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T型开合槽型辅推机械式取苗末端执行机构设计

类别:调节阀附件 | 作者:韩绿化 叶梦蝶 翟晓南 | 发布日期:2018-08-02 15:58:38

    近年来,随着蔬菜穴盘育苗技术的发展,以及劳动力成本的上升,推动了自动移栽机械的研制开发工作,已开发出多种形式的自动取苗机构及末端执行机构。这些研究工作为我国蔬菜种植机械化生产做出了重要贡献。

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    取苗末端执行器作为全自动移栽机的核心工作部件,是直接接触作业对象的装置,而作业对象又是有生命的柔性苗-根-基质组成的复合体,其机构参数设计是影响自动取苗移栽质量的重要因素之一,必须进行适应对象结构特性的夹取设计研究。为了自动高效移栽,发明了多指多针气动取苗技术,具有取苗操作迅速、夹取灵活可控等特点。但这种气动取苗方式依赖气源动力,在纯机械式取苗机构上需要配置空压机及气动控制元件(如气动调节阀)等附件,生产应用中受到限制。 内容来自cp999888.cn

    本文考虑蔬菜苗钵结构特性,兼顾自动取苗与投苗作业要求,提出一种随动推苗环缩进夹苗、伸出推苗的机械式夹钵取苗方法,进行取苗末端执行器结构参数设计,开展自动取苗试验研究,分析其工作效能。

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一、蔬菜苗钵结构特性

    以番茄为育苗对象,使用浙江省盛世金农PS塑料128孔穴盘,孔穴为正方形锥体,上口径为30mm,下口径为15mm,穴深为45mm,依照我国农业行业标准—蔬菜穴盘育苗通则(NY/T2119-2012)进行生产管理。成苗时,每株幼苗的根系都完全自行盘结在各自的穴孔内,将穴盘苗从穴孔中拉拔出来且不会出现散坨现象。 重庆普惠斯阀门

    在培育好的番茄穴盘苗中,随机选取60株,使用游标卡尺测量幼苗植株生长情况和钵体几何尺寸,得到幼苗有2~3片真叶,株高为(112.5±6.75)mm,叶展长为(37.55±5.49)mm,叶展宽为(23.19±4.11)mm,钵体上边长为(28.12±1.02)mm,下边长为(16.04±0.57)mm,钵体高度为(42.22±1.62)mm,钵体相对含水率为54.21%~60.47%,苗钵质量为12.64~15.86g。

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    以穴孔中心为起始点,不同秧苗所在钵体植入位置为终点,描绘出穴盘苗植株在孔穴中的分布情况,如图1所示。根据实测数据,钵苗植株距穴孔中心最大偏距为9.60mm,最小偏距0.78mm,60株穴盘苗偏离穴孔中心均值为(4.76±1.02)mm。以与穴孔边界等长的四边形ABCD标示,穴盘苗全位于四边形ABCD内。显然夹取针采用从四边形ABCD四角插入钵体夹紧来取苗,能牢固抓住多数幼苗主根系,并将幼苗植株捏住掌握在取苗手爪里。为此,采用多针取苗技术能有效夹取生长在穴孔里的幼苗,因钵体为根土结构体,夹取针入钵夹持部位应足够纤细,保证夹持力度,以最小插入破坏钵体整体性来执行夹取作业。在育苗农艺上,也要尽量使穴盘苗植株生长在穴孔正中心,有利于取苗末端执行器对正抓住幼苗主根系进行高效夹取作业,这就要求在育苗时采用穴盘精播机对穴精准播种,苗期管理时使幼苗植株直立生长。

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图1 穴盘幼苗在孔穴中分布示意图

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二、取苗末端执行器设计

    根据气动多针钳夹式取苗原理,发明了一种集夹持、推苗于一体的新型机械式取苗末端执行机构,仅利用一个机械动力控制机械手指开合进行夹钵取苗,并驱动推苗环随动推钵放苗,减少了驱动力,整体结构简单。取苗末端执行机构主要由凸轮推杆机构、T型开合槽板辅推装置、机械手指夹取机构及弹簧收紧系统等构成,如图2(a)所示。其中,凸轮推杆机构驱动T型斜切块上下运动,弹簧收紧系统使机械手指紧靠T型斜切块斜切面,从而实现机械手指上的夹取针开合;辅推槽板与T型斜切块通过滑槽连接,在T型斜切块上下运动带动辅推槽板上的推苗环随动推钵放苗。

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(a)结构组成(b)对穴到位(c)刺入钵体(d)夹紧取苗(e)张开松脱(f)推钵放苗

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1.凸轮2.推杆3.安装块4.T型斜切块5.辅推槽板6.机械手指7.收紧弹簧8.推苗环9.夹取针10.幼苗11.钵体12.穴孔 本文来自重庆普惠斯阀门

