摘要：目前使用的煙苗移栽機(jī)大部分為人工投苗的半自動(dòng)移栽機(jī)。為提高移栽效率、降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)一種煙苗移栽機(jī)自動(dòng)取投苗裝置。利用軟件SolidWorks進(jìn)行建模，對(duì)取投苗裝置進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。利用有限元軟件Workbench對(duì)機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和仿真，并對(duì)取投苗過程進(jìn)行振動(dòng)分析?；赟TM32單片機(jī)，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制電路。該裝置采用間隔取苗、展開投苗的作業(yè)方式，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗、投苗。通過物理樣機(jī)的裝配和田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，平均取投苗成功率達(dá)到94.9%。為自動(dòng)取投苗裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：煙苗；移栽機(jī)；取苗；投苗；氣缸；有限元分析

中圖分類號(hào)：S223.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 11?0042?06

Design and experiment of seedling picking and feeding device for

tobacco seedling transplanting machine

Li Haoming1， Yang Yang1， Xu Wenbo2， 3， Dong Aohui1， Li Pengbo1， Yuan Zhihua1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China;

2. Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.， Ltd.， Zhengzhou， 450000， China;

3. ZRIME Gearing Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou， 450052， China）

Abstract： Most of the tobacco seedling transplanters currently in use are semi?automatic transplanters that manually drop seedlings. In order to improve the efficiency of transplanting and reduce the labor intensity of farmers， a automatic seedling picking and feeding device for tobacco seedling transplanting machine is designed. SolidWorks software is used for modeling and overall design of the seedling picking and feeding device. The finite element software Workbench is used to calculate and simulate the strength of the frame， and conduct the vibration analysis on the process of picking and dropping seedlings. A driving control circuit is designed based on STM32 single chip microcomputer. This device adopts the operation method of interval seedling picking and unfolding seedling feeding， which can achieve automatic seedling picking and feeding. Through the assembly of physical prototypes and field experiments， the results show that the average success rate of seedling picking and feeding reaches 94.9%. This study can provide theoretical basis and technical reference for the research and development of automatic seedling picking and feeding devices.

Keywords： tobacco seedlings; transplanter; taking seedlings; seedling casting; cylinder; finite element analysis

