張秀花，謝曉東，弋景剛，楊淑華，孔德剛，袁永偉

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關節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動擺放機設計

張秀花，謝曉東，弋景剛，楊淑華，孔德剛，袁永偉

（河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，保定 071001）

為解決中國蔬菜育苗播種后人工擺放穴盤勞動強度大的難題，設計了關節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動擺放機，并對機器的關鍵部件進行了理論分析及設計計算。確定了以關節(jié)式機械手作為擺盤執(zhí)行機構，對其進行了數(shù)學建模并得到了擺盤機械手運動學方程。在單因素試驗的基礎上，進行Box-Behnken Design響應面優(yōu)化試驗設計，探求了穴盤輸送高度、輸送角度、輸送速度3個關鍵參數(shù)對穴盤間距合格率、穴盤擺正率、穴盤排齊率3個評價指標的影響規(guī)律，利用Design-Expert軟件對試驗結果進行方差分析，建立了評價指標與各影響因素的數(shù)學回歸模型，并進行響應面分析，得到了影響擺盤效果的3個關鍵參數(shù)的最佳組合為：穴盤輸送速度為60 mm/s，穴盤輸送角度為31°，穴盤輸送高度為40 mm。并對優(yōu)選出的最佳擺盤參數(shù)組合進行了試驗驗證分析，試驗結果為：穴盤間距合格率97.6%，穴盤擺正率96.5%，穴盤排齊率95.7%，試驗結果與理論預測值的誤差絕對值均低于5%，表明擺盤執(zhí)行機構在最佳工藝參數(shù)組合下工作平穩(wěn)可靠，滿足穴盤擺放技術要求。該研究可為全自動化、智能化穴盤擺放機的設計提供參考。

機械化；設計；優(yōu)化；蔬菜育苗；關節(jié)式機械手；穴盤擺放

0 引 言

中國目前采用育苗移栽方式培育的蔬菜占到了蔬菜種植總量的60～70%。一般使用穴盤在固定點完成裝基質(zhì)土—播種—覆土工作，然后人工搬運到溫室大棚進行育苗[1-5]，勞動強度大，而且搬運時需將穴盤疊放在一起，穴盤內(nèi)的基質(zhì)土和種子會受到擠壓。中國的育苗穴盤大多數(shù)以軟盤為主[6-8]，在棚內(nèi)擺放時穴盤的變形還會引起穴盤內(nèi)基質(zhì)土和種子移位，影響育苗質(zhì)量[9-11]。研制實用可靠的播后穴盤擺放裝置對提高蔬菜育苗質(zhì)量和減輕勞動強度具有重要意義。

國外關于穴盤疊放以及擺放方面的研究起步較早，日本久保田株式會社在穴盤的疊放、運輸方面已經(jīng)形成了一整套自動化程度較高的機械化生產(chǎn)線[12-13]；此外，日本井關、日清、三菱等株式會社都研究出了各自的育苗流水線[14]，其中洋馬公司和久保田公司研制的SST型、YS型等育苗設備技術較為先進[15]，久保田SST型疊盤設備通過PLC控制多個連桿機構的開合順序，配合液壓缸的伸縮動作，疊盤效果好，自動化程度高；荷蘭CODEMA公司研制的育苗設備通過撥桿與氣缸的配合可實現(xiàn)自動疊盤操作，工作效率高[16]；荷蘭KG、Van Zall以及Logiqs Agro等集團公司利用多層軌道輸送、安裝多個驅動構件等方式可對堆疊后的穴盤或苗床后進行整體輸送，過程靠計算機控制實現(xiàn)，整個流水線實現(xiàn)了穴盤育苗育秧自動一體化生產(chǎn)[17-18]。

中國針對穴盤的疊放以及擺放的研究起步較晚，大多數(shù)企業(yè)采用人工疊放、擺放的方式，技術比較落后，近年來國內(nèi)部分高校和科研單位開始重視工廠育苗技術和相關設備的探索研究，以加快中國工廠育苗技術的研究進程[14-15]。馬靜龍等[19]研制了一種自動擺盤裝置，該裝置通過3個輸送裝置進行輸送和姿態(tài)轉換，末端由1種4自由度的直角坐標系機械手實現(xiàn)穴盤的擺放，該裝置運動鏈長，機械手安裝在由4個立柱支撐的橫梁上，不能移動，無法實現(xiàn)棚內(nèi)轉運和擺盤作業(yè)。馬旭等[20]研究的疊盤機構，由PLC控制氣缸驅動秧盤輸送機構、秧盤升降機構實現(xiàn)軟盤和硬盤的自動疊放，能夠與穴盤育苗流水線整合到一起，但是沒有后續(xù)的轉運與擺盤作業(yè)，僅是固定流水線上擺盤前的1個重要環(huán)節(jié)。

