温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验.pdf

第37卷 第1期 农 业 工 程 学 报 Vol 37 No 1 2021年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2021 1 温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验 童俊华1 3 孟青新1 辜 松2 武传宇1 3 马 可1 1 浙江理工大学机械与自动控制学院 杭州 310018 2 华南农业大学工程学院 广州 510642 3 浙江省种植装备技术重点实验室 杭州 310018 摘 要 温室水培叶菜幼苗种植需将钵苗从穴盘移栽至栽培槽中 传统人工作业劳动强度大 效率低 而通过移栽机自 动化作业效率高 质量好 该研究设计了一种多移植手的穴盘取苗高速稀植移栽机构 可实现穴盘内成排取苗和栽培槽 变间距并行植苗作业 高速稀植移栽机采用受拉缓冲带串接针爪式多移植手减缓变间距栽植过程中的不等速冲击 通过 油压缓冲器减缓多移植手纵横向高速移动在末端位置的冲击 在移植手结构和叶菜钵苗状况确定的情况下 对稀植作业 过程中多移植手间的受拉缓冲带弹性系数K 水平方向平均速度v1 水平运动末端油压缓冲器吸收能量N1 垂直方向平 均速度v2和垂直运动末端油压缓冲器吸收能量N2这5个因素进行正交试验 结果表明 水平方向的平均速度v1和水平 运动末端油压缓冲器吸收能量N1间的耦合关系和缓冲带弹性系数K对高速稀植过程的移栽成功率影响较大 多移植手机 构最优参数组合为K为0 128 N m v1为0 49 m s v2为0 74 m s N1为6 J N2为15 J 此时移栽效率为3 956株 h 植 苗成功率为96 7 满足高效稀植的作业需求 关键词 农业机械 设计 试验 温室 移栽 穴盘苗 多移植手 水培叶菜 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 中图分类号 S147 2 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2021 01 0001 09 童俊华 孟青新 辜松 等 温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验 J 农业工程学报 2021 37 1 1 9 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 http www tcsae org Tong Junhua Meng Qingxin Gu Song et al Design and experiment of high speed sparse transplanting mechanism for hydroponics pot seedlings in greenhouses J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 1 1 9 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 01 001 http www tcsae org 0 引 言 设施园艺智能化是当前世界农业智能化装备的研 发热点和产业升级的重点 中国设施园艺装备近年也在 迅速发展 1 3 设施园艺中采用营养液为根系直接提供 营养和水分的水培技术 已经得到国内很多研究机构的 推广与应用 4 6 叶菜水培作业环节中 需将穴盘苗批 量稀植移栽到栽培槽里 通常人工作业强度大 效率低 国外学者较早开展钵苗机械化移栽的相关研究 Ting 等 7 8 研究了一种基于SCARA工业机器人手臂本体安 装单末端执行器进行不同规格穴盘间的移栽模式 证明 了温室钵苗机械移栽的可行性 Choi等 9 设计了一种五 连杆取钵机构 取苗成功率为97 Dong等 10 研制了 一种由移栽机构 送盆机构 送盘机构 机架和控制器 组成多移植手蔬菜移栽机 移栽速度为2 800盆 h 日 本研发了一种半自动移栽机PVHR2 E18 移栽效率为 3 600株 h 