低 且 難以繼續(xù)提高 日本學者 nullnull nullnullnull 利用齒輪系和連桿 滑道設計了一種自動蔬菜移栽機 但是該移栽機移 栽效率約 nullnull 株 nullnullnullnull 且滑道易磨損 田昆鵬等 nullnull 設計了一種曲柄滑槽門形組合取苗機構 該取苗裝 置由曲柄門形導桿和軌跡執(zhí)行機構 取苗爪機構和 凸輪機構組成 取苗速度為 nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull 該取苗爪 不能完全夾持缽體 且該機構是凸輪滑機構 不適合 高速運轉 袁挺等 nullnull 設計了一種蔬菜移栽機 采用 氣吹振動復合式取苗機構及其配套苗盤進行取苗 取苗成功率為 nullnullnull 存在體積較大和取苗效率較低 的問題 廖慶喜等 nullnull 提出了一種油菜紙缽苗移栽 機嵌入式氣動取苗機構 取苗效率為 nullnullnull 株 nullnullnullnull 取 苗成功率 nullnullnull nullnull 但是該取苗機構存在氣缸運動沖 擊及取苗機構振動導致油菜紙缽苗提前滑落問題 俞高紅等 nullnull 提出了一種橢圓 不完全非圓齒輪行星 輪系蔬菜缽苗取苗機構 該機構通過不完全非圓齒 輪間的變速傳動來實現取苗所需的機構運動軌跡 其取苗效率為 nullnull 株 nullnullnullnull 取苗成功率 nullnullnull 取苗機 構中的凹凸鎖齒弧存在一定的沖擊而不利于機構的 高速運行 葉秉良等 nullnull 設計了一種應用于蔬菜缽 苗自動移栽機的偏心齒輪 非圓齒輪行星系自動取 苗機構 取苗效率可以達到 nullnull 株 nullnullnullnull 取苗成功率 nullnullnull左右 但是其設計過程較為繁瑣 目前學者對 于蔬菜密植移栽機方面的研究較少 韓國研制的 nullnull nullnullnullnull 型半自動密植移栽機 移栽作業(yè)行數為 null 行 移栽行距為 nullnull nullnull 株距為 nullnull nullnullnull nullnull 但需要 null 名投苗手投苗 機器間歇前進 移栽效率較低 只 有 nullnullnull 株 null 行 null null國內滁州禾田農業(yè)機械有限公 司研究了一種高密度移栽機械 適用于人工供苗的 半自動方式 該移栽機作業(yè)行數最大為 null 行 可根 據移栽要求進行調節(jié) 行距為 nullnullnull nullnull 株距在 nullnull null nullnullnull nullnull 由于該移栽機為人工供苗的半自動式移栽 機 需要兩個人同時投苗 機器間歇前進 故移栽效 率低 目前學者們對寬行距移栽的取苗機構研究較 多 但對于窄行距密植移栽的取苗機構研究則較少 還未見針對小青菜全自動密植移栽的相關機具的研 究 在理論上可以采用 null 個取苗機構緊湊布置并且 同時取苗實現 null 行取苗 但是由于空間的限制 null 個 取苗機構緊湊布置無法實現窄行距多行密植移栽 此外 null 個取苗機構同時使用的移栽機質量過大 成 本也過高 因此 本文提出一種適合密植移栽的 null 行同步 取苗非圓齒輪行星輪系取苗機構 同時開展取苗機 構的取苗爪設計和大重合度非圓齒輪的齒廓設計 根據密植移栽要求設計適合密植移栽的取苗軌跡 利用 null 樣條曲線對取苗軌跡進行擬合 基于取苗軌 跡對取苗機構進行逆向設計 開發(fā)密植移栽取苗 機構的設計平臺 利用運動學仿真軟件完成取苗 機構的仿真分析 試制取苗機構的樣機 進行試驗 驗證 1 密植移栽多行取苗機構方案與工作原理 小青菜一般采用密植移栽 要求栽植缽苗的行 距和株距為 nullnull null nullnull nullnull 密植數量為 nullnull 株 nullnull null 在 設計方案中 秧箱上并排放置兩個穴盤 兩個穴盤橫 向距離為 nullnullnull nullnull 所用穴盤為 nullnullnull 穴 每行有 null 個 穴 每列有 nullnull 個穴 取苗機構的推苗角盡可能接近 nullnullnull左右 以使缽苗盡可能接近直立狀態(tài)推出 利于 與其配套的植苗機具的接苗環(huán)節(jié) 秧箱上的穴盤一 般與水平方向呈 nullnullnull左右 從取苗到推苗位置 缽苗 應該轉過秧箱的安裝角度 nullnullnull左右 因此推苗角 和取苗角之間的角度差控制在 nullnullnull左右 由于缽穴 深度為 nullnull nullnull 根據前期所設計的取苗機構的取苗 nullnull第 null 期 俞高紅 等 蔬菜缽苗密植移栽機多行取苗機構設計與試驗 試驗可知 nullnull 秧針進入缽穴的深度需為 nullnull nullnull 左 右 以保證缽苗能順利從缽穴中夾取出來 為避免取 苗機構的秧針進出缽穴時和穴盆發(fā)生干涉 取苗軌 跡中入缽段軌跡應為 nullnull nullnull 左右的近似直線段 如圖 null 所示 該取苗機構由兩套對稱的齒輪箱 和 和兩套夾苗部件 和 組成 齒輪箱為 取苗機構的驅動部分 通過法蘭固定在機架上 齒 輪箱的單側各連接一套夾苗部件 每套夾苗部件由 null 個移栽臂 null 套取苗爪 每套取苗爪包括 null 片秧 針 null 個轉動銷和 null 個推苗爪 其中 秧針長為 nullnull nullnull 寬為 nullnull nullnull 厚度為 nullnull null nullnull