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1、穴盘苗移栽机自动取喂系统的设计与试验O引言旱地育苗移栽技术具有对气候的补偿作用和使作物生育期提早的综合效应，还能提高单产1。日本、美国、意大利等发达国家对育苗移栽技术的研究起步较早，先后设计出多种自动移栽机，有针对小面积应用的单行作业机型，也有多行宽幅作业机型；有用多个电机直接驱动的形式，也有纯机械形式，还有采用机、电、气、液方式相结合的方式；有穴盘苗移栽机，也有压缩基质苗自动移栽机2-3。国外现有自动移栽机多与其作业环境和种植模式相配套而设计，如日本生产的多为小型、单行、垄上移栽机，以机械传动为主，结构较复杂；欧美国家的自动移栽机以宽幅、多行为主，其要求作业地面平整度较高，配套专用的硬质塑料
2、穴盘，结合电气和液压进行控制，以开沟移栽为主，且整体结构庞大，造价不菲。国内自动移栽技术发展相对落后，对旱地穴盘苗全自动移栽机的研究相对较少，目前的半自动移栽机，受到人工取苗、喂苗速度的限制，单行移栽频率小于40株/rain4。近些年，新疆地区移栽作物种植面积不断扩大，移栽作物种类也不断增多，而目前新疆地区使用较多的是吊篮式半自动移栽机，采用人工投苗方式，移栽机作业效率不高，急需自动化程度较高的移栽机。多年实践证明，吊篮式移栽机是现有新疆膜上打穴移栽的最佳机型，但由于栽植效率低，人员配备多，劳动力价格不断上涨，其优势未能很好体现。为了有效的提高穴盘苗移栽的效率，2009-2010年，课题组以新
3、疆地区使用较多的吊篮式打穴移栽机为配套对象，分别设计了以电机驱动的移盘机构和基于不完全齿轮与导轨的机械手取苗机构，由于其加工生产成本较高，机械传动结构复杂，取苗准确率低，无法应用。本文提出设计基于PLC控制和气压驱动的穴盘苗移栽自动取喂系统，由传感器检测运动位置信号并输入给PLC，利用PLC对自动取喂系统中的各个气缸进行准确控制，以期能够自动完成从软穴盘中取苗和向栽植器中放苗，实现穴盘苗移栽过程中的自动化取喂，同时还能够简化传动结构，降低整机质量，节约生产成本。1自动取喂系统总体设计目前，新疆地区采用较多的软穴盘是128 (16，列8行)穴，结构如图1所示，采用吸塑成型工艺制造，厚度0.61
4、mm，穴形呈近四棱台形，穴高45 mm，上边宽31.75 mm，F边宽13 mm。为了与新疆地区广泛使用的吊篮式移栽机相配套，要求所设计的自动取喂系统能够独立制作并方便安装于现有移栽机，其驱动独立于现有移栽机传动系统，不增加现有传动系统的负荷；此外，新疆地区吊篮式移栽机作业时是一膜双行，要求设计的自动取喂系统结构紧凑，不易过宽。针对穴盘苗移栽的特点，仿照人工辅助取喂苗的动作，自动取喂系统的各动作功能分解如图2所示，根据系统所要完成的动作，系统主要由穴盘步进移位机构、翻转摆位式取苗机械手、柔性链输送喂入机构及相应的驱动控制系统构成，即采用1次取出多株苗的取苗机械手，将放置到位的穴盘内多株穴盘苗同
5、时取出，然后翻转摆位至1次投苗位，适时将穴盘苗转移给柔性链输送喂入机构，最后由柔性链输送喂入机构按照规则逐个将穴盘苗通过导苗装置喂入栽植器中。设计的穴盘苗移栽自动取喂系统结构如图3所示，性能参数如表1所示，整个系统中各运动件均采用气压驱动，由PLC对各气缸动作顺序进行控制。穴盘苗移栽自动取喂系统是用于配套现有二行移栽机，也能与新移栽机同时生产，单组取喂系统质量小于llOkg，通过在移栽机上方增设水平横梁，将自动取喂系统支架上的安装接口与水平横梁联结，并在移栽机三点悬挂中部安装空气压缩机，由动力输出轴驱动空气压缩机，压缩空气经过辅助气源处理装置处理后，即可作为系统的动力，自动取喂系统结构自成体系