綜上所述，國外把疊盤擺盤工序很好的整合到了穴盤育苗的流水線內(nèi)，自動化程度高、生產(chǎn)效率較高，但是占地面積大不適合中國小型大棚溫室使用，也未見在中國引進和推廣應用；國內(nèi)的研究大多集中在流水作業(yè)中的1個環(huán)節(jié)，僅實現(xiàn)疊盤或者擺盤的單獨作業(yè)，且均為固定式作業(yè)，靈活度差。本文針對人工擺盤作業(yè)中勞動強度較大、軟穴盤內(nèi)種子易受擠壓移位等問題，探究合理的機械式疊盤、擺盤模式，進而設計出應用于小型大棚溫室播種后的軟穴盤、集疊盤搬運擺盤為一體的可獨立行走，又能與播種流水線無縫對接的擺盤機械，以期推動中國機械化育苗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 整機結構與工作原理

關節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動擺放機（簡稱擺盤機）的整體結構如圖1所示，主要包括底盤行走轉向裝置6、升降裝置5、穴盤疊放旋轉推送裝置1、擺放裝置4等。擺盤機的工作過程如下：1）升降裝置調(diào)整整機高度以適應播種機輸出穴盤的高度，將完成播種覆土的穴盤裝入擺盤機的疊放裝置；2）整機靠底盤行走轉向裝置運動到育苗穴盤擺放位置，完成穴盤擺放前的準備工作；3）擺放裝置工作，配合底盤行走裝置，將穴盤擺放于地面或穴盤架。

1. 穴盤疊放旋轉推送裝置2. 擺盤器3. 穴盤擺放架4. 擺放裝置5. 升降裝置 6.底盤行走轉向裝置

如圖1所示，擺放裝置主體是1個三關節(jié)的機械臂，由安裝在3個關節(jié)處的電機協(xié)調(diào)控制可以調(diào)整末端擺盤器的高度以適應不同場合穴盤需要擺放的高度。擺盤器是1個小型傳送帶系統(tǒng)，當系統(tǒng)中的電機工作時，可將置于傳送帶上的穴盤輸送至擺放位置，在完成1個穴盤的擺放操作后，擺盤器在三關節(jié)機械臂的作用下升起，同時機器移動1個穴盤長度，升降部分中的電推桿工作，令成垛穴盤下降1個穴盤的高度，即令成垛穴盤中從底部數(shù)起第2個穴盤的底部高度與擺盤器傳送帶頂端端面高度統(tǒng)一，此時穴盤疊放旋轉推送裝置中的電推桿再次工作，將穴盤推送至擺盤器上，完成第2次推盤操作，通過三關節(jié)機械臂以及輸送電機完成第2次擺盤操作，如此循環(huán)往復直至完成1個穴盤垛的擺放，進而完成4垛穴盤的擺放。機器的升降裝置和旋轉推送裝置是2個相互獨立的機構，工作互不干擾。

2 關鍵零部件設計

2.1 底盤行走轉向裝置

育苗棚內(nèi)空間有限，常規(guī)的差速或單排輪轉向模式并不適用，整機在較大的轉彎半徑下極易觸碰甚至軋壞已擺放好的穴盤，故采用消除機器轉彎半徑[21]的設計思路。如圖2所示，擺盤機的底盤是由鋁制型材搭建形成的支架，型材之間通過角碼連接。在底盤呈對角線布置有2個舵輪和2個減震萬向輪，此種布置方式可有效保證機器行走的靈活性。

圖2 底盤行走轉向裝置結構示意圖

設計的擺盤機同時運送4垛20個盤，穴盤為PVC材質(zhì)72孔穴盤，單個穴盤的長度540 mm，寬度280 mm，高度40 mm，帶基質(zhì)土的穴盤質(zhì)量為1.62 kg。據(jù)此購買的舵輪直徑為210 mm，設計的2個舵輪對角線長度為922 mm。

