仙人球自动移栽机末端执行器的设计与试验.pdf-

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第 46 卷第 2 期 Vol 46 No 2 2025 年 2 月 Feb 2025 中国农机化学报 Journal of Chinese Agricultural Mechanization DOI 10 13733 j jcam issn 2095 5553 2025 02 004 叶海平郑志坚仙人球自动移栽机末端执行器的设计与试验 J 中国农机化学报 2025 46 2 20 26 34 Ye Haiping Zheng Zhijian Design and experiment of end effector for cactus automatic transplanter J Journal of Chinese Agricultural Mechanization 2025 46 2 20 26 34 仙人球自动移栽机末端执行器的设计与试验叶海平 1 郑志坚 2 1 漳州职业技术学院智能制造学院福建漳州 363000 2 福建省特种设备检验研究院漳州分院福建漳州 363000 摘要针对现有仙人球疏植移栽设备的取苗末端执行器存在株距调整灵活性差自动化程度低移栽成功率不高等问题基于仙人球的物理特性和移栽作业工艺要求设计一种株距可动态调整的取苗末端执行器可满足不同株距穴盘之间的幼苗疏植移栽作业根据疏植移栽的作业流程和受力情况设计取苗末端执行器的整体结构分析计算确定各关键部件的尺寸参数应用 UG 和 Adams 软件建立苗钵复合模型并进行运动仿真试验以移栽存活率和苗钵完整度为试验指标以取苗针倾斜角取苗针长度取苗针插入速度取苗针下端直径为试验因素搭建仙人球自动移栽机取投苗试验平台进行正交试验和验证试验通过极差分析得到最优参数组合为苗针倾斜角 19 取苗针长度 33 mm 取苗针插入速度 0 4 m s 取苗针下端直径 12 mm 移栽后苗钵完整率为 93 67 7 天后的移栽成活率为 91 83 取苗末端执行器可较好地完成取投苗作业关键词仙人球自动移栽机末端执行器疏植移栽运动仿真极差分析中图分类号 S223 99 文献标识码 A 文章编号 2095 5553 2025 02 0020 08 Design and experiment of end effector for cactus automatic transplanter Ye Haiping 1 Zheng Zhijian 2 1 College of Intelligent Manufacturing Zhangzhou Institute of Technology Zhangzhou 363000 China 2 Zhangzhou Branch of Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute Zhangzhou 363000 China Abstract Aiming at the problems of poor flexibility in plant spacing adjustment low degree of automation and low success rate of transplanting in the end effector for picking seedlings of existing cactus sparse planting and transplanting equipment a seedling picking end effector with dynamically adjustable plant spacing was designed based on the physical characteristics of cactus and the technical requirements of transplantation process which could meet the needs of seedling sparse planting and transplanting operations between different plant spacing hole plates According to the operation process and stress situation of sparse planting and transplanting the overall structure of