6、，其运行不增加原移栽机地轮负荷。2关键机构设计2.1穴盘步进移位机构由于穴盘相邻2穴间距较小(31.75 mm)，穴盘苗生长时会产生部分枝叶交错，为使取出后的穴盘苗互不影响，将机械手设计为在固定位置取出相互间隔的穴盘苗，以使相邻穴盘苗交错的枝叶分开。机构中穴盘步进移位气缸( SDAJ32X60-40)作往复直线运动，通过摇杆一棘轮驱动主动轴作间歇转动，主动轴带动链条横连杆移动，使穴盘实现纵向步进移位；从动轴端部设有摩擦轮，产生一定的摩擦力，防止穴盘在自身重力作用下下滑；穴盘左右移位气缸(TN25X40)安装在托板下侧，驱动托板水平横向移位，气缸行程(40 mm)大于苗穴间距31.75 mm，便
7、于托板位置调整和弥补运动间隙；在托板的正上方的压盘杆，用于保持穴盘与托板贴紧，防止机器震动时穴盘掉落。穴盘放置在穴盘托板与压盘杆之间，穴盘V型间隙卡在链条横连杆上，穴盘可随链条横连杆在穴盘托板上纵向移动（每步31.75 mm），也可随托板沿链条横连杆横向往复移位(31.75 mm)。穴盘步进移位机构结构图如图4所示。2.1.1穴盘步进移位机构倾斜角度确定当穴盘放置到自动取喂系统上时，穴盘下底面与穴盘步进移位机构的骨架平行。为减少自动取喂系统水平方向宽度，将穴盘步进移位机构倾斜放置（当竖直放置时穴盘苗易从锥形苗穴中掉落，且穴盘在未移入压盘杆下时容易倾覆）；为使穴盘苗不掉落，根据穴盘苗在苗穴内的受
8、力情况确定穴盘下底面与水平面之间的夹角，即穴盘步进移位机构的骨架与水平面之间的夹角。穴盘苗基质在苗穴中的受力情况如图5所示。由受力分析可知由于基质重力G0，基质在苗穴内受力存在以下情形：当1800-0a0，穴盘苗基质有向苗穴大口方向滑动掉落的趋势；当a=900时，即穴盘下底面与水平面之间夹角等于口，此时，F2-0，穴盘苗基质静止、无滑动趋势；当900a1800时，即穴盘下底面与水平面之间夹角大于p，此时F20，穴盘苗基质有向苗穴下底面滑动的趋势，此时穴盘苗不易掉落。由于基质充满整个苗穴，基质大小与苗穴一致。通过测量苗穴结构可知基质结构，在图5中，基质上边宽m=31.75 mm，下边宽n=13
9、mm，高度h=45 mm，由几何关系分析有2.1.2链条横连杆支撑位置确定在穴盘苗未从穴盘中取出前，穴盘苗基质与穴盘紧密贴合，认为每个苗穴质心与基质质心重合。根据图5中测得的基质结构计算可知，穴盘基质质心位置在距下底面h1=28.44 mm处的截面几何中心，穴盘放置在步进移位机构上的受力如图6所示。若穴盘放置在步进移位机构上不倾覆，穴盘受力须满足lt=27.47 turn(8)由(7)式可知丢1，即如27.47mm，为防止机器振动引起穴盘倾覆，应将如尽可能取大，考虑到穴盘上侧边缘的有筋，将，2取为40 mm。2.2翻转摆位式取苗机械手翻转摆位式取苗机械手如图7所示，取苗机械手包含8组取苗爪，每
10、组取苗爪包含3根在导管里滑动的柔性滑针，柔性滑针选用直径3mm(77)的不锈钢丝，滑针尖端8mm使用铜焊固结并磨尖，滑针尾部固定在动横梁上，扎苗放苗气缸( MAL20X50)驱动动横梁沿导杆移动，滑针运动行程与扎苗放苗气缸行程相同；机械手翻转气缸（MAL20X60-S）和摆位气缸(MAL20X75)控制机械手在取苗位和投苗位的姿态变换，机械手翻转气缸控制摆臂与机械手的相对角度，机械手摆位气缸控制机械手与支撑架的相对位置；当摆位气缸和翻转气缸均伸出时，机械手处在取苗位，当摆位气缸和翻转气缸均收回时，机械手处在1次投苗位。翻转摆位式取苗机械手的工作原理如图8。2.3柔性链输送喂入机构柔性链输送喂入
11、机构主要由固定在柔性链(10A)上的苗筒与摆动马达构成，其结构如图9所示。摆动马达(DSR-25-180-P)通过棘轮机构驱动柔性链上的苗筒运动，即摆动马达作往复摆动( 1800)，苗筒随柔性链作间歇移动，每步移动2个苗筒的距离(127 ram)；苗筒共28个，其中14个相互间隔苗筒的活门外侧安装有支撑杆，比其余14个活门宽8 mm。图9中左排苗筒的上方为1次投苗位，机械手在苗筒静止时（摆动马达回程运动时）将穴盘苗投入苗筒，苗筒随柔性链转动到右侧进行2次投苗，苗筒在2次投苗时将经过活门托板上的宽、窄2种落苗口，当苗筒先经过窄落苗口时，仅窄活门打开落苗，经过宽落苗口时，所有活门均打开，此时剩余苗
