蔬菜钵苗密植移栽机多行取苗机构设计与试验.pdf

null null null null 年 null 月 农 业 机 械 学 报 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 蔬菜钵苗密植移栽机多行取苗机构设计与试验 俞高红 null null 王系林 null null 刘建刚 null null 叶秉良 null null 李 祥 null null 赵 雄 null null nullnull 浙江理工大学机械与自动控制学院 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 浙江省种植装备技术重点实验室 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 农机智能控制与制造技术福建省高校重点实验室 武夷山 nullnullnullnullnullnull 摘要 为实现蔬菜钵苗密植自动移栽 提出一种能够降低因齿轮间的齿侧间隙引起的传动误差进而提高运动准确 性的大重合度非圆齿轮传动机构 根据小青菜钵苗密植移栽农艺要求 设计了密植移栽取苗轨迹和一种基于该传 动机构的非圆齿轮行星轮系八行同步取苗机构 开展了取苗机构的逆向设计 并对其进行了运动学分析 自主开 发了密植移栽取苗机构反求设计软件 为降低传动误差 该行星轮系取苗机构一级齿轮传动采用大重合度非圆齿 轮传动 二级齿轮传动采用斜齿轮传动 每级齿轮传动的重合度均接近 null 基于虚拟样机技术和高速摄像技术对取 苗机构进行轨迹测试试验 得到试验和仿真取苗轨迹 并对比理论计算轨迹 三者轨迹基本一致 验证了密植移栽 取苗机构设计的可行性 对密植移栽取苗机构进行取苗试验 取苗机构的取苗成功率为 nullnullnull 左右 检验了机构样 机性能 关键词 蔬菜钵苗 密植移栽 取苗机构 反求设计 精密取苗 大重合度非圆齿轮 中图分类号 nullnullnullnullnull null 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull OSID 收稿日期 nullnullnullnull nullnull nullnull 修回日期 nullnullnullnull nullnull nullnull 基金项目 浙江省重点研发项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null国家科学自然基金面上项目 nullnullnullnullnullnullnullnull 和农机智能控制与制造技术福建省高校重点实验 室 武夷学院 开放基金项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 俞高红 nullnullnullnullnull 男 教授 博士生导师 主要从事移栽装备创新设计和机构运动学与动力学研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull Design and Experiment of Multi Row Seedling Taking Mechanism for Dense Planting and Transplanting of Vegetable Pot Peedlings nullnull nullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnull null null null School of Mechanical Engineering and Automation Zhejiang Sci tech University Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Zhejiang Province Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Fujian Provincial Key Laboratory of Agricultural Machinery Intelligent Control and Manufacturing Technology Wuyishan nullnullnullnullnullnull China Abstract nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 0 引言 机械移栽可以克服由季节导致的作物不能连作 接茬的问题 育苗移栽技术有利于缓和季节对作物 的影响 保证作物生长条件和发育的一致性 有利于 作物的稳定生长 提高土地的利用率和复种指 数 null nullnull 由于小青菜种植的行距和株距都比较小 目前没有适用的自动移栽机 主要依靠人工种植 蔬 菜钵苗密植移栽机取苗机构的设计是实现小青菜全 自动密植移栽的关键 且穴盘苗取苗机构是自动蔬 菜移栽机的核心部件 因此研制结构合理 性能稳定 和取推苗精度高的穴盘苗取苗机构是实现精密移栽 的前提 null nullnull 国内外学者对宽行距移栽的取苗机构进行了诸 多研究 null nullnullnullnull 等 null 研发了一款多连杆机构驱动 的滑道式取苗机构 通过摇杆和滑道控制取苗秧针 的位置和姿态 但是该取苗机构取苗效率较低 韩 国 nullnullnullnull 等 null 研制了一种连杆组合式单臂取苗机 构 该取苗机构通过在取苗单臂上安装夹紧式取苗 