0 引言

在煙草生產(chǎn)過程中，煙苗移栽是一個(gè)比較重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)[1]，直接關(guān)系煙苗成活率、生長(zhǎng)發(fā)育和田間整齊度，影響煙葉的產(chǎn)量和質(zhì)量。作物移栽主要有裸根苗移栽和缽體苗移栽兩種不同形式。穴盤苗屬于缽體苗的一種，因其便于存放運(yùn)輸，苗株長(zhǎng)勢(shì)勻稱，品質(zhì)高，育苗過程機(jī)械化程度高，適合規(guī)?；a(chǎn)，穴盤苗移栽在作物移栽種植模式中應(yīng)用多、發(fā)展廣[2]。隨著人民生活水平的提高、勞動(dòng)力短缺問題的出現(xiàn)促使移栽技術(shù)的不斷進(jìn)步，也逐步推動(dòng)了煙草移栽機(jī)械的發(fā)展。目前使用的煙苗移栽機(jī)，大部分為人工投苗的半自動(dòng)移栽機(jī)，由于移栽時(shí)需要人工取苗、投苗，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、效率低[3， 4]而無(wú)法普及，耗時(shí)、費(fèi)力、低效的傳統(tǒng)手工移栽作業(yè)仍然是當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)種植的主要方式。一般國(guó)內(nèi)移栽機(jī)的作業(yè)效率遠(yuǎn)低于耕整、收獲等機(jī)械的作業(yè)效率，開發(fā)自動(dòng)高效低成本的移栽機(jī)很有必要，也極為迫切。取投苗裝置作為全自動(dòng)移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，其對(duì)移栽機(jī)作業(yè)機(jī)械化水平的提高乃至現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有重要的意義[5， 6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)取投苗裝置進(jìn)行了廣泛的研究。國(guó)外移栽機(jī)主要分為兩類，以日本為代表的小型自動(dòng)移栽機(jī)和以歐美為代表的大型自動(dòng)移栽機(jī)[7]。小型自動(dòng)移栽機(jī)自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性好，但只適合小地塊移栽，不適合大田移栽。大型自動(dòng)移栽機(jī)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴[8]，美國(guó)Agriplant全自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)通過取苗手從穴盤中成排取苗，生產(chǎn)效率可達(dá)2.5 hm2/d，但價(jià)格昂貴，后期維修不方便[9]。國(guó)內(nèi)移栽機(jī)主要是半自動(dòng)的，取苗大多是人工缽盤取苗。近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)全自動(dòng)取投苗裝置的研究越來越多[10， 11]，主要類型有夾莖式[12， 13]、夾缽式[14， 15]、頂出式[16， 17]等。目前市場(chǎng)上全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)存在較多，但主要集中在番茄、辣椒等蔬菜上，例如沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的辣椒移栽機(jī)等[18]。煙草缽苗與以上蔬菜都不同，現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)難以滿足煙草缽苗的移栽。煙草育苗采用的是漂浮育苗方式，苗盤具有一定的特殊性，一般的蔬菜移栽機(jī)對(duì)煙苗不適用，全自動(dòng)煙苗移栽機(jī)存在較少。全自動(dòng)移栽機(jī)與半自動(dòng)相比增加了自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)自動(dòng)化的必經(jīng)之路[19]。本文在半自動(dòng)煙苗移栽機(jī)基礎(chǔ)上增加自動(dòng)取投苗裝置，通過STM32控制無(wú)桿氣缸的移動(dòng)，帶動(dòng)夾爪完成取投苗，實(shí)現(xiàn)間隔取苗、展開投苗的自動(dòng)取投苗作業(yè)方式。該過程代替了人工取投苗動(dòng)作，解決勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低、人工取投煙苗的移栽過程。

1 取投苗裝置整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

取投苗裝置主要由龍門架機(jī)架、無(wú)桿氣缸機(jī)構(gòu)、分苗機(jī)構(gòu)三部分組成，如圖1所示。龍門架機(jī)架是整體機(jī)架，無(wú)桿氣缸由滑塊、導(dǎo)軌、支撐架組成，分苗機(jī)構(gòu)安裝在無(wú)桿氣缸上，由氣缸、夾爪、滑軌組成。

1.2 工作原理

取投苗裝置是將送來的煙苗夾出，然后投入到苗杯中。隨后栽植機(jī)構(gòu)逐個(gè)將煙苗栽植到土地中，完成煙苗的移栽作業(yè)。在煙苗移栽過程中，取投苗裝置的移位氣缸活塞桿推出，帶動(dòng)夾爪移動(dòng)到取苗位置，升降氣缸活塞桿推出帶動(dòng)夾爪下降夾住缽苗。升降氣缸活塞桿和移位氣缸活塞桿收縮，帶動(dòng)夾爪移動(dòng)到投苗位置。帶苗夾爪移動(dòng)的同時(shí)，分苗氣缸活塞桿伸出分散夾爪，然后夾爪打開將缽苗投放到對(duì)應(yīng)的苗杯中，完成一次取投苗動(dòng)作。

為了提高取苗效率，該裝置設(shè)計(jì)的是一次取4個(gè)缽苗，相鄰2個(gè)苗穴之間的距離比較小，夾爪夾取相鄰缽苗容易產(chǎn)生干涉，因此需要采取間隔取苗的方法。苗盤采用的是136（17×8）穴苗盤，苗穴均勻分布，每個(gè)苗穴內(nèi)徑為30 mm×30 mm，相鄰穴中心距為40 mm。該苗盤為白色苗盤，不可彎曲。這種苗盤通常是由高分子原料制成的，具有較高的耐磨性和耐腐蝕性，不易變形，可以反復(fù)使用。育苗盤示意圖如圖2所示。