2.2 剪叉式升降裝置

升降部分采用電推桿驅動的剪叉式結構，如圖3所示，和為2個等長的桿在中點處鉸接在一起。

注：r為升降臺高度，mm; L為剪叉桿長度，mm；a為電動推桿上安裝點與剪叉桿下固定端的距離，mm；b為電動推桿下安裝點與剪叉桿下固定端的距離，mm；α為剪叉桿與水平面間的夾角，(°)；θ為電推桿與水平面間的夾角，(°)；G為載荷，N；s為載荷的作用中心與剪叉固定端的距離，mm。

根據(jù)擺盤機的工作需求，升降部分的高度調(diào)整范圍應覆蓋5個穴盤的總高度，每個穴盤高40 mm，5個穴盤高200 mm，根據(jù)底盤舵機的直徑和安裝尺寸，升降臺高度存在初始高度，為了令高度調(diào)整范圍存有一定的余量，最終確定的值在65～225 mm之間，剪叉桿長度=600 mm，電動推桿上安裝點與剪叉桿下端固定鉸接中心銷孔中心距離=520 mm，電動推桿下安裝點與剪叉桿下端固定鉸接中心銷孔中心距離的值與電推桿行程的選取有關，故設為未知值。由幾何關系得剪叉桿與水平面間的夾角和電推桿與水平面間的夾角為可以由式子（1）和（2）推出

根據(jù)擺盤機升降部分的結構特點和所受載荷情況，建立力學模型，以選取合適的電推桿。將剪叉桿單獨進行分析，受力分析如圖4所示。由圖4可知有F、F、F、F、F、F、F、F以及電推桿推力共9個未知力，載荷（因剪叉桿有左右兩副，故取為實際載荷的一半）施加在平臺板上方，取一副剪叉桿，將其與平臺板看作3個構件對其進行受力分析，并分別對自身列力平衡與力矩平衡方程，得到9個方程式，并將其寫成矩陣的形式，如式（3）所示。

注：FAy為滾子A給平板AB的支持力，N；FBx、FBy分別為鉸支點B給平板AB水平方向和豎直方向的分力，N；FDy為底盤給滾子D的支持力，N；FHx、FHy分別為鉸支點H處DB桿受到的水平方向和豎直方向的分力，N；F為電推桿的推力，N；FCx、FCy分別為鉸支點C處AC桿受到的水平方向和豎直方向的分力，N；帶“′”的力為對應力的反作用力。

解此矩陣得

將的表達式帶入式（4）得到的最終表達式為

式中值通過篩選得到行程為100 mm的電推桿并據(jù)此計算得到，為722 mm；其余各值同上。由式（1）計算可得，當電推桿完全收回且平臺處于最低點時=6.2°，當電推桿完全伸出且平臺處于最高點時=22°；為載荷（實際載荷的一半），N；20個穴盤的質(zhì)量為32.4 kg，再加上平臺及其上機械結構本身的質(zhì)量，滿載穴盤時的最大載荷約600 N，故取為300 N；為600 mm。

將所有參數(shù)代入式（5），得到=1 137 N，所以選取行程為100 mm的LFHA系列電推桿，其伸出速度為4 mm/s，最大推力為1 500 N。

2.3 穴盤疊放旋轉推送裝置

穴盤疊放旋轉推送部分的基本要求是完成穴盤的疊放、位置切換和推送，分為穴盤疊放旋轉裝置和底盤與穴盤推送裝置兩部分敘述。如圖5所示為穴盤疊放旋轉裝置的結構示意圖，托盤內(nèi)可以放置完成播種的穴盤，中間有隔板，避免了軟穴盤內(nèi)的基質(zhì)土和種子擠壓移位，實現(xiàn)了疊盤，托盤可按擺放要求層層疊加。懸臂通過金屬彎折件與滾動板以活卡扣的形式連接在一起，當接有電機輸出軸的小齒輪帶動回轉支承外圈轉動時，懸臂將帶動滾動板一起運動，實現(xiàn)托盤位置的切換，通過在每個滾動板的下方布置滾柱充當?shù)臐L動體，可有效的保證滾動板轉動的流暢性和穩(wěn)固性。

