门形取苗机构的设计与试验研究

门形取苗机构的设计与试验研究

0国外自动取苗机构的研制现状移植是农业生产过程中的重要因素。人工移植工作量大，工作量高。随着我国城市化进程和人口老龄化，农村劳动力短缺现象日益突出。研究并推广自动取苗技术,成为我国农业现阶段急需解决的问题［1－2］。从20世纪80年代起,欧美发达国家开始出现自动取苗机构,但多采用电气联合控制,辅助装置多,机构庞大,动力匹配大,同时价格昂贵,使用成本较高,不适合我国国情。日本研制的自动取苗机构多为纯机械控制,利用不同的机构组合来实现自动取苗功能,但结构复杂,生产制造成本高,同时对育苗质量要求较高,限制了在我国的应用［3－8］。我国对自动取苗机构的研制起步较晚。近几年,为加快我国农业现代化进程,部分科研机构投入了对自动取苗机构的研制工作,但多由于机构设计不合理、结构复杂及取苗轨迹规划不合理等原因,导致机构取苗效率及取苗成功率低,稳定性差,未能得到实际应用。因此,有必要研制一种结构简单、成本低、取苗成功率高、效率高、可用于实际生产的穴盘苗自动移栽机取苗机构。1曲柄导杆控制制备装置取苗装置主要由曲柄门形导杆和凸轮仿形滑槽组成的轨迹执行机构、取苗爪机构和控制取苗爪开合的凸轮机构等部分组成,如图1所示。工作原理:工作时,曲柄逆时针转动,带动门形导杆左右往复摆动,实现取苗爪从穴盘向投苗点往复运动的功能;门形导杆的摆动带动门形横梁上端的滚子B12在仿形滑槽内滑动,取苗爪固定在门形横梁上,整个机构的运动带动取苗爪形成取苗轨迹。当曲柄向取苗极限位置转动时,由于曲柄导杆机构运动特性,取苗爪运动速度逐渐变慢,与曲柄轴相固结的凸轮做升程运动,摆杆通过拉丝拉动推杆收缩,推杆的收缩通过环形套使铰接在爪座上的夹苗针做闭合动作,即实现夹苗;曲柄由取苗极限位置向投苗极限位置转动时,取苗爪夹苗后将快速运动到投苗点位置;此时,摆杆在凸轮远休止弧段运动,取苗爪仍保持夹苗状态,实现送苗。曲柄转动到投苗极限位置时,摆杆从远休止弧段迅速回到近休止弧段,拉丝被放松,取苗爪内的弹簧被释放,推杆被瞬时推出,即实现快速投苗的动作;投苗后,曲柄继续转动,取苗爪保持张开状态快速向取苗点运动,准备下一次取苗。2关键设备的设计2.1曲柄滑槽门形组合机构的设计要求轨迹执行机构是取苗机构的重要组成部分。工作时,用来携带取苗爪沿一定轨迹完成从穴盘取苗和向投苗点投苗的往复动作,轨迹执行机构的好坏将直接影响取苗机构的工作性能。一个合理的轨迹执行机构应符合以下要求:1)为了实现顺利取苗和投苗工作循环,轨迹执行机构要具有稳定的往复运动功能。2)为保证取苗成率,取苗爪从插入钵苗基质和将钵苗夹离穴盘过程中,取苗爪的轨迹应为垂直于穴盘的直线,且直线段长度须大于穴盘深度。3)工作过程中,为了保证取苗成功率和投苗的精确性,取苗和投苗时的速度要尽可能地低,即轨迹执行机构应具有两个零速极限位置;同时为提高取苗效率,取苗爪在空程返回时速度应较高,即机构应具有急回运动特性。4)由于穴盘表面与地面夹角范围为0°~90°,取苗爪取苗时垂直于穴盘,投苗时垂直于投苗点,即取苗爪从取苗点运动到投苗点的过程中,取苗爪应旋转0°~90°,完成钵苗姿态的转变。由以上要求可知,由于取苗机构是利用机械机构替代人手取苗的复杂动作,相应的对机构设计的灵巧性提出了一定要求,一般常见的机构很难实现。经分析比较,本文设计了曲柄滑槽门形组合机构作为轨迹执行机构。曲柄导杆实现往复运动功能,导杆带动连接杆在仿形滑槽内滑动,形成所需取苗轨迹,如图2所示。2.2取苗加快体结构的设计取苗爪是取苗机构的执行部件,工作时直接与钵体相接触,取苗爪机构设计的好坏对取苗成功率有较大影响。