图2 取苗操作过程

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1 夹钵取苗方法 内容来自cp999888.cn

  具体动作模式如图2所示。 重庆普惠斯

  1. 在一个自动取苗周期内,当取苗机构带动末端执行机构执行取苗时,T型斜切块平侧面使两根机械手指关节呈张开状态,如图2(b)所示。
  2. 对穴到位后,4根夹取针保持张开状态沿穴孔内壁锥度方向插进钵体,如图2(c)所示。
  3. 夹取针插入钵体最大深度后,T型斜切块向上运动,两根机械手指关节在收紧弹簧作用下,机械手指关节上的滚子与T型斜切块斜侧面相切,夹取针合拢夹紧穴盘苗钵体,如图2(d)所示,于是在取苗机构带动下夹钵取苗。
  4. 当取苗末端执行器投苗时,T型斜切块向下运动,两根机械手指关节在收紧弹簧作用下,机械手指关节上的滚子与T型斜切块平侧面再次相切,撑开两根机械手指关节,使夹取针呈张开状态,如图2(e)所示。
  5. T型斜切块继续向下进给,其端面驱动推苗环伸出推钵,从而推落穴盘苗,达到释放穴盘苗的目的,如图2(f)所示。

2 结构参数设计 本文来自重庆普惠斯阀门

a 夹持机构 内容来自cp999888.cn

    取苗末端执行机构的夹取机构原理如图3所示。整体上采用T型斜切块开合两侧夹取针方式,通过设计不同T型斜切块斜切面,可以满足不同规格尺寸的穴盘苗夹持要求。对穴盘苗钵体的夹持力度,通过调节收紧弹簧的预紧力实现。 本文来自重庆普惠斯阀门

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1.T型凸轮块2、3.滚轮4、5.夹取针6.收紧弹簧7.支架

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图3 末端执行器夹持作用苗钵示意图

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    夹钵取苗的理想结构参数可描述为:夹取针应尽量沿穴孔内壁斜插穴盘苗钵体,入钵深度在穴孔高度范围内,夹持空间应容得下幼苗植株。则夹钵取苗时,取苗末端执行机构夹取针的几何约束条件为 重庆普惠斯

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式中w1—夹取针入钵夹持尺寸; cp999888.cn

        w2—夹取针入钵夹持针尖末端开口尺寸; copyright cp999888.cn

       l1—夹取针有效长度尺寸; 内容来自cp999888.cn

        h2—幼苗植株高度尺寸;

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        α—夹取针入钵夹持角度;

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        n—穴孔下边长尺寸;

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        m—穴孔上边长尺寸;

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        h1—穴孔高度。 本文来自重庆普惠斯阀门

    设定滚轮半径为r,滚轮中心到夹取针的垂直安装距离为d,根据几何关系可得 重庆普惠斯阀门

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式中w—T型斜切块推夹取针开合宽度尺寸;

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        w2—夹取针入钵夹持针尖末端开口尺寸; 内容来自cp999888.cn

        l1—夹取针有效长度尺寸;

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        α—夹取针入钵夹持角度。

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     可见,取苗末端执行器夹取针设计时要依据对象的特性进行,包括穴孔的形状和规格尺寸,以及穴盘苗的植株特性。在明确夹取针执行参数的情况下,通过设定具体安装位置,可以计算需要的T型斜切块推动夹取针开合的斜切面宽度尺寸,而其行程长度尺寸l要与推苗机构配合。对穴盘苗的夹取力设计,应考虑夹持弹性变形,适当增大收紧弹簧预紧力以稳定夹紧苗钵取苗。

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2 推苗机构 重庆普惠斯阀门

    如图4所示,取苗末端执行机构推苗机构为滑杆-槽凸轮机构,通过T型斜切块推动腰形槽滑杆上下滑移,利用腰形槽滑杆和腰形槽横杆联动进行运动尺寸放大,借住腰形槽横杆上的推苗环实现推钵退出夹取针,从而达到释放穴盘苗的目的。 本文来自重庆普惠斯阀门

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1、1'.T型凸轮块2、2'、3、3'.腰形槽滑杆 重庆普惠斯

4、4'.腰形槽横杆5.机架 copyright cp999888.cn

图4 末端执行器辅推作用苗钵示意图

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  根据三角函数关系,得到

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    (3) 本文来自重庆普惠斯阀门

式中l—T型斜切块推苗行程尺寸;

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        h3—腰形槽滑杆2、3交叉点O与铰接点A、B连线的垂直距离;