the seedling end effector was designed The size parameters of each key component were analyzed and calculated A composite model of seedling bowl was established in UG and Adams A moving simulation experiment was conducted The transplant survival rate and seedling bowl integrity were used as experimental indicators the inclination angle length insertion speed and lower diameter of the seedling needle were used as experimental factors The experimental platform was built to conduct orthogonal and validation experiments for the automatic transplanting machine of cactus balls The optimal parameter combination obtained through range analysis is the inclination angle of the seedling needle of 19 the length of the seedling needle of 33 mm the insertion speed of the seedling needle of 0 4 m s and the diameter of the lower end of the seedling needle of 12 mm After transplantation the seedling bowl integrity rate is 93 67 and the survival rate after 7 days is 91 83 The experimental results indicate that the end effector for picking seedlings can effectively complete seedling picking and dropping operations 收稿日期 2023 年 9 月 14 日修回日期 2023 年 10 月 30 日基金项目福建省中青年教师教育科研项目 JAT210858 福建省教育科学十四五规划课题 FJJKGZ23 115 漳州市自然科学基金项目 ZZ2024 J01 漳州职业技术学院校级科研课题 zzykyk24006 第一作者叶海平男 1982 年生福建龙海人硕士副教授研究方向为农业机械和自动控制等 E mail 44002326 qq com第 2 期叶海平等仙人球自动移栽机末端执行器的设计与试验 Keywords cactus automatic transplanting machine end effector sparse planting and transplanting motion simulation range analysis 0 引言仙人球造型奇特开花颜色鲜艳同时又能净化空气是一种深受欢迎的小盆栽植物仙人球采用穴盘育苗疏植移栽过程一般由人工完成目前的移栽设备存在自动化程度低作业效率低下取投苗成功率低等问题为实现移栽的自动化提高移栽作业生产效率开展仙人球自动移栽设备末端执行器的研究设计意义重大 1 2 自动移栽机是将苗钵从小的穴盘移栽到大的穴盘中在整个工作流程中取苗末端执行器与苗钵直接接触完成取苗和放苗动作是自动移栽机的核心部件直接影响到移栽工作 3 国内外针对自动移栽机的取苗末端执行器开展了大量研究 4 5 美国德国和日本等国家的钵苗自动移栽设备技术较为成熟均研制出大量适合本国农业的全自动移栽机及末端执行器移栽的研究对象主要为农作物水果和蔬菜 6 7 国内学者针对自动移栽机和末端执行器也开展了大量研究工作 8 9 段宏兵等 10 针对目前国内马铃薯组培苗移栽的移栽设备自动化程度低作业环境差效率低移栽成活率不高等问题研发试制了一种马铃薯组培苗移栽吸附式末端执行器吸附式末端执行器依靠 PLC 进行控制达到农艺工艺要求韩豹等 11 