由于钵体的易碎性特征,取苗时取苗爪应保证不夹伤或夹碎钵体;同时,由于钵体的粘弹性,投苗时钵苗与夹苗针不易分离,取苗爪应具有推苗功能。为此,本文了设计一种推杆套针式的取苗爪机构。为保持夹持的稳定性,采用了4针式,如图3所示。推杆的门形架末端设有4个环形套,4个夹苗针的夹苗段分别套在环形套内,另一端铰接在取苗爪座上,夹苗针随着推杆的伸缩做张开闭合动作。2.2.2取苗加快夹苗针工作原理取苗爪结构参数的选择主要取决于育苗穴盘的规格。本设计采用72穴、上孔口为38mm×38mm、下空口为18mm×18mm、高为35mm的穴盘进行育苗。取苗爪结构分析图如图4所示。对图4中的几何参数进行分析,可得如下关系式其中,代人上两式得式中LMN—夹苗针末端间距;LAB—夹苗针在爪座上铰接点间距;LDN—夹苗针下半部长度;LPQ—推苗杆末端中点P与夹苗针末端中点Q的间距;LEF—推杆左右环形套中心间距;α—夹苗针上半部与爪座AB的夹角;γ—夹苗针下半部与夹苗针折点连线夹角;h1—穴孔高度。2.2.2取苗爪参数的确定为保证取苗机构设计的合理性,取苗爪结构参数须满足x以下约束条件:1)取苗爪接近钵苗即将插入基质时,夹苗针间距为最大,记为LMN(max),需满足条件为式中R—钵苗生长位置距穴孔中心的最大偏距的2倍;L1—穴盘上孔口的边长。2)取苗爪插入基质最深处夹紧时,夹苗针间距最小,记为LMN(min),需满足条件为式中L2—穴盘孔底的边长。经测量可得:LMN(max)的取值范围为(22mm,38mm),LMN(min)的取值范围为(0mm,18mm)。由取苗爪工作原理可知:夹苗前LPQ值最小,夹苗后LPQ值最大。同时,令LAB,LBD,LDN,β为固定值,将已知固定值参数代人式(3)和式(4)中,即可求得推杆环形套间距LEF值。3幼苗测试3.1取苗、取苗和取苗为验证该取苗机构实际工作性能,试制了如图5所示的取苗装置样机。使用苗龄20天,平均高度120mm,基质含水率为30%~40%的豆角苗进行取苗试验。试验前,调节穴盘与取苗爪的角度,保证取苗爪能垂直取苗;同时,调节取苗爪夹苗针插入基质的深度,本试验采用插入深度为35mm。验证取苗机构在取苗速度分别为40,55,70r/min下的取苗性能,每种取苗速度下取苗108次。3.2接苗率及伤苗率试验评价指标为夹苗成功率YJM、投苗成功率YTM、取苗成功率YCM及伤苗率Y［9］SM。计算公式为式中NJM—成功夹苗数;NZM—总取苗数;NTM—向接苗杯成功投苗数;NJM∩NTM—既成功夹苗又成功投苗数;NSM—取出的苗中出现茎节断伤及钵体破碎影响栽植成活率的苗数。3.3取苗成功率和伤苗率取苗试验所得试验结果如表1所示。试验表明,在取苗速度为40~70r/min下,取苗质量较稳定,平均夹苗成功率为96.6%,平均投苗成功率为97.8%,平均取苗成功率为94.4%,平均伤苗率为4.9%。其中,夹苗失败主要由个别穴孔内基质较少、钵苗盘根情况差、取苗爪不能完全夹持钵体引起;投苗成功率随着取苗速度增加而逐渐降低,主要原因是速度高时钵苗被投出时具有较大的向后初速度,使钵苗不能正好投入接苗杯中引起;导致伤苗率高的原因,一方面是由夹苗针插伤钵苗茎节引起,另一主要原因是取苗爪投苗后部分钵体碰到接苗杯内壁,使基质破碎引起,稍微增大接苗杯口直径可提高取苗成功率。4取苗机机构设计1)为实现结构简单、成本低、取苗成功率高且效率高的取苗机构设计目标,通过对轨迹执行机构设计要点进行分析,设计了曲柄滑槽门形组合机构;通过对取苗爪工作原理进行分析,设计了4针推杆套针式取苗爪机构,并根