每行有8個(gè)缽苗，每次間隔取4個(gè)，分兩次完成，如圖3所示，根據(jù)氣動(dòng)元件的時(shí)序條件，通過keil軟件編寫程序，載入單片機(jī)中，通過程序來控制氣動(dòng)元件的動(dòng)作，氣泵作為氣源，為氣動(dòng)元件提供動(dòng)力。通過控制器給予電磁閥信號(hào)控制氣動(dòng)設(shè)備的動(dòng)作。在第1行缽苗取完之后，送苗機(jī)構(gòu)移動(dòng)，將苗盤向前移動(dòng)1格，開始第2行缽苗的夾取動(dòng)作，以此類推，完成缽苗的取苗動(dòng)作。

投苗點(diǎn)在苗杯的正上方，如圖4所示，此時(shí)夾爪之間的距離等于相鄰兩個(gè)苗杯之間的中心距。苗杯上設(shè)置有傳感器，缽苗移動(dòng)到苗杯正上方，傳感器信號(hào)傳入單片機(jī)中，單片機(jī)反饋給電磁閥信號(hào)，控制氣動(dòng)夾爪打開，將缽苗投入鏈?zhǔn)捷斆鐧C(jī)構(gòu)的苗杯中，完成投苗動(dòng)作。

鏈?zhǔn)捷斆鐧C(jī)構(gòu)通過鏈傳動(dòng)將苗杯中的缽苗逐個(gè)投入到栽植機(jī)構(gòu)中，再由栽植機(jī)構(gòu)將缽苗移栽至土壤中。煙苗移栽機(jī)取投苗裝置的流程如圖5所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 分苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

分苗機(jī)構(gòu)主要由分苗機(jī)架、滑軌、夾爪、氣缸、滑塊等組成，如圖6所示?；壣嫌?個(gè)滑塊，每個(gè)滑塊上均連接氣動(dòng)夾爪?；瑝K穿在兩根平行的滑軌上，滑塊可以保持穩(wěn)定不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，氣缸帶動(dòng)滑塊的運(yùn)動(dòng)來控制夾爪的移動(dòng)。限位連接件限制兩個(gè)夾爪之間的最大和最小距離。經(jīng)測(cè)量，兩個(gè)苗杯之間的距離為124 mm，間隔一格苗穴的兩個(gè)苗穴距離為80 mm，即兩個(gè)夾爪之間的距離范圍，取苗時(shí)，兩個(gè)夾爪之間的距離為80 mm，投苗時(shí)，兩個(gè)夾爪之間的距離為124 mm。

2.2 取投苗裝置機(jī)架設(shè)計(jì)和氣缸選型

取投苗裝置需要和送苗機(jī)構(gòu)配合，完成自動(dòng)送苗、取苗、投苗。如圖7所示為送苗機(jī)構(gòu)和取投苗裝置的配合示意圖。

為了和送苗裝置配合，根據(jù)送苗裝置的幾何參數(shù)，龍門架長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 540 mm，龍門架寬度設(shè)計(jì)為270 mm，高度設(shè)計(jì)為509 mm。

氣動(dòng)元件主要由三個(gè)方向的氣缸、夾爪和伸縮氣缸組成。Y向氣缸承載X、Z向氣缸以及分苗機(jī)構(gòu)的重量，X向氣缸承載Z向氣缸和分苗機(jī)構(gòu)的重量，Z向氣缸承載分苗機(jī)構(gòu)的重量，伸縮氣缸推動(dòng)滑塊完成分距動(dòng)作。X向氣缸行程取決于取投苗裝置從苗盤取苗到苗杯上方投苗的距離，經(jīng)測(cè)量為1 100 mm，Y向氣缸的行程取決于一格苗穴的距離，為40 mm，即夾爪夾取下一行苗需要前進(jìn)的距離，Z向氣缸拔出缽苗后，一方面夾取的缽苗Z向上升時(shí)避免干涉其它缽苗，另一方面夾取的缽苗需要在苗杯的上方才能完成投苗，Z向氣缸行程設(shè)計(jì)為75 mm。