1. 懸臂 2. 平臺板 3. 托盤 4. 金屬彎折件 5. 小齒輪 6. 回轉支承 7. 鉸座 8. 滾動板 9. 旋轉電機

底盤與旋轉部分的結構圖如圖6所示。在底盤上的型材架上安有電推桿安裝架，電推桿安裝架向上穿過回轉支承的內(nèi)圈孔，在電推桿安裝架的頂部安有推盤電推桿，推盤電推桿和升降部分為相互獨立的機構；通過旋轉部分中回轉支承外圈轉動而電推桿的高度不變，可以將4個滾動板上的4個托盤格柵內(nèi)的穴盤分別與電推桿上的推板相對，進而實現(xiàn)將各個托盤內(nèi)的多個穴盤分別推出。

綜合考慮整機的尺寸，選取型號為011.10.150的小型回轉支承，并選取齒數(shù)為28的小齒輪與其配合。推盤電推桿推送行程為1個穴盤的寬度即280 mm，選取行程為300 mm的LFHA系列電推桿，推送速度為95 mm/s，最大推力為300 N。

圖6 穴盤推送裝置結構示意圖

2.4 擺放裝置的設計

2.4.1 結構設計

中國育苗穴盤主要有2種擺放模式，一種是直接將穴盤擺放于地面上，地表鋪有鋼絲網(wǎng)等設備以防止秧苗扎根；二是將穴盤擺置于穴盤專用架上，穴盤架規(guī)格不一，其常見高度為810 mm。本文設計的擺放機可以同時適應2種模式，擺放高度可調(diào)，范圍為0～810 mm。同時，為保證育苗質(zhì)量，軟質(zhì)穴盤的擺放過程應避免穴盤受到擠壓和振動。故擺放部分的基本要求是：適用于多種穴盤擺放高度，增強穴盤擺放平穩(wěn)性。設計的擺放裝置由三關節(jié)機械手與擺盤器構成，如圖7所示。

圖7 擺放裝置結構示意圖

2.4.2 機械手運動學正逆解分析

以三關節(jié)軸心為坐標原點處分別建立坐標系如圖8所示，3個坐標系的軸分別為擺盤關節(jié)的公垂線，3個坐標系的軸即關節(jié)軸線均垂直于紙面向外，參照D-H方法[22-23]建立關于擺盤機械手中機械臂長度a、相鄰關節(jié)軸線間夾角α、機械臂間的偏置距離d、機械臂間夾角θ的參數(shù)信息如表1所示。

圖8 擺放部分坐標建立

表1 擺盤機械手D-H參數(shù)

根據(jù)擺盤高度范圍為0～810 mm，參照一般機械手臂的比例關系，在軟件中進行運動仿真，取1、2、3的值分別為320、350、150 mm。進而得到機械臂第一節(jié)到首關節(jié)的變換矩陣為

式中左上角的3×3的矩陣為固連在剛體上的動坐標系的三個方向矢量列向量、、在首關節(jié)固接坐標系中各軸上的方向余弦；最右一列3×1的列向量是固連在剛體上的動坐標系在首關節(jié)固接坐標系中的位置。

將矩陣（9）展開，令相應元素相等，可得

在確定變量θ值的計算過程中，結合各節(jié)機械臂長度，可以得到不唯一的關節(jié)變量逆解值，但由于在實際的棚間擺盤操作中要考慮擺盤關節(jié)的運動空間、擺盤高度與范圍、空間避障等問題，故應根據(jù)擺盤軌跡的規(guī)劃與擺盤邏輯合理選取1、2、3的值。

3 擺盤器部分參數(shù)優(yōu)選試驗

3.1 試驗設備與材料

主要儀器設備：課題組研制的擺盤機樣機，游標卡尺（精度0.02 mm），卷尺（精度1 mm）。

試驗材料：2018年2月份采購的72孔軟質(zhì)PVC穴盤以及基質(zhì)土，基質(zhì)土由80%的細碎泥炭以及20%的蛭石、殺菌殺蟲農(nóng)藥混合而成，符合育苗標準，同時將基質(zhì)土覆于穴盤中。

3.2 試驗方法

針對覆土后的軟質(zhì)穴盤，以穴盤間距合格率、穴盤擺正率、穴盤排齊率作為衡量擺盤效果的3個指標，以不同的穴盤輸送速度、輸送角度、輸送高度為影響因素，取5只/組的穴盤在擺盤機上進行Box-Behnken design 響應面優(yōu)化方法設計。