秧针进行取苗 该取苗机构取苗速度慢 效率低 且 难以继续提高 日本学者 nullnull nullnullnull 利用齿轮系和连杆 滑道设计了一种自动蔬菜移栽机 但是该移栽机移 栽效率约 nullnull 株 nullnullnullnull 且滑道易磨损 田昆鹏等 nullnull 设计了一种曲柄滑槽门形组合取苗机构 该取苗装 置由曲柄门形导杆和轨迹执行机构 取苗爪机构和 凸轮机构组成 取苗速度为 nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull 该取苗爪 不能完全夹持钵体 且该机构是凸轮滑机构 不适合 高速运转 袁挺等 nullnull 设计了一种蔬菜移栽机 采用 气吹振动复合式取苗机构及其配套苗盘进行取苗 取苗成功率为 nullnullnull 存在体积较大和取苗效率较低 的问题 廖庆喜等 nullnull 提出了一种油菜纸钵苗移栽 机嵌入式气动取苗机构 取苗效率为 nullnullnull 株 nullnullnullnull 取 苗成功率 nullnullnull nullnull 但是该取苗机构存在气缸运动冲 击及取苗机构振动导致油菜纸钵苗提前滑落问题 俞高红等 nullnull 提出了一种椭圆 不完全非圆齿轮行星 轮系蔬菜钵苗取苗机构 该机构通过不完全非圆齿 轮间的变速传动来实现取苗所需的机构运动轨迹 其取苗效率为 nullnull 株 nullnullnullnull 取苗成功率 nullnullnull 取苗机 构中的凹凸锁齿弧存在一定的冲击而不利于机构的 高速运行 叶秉良等 nullnull 设计了一种应用于蔬菜钵 苗自动移栽机的偏心齿轮 非圆齿轮行星系自动取 苗机构 取苗效率可以达到 nullnull 株 nullnullnullnull 取苗成功率 nullnullnull左右 但是其设计过程较为繁琐 目前学者对 于蔬菜密植移栽机方面的研究较少 韩国研制的 nullnull nullnullnullnull 型半自动密植移栽机 移栽作业行数为 null 行 移栽行距为 nullnull nullnull 株距为 nullnull nullnullnull nullnull 但需要 null 名投苗手投苗 机器间歇前进 移栽效率较低 只 有 nullnullnull 株 null 行 null null国内滁州禾田农业机械有限公 司研究了一种高密度移栽机械 适用于人工供苗的 半自动方式 该移栽机作业行数最大为 null 行 可根 据移栽要求进行调节 行距为 nullnullnull nullnull 株距在 nullnull null nullnullnull nullnull 由于该移栽机为人工供苗的半自动式移栽 机 需要两个人同时投苗 机器间歇前进 故移栽效 率低 目前学者们对宽行距移栽的取苗机构研究较 多 但对于窄行距密植移栽的取苗机构研究则较少 还未见针对小青菜全自动密植移栽的相关机具的研 究 在理论上可以采用 null 个取苗机构紧凑布置并且 同时取苗实现 null 行取苗 但是由于空间的限制 null 个 取苗机构紧凑布置无法实现窄行距多行密植移栽 此外 null 个取苗机构同时使用的移栽机质量过大 成 本也过高 因此 本文提出一种适合密植移栽的 null 行同步 取苗非圆齿轮行星轮系取苗机构 同时开展取苗机 构的取苗爪设计和大重合度非圆齿轮的齿廓设计 根据密植移栽要求设计适合密植移栽的取苗轨迹 利用 null 样条曲线对取苗轨迹进行拟合 基于取苗轨 迹对取苗机构进行逆向设计 开发密植移栽取苗 机构的设计平台 利用运动学仿真软件完成取苗 机构的仿真分析 试制取苗机构的样机 进行试验 验证 1 密植移栽多行取苗机构方案与工作原理 小青菜一般采用密植移栽 要求栽植钵苗的行 距和株距为 nullnull null nullnull nullnull 密植数量为 nullnull 株 nullnull null 在 设计方案中 秧箱上并排放置两个穴盘 两个穴盘横 向距离为 nullnullnull nullnull 所用穴盘为 nullnullnull 穴 每行有 null 个 穴 每列有 nullnull 个穴 取苗机构的推苗角尽可能接近 nullnullnull左右 以使钵苗尽可能接近直立状态推出 利于 与其配套的植苗机具的接苗环节 秧箱上的穴盘一 般与水平方向呈 nullnullnull左右 从取苗到推苗位置 钵苗 应该转过秧箱的安装角度 nullnullnull左右 因此推苗角 和取苗角之间的角度差控制在 nullnullnull左右 由于钵穴 深度为 nullnull nullnull 根据前期所设计的取苗机构的取苗 nullnull第 null 期 俞高红 等 蔬菜钵苗密植移栽机多行取苗机构设计与试验 试验可知 nullnull 秧针进入钵穴的深度需为 nullnull nullnull 左 右 以保证钵苗能顺利从钵穴中夹取出来 为避免取 苗机构的秧针进出钵穴时和穴盆发生干涉 取苗轨 迹中入钵段轨迹应为 nullnull nullnull 左右的近似直线段 如图 null 所示 该取苗机构由两套对称的齿轮箱 和 和两套夹苗部件 和 组成 齿轮箱为 取苗机构的驱动部分 通过法兰固定在机架上 齿 轮箱的单侧各连接一套夹苗部件 每套夹苗部件由 null 个移栽臂 null 套取苗爪 每套取苗爪包括 null 片秧 针 null 个转动销和 null 个推苗爪 其中 秧针长为 nullnull nullnull 宽为 nullnull nullnull 厚度为 nullnull null nullnull