根據(jù)氣缸的所需行程和負(fù)載選擇氣缸的型號(hào)，X向氣缸型號(hào)為RMT25-750，缸徑為25 mm，二層氣缸型號(hào)為RMT16-38，缸徑為16 mm，Y向氣缸型號(hào)為RMT32-100，缸徑為32 mm，Z向氣缸型號(hào)為TN10-75，缸徑為10 mm，氣泵為氣動(dòng)裝置供氣。根據(jù)每個(gè)氣缸的用氣量，得出總的耗氣量，進(jìn)而確定氣泵型號(hào)。氣動(dòng)元件的工作壓力0.4 MPa，完成一個(gè)行程的時(shí)間為1 s，最大耗氣量是氣缸以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的空氣流量，計(jì)算如式（1）所示。

[qr=0.0462D2×um（p+0.102）] （1）

式中： D——缸徑，cm；

p——使用的壓力，Pa；

qr——最大耗氣量，L/min；

um——最大速度，mm/s。

根據(jù)式（1）計(jì)算出每個(gè)氣缸的最大耗氣量，每個(gè)氣缸的耗氣量以及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，7個(gè)氣缸總的最大耗氣量為209.85 L/min，因此選擇排氣量為0.21 m3/min的氣泵。

2.3 驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

使用STM32單片機(jī)作為核心部件，載入程序來控制電磁閥的信號(hào)以此來控制氣缸的移動(dòng)。STM32板給予電磁閥的信號(hào)，電磁閥控制氣動(dòng)裝置[20]。所使用的STM32板的輸入輸出電壓是5 VDC，電磁閥的信號(hào)輸入輸出電壓為24 VDC，因此不能使用STM32板直接控制電磁閥，需要利用繼電器作為中介，選擇輸入端為3～32 VDC，輸出端為5～200 VDC。STM32板連接在繼電器的輸入端，電磁閥連接在繼電器的輸出端，由此通過繼電器作為中介，使得單片機(jī)來控制電磁閥實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)裝置的動(dòng)作。單片機(jī)使用5 V電源供電，固態(tài)繼電器使用24 V電源供電。

3 有限元模擬與分析

3.1 機(jī)架強(qiáng)度分析

利用SoildWorks軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行仿真分析。這里只分析機(jī)架，氣缸和分苗機(jī)構(gòu)用相應(yīng)的力代替。由圖8可知，最大應(yīng)力為6.88 MPa。所用鋼材的許用應(yīng)力為150 MPa，結(jié)果表示機(jī)架滿足強(qiáng)度要求。符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 機(jī)架振動(dòng)分析

隨機(jī)振動(dòng)分析也稱為功率譜密度分析，是一種基于概率統(tǒng)計(jì)學(xué)理論的譜分析技術(shù)。由于時(shí)間歷程的不確定性，這種情況不能選擇瞬態(tài)分析進(jìn)行模擬計(jì)算，于是從概率統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，將時(shí)間歷程的統(tǒng)計(jì)樣本轉(zhuǎn)變?yōu)楣β首V密度函數(shù)（PSD），隨機(jī)載荷時(shí)間歷程的統(tǒng)計(jì)響應(yīng)，然后在功率譜密度函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，得到響應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)值。隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境上主要包括運(yùn)輸振動(dòng)和飛行振動(dòng)，振動(dòng)可能會(huì)引起組件和零件的機(jī)械磨損[21]。

取投苗裝置需要在田地里面工作，在進(jìn)行移栽作業(yè)時(shí)，避免不了振動(dòng)問題，利用Workbench分析隨機(jī)振動(dòng)對(duì)裝置造成的效果是否會(huì)對(duì)取苗產(chǎn)生較大的誤差偏移。

如圖9所示，添加隨機(jī)頻率，得到PSD加速度，使模型產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)模擬，得出結(jié)果如圖10所示，結(jié)果顯示夾爪偏差最大為0.016 mm，該偏差在允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)條件與方法

4.1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)設(shè)備：試驗(yàn)樣機(jī)；氣泵1臺(tái)；量程150 mm的游標(biāo)卡尺1個(gè)；烘干機(jī)；電子秤；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；煙苗取投苗裝置，工作氣壓為0.4 MPa。