针对现有甘蓝取苗末端执行器存在取苗针间距固定灵活性差适用范围窄等问题设计了一种插入针间距可调的针式取苗末端执行器通过调整调节滑块和针座在支架上的位置实现取苗针间距的调整童俊华等 12 针对针式末端执行器夹持移栽后穴孔内基质残留较多的问题设计了一种指铲式末端执行器通过增大指铲与苗钵基质的接触面积可剔除穴孔内大部分基质朱兴亮等 13 针对国内现有茄果类移栽机自动化程度低效率低下等问题设计了一种茄果钵苗自动移栽机满足了新疆茄果类蔬菜钵苗移栽需求王超等 14 针对蔬菜移栽机取苗机构取苗频率低的问题设计了一种气动下压式高速取苗装置及配套组合式穴盘实现高速取苗作业经过查阅国内外相关的文献资料均未找到针对仙人球的全自动移栽机末端执行器的研究成果和专利 15 16 由于仙人球穴盘苗的物理特性与果蔬具有一定的差异性现有的末端执行器无法直接应用结合设施农业仙人球移栽工艺设计一种株距可调的仙人球自动移栽机取苗末端执行器首先通过凸轮机构实现株距动态调整分析计算出取苗末端执行器的结构尺寸然后运用软件进行取苗末端执行器的运动仿真最后采用正交试验法进行试验验证取苗末端执行器的整体工作性能以期为今后仙人球全自动移栽机的整体设计提供参考 1 取苗末端执行器的总体结构与工作原理伴随着农村劳动力大量涌入城市农村劳动力匮乏劳动力成本高的特点设施农业在农村受到政府的大力推广仙人球是沙漠植物为提高种植产量保证良好品相延长开花周期一般采用温室大棚进行规模化种植仙人球的培育方式主要采用穴盘育苗当生长到一定阶段为创造更好的生长条件需要进行疏植移栽现有的移栽设备主要还是依靠人工完成自动化程度低移栽成本高工作效率低下严重影响了仙人球产业的发展仙人球全自动移栽机的研究就显得十分必要取苗末端执行器作为自动移栽机的关键部件研究设计出性能好的取苗末端执行器为仙人球全自动移栽机的研究打下了坚实的基础 1 1 取苗末端总体结构取苗末端执行器的直接工作对象为穴盘苗钵目前仙人球的穴盘规格主要有 3 种 32 孔 50 孔和 105 孔为便于取苗末端执行器的开发设计对穴盘的规格尺寸进行了测量结果如表 1 所示表 1 不同穴盘的规格尺寸 Tab 1 Specifications and dimensions of different hole plates 规格 32 孔 50 孔 105 孔穴盘间距 mm 67 53 41 口径 mm 60 48 35 底径 mm 30 23 15 高度 mm 50 45 40 穴盘倾角 16 70 15 52 14 03 仙人球的疏植移栽过程主要是将 105 孔的穴盘苗疏植移植到 50 孔或 32 孔的穴盘针对仙人球的移栽工艺所设计的全自动仙人球移栽机的取苗末端执行器如图 1 所示图 1 株距可调式取苗末端执行器结构 Fig 1 Structure of the adjustable seedling spacing end effector 1 取苗针 2 取苗挡板 3 手指气缸 4 滑块 5 凸轮轴 6 联轴器 7 步进电机步进电机提供动力与可编程控制器配合实现转动角位置的控制凸轮轴滑块和导轨构成螺旋传动副通过凸轮轴的转动带动滑块在导轨上移动滑块与取苗手指相连实现 5 个取苗手指的间距动态调整中间的凸轮槽是圆环另外 4 个凸轮槽两两对称分布取苗手指由笔 21中国农机化学报 2025 年形气缸取苗针和取苗挡板三部分组成通过笔形气缸的活塞伸缩带动取苗针上下移动实现取苗和放苗工作 1 2 取苗末端执行器工作原理疏植移栽开始工作前将取苗末端执行器下移到取苗点步进电机开始工作通过联轴器带动螺旋杆转动当取苗手指间距调整到达取苗穴盘位置步进电机停止工作手指气缸开始工作取苗针插入穴盘开始取苗自动移栽机将末端执行器抬起将取苗末端执行器输送到需投放的穴盘位置步进电机继续工作调整株距直至取苗手指分别位于投放穴盘的正上方末端执行器下移将幼苗投放到穴盘中取苗手指气缸工作取苗针回缩脱离苗钵完成投苗作业整个疏植移栽工作流程结束如图 2 所示图 2 仙人球疏植移栽流程图 Fig 2 Flowchart of sparse planting and transplanting of cactus 在疏植移栽工作时取苗末端执行器的工作过程如下 1 移栽初始将取苗末端执行器移动到取苗穴盘上方步进电机启动取苗手指完成间距动态调整通过行程开关控制实现 5 个取苗手指分别位于 5 个取苗穴盘的正上方保证取苗手指与穴盘一一对应 2 取苗末端执行器继续下移直至到达取苗位置笔形气缸开始工作取苗针伸出并插入取苗穴盘的苗钵 3 将取苗末端执行器上移使得苗钵脱离穴盘完成取苗工作并将末端执行器移动到投放穴盘的正上方 4 步进电机继续转动完成取苗末端执行器的间距调整直至 5 个取苗手指正好分别位于 5 个投苗穴盘正上方时步进电机停止工作 5 