崔財豪，陳忠斌，徐道發(fā)，黃 琳，楊雪梅，付永崗

（北京吉利學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京102202）

1 分苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計

末端執(zhí)行器是實現(xiàn)缽苗夾持和釋放的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，取放苗作業(yè)的順利進(jìn)行是整排移栽機(jī)正常工作的前提。新疆地區(qū)常用的缽苗盤規(guī)格通常為128穴，苗格寬30～40mm左右，由于缽苗緊密排列，相鄰缽苗間距較小，給缽苗的釋放增加一定的難度。為提高放苗成功率，設(shè)計一種分苗機(jī)構(gòu)，使末端執(zhí)行器在放苗時處于散開狀態(tài)。

整排式全自動移栽機(jī)工作于復(fù)雜多變的大田環(huán)境，為提高整排移栽機(jī)分苗穩(wěn)定性，需設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的分苗機(jī)構(gòu)，并且保證各末端執(zhí)行器的間距時刻保持一致。為此，設(shè)計一種剪叉式分苗機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的聚攏和散開。分苗機(jī)構(gòu)由基本剪叉單元組成，基本剪叉單元通過并聯(lián)的方式連接到一起，即首鉸鏈連首鉸鏈，末鉸鏈連末鉸鏈，該類變異形式可以增大分苗機(jī)構(gòu)在水平方向的擴(kuò)展能力。分苗機(jī)構(gòu)一端的中間鉸銷固定，在活動端提供動力驅(qū)動剪叉分苗機(jī)構(gòu)變幅，當(dāng)末端執(zhí)行器取苗時，分苗機(jī)構(gòu)呈聚攏狀態(tài)，此時各末端執(zhí)行器與苗盤中某排苗格一一對應(yīng)；當(dāng)末端執(zhí)行器放苗時，分苗機(jī)構(gòu)呈散開狀態(tài)，此時各末端執(zhí)行器與輸送帶放苗一一相對應(yīng)。剪叉式分苗機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1[1-2]。

圖1 剪叉式分苗機(jī)構(gòu)三維圖

圖2 剪叉式分苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

剪叉式分苗機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可控性好等優(yōu)點，在分苗機(jī)構(gòu)的非固定端提供動力，其結(jié)構(gòu)如圖2[3]。

為分析方便，忽略機(jī)構(gòu)自重，將作用點假設(shè)為中心位置。剪叉臂兩端銷孔中心連線長度為L，與垂直線夾角為α。結(jié)合分苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和受載情況建立力學(xué)模型[4]。

作用力作用在中心位置，建立力學(xué)模型，如圖3。

圖3 作用點力學(xué)模型建立

分析受力情況得：

第1層剪叉機(jī)構(gòu)與剪叉臂力學(xué)模型如圖4、圖5。

圖4 第1 層剪叉機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

圖5 第1 層單個剪叉臂力學(xué)模型

由第1 層剪叉機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型可得：

第2 層剪叉式分苗機(jī)構(gòu)與剪叉臂力學(xué)模型與如圖6、圖7。

圖6 第2 層剪叉機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

圖7 第2 層單個剪叉臂力學(xué)模型

由第2 層剪叉機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型可得：

第n 層剪叉機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型可得各鉸接點的受力通式為：分苗機(jī)構(gòu)的各剪叉臂兩端所受水平力均為F/2，垂直力自左向右依次增大。由于ctga 為減函數(shù)，分苗運動的初始位置（最左一層）為各剪叉臂最大受力狀態(tài)。

第n 層剪叉臂的中間鉸銷只承受垂直方向的力，其剪應(yīng)力為：

式中AQ—剪切面面積。分苗機(jī)構(gòu)各剪叉臂的鉸銷所受的剪應(yīng)力層數(shù)n 和剪叉臂垂直線夾角有關(guān)。

執(zhí)行元件提供的驅(qū)動力：

分苗機(jī)構(gòu)位移變化量：

初始值α與桿件長度呈對應(yīng)關(guān)系，在長度確定后α即為固定值，此時末端執(zhí)行器彼此緊挨。但α值選擇應(yīng)選擇適中，過大容易引起分苗機(jī)構(gòu)無法順利收縮，過小影響末端執(zhí)行器的安裝。為此構(gòu)建分苗機(jī)構(gòu)的三維模型并進(jìn)行仿真分析，確定中間桿件長度L 為80 mm、兩端桿件為40 mm 時分苗效果最佳。此時，當(dāng)分苗機(jī)構(gòu)總長度從224 mm 變化至448 mm 時，即單層剪叉單元寬度從32 mm 變化至64 mm，值從23.58°變化至53.13°，滿足分苗要求，分苗機(jī)構(gòu)安裝位置如圖8。