11 意大利法拉利公司生产的FPS型移栽机 收稿日期 2020 09 14 修订日期 2020 11 05 基金项目 国家重点研发计划 2017YFD0701504 广东省重点领域研发计 划项目 2019B020222004 浙江省重点研发项目 2018C02046 作者简介 童俊华 博士 副教授 主要从事农业装备智能化技术方面的研 究 Email jhtong 通信作者 武传宇 教授 博士生导师 主要从事智能农业装备与机器人 技术研究 Email cywu 移栽效率为2 500株 h 12 Dihingia等 13 研制一种半自动 旱地钵苗移栽机 可实现两行并联移栽作业 移栽效率 为31株 min 近些年 国内学者也开展了适合本土育苗 农艺的钵苗自动移栽技术研究 孙国祥等 14 基于有限元 分析 设计一种末端机械手指 机械手指平均移栽成功 率为95 76 平均伤苗率为3 06 钱少明等 15 通过建 立气动驱动器中气压值与抓持能力之间关系 研制采摘 黄瓜末端执行器 抓持成功率为90 胡敏娟等 16 设计 了一种变形滑针式取苗器 缪小花等 17 18 对穴盘苗钵基 质进行力学分析 韩绿化等 19 20 设计了一种轻简型自动移 栽 对于128 72孔穴盘苗 移栽效率分别达到122株 h和 1 025株 h 高国华等 21 研制了一套斜入式穴盘苗移栽手 爪 试验测试移栽成功率可达98 胡建平等 22 设计了 一种8爪并联作业式高效全自动钵苗移栽设备 移栽成 功率可达90 23 马锐等 23 设计了一种整排夹持的全自 动移栽机末端执行器 并进行结构参数优化 许春林等 24 提出了一种Hermite 插值行星轮系全自动草莓钵苗移栽 机构 取苗成功率为92 党玉功等 25 研制一种单自由 度开式铰链四杆取苗机械臂 取苗成功率91 32 马晓 晓等 26 对一种番茄钵苗自动取苗装置进行结构优化 周 昕等 27 研制了一种刚度大 精度高及累积误差小的并联 移栽机器人 试验测试移栽机构加速度高于20 mm s2时 移栽钵苗合格率明显降低 童俊华等 28 研究一种指铲式 末端执行器 通过增大指铲与苗钵基质的接触面积 减少 农业装备工程与机械化 农业工程学报 http www tcsae org 2021年 2 穴孔内基质的残留 上述研究主要围绕单移植手抓取移 栽可靠性能开展 对基于多移植手高速稀植机构的设计 优化研究较少 本文以华南地区种植较多的水培叶菜钵苗为对象 设计一种针爪式多移植手机构进行稀植移栽作业 对影 响移栽成功率的多移植手变间距移植过程中的冲击因素 进行正交试验分析 获得高速稀植移栽的最佳机构参数 组合 1 多移植手高速稀植机构试验平台 水培叶菜钵苗多移植手稀植作业主要包括2个步骤 一是多移植手并拢从穴盘中成排取苗 二是多移植手变 间距分开在栽培槽中植苗 本研究设计的多移植手稀植 机构试验平台由3个部分组成 多移植手稀植作业部件 穴盘输送部件和栽培槽输送部件 如图1所示 其中多 移植手稀植作业部件横跨在穴盘输送部件和栽培槽输送 部件上方 将供苗穴盘中叶菜钵苗移栽至空栽培槽内 穴盘输送部件用于输送供苗穴盘 其两侧设置光电传感 器用于检测供苗穴盘是否到位 栽培槽输送部件间歇输 送空栽培槽 本试验平台基于三菱FX3U 63MT型PLC 进行自动时序控制 其结构和作业参数如表1所示 1 栽培槽工作台 2 进给气缸 3 下料框 4 输送机 5 穴盘 6 多移植手稀 植作业部件 7 导向件 1 Cultivation trough workbench 2 Feeding cylinder 3 Blanking frame 4 Conveyor 5 Seedling tray 6 Sparse transplanting component with multiple end effectors 7 Guiding part 图1 多移植手高速稀植机构试验平台 Fig 1 Test plat of high speed spare transplanting mechanism with multiple end effectors 表1 试验平台结构和作业参数 Table 1 Structure and operation parameters of test plat 