3.2.1 試驗指標

1）穴盤間距合格率，即相鄰穴盤的間距值與允許誤差值的關系。以首個被擺放的穴盤為參考，記為穴盤1，隨后擺放的穴盤記為穴盤2，定義穴盤1、2同側相鄰角點距離的較大值為穴盤最大間距1，如圖9a所示，即

經(jīng)過對人工擺盤工作的實地調(diào)研，同時參考擺盤農(nóng)藝要求，1的值不應該超過10 mm；若1大于10 mm，擺盤效果不理想，需對機器進行調(diào)整。

定義穴盤間距合格率1

式中0為穴盤間距允許最大值，mm，其值為10 mm。

由于目前還沒有1個穴盤擺放間距的標準，根據(jù)實地調(diào)研擺盤需求，定義穴盤間距合格率大于60%為合格，即可接受的最大間距或重疊距離為4 mm。

2）穴盤擺正率。如圖9b所示，將相鄰穴盤邊間所形成的銳角記為穴盤夾角，相鄰穴盤間的夾角越小，則擺正效果越好。定義穴盤擺正率2

3）穴盤排齊率。如圖9c所示，相鄰2個穴盤角點1、2間的距離為重疊部分的長度，值越接近穴盤寬度，則穴盤排齊效果越好。定義穴盤排齊率3

式中為穴盤寬度，280 mm。

注：m、n分別為相鄰2個穴盤同側相鄰角點之間的距離，mm；β為相鄰穴盤邊間所形成的夾角，(°)；c1、c2為相鄰2個穴盤重疊部分的角點。

3.2.2 試驗因素

通過前期的試驗，觀察到穴盤由擺盤器至地面的落地過程中，影響其落地姿態(tài)的因素主要與其在落地時所受沖擊程度有關，通過反復進行穴盤輸送試驗，觀察擺盤效果，確定與其所受落地沖擊程度最為相關的3個因素為穴盤輸送速度、輸送角度與輸送高度，對這3個因素分別選取一定范圍的試驗參數(shù)進行單因素擺盤試驗，結果如圖10所示。

1）輸送速度

由圖10a可知，當穴盤輸送速度較小時，其落地時所受沖擊較小，穴盤的整體姿態(tài)好，但生產(chǎn)率低；當穴盤輸送速度變大時，穴盤在落地時所受沖擊較大，盤體易滑移，造成擺盤效果變差，取56～70 mm/s的穴盤輸送速度進行響應面試驗。

2）輸送角度

由圖10b可知，輸送角度影響著穴盤在接觸地面時的姿態(tài)，角度過大會導致穴盤所受沖擊較大并造成較差的擺盤效果，角度過小時，穴盤在輸送帶方向上的下滑分力小，導致穴盤不易被輸送至地面，取30°～40°的穴盤輸送角度進行響應面試驗。

3）輸送高度

由圖10c可知，當擺盤器輸送穴盤高度較低時，擺盤器在抬起時易與擺放完成的穴盤發(fā)生接觸，造成穴盤姿態(tài)的變化，在擺盤器高度增加時，由于穴盤被擺放時的落差增加，導致穴盤在落地過程中接受到較大沖擊并影響了擺盤效果，取40～50 mm的穴盤輸送高度進行響應面試驗。

圖10 單因素擺盤試驗結果

3.2.3 試驗設計

根據(jù)上述評價指標的確定與試驗因素的選取，以穴盤輸送速度、輸送角度、輸送高度為影響因素，以穴盤間距合格率1、穴盤擺正率2、穴盤排齊率33個評價指標為響應值，各因素水平的編碼如表2所示，應用Design-Expert10.0.3軟件，通過Box-Behnken design響應面優(yōu)化方法設計[24-27]，試驗方案如表3，取17組、5盤/組的穴盤，每組試驗重復3次，根據(jù)試驗方案在擺盤樣機試驗平臺上進行擺盤試驗，對每組試驗中得到的評價指標數(shù)據(jù)進行評定和統(tǒng)計，并將試驗結果填入表3中。

表2 因素水平編碼 Table 2 Factors and code levels of tests

3.3 回歸模型建立與顯著性分析

根據(jù)表3中的試驗結果，利用Design-Expert10.0.3軟件對擺盤試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合與方差分析，方差分析結果見表4，建立穴盤間距合格率1、穴盤擺正率2、穴盤排齊率33個觀察指標與穴盤輸送速度、輸送角度、輸送高度三影響因素間的二次多項式回歸數(shù)學模型，對其中的不顯著項進行剔除后，得到優(yōu)化后的數(shù)學回歸模型如式（17）所示。