12、筒中穴盘苗落下。3驱动控制及工作原理3.1自动取喂系统工作原理及时序移栽机整机工作时，系统中各自由度的运动是由PLC控制的气动元件驱动，各运动件均以压缩空气为动力源，系统自成体系；固定在栽植器上的吊篮传感器10.4检测通过其正前方的吊篮，由于2行移栽机栽植器之间是1：1的定传动比，故10.4每检测到一次信号，即有2个吊篮通过，此时DT5动作，摆动马达转动1800，柔性链输送喂入机构移动2个苗筒的距离，对应的苗筒活门打开，穴盘苗在导苗装置的引导下落入对应的栽植器吊篮；翻转摆位式取苗机械手取苗过程独立于柔性链输送喂入机构进行，且每个取苗工作循环所用的时间小于4次(8株)落苗时间总长，保留一定的投苗
13、等待时间用于稳苗；当机械手摆位气缸伸出且机械手翻转至取苗位时，扎苗放苗气缸驱动柔性滑针伸出，机械手进行取苗，随后机械手摆位气缸返回，穴盘苗被取出并随机械手移动到1次投苗位，机械手翻转气缸驱动机械手回位至穴盘苗竖直状态等待投苗，并在10.3计录苗筒数至8后，苗筒间歇运动停止时扎苗放苗气缸带动柔性滑针收回，机械手投苗；穴盘步进移位机构受穴盘步进移位气缸和穴盘左右移位气缸的交替驱动作“几”字形间歇移动，且每次移动是在机械手移动到投苗位置一侧时进行，避免取苗机械手与穴盘苗发生运动干涉；穴盘苗移栽自动取喂系统的电磁阀及气缸动作顺序如图10所示，其中I0.1和10.2用于在编程过程中与PLC内部继电器串联
14、，保证翻转摆位机械手到位后再进行取苗或放苗操作；自动取喂系统中气缸的运行速度由安装在气缸两端的节流阀控制，使气缸往返运行速度适中、无冲击现象。3.2自动取喂系统的驱动自动取喂系统中包含的气动执行元件有机械手翻转气缸C、扎取放苗气缸D、机械手摆位气缸E、穴盘步进移位气缸B、穴盘左右移位气缸A、摆动马达M，各气动执行元件均由二位五口电磁阀控制，并分别由节流阀进行调节速度，气压驱动原理图如图11所示。3.3自动取喂系统的控制按照自动取喂系统的工作流程，为PLC(西门子$7-200)连接输入和输出控制信号，如图12所示，I0.0为压力开关(PMN10A)与手动启动开关串联输入信号，当气压达到预设值且按
15、下启动按钮后程序开始执行；I0.I和I0.2为检测机械手翻转气缸2个关键位置的磁性开关(D-A93)，用于判断机械手是否翻转到位；10.3和I0.4采用常开式接近开关( E2E-X3D)，I0.3用于苗筒数量记数，10.4用于检测移栽机栽植器吊篮运动信号；输出端分别连接控制各气动执行元件的电磁阀。PLC输入输出分配如表2。3.4耗气量计算根据所选用的气动元件参数，计算系统最大空气体积流量，并依据流量选择合适的空气压缩机。Q平均：0.00157ND2S旦0.10(1)0.1式中，Q平均为气缸所需的空气体积流量，L/mira为气缸每分钟平均往复次数；D为气缸缸径，cm；S为气缸行程，cm;p为气缸
16、工作压力，MPa。穴盘苗移栽自动取喂系统耗气量计算如表3所示。由表中计算可知耗气总量为60.56 L/min，为保证气源压力稳定，单组穴盘苗移栽自动取喂系统在配套移栽机使用和试验时选择容积流量100 L/min气泵提供压缩空气。4穴盘苗移栽自动取喂系统试验4.1试验材料及装置试验在新疆农业大学农牧机械实验室进行，采用新疆农二师21团6连育苗大棚所育的“红安6号”辣椒苗，育苗时间为2011年2月25日至4月25日，苗龄为58d，穴盘苗平均高度163.06 mm;穴盘苗基质由草炭、蛭石、珍珠岩按照体积比1：1：1配得(基质含水率24.61%-31.57%)：将穴盘苗移栽自动取喂系统第二轮样机独立安
17、装在试验平台上进行试验，压缩空气由实验室内气泵（ZBM-0.1/8型）提供，储气罐压力保持在0.50.8 MPa之间；为使常开式接近开关I0.4获得类同于栽植器的运动信号，自制由电机驱动的旋转衔铁，通过变频器（台达VFD015M43B，精度0.1 Hz）控制电机转速，模仿栽植器运动过程中吊篮间歇通过检测位置的状态和速度。4.2试验设置及评价指标试验主要考察自动取喂系统的取喂苗速度和对适宜移栽期穴盘苗取喂苗的影响，测定穴盘苗取喂苗过程时的基质损失情况，并检验取苗、1次投苗、输送分苗各主要功能环节的可靠性。4.2.1取喂苗速度试验自动取喂系统的取喂速度直接受控于栽植器运动速度，即栽植器吊篮通过传感