取苗末端执行器继续下移至投放的穴盘将苗钵投放到穴盘内取苗手指气缸开始工作取苗针回缩在取苗挡板的作用下与苗钵脱离完成投苗工作取苗末端执行器归位移栽工作完成 2 取苗末端执行器设计关键机构设计和参数选择的合理性直接影响到仙人球自动移栽机整体的疏植移栽工作性能取苗末端执行器作为一个与苗钵直接接触的执行机构是自动移栽机的核心部件取苗末端执行器的主要难点是取苗手指的株距动态调整选用凸轮传动机构实现株距动态调整取苗手指由笔形气缸挡板和取苗针组成笔形气缸完成取苗针的伸出和回缩工作 2 1 驱动部件的选择取苗末端执行器的主要驱动方式有电磁驱动液压驱动气压驱动电机驱动工作特性如表 2 所示末端执行器在工作中为实现取苗手指间距的动态调整对凸轮轴旋转的角位移要实施控制农用机械一般选择稳定性好性价比高的所以选择电机驱动作为取苗末端执行器的驱动部件根据仙人球自动移栽机工作特点选择 86 步进电机套装参数 86 BYG250 H 转速驱动器参数型号 MA860 H 带风扇 17 表 2 不同驱动方式的工作特性 Tab 2 Working characteristics of different driving methods 稳定性适用性紧凑性响应性设计难度性价比电磁驱动较好一般一般较慢高低液压驱动较好一般差较快较高低气压驱动一般较广较好快一般较高电机驱动好广一般快一般高 2 2 传动机构设计取苗手指株距动态调整是疏植移栽技术的核心环节通过查阅相关资料自动移栽机要在一定稳定下实现取苗手指的株距动态调整可以实现变距的方式有 4 种凸轮传动机构塔轮调节机构连杆调节机构凸轮调节机构与其他 3 种变距机构相比凸轮传动机构简单在工作运行平稳可根据实际工作要求灵活调整取苗手指间距制造成本低因此选择凸轮传动机构作为自动移栽机取苗末端执行器的疏植移栽调节机构凸轮调节机构作为疏植移栽的关键部件其工作性能直接影响到自动移栽机的取苗效率为了提高自动移栽机工作效率在轴上加工封闭的凸轮槽如图 3 所示封闭的凸轮槽内分别装有滑块凸轮的转动带动取苗手指的移动实现取苗手指的株距动态调节图 3 株距调节机构示意图 Fig 3 Schematic diagram of plant spacing adjustment mechanism 2 2 1 圆柱凸轮设计根据仙人球的移栽特性和穴盘的规格仙人球自动移栽机的取苗末端执行器的株距调节 40 70 mm 通过取苗手指的工作行程范围确定凸轮株距调节机构的结构尺寸结合仙人球在移栽过程中的受力情况选择直径为 50 mm 的轴作为凸轮轴材质选择普通 45 号钢在凸轮轴上加工出 5 条凸轮槽根据取苗手指的工作范围确定凸轮槽的行程范围为 30 70 mm 和 60 140 mm 选择凸轮槽深度为 4 mm 宽 22第 2 期叶海平等仙人球自动移栽机末端执行器的设计与试验度为 8 mm 为保证凸轮传动机构的运动平稳性避免运动过程中出现太大的刚性冲击凸轮的运动曲线选择简谐振动曲线式 1 为靠近中心的对称凸轮槽曲线方程形状如图 4 a 所示式 2 为外围的对称凸轮槽曲线方程形状如图 4 b 所示考虑到凸轮传动机构的工作行程其运动凸轮槽的两条对称曲线方程如式 1 式 2 所示在复杂的外部环境下凸轮传动机构无法连续无突变的平稳运动会出现一定程度上的冲击和振动 y x t 2 0 sin x 90 50 1 y x t 40 sin x 90 100 2 式中 x t 取苗手指的的轴向位移 mm x 凸轮轴转动的角度 0 x 3 60 a 小凸轮运动方程曲线 b 大凸轮运动方程曲线图 4 凸轮运动方程曲线 Fig 4 Cam motion equation curve 2 2 2 凸轮传动机构的受力情况机械设计过程中通过分析计算机构在工作过程中的受力情况确定零部件的机构尺寸仙人球自动移栽机在工作过程中疏植移栽作业的株距动态调整采用凸轮传动机构凸轮机构在工作过程中凸轮轴转动的同时取苗手指联接的滑块与凸轮槽接触并沿着导轨做直线运动分析滑块与凸轮槽相互作用的整体受力情况并绘制出图 5 图 5 圆柱凸轮机构受力分析图 Fig 5 Force analysis of cylindrical cam 在疏植移栽过程中通过凸轮轴的转动调整取苗手指的间隙滑块通过凸轮轴的转动带动下发生轴向移动滑块在工作中受到凸轮的转动力矩 T 滑块与凸轮槽接触面的正压力 F 2 正压力与竖直线的夹角为滑块的轴向移动推力 F 1 滑块与凸轮轴的相对滑动产生的摩擦力 F 3 通过理论分析计算可得到力平衡方程组如式 3 所示 F 3 F 2 0 F 1 F 2 F 2 sin 0 F 2 sin F 3 cos T r 0 3 式中滑块与凸轮槽的相对滑动摩擦因数 