式中1為穴盤間距合格率，%；2為穴盤擺正率，%；3為穴盤排齊率，%；為穴盤輸送速度，其取值范圍為56～70 mm/s；為輸送角度，其取值范圍為30°～40°；為輸送高度，其取值范圍為40～50 mm。

表3 Box-Behnken試驗方案及相應結果

觀察表4的分析結果可知，穴盤間距合格率1、穴盤擺正率2、穴盤排齊率33個指標的回歸數(shù)學模型的值均小于0.0 1，接近為0，這表明此模型的顯著性明顯；其失擬項的值分別為0.44、0.32、0.13（均大于0.05）可知其模型的失擬性不顯著，試驗數(shù)據(jù)綜合表明上述3個回歸方程與實際情況具有良好的擬合性，可基于于此模型對實際擺盤效果進行分析和預測。

表4 回歸模型的方差分析 Table 4 Variance analysis of regression model

注：<0.05為顯著，<0.01為極顯著。

Note:<0.05 is significant, and<0.01 is extremely significant.

3.4 響應面分析

如圖11a所示，穴盤間距合格率隨輸送速度的減小而增大。當輸送速度處于較高水平時，試驗指標隨輸送角度的增大而增大，當輸送速度處于較低水平時，穴盤輸送角度對于試驗指標的影響較?。挥^察響應面的整體趨勢，整個圖像沿輸送速度因素方向更加陡峭，而沿輸送角度因素方向變化較慢，這說明高低水平的輸送速度結合輸送角度對于試驗指標的影響不同，且輸送速度對于穴盤間距合格率的影響較大。結合實際試驗情況，發(fā)現(xiàn)穴盤輸送速度影響著穴盤落地時所受沖擊的大小，當穴盤輸送速度增大時，穴盤落地時所受沖擊增大，在穴盤與地面接觸的過程中穴盤易發(fā)生滑移現(xiàn)象，導致穴盤間距合格率降低，故在實際的擺盤過程中，為減小穴盤的落地沖擊以提高擺放效果，穴盤輸送速度不宜過高。

如圖11b所示，總體來看，當穴盤輸送速度在56～70 mm/s間變化時，穴盤擺正率隨輸送速度的增加而先增大后減小。當輸送速度處于較低水平時，穴盤擺正率隨著穴盤輸送高度的增加而緩慢減小；當輸送速度處于較高水平時，穴盤擺正率隨著穴盤輸送高度的增加而緩慢增加。觀察圖像的整體趨勢，響應面沿輸送速度因素方向先增后減，響應面最高處出現(xiàn)在輸送速度值為62 mm/s左右處，且輸送高度對于試驗指標的影響相較于輸送速度較小；這說明，在試驗水平下穴盤輸送速度對穴盤擺正率的影響相較于穴盤輸送角度更加顯著。結合試驗情況，發(fā)現(xiàn)當穴盤輸送速度較低時，隨著輸送高度的增加，穴盤在落地過程中由于其外沿與靠近擺盤器一側的位置關系變的愈加陡峭，導致穴盤外沿離開擺盤器速度較快，不易出現(xiàn)與擺盤器間的剮蹭現(xiàn)象，故試驗指標升高；另一方面，隨著輸送速度的增大，穴盤離開擺盤器的速度增大，穴盤外沿與擺盤器的剮蹭現(xiàn)象變的愈加不明顯，故穴盤的落地姿態(tài)不易發(fā)生扭轉，這是穴盤擺正率升高的主要原因；隨著后期穴盤輸送速度的不斷變大，穴盤在落地時所受沖擊變大，這導致穴盤在落地時的姿態(tài)發(fā)生變化，故造成了穴盤擺正率的降低。2個因素在各自的高低水平所形成的對于試驗指標的交叉影響不同，故在實際擺盤操作時，應合理配合2個影響因素的大小，且不宜將穴盤輸送速度選取的過大。