圖8 分苗機(jī)構(gòu)安裝位置

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)建

為實現(xiàn)分苗控制，選取行程為250 mm 的迷你氣缸作為分苗機(jī)構(gòu)的伸縮控制元件，由于氣缸行程大于機(jī)構(gòu)位移，故增加磁性開關(guān)來保證氣缸行程的精確性。同樣選取行程為5 mm 薄型氣缸來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的夾苗放苗操作，為保證各氣缸動作一致配備一個電磁閥?？刂葡到y(tǒng)采用三菱MT 型PLC 作為核心控制器，需增加中間繼電器實現(xiàn)對電磁閥的控制，氣缸規(guī)格如表1。

表1 氣缸參數(shù)表

控制系統(tǒng)由控制器、氣缸、電磁閥、中間繼電器、磁性開關(guān)和電源等組成，氣動系統(tǒng)回路為氣缸動作提供氣壓，其動作依靠電磁閥的通斷來實現(xiàn)，控制器通過中間繼電器控制電磁閥的通斷。氣動系統(tǒng)回路如圖9，圖中A1-A8 為夾苗氣缸，B 為分苗氣缸，DT1、DT2為二位五通電磁閥；電控系統(tǒng)硬件接線如圖10，磁性開關(guān)限定分苗氣缸的行程，MT 型PLC 通過中間繼電器實現(xiàn)電磁閥的通斷，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)構(gòu)取苗、分苗和放苗的控制。

圖9 氣動系統(tǒng)

圖10 硬件電路

系統(tǒng)工作時，默認(rèn)苗盤正確放置于待取送區(qū)域，末端執(zhí)行器正向移動至取苗位置，PLC 通過中間繼電器控制電磁閥的通斷實現(xiàn)缽苗的整排夾持，夾持完畢后將缽苗整排取出；末端執(zhí)行器反向移動至放苗位置，分苗氣缸動作使末端執(zhí)行器呈散開狀態(tài)，釋放缽苗，當(dāng)取送行數(shù)大于16 時表明當(dāng)前苗盤中的缽苗已取送完畢，控制流程如圖11。

使用GX-Works2 編寫程序，模擬運行后將程序?qū)懭隤LC 進(jìn)行空載調(diào)試，運行無誤時進(jìn)行試驗驗證，判斷分苗機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計是否滿足要求。

圖11 氣動系統(tǒng)流程

3 試驗材料與方法

選取50 天苗齡的石番36 號番茄穴盤苗進(jìn)行試驗，基質(zhì)含水率均值為75%，基質(zhì)受壓變形的極限力5.8 N，此時基質(zhì)抗壓力較高，易于苗針夾持。

選取5 張苗盤（標(biāo)記NO.1 至NO.5）進(jìn)行試驗，以缽苗成功夾持為前提，考察夾持成功后的缽苗的分苗效果。主要從分苗成功率和放苗準(zhǔn)確率兩方面來進(jìn)行考察，分別統(tǒng)計整盤缽苗中成功分苗和準(zhǔn)確放苗的個數(shù)，計算分苗成功率SDS 和放苗準(zhǔn)確率APS，試驗結(jié)果如表2。

表2 試驗統(tǒng)計表

由表2 可知，分苗成功率平均值為96.4%，表明分苗機(jī)構(gòu)在分苗過程中缽苗掉落較少；放苗準(zhǔn)確率平均值為96.1%，在第2、4、5 三次試驗中，末端執(zhí)行器夾持的所有缽苗均被成功投放在指定位置。分析分苗機(jī)構(gòu)在分苗時缽苗掉落的原因主要有以下兩點：（1）少數(shù)缽苗根系不夠發(fā)達(dá)，基質(zhì)強度不高；（2）分苗氣缸分苗速度較快，造成臺架震動易使缽苗掉落。解決方案：（1）加強育苗過程的操作規(guī)范，使缽苗處于最易夾持狀態(tài)；（2）保持壓力恒定使氣缸處于最佳狀態(tài)，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)氣缸工作速度。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種適用于整排式全自動移栽機(jī)的分苗機(jī)構(gòu)，并依據(jù)機(jī)構(gòu)原理構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，求得各桿件的具體尺寸，實現(xiàn)末端執(zhí)行器的散開和聚攏。

構(gòu)建分苗控制系統(tǒng)，進(jìn)行試驗驗證，表明剪叉式分苗機(jī)構(gòu)能夠滿足末端執(zhí)行器聚攏取苗分散放苗的要求。