nullnull 块秧针安装 板和 null 块推苗板组成 两侧齿轮箱采用锥齿轮作为 动力传输装置以驱动两侧齿轮箱同步旋转 保证两 侧移栽臂运动的同步性 从而使固定于两侧移栽臂 上的夹苗部件的 null 套取苗爪同步运动 实现同步取 苗 取苗机构工作时 动力同时带动左右两侧的齿 轮箱旋转 齿轮箱内部的齿轮啮合传动 驱动夹苗部 件按特定轨迹运动 张开状态的取苗爪以合理的取 苗角进入钵穴 null 套取苗爪进入到钵穴一定深度后 同时夹紧钵苗的土钵 随后 夹苗部件夹着土钵快速 离开钵穴 夹持到相应位置后完成推苗动作 取苗 机构转动一圈 取完两个穴盘中同一行的所有钵苗 当取完一行钵苗后 纵向送秧装置自动纵向送苗一 次 取苗机构进行下一周期的取苗工作 图 null 取苗机构整体方案 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull 法兰 nullnull 取苗凸轮 nullnull 移栽臂 nullnull 推苗板 nullnull 秧针安装板 nullnull 转动销 nullnull 秧针 nullnull 推苗爪 null 齿轮箱 null 夹苗 部件 2 密植移栽取苗轨迹设计 取苗机构的取苗轨迹是自动移栽机设计的关键 要素 取苗机构的取苗过程主要分为以下阶段 图 null A C 和 C G 为取苗阶段的秧针尖点轨迹 秧针沿 A C 段轨迹进入穴盘后夹紧土钵 秧针夹 持土钵沿着 C G 段轨迹夹出钵苗 G D 段轨迹为 持苗阶段轨迹 钵苗沿着 G D 段轨迹被夹持到推 苗位置点 D E 段轨迹为推苗阶段轨迹 秧针上的 钵苗在推苗爪的推动下在点 E 之前被推入植苗机 构中 E A 段轨迹为回程阶段轨迹 秧针保持最大 张开状态沿 E A 段轨迹快速回到最初的取苗位 置 重复下一次的取苗动作 图 null 取苗轨迹示意图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 钵穴 nullnull 钵苗 nullnull 移栽臂 nullnull 取苗爪 为满足密植移栽取苗机构的取苗要求 其取苗 轨迹的设计 秧针尖点轨迹 需要达到取苗轨迹设 计目标 nullnull 如表 null 所示 表 1 取苗轨迹设计目标 Tab 1 Design objectives of seedling picking trajectory 轨迹 设计要求 入钵段轨迹长度 nullnull nullnull 左右的近似直线 出钵轨迹 出钵和入钵轨迹尽量重合 尽可能保持垂直 秧针进入钵穴的最大深度 l nullnull nullnull 入钵盘段轨迹的环扣最大宽度 null 控制在 null nullnull 以内 取苗角 null null nullnullnull左右 推苗角和取苗角间的角度差 nullnullnull左右 推苗角 null null 接近 nullnullnull 推苗板与秧箱距离 大于 null nullnull 移栽臂之间的距离 nullnull nullnull 左右 避免双移栽 臂夹苗后干涉 秧针进入钵穴与钵穴下边缘距离 nullnull null nullnull 左右 据此设计目标设计了一个满足密植移栽要求的 取苗轨迹 如图 null 所示 为了设计理想的密植移栽 取苗机构 本文基于 nullnullnullnullnullnull 软件开发密植移栽取苗 机构的反求设计平台 采用三次非均匀 null 样条曲 线对密植移栽取苗轨迹进行拟合 通过改变角位移 曲线上控制点坐标实现取苗轨迹的调整 nullnull 利用 型值点数据计算出节点矢量 Unull u null u null null u n null k nullnull 再反求 null 样条曲线控制点 最终利用控制 点计算出取苗轨迹上任意数据点 型值点的选取影 响着轨迹的拟合效果 是轨迹拟合的关键环节 取 苗轨迹的取苗和推苗阶段至关重要 且机构回程阶 段为凹凸锁止弧传动 故应选取更贴近取苗和推苗 阶段对应轨迹的型值点 本文选择的 nullnull 个型值点 如图 null 所示 其中型值点 null nullnull 为控制秧针入钵段需 要调整的轨迹 型值点 null nullnullnull 为控制秧针出钵段轨 迹 型值点 nullnull nullnullnull 为控制推苗段轨迹 将 null 样条曲线上选取的 nullnull 个型值点 q i i nullnull null null m 代入 null 样条曲线的数学模型 nullnull 可得公式 nullnull 农 业 机 械 学 报 null null null null 年 图 null 取苗轨迹型值点及其取苗段轨迹 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull p u i null i j o null d j N j null u i null i j i null d j N j null u q i null i null null null n p u n null null n j n null d j N j null u m null null i j i null d j N j null u q m null 式中 d j j null null null null n 为曲线的控制点 N i k u i nullnull null null n 为三次 null 样条基函数 且 unull u i u i nullnull null u null u n nu