r 凸轮轴半径 mm 2 3 取苗手指取苗手指的结构如图 6 所示由笔形气缸挡板和取苗针三部分组成笔形气缸主要完成取苗针的伸缩工作取苗针负责完成插入和拔出苗钵工作挡板的作用是协助完成投苗工作图 6 取苗手指的结构图 Fig 6 Structure diagram of seedling fingers 1 取苗针 2 挡板 3 笔形气缸 2 3 1 钵苗取苗手指的选择根据移栽过程中的受力情况不同取苗手指分为夹持式和直插式两类夹持式取苗手指在工作过程中取苗针对苗钵产生一定的挤压作用力然后靠苗钵与取苗针之间的摩擦力带动苗钵脱离穴盘在移栽过程中夹持方式工作平稳但是当受力太大时易导致苗钵发生形变甚至破坏苗钵的完整性直插式取苗手指在移栽过程中取苗针以一定的角度斜插入苗钵在插入过程中对苗钵会产生一定的扰动在一定程度上破坏了苗钵的完整性主要通过取苗针对苗钵形成的支持力和摩擦力完成整个取苗过程鉴于直插式对苗钵的破坏性较小结构简单结合仙人球的根系特点和苗钵特性选择直插式取苗手指完成取投苗工作 2 3 2 取苗针的确定取苗针是取苗手指的执行部件考虑到仙人球移栽工作环境和受力情况选择铝合金作为取苗针的材质具体如图 7 所示图 7 取苗针的结构图 Fig 7 Structure diagram of the seedling needle 针数和直径是取苗针的两个重要参数目前的取苗针针数主要有 2 针 3 针 4 针通过试验分析在相同直径的情况下取苗针的针数越多取苗手指工作越平稳为能实现稳定夹持选择 4 根取苗针结构取苗针的直径选择用试验方式进行确定分别选择直径 23中国农机化学报 2025 年 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 对仙人球穴盘进行取苗试验试验发现 1 mm 2 mm 的取苗针由于尺寸太小刚性不足易折弯 3 mm 的取苗针取苗过程没有出现取苗针折弯或苗钵变形现象 4 mm 的取苗针由于尺寸太大易导致苗钵发生变形综合以上试验结果选择直径为 3 mm 的取苗针 2 3 3 取苗手指的主要参数 1 取苗针倾角每个取苗手指都有 4 根对称布置的取苗针其倾斜角度与穴盘的角度方向一致取苗针通过倾斜角来提高夹持苗钵的稳定性为避免角度过小在插入过程中刺破穴盘侧壁取苗针倾角应大于穴盘的倾角即 arctan D 1 D 2 2 H 1 4 式中 D 1 穴盘上端直径 mm D 2 穴盘下端直径 mm H 1 穴孔高度 mm 穴孔棱线倾角通过表 1 计算可得 32 穴盘 50 穴盘 105 穴盘的穴盘倾角分别为 16 70 15 52 14 03 为防止刺破穴盘侧壁取苗针的倾角设计成 18 2 取苗针长度 L 1 取苗针插入越深对苗钵的夹持越平稳为防止取苗针插入太深而刺破穴盘的底部即 H cos H 1 5 由表 1 可得穴盘高度最小为 32 穴盘高度 40 mm 通过分析计算选择取苗针的长度为 36 mm 3 取苗针的上端直径 D 3 和下端直径 D 4 取苗针在插入穴盘中的苗钵时不能触碰到穴盘侧壁所以取苗针下端直径 D 4 要小于 D 2 上端直径 D 3 要小于穴盘上端直径 D 1 考虑到本移栽工作对象为 32 孔 50 孔和 105 孔三种规格穴盘具体尺寸如表 1 所示取苗针下端直径 D 4 为 13 mm 取苗针的上端直径 D 3 为 33 mm 3 仿真优化取苗参数取苗末端执行器在株距调整过程中简谐运动曲线的凸轮机构的转动带动滑块的水平移动从而实现株距的调整根据疏植移栽工艺要求凸轮机构在工作过程中包括推程休止回程休止四种工作状态会出现一定程度的振动滑块也会出现突然加速或停止从而引起冲击和振动造成位置精度不够准确因此在 UG 和 Adams 软件进行建模仿真分析不同穴盘疏植移栽过程中取苗手指的运动特性仙人球栽植的穴盘主要分为 32 孔 50 孔 105 孔三种其对应的取苗手指的株距位移分别为 67 mm 53 mm 和 41 mm 选取设施农业中仙人球疏植移栽工艺要求进行模拟仿真分析分别为 105 孔穴盘疏植移栽至 50 孔穴盘 105 孔穴盘疏植移栽至 32 孔穴盘由圆柱凸轮疏植移栽仿真过程分析发现从动件整体运行平稳可以满足疏植移栽平稳高速的要求但由于株距要求的不同急启急停现象仍然存在需进一步对冲击现象进行分析根据仙人球在疏植移栽过程中凸轮机构的运动情况在软件中完成对模型的各种条件约束包括固定约束接触约束和转动约束等然后增加动力驱动设置好凸轮轴的转动速度为 5 s 设置仿真步长为 600 并提取取苗手指在疏植移栽过程的位

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