注：響應面試驗因素和水平表見表2，響應值見表3。

如圖11c所示，當輸送角度處于較高水平時，穴盤排齊率隨輸送高度的增大而緩慢增大，當輸送角度處于較低水平時，穴盤排齊率隨輸送高度的增大而緩慢減??；當輸送高度處于較高水平時，試驗指標隨輸送角度的增大而增大，當輸送高度處于較低水平時，試驗指標隨輸送角度的增大而減?。挥^察響應面整體趨勢以及等高線形狀可知，響應面整體圖形體現(xiàn)為先升后降，當輸送高度和輸送角度同時處于較低水平時，穴盤排齊率在98%左右變化。觀察試驗情況發(fā)現(xiàn)，穴盤輸送高度以及輸送角度影響著穴盤首先接觸地面一端的落地姿態(tài)以及落地速度，穴盤在離開擺盤器一端由于自身質(zhì)量會產(chǎn)生相對于仍處于擺盤器一端的變形，當輸送高度較低且輸送角度較小時，在這一變形效果下穴盤末端已經(jīng)著地，穴盤在落地時與地面接觸面積較大故其所受到摩擦力較大，其落地后在慣性的作用下向前繼續(xù)滑移現(xiàn)象不明顯，故穴盤排齊率較高，而隨著輸送角度的增加，穴盤落地時與地面的接觸角度變大導致穴盤的變形程度加大，在落地時穴盤回彈現(xiàn)象明顯，這導致了穴盤排齊率的降低；另一方面，當輸送高度增大時，穴盤在擺出擺盤器一端會由于自身質(zhì)量產(chǎn)生下墜現(xiàn)象，導致穴盤呈現(xiàn)出上凸下凹的“拱形”變形情況，而隨著輸送角度的增加，穴盤整體姿態(tài)變的陡峭，這導致穴盤的“拱形”形變情況減輕，穴盤回彈現(xiàn)象的減弱導致穴盤的落地過程更加柔和，故穴盤排齊率升高，考慮到較大的形變以及較大的輸送角度可能導致穴盤內(nèi)基質(zhì)土的溢出，故在實際擺盤操作時，當輸送速度選取的較為合理時，應將穴盤輸送高度和角度盡量維持在較低水平，以增加穴盤排齊率。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為獲得擺盤機擺盤效果最佳的工藝參數(shù)組合，以穴盤間距合格率1、穴盤擺正率2、穴盤排齊率3為目標函數(shù)，運用Design-Expert 10.0.3軟件的優(yōu)化分析功能對3個指標的回歸數(shù)學模型進行優(yōu)化分析[28-30]。優(yōu)化方程如式(18)所示。

式中為穴盤輸送速度，mm/s；為穴盤輸送角度，(°)；為穴盤輸送高度，mm；通過軟件選出滿意度最高的編碼值組合為=60 mm/s，=31°，=40 mm，該參數(shù)組合下3個評價指標的預測值為：1=98.8%，2=97.9%，3=98.4%。

為了驗證參數(shù)匹配的可行性，基于優(yōu)選出的最佳擺盤參數(shù)組合，將每5個穴盤編成一組，總計進行3組穴盤的擺放試驗，對試驗結果取均值可得1=97.6%，2=96.5%，3=95.7%，試驗結果與理論預測值的誤差絕對值均低于5%，說明上述預測模型是可靠的，得到的最佳工藝參數(shù)組合也符合穴盤擺放的農(nóng)藝要求。擺盤機樣機如圖12所示。

圖12 關節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動擺放機樣機

4 結 論

1）針對蔬菜育苗穴盤播后的擺放需求，設計了集疊盤搬運擺盤為一體的可行走關節(jié)式穴盤自動擺放機。剪叉式升降機構可調(diào)節(jié)整機高度以適應播種機輸出穴盤的高度，完成育苗播種機和自動擺盤機的自動化對接；穴盤疊放推送裝置儲存穴盤并完成穴盤位置流暢切換；對角布置的舵機驅動的底盤行走轉向裝置保證機器0半徑轉彎；三關節(jié)機械臂式擺放裝置使擺盤適應不同高度，靈活度高。