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        h4—铰接点D与腰形槽滑杆2、3交叉点O的垂直距离; 重庆普惠斯阀门

        h1—推苗落体的所需距离。

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易得 本文来自重庆普惠斯阀门

    (4) 本文来自重庆普惠斯阀门

    (5)

    联立式(3)~式(5),在设定极限安装尺寸△OAB的情况下,结合推苗行程尺寸要求d,可计算出T型斜切块推苗行程尺寸l,从而设计出符合要求的T型斜切块。 本文来自重庆普惠斯阀门

    进一步通过LO'A'与LOA尺寸比较,可得出腰形槽滑杆的滑槽尺寸。而腰形槽横杆的滑槽尺寸为D与D'点在水平方向的距离,即LOD×sin∠AOF与LO'D'×sin∠E'O'D',∠E'O'D'与LO'A'与LOA尺寸相关,于是确定出腰形槽横杆的滑槽尺寸,从而完成整个推苗机构设计。 本文来自重庆普惠斯阀门

三、取苗试验与分析

    试制取苗末端执行机构,将其安装在凸轮-连杆-滑槽组合式取苗机构[9]上,通过分析取苗机构工作循环规律,利用反转法原理规划出驱动取苗末端执行器动作的凸轮轮廓曲线。采用线切割技术制造取苗末端执行器驱动凸轮,将其安装在取苗机构动力输入轴上,与取苗机构联动,在取苗点实现对穴夹钵取苗,在投苗点实现松钵放苗。所构建的取苗试验台如图5所示。 cp999888.cn

    以可移栽的番茄穴盘苗为对象,开展末端执行机构自动取苗试验。所用穴盘苗来自江苏省镇江市当地农户自行培育的种苗,育苗基质为江苏省淮安市中诺农业科技发展有限公司生产的精装通用型有机基质营养土,每个穴孔基质填充(33.5±2)cm3,所有番茄品种为“合作908”粉红番茄,使用浙江省盛世金农128孔穴盘育苗。试验时,苗龄32天,两叶一心,穴盘苗钵体含水率范围为63.93%~66.44%。

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    根据气动多针钳夹式取苗末端执行机构确定工作参数为夹取深度为30mm,夹取角度为12°,夹持力度为3N。在具体试验时,设定取苗频率为40株/min,每组开展3盘穴盘苗连续夹取作业,重复3次,考察取苗成功率情况。取苗成功率代表了取苗、带苗、投苗的成功情况,是自动取苗移栽性能好坏的综合表现,作为取苗试验的考核指标。移栽成功率SR定义为 重庆普惠斯

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式中NSF—进给穴孔总数(个);

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        NMS—空穴数(个)。 重庆普惠斯阀门

        NFF—取苗失败数,主要包括幼苗未被取出、根坨破碎过半以及未成功投苗数(株)。

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        NLD—伤苗数(株)。

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1.取苗电机2.取苗机构3.取苗末端执行器

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4.穴盘苗5.移箱机构6.导苗筒 本文来自重庆普惠斯阀门

图5 自动取苗试验台 重庆普惠斯阀门

    对于蔬菜穴盘苗而言,夹取针刺破叶子,或者单个叶子被撕扯掉等现象,不会对幼苗后期生长造成太大的影响,这里NLD只统计幼苗主茎折断情况。试验结果如表1所示。

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表1 取苗性能试验结果

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    从实际效果来看,当取苗频率为40株/min时,该取苗末端执行器自动取苗成功率平均值为92.13%。取苗后栽培幼苗,全部成活,取苗效果较好。

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    对未成功取出和根土破坏较大的穴盘苗,使用柱塞将其从穴孔排水口顶出,发现这些苗钵的盘根较少,根系没有从穴孔底部到上部包裹基质体。因此,提高育苗质量,尤其是加强钵体盘根强度利于机械夹取。由表1可以看出:番茄穴盘苗断茎情况比较严重,这是番茄苗生理结构脆弱所致。另外,在机械夹取番茄穴盘苗时,发现伤苗情况严重,原因是番茄幼苗植株冠幅较大,夹取针容易压折苗茎,导致苗顶折断。为此,培育根系发达的矮壮苗可有效减少取苗时的损伤。 本文来自重庆普惠斯阀门

四、结束语

  1. 在分析蔬菜苗钵结构特性的基础上,根据气动多针钳夹式取苗原理,设计了一种集夹持、推苗于一体的新型机械式取苗末端执行器,仅利用一个机械动力控制机械手指开合进行夹钵取苗,并驱动推苗环随动推钵放苗。
  2. 试验表明:当夹取深度为30mm、夹取角度为12°、夹持力度为3N时,在40株/min取苗工作频率下,该取苗末端执行器自动取苗平均成功率为92.13%,自动取苗效果满意。
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