nullnull 塊秧針安裝 板和 null 塊推苗板組成 兩側齒輪箱采用錐齒輪作為 動力傳輸裝置以驅動兩側齒輪箱同步旋轉 保證兩 側移栽臂運動的同步性 從而使固定于兩側移栽臂 上的夾苗部件的 null 套取苗爪同步運動 實現同步取 苗 取苗機構工作時 動力同時帶動左右兩側的齒 輪箱旋轉 齒輪箱內部的齒輪嚙合傳動 驅動夾苗部 件按特定軌跡運動 張開狀態(tài)的取苗爪以合理的取 苗角進入缽穴 null 套取苗爪進入到缽穴一定深度后 同時夾緊缽苗的土缽 隨后 夾苗部件夾著土缽快速 離開缽穴 夾持到相應位置后完成推苗動作 取苗 機構轉動一圈 取完兩個穴盤中同一行的所有缽苗 當取完一行缽苗后 縱向送秧裝置自動縱向送苗一 次 取苗機構進行下一周期的取苗工作 圖 null 取苗機構整體方案 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull 法蘭 nullnull 取苗凸輪 nullnull 移栽臂 nullnull 推苗板 nullnull 秧針安裝板 nullnull 轉動銷 nullnull 秧針 nullnull 推苗爪 null 齒輪箱 null 夾苗 部件 2 密植移栽取苗軌跡設計 取苗機構的取苗軌跡是自動移栽機設計的關鍵 要素 取苗機構的取苗過程主要分為以下階段 圖 null A C 和 C G 為取苗階段的秧針尖點軌跡 秧針沿 A C 段軌跡進入穴盤后夾緊土缽 秧針夾 持土缽沿著 C G 段軌跡夾出缽苗 G D 段軌跡為 持苗階段軌跡 缽苗沿著 G D 段軌跡被夾持到推 苗位置點 D E 段軌跡為推苗階段軌跡 秧針上的 缽苗在推苗爪的推動下在點 E 之前被推入植苗機 構中 E A 段軌跡為回程階段軌跡 秧針保持最大 張開狀態(tài)沿 E A 段軌跡快速回到最初的取苗位 置 重復下一次的取苗動作 圖 null 取苗軌跡示意圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 缽穴 nullnull 缽苗 nullnull 移栽臂 nullnull 取苗爪 為滿足密植移栽取苗機構的取苗要求 其取苗 軌跡的設計 秧針尖點軌跡 需要達到取苗軌跡設 計目標 nullnull 如表 null 所示 表 1 取苗軌跡設計目標 Tab 1 Design objectives of seedling picking trajectory 軌跡 設計要求 入缽段軌跡長度 nullnull nullnull 左右的近似直線 出缽軌跡 出缽和入缽軌跡盡量重合 盡可能保持垂直 秧針進入缽穴的最大深度 l nullnull nullnull 入缽盤段軌跡的環(huán)扣最大寬度 null 控制在 null nullnull 以內 取苗角 null null nullnullnull左右 推苗角和取苗角間的角度差 nullnullnull左右 推苗角 null null 接近 nullnullnull 推苗板與秧箱距離 大于 null nullnull 移栽臂之間的距離 nullnull nullnull 左右 避免雙移栽 臂夾苗后干涉 秧針進入缽穴與缽穴下邊緣距離 nullnull null nullnull 左右 據此設計目標設計了一個滿足密植移栽要求的 取苗軌跡 如圖 null 所示 為了設計理想的密植移栽 取苗機構 本文基于 nullnullnullnullnullnull 軟件開發(fā)密植移栽取苗 機構的反求設計平臺 采用三次非均勻 null 樣條曲 線對密植移栽取苗軌跡進行擬合 通過改變角位移 曲線上控制點坐標實現取苗軌跡的調整 nullnull 利用 型值點數據計算出節(jié)點矢量 Unull u null u null null u n null k nullnull 再反求 null 樣條曲線控制點 最終利用控制 點計算出取苗軌跡上任意數據點 型值點的選取影 響著軌跡的擬合效果 是軌跡擬合的關鍵環(huán)節(jié) 取 苗軌跡的取苗和推苗階段至關重要 且機構回程階 段為凹凸鎖止弧傳動 故應選取更貼近取苗和推苗 階段對應軌跡的型值點 本文選擇的 nullnull 個型值點 如圖 null 所示 其中型值點 null nullnull 為控制秧針入缽段需 要調整的軌跡 型值點 null nullnullnull 為控制秧針出缽段軌 跡 型值點 nullnull nullnullnull 為控制推苗段軌跡 將 null 樣條曲線上選取的 nullnull 個型值點 q i i nullnull null null m 代入 null 樣條曲線的數學模型 nullnull 可得公式 nullnull 農 業(yè) 機 械 學 報 null null null null 年 圖 null 取苗軌跡型值點及其取苗段軌跡 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull p u i null i j o null d j N j null u i null i j i null d j N j null u q i null i null null null n p u n null null n j n null d j N j null u m null null i j i null d j N j null u q m null 式中 d j j null null null null n 為曲線的控制點 N i k u i nullnull null null n 為三次 null 樣條基函數 且 unull u i u i nullnull null u null u n nu