2）應用Design-Expert 10.0.3軟件，通過Box-Behnken design響應面優(yōu)化方法設計，確定了擺盤機的最佳工藝參數(shù)組合：穴盤輸送速度為60 mm/s，穴盤輸送角度為31°，穴盤輸送高度為40 mm，并對優(yōu)選出的最佳擺盤參數(shù)組合進行了試驗驗證分析，試驗結果為：穴盤間距合格率97.6%，穴盤擺正率96.5%，穴盤排齊率95.7%，試驗結果與理論預測值的誤差絕對值均低于5%。試驗結果表明擺盤機在最佳工藝參數(shù)組合下工作平穩(wěn)可靠，滿足穴盤擺放技術要求，可為全自動化、智能化穴盤擺放機的設計提供參考。

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Design of joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray

Zhang Xiuhua, Xie Xiaodong, Yi Jinggang, Yang Shuhua, Kong Degang, Yuan Yongwei

(071001,)

A great deal of soft seeding trays is required nursing seedlings industry, but transporting and placing these trays always have been done by hands in most companies in China. In recent years, some universities and research institutes have begun to pay attention to factory seedling technology and related equipment, but the existing equipment have shown a few problems, such as covering large floor areas, no mobility and lack of flexibility. In order to deal with the above problems, this paper puts forward an automatic joint-style placement machine. The overall structure and working principle of joint-style placement machine were described, and the performance tests were done. In this machine, chassis walking steering device, lifting device, stacking, rotating and pushing device, and placement device were arranged to solve the problem of placing soft tray after sowing the vegetable seeds. In the chassis walking steering device, the diagonal arrangement of the steering wheel could guarantee the machine to turn in radius 0. In the lifting device, lifting scissors mechanism was used to adjust the height of the whole machine to suit to the height of the seeding planter machine, which could make the connecting between the seedling planter and the automatic joint-style placement machine easily and automatically. Stacking, rotating and pushing device could store 20 trays in the automatic joint-style placement machine, which could save the time for transporting the trays. The more important functions of stacking, rotating and pushing device were switching trays position and pushing trays out to the ground or other place smoothly. Placement device lay in the end of the machine. A joint-style type of mechanical arm and a small conveyer belt were used as the manipulator which adapted to different placing height of the trays. Based on these structural characteristics, the joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray could be used for placing soft seeding trays and moving independently, and the stacking, transporting and placing trays would be finished together in one time. High integration and flexibility were the most important features. The mathematical modeling was performed, and the kinematics equation of the manipulator was obtained referencing robotics space D-H method. According to the structural parameters and the machine working principle, 3 key parameters affecting the performance of the joint-style automatic machine placing sowed tray were chosen and analyzed respectively. 3 test factors included conveying height, conveying angle and conveying speed. Through the single factor test, range of the 3 key parameters was determined. Furthermore, Design-Expert software was used to design an orthogonal test including 3 test factors and 3 response indicators. The test index included the qualified rate of trays spacing, tray straighten rate and tray aligned rate. Analyzing the test data and the variance, a mathematical regression equation of the response indicators and influencing factors was established, presenting the effects of the test factors on the qualified rate of trays spacing, tray straighten rate and tray aligned rate. Response surface analysis was performed and the best combination of the 3 key parameters affecting the tray placement effect was obtained. The optimal combination of the 3 key factors for tray placement were as follows: the tray conveying speed was 60 mm/s, the tray conveying angle was 31°, the tray conveying height was 40 mm. Under the optimal condition, the corresponding tests were done and the test result was as follows: the qualified rate of the tray spacing was 97.6%, the tray straighten rate was 96.5%, and the tray aligned rate was 95.7%, respectively. The test results showed that the placement method was reasonable and the joint-style automatic machine placing sowed tray was stable and reliable. This research work can greatly improve the production efficiency for placing soft seeding tray and promote the development of mechanized seedling industry in China.

mechanization; design; optimization; vegetable cultivate seedlings; joint-style manipulator; tray placement

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004

S223

A

1002-6819(2018)-21-0027-10

2018-07-15

2018-09-10

河北省科技計劃項目（17227206D）；河北省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系（HBCT2013050204）

張秀花，博士，副教授，主要從事機械設計與理論、農(nóng)業(yè)機械技術裝備的研究。Email：zhang72xh@163.com

張秀花，謝曉東，弋景剛，楊淑華，孔德剛，袁永偉. 關節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動擺放機設計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(21)：27－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004 http://www.tcsae.org

Zhang Xiuhua, Xie Xiaodong, Yi Jinggang, Yang Shuhua, Kong Degang, Yuan Yongwei. Design of joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 27－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004 http://www.tcsae.org