18、器I0.4的频率，然而，当栽植器运动速度过高时，自动取喂系统会出现机械手翻转过程甩苗、气缸未运行至目标位置便开始下一动作、气缸运行时冲击较大等现象，从而直接影响自动取喂质量和准确率。为检测自动取喂系统的取喂速度，调整PLC程序中的落苗时间tl至0.65s（留足落苗时间），通过变频器调整电机驱动的衔铁旋转速度至35次/min，自动取喂系统能够按要求完成取喂苗的各动作，无甩苗和1次投苗漏投现象（I0.3计录苗筒数至8时，机械手未返回到1次投苗位），此时，测得穴盘苗移栽自动取喂速度达到70株/min。4.2.2取苗基质损失率试验由于机械手采用的是3根柔性滑针扎取基质进行取苗，机械部件不直接接触穴盘苗
19、植株，对穴盘苗茎叶无伤害（穴盘苗生长于苗穴侧壁除外），主要考察机械手取苗和系统输送转移过程中造成的基质损失情况。试验采用将随机选取的16株穴盘苗标记序号，并称质量，然后将穴盘苗放回穴盘中，进行取放后再次称穴盘苗质量，通过对比取喂前与取喂后的穴盘苗质量差，判断系统自动取苗对基质的作用影响。试验结果如表4，由表4可知，取苗最小基质损失率为2.41%，最大基质损失率为13.55%，平均取苗基质损失率9.26%，通过对试验过程分析可知，是由于部分穴盘苗根系不够发达，基质松散，机械手在对穴盘苗取苗时便有部分基质损失，在随后的1次投苗和输送过程中由于穴盘苗落苗冲击和苗筒间歇振动，使根系不发达穴盘苗基质掉落
20、的结果。4.2.3取苗各环节准确率试验对自动取喂系统进行连续取苗准确率试验，任选8盘穴盘苗分别进行取苗试验，记录每盘穴盘苗初始株数、机械手成功取苗株数、1次投苗准确落入苗筒的株数、苗筒输苗成功（无卡滞、无夹苗）株数，试验结果如表5所示。由表5试验结果可知，自动取喂系统取苗总准确率达98.92%，其中柔性链输送喂入机构的穴盘苗输送喂入准确率达100%，穴盘苗未见有在苗筒中卡滞不落现象，机械手取苗准确率达99.12%，机械手1次投苗准确率99.8%。5讨论穴盘苗移栽自动取喂系统试验是在实验室内进行的，机器是在固定状态下测试，实验室内气温1225，无明显灰尘，而在新疆的移栽季节(4月5月)，早晨和傍
21、晚气温较低(6)，还常会有风沙影响，作业环境较为恶劣，这些将会影响气动元件的工作效率和可靠性；此外由于土地不够平整，自动取喂系统会随移栽机振动，取苗、1次投苗的准确率将会受到影响，故还需在随后的整机应用研究中解决防尘和振动影响等问题。6结论1)设计了针对软穴盘苗移栽的自动取喂系统，该取喂系统创新设计了能够进行穴盘步进移位的机构和防止软穴盘脱落的压盘杆，利用翻转摆位取苗机械手进行取苗，系统结构独立于移栽机栽植系统，自成体系，不增加原有移栽机的地轮负荷；单组取喂系统质量小于110 kg，即能与新移栽机配套生产，也能对现有移栽机进行自动化改造。2)以苗龄58 d的“红安6号”辣椒苗进行室内取苗试验，
22、穴盘苗平均高度163.06mm，基质为草炭、蛭石、珍珠岩按照体积比1：1：1混合制得，基质含水率24.61%31.57%，气压0.50.8MPa;自动取喂系统能够按照设计要求完成动作，测得穴盘苗移栽自动取喂速度达到70株/min，自动取喂系统取苗总可靠率达98.92%，平均取苗基质损失率9.26%。韩长杰12，杨宛章2，张学军2，郭辉2，尹文庆1（1南京农业大学工学院，南京210031；2新疆农业大学机械交通学院，乌鲁木齐830052）第29卷第8期农业工程学报vol.29No.82013年4Apr.2013马桂莲、张琴采集；俞美莲、徐琳君编译；张琴、姚利根编辑上传；江洪涛审核。上海市农科院图书馆竭诚为您服务：免费提供农业资料！电话：021-62202916(24小时绑定手机)，邮箱：