試驗(yàn)材料為煙草缽苗（苗期為50天），苗盤規(guī)格為136（17×8）穴的苗盤。煙苗的物理特性在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，田間試驗(yàn)在學(xué)校試驗(yàn)田進(jìn)行。

4.1.2 煙草缽苗的物理特性

如圖11所示為生長(zhǎng)期50天的煙苗。用稱重法測(cè)得煙苗基質(zhì)的含水率，最低含水率為42%，最高含水率為72%。用游標(biāo)卡尺和卷尺測(cè)量缽苗的直徑和高度，測(cè)得煙苗的最大直徑為5.5 mm，最小直徑為4.3 mm，最大高度為17 mm，最小高度為14 mm。

用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量煙苗的拔取力。測(cè)量煙苗的基質(zhì)含水率平均值、高度平均值、直徑及拔取力平均值如表2所示。

4.1.3 田間試驗(yàn)

移栽過程中準(zhǔn)確地取投苗是確保移栽成功的重要因素，因此以取投苗成功率為試驗(yàn)指標(biāo)來驗(yàn)證煙草缽苗取投苗裝置的可行性。根據(jù)育苗盤規(guī)格，每次取苗裝置夾取4個(gè)缽苗為理想狀態(tài)，每次夾取的缽苗全部投入苗杯中為理想狀態(tài)。取投苗成功率[10]計(jì)算如式（2）所示。

[x=（m-a）（m-b）m2×100%] （2）

式中： a——漏取數(shù)，株；

b——漏投數(shù)，株；

m——總株數(shù)，株；

x——取投苗成功率，%。

使用136穴育苗盤進(jìn)行送苗，通過煙草缽苗取投苗裝置進(jìn)行試驗(yàn)，共進(jìn)行10組，每組為一整個(gè)苗盤，共136株缽苗。由于在育苗過程中受到各種因素的影響，導(dǎo)致個(gè)別煙苗壞死的情況，該類煙苗不算入試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)樣機(jī)如圖12所示。

4.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)中，通過單片機(jī)對(duì)電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)取投苗裝置的移動(dòng)。在10組試驗(yàn)中，總的漏取數(shù)為45株，總的漏投數(shù)為25株。取投苗成功率平均值達(dá)到94.9%。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取投苗成功率應(yīng)達(dá)到90%以上，因此該裝置滿足要求。夾取煙苗時(shí)，正常狀態(tài)是夾取莖稈部分，由于煙苗的生長(zhǎng)具有一定的隨機(jī)性，部分試驗(yàn)煙苗枝葉過于緊湊，缽苗枝葉相互纏繞，夾爪夾取到相鄰缽苗上的枝葉，一定程度上影響了取投苗成功率。若在育苗過程中使煙苗規(guī)范統(tǒng)一生長(zhǎng)在苗穴的正中央，取投苗成功率會(huì)得到提升。

5 結(jié)論

1） 為提高移栽效率，降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)一種煙苗移栽機(jī)自動(dòng)取投苗裝置，該裝置主要由機(jī)架、無(wú)桿氣缸機(jī)構(gòu)、分苗機(jī)構(gòu)組成。采用間隔取苗、展開投苗的自動(dòng)取投苗作業(yè)方式，可實(shí)現(xiàn)煙苗的自動(dòng)取苗、投苗。

2） 利用有限元軟件，對(duì)機(jī)架進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和仿真，并對(duì)取投苗過程進(jìn)行振動(dòng)分析。夾爪偏差最大為0.016 mm，不影響取苗效果。

3） 搭建單片機(jī)控制系統(tǒng)，制作試驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：在栽植株距穩(wěn)定情況下，測(cè)得10組缽苗平均取投苗率為94.9%。

4） 相比于人工取投苗，該裝置不僅提高工作效率，也很大程度上提高取投苗成功率，試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置滿足煙苗移栽機(jī)的自動(dòng)取投苗要求，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，為全自動(dòng)智能移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供理論和技術(shù)參考。

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