参数Parameters 数值Values 外形尺寸 长 宽 高 Boundary dimension length width height mm 1 250 1 600 1 382 移植手数量Number of end effectors 6 穴盘规格Seedling tray specification 6穴 行 1 12行 栽培槽尺寸 长 宽 高 Cultivation trough dimension length width height mm 660 75 50 输入气压 air pressure MPa 0 6 0 8 电机功率Motor power kW 0 75 电机转速Motor speed r min 1 800 以甘蓝钵苗稀植为例 试验平台作业时 将供苗穴 盘放置穴盘输送部件 传感器检测到供苗穴盘后 将其 输送至取苗位置 同时栽培槽输送部件将栽培槽输送至 植苗位置 多移植手稀植作业部件动作 气缸驱动多移 植手至最佳取苗位置 移植手成排抓取穴盘内钵苗 而 后气缸带动多移植手整体上升移至植苗位置 同时多移 植手等间距分开 将甘蓝钵苗整体植入对应的栽培槽槽 孔内 而后多移植手整体返回初始位置 同时穴盘输送 部件带动穴盘进给1排穴孔的距离 下一排钵苗进入移 栽作业 栽培槽输送部件推送送料筒内部下个空栽培槽 至植苗位置 等待下一排钵苗栽植 如此往复实现穴盘 内成排取苗和栽培槽中变间距并行植苗作业 2 关键部件设计 2 1 穴盘输送部件 根据移植作业要求 设计穴盘输送部件移送穴盘至 移植手工作位置 如图1所示 穴盘输送部件主要由输 送机和导向件组成 整体外形尺寸 长 宽 高 1 220 mm 440 mm 740 mm 输送机由72齿3M带轮 主从动滚筒 0 75 kW的80EMA 02A型伺服电机 2 25 m 长的5935型网链输送带等组成 根据输送穴盘外宽尺寸 540 mm 280 mm 主 从动滚筒设计为长346 mm 外径25 mm 配装4个与网链输送带啮合的T10型链轮 输送机输送穴盘时 在输送带运动方向2侧布置设计2040 导向型材件和直径为30 mm的PU60832型导向轮进行穴 盘位置及运动方向的限制 主动带轮与伺服电机固连 通过同步带带动与从动带轮固连的主动滚筒转动 使穴 盘实现按需水平间歇输送 在整排钵苗被取走后 进给 一个穴孔位进行下一排钵苗夹取 为了避免输送速度过 快导致穴盘和输送带打滑和停车时穴盘滑移 通过预试 验 确定穴盘输送速度为0 45 m s 2 2 栽培槽输送部件 如图1所示 栽培槽输送部件由栽培槽工作台 进 给气缸和下料框组成 整体外形尺寸 长 宽 高 1 520 mm 725 mm 900 mm 其工作原理 栽培槽填满下 料框 进给气缸推动最底层栽培槽运动至工作位置 而 后复位 在重力作用下料框中剩余栽培槽整体下降一个 槽高 移植结束后 进给气缸推动下料框中下一个栽培 槽至工作位置 为了保证气缸推杆在栽培槽中心位置顺 利推动 选用亚德客ACE型25 mm缸径气缸 行程为 150 mm 进给气缸推力F0 20 00 85 4F pD 1 式中p为输入气体平均压力 0 7 MPa D0为气缸缸径 25 mm 最底层栽培槽摩擦力Ff 0fF KM g 2 式中K为下料框最多可容纳放栽培槽数量 M0为栽培槽 质量 kg g为重力系数 9 8 N kg 为摩擦系数 由式 1 可得进给气缸推力F0为291 N 本文设计 的下料框最多可容纳6个栽培槽 栽培槽质量为0 44 kg 其摩擦系数为0 4 由式 2 可得最底层栽培槽做大摩 第1期 童俊华等 温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验 3 擦力Ff为10 N 小于进给气缸推力F0 进给气缸满足要 求 为避免进给速度过快导致停车时栽培槽滑移 通过 预试验 确定栽培槽平均进给速度为0 23 m s 2 3 多移植手稀植作业部件 2 3 1 总体结构 多移植手稀植作业部件是移栽机的核心机构 主要 包括垂直气缸 齿条 齿轮 垂直滑轨 垂直油压缓冲 器 多移植手 水平滑轨 水平横移气缸 水平缓冲器 和机架 整体外形尺寸 长 宽 高 为1 600 mm 600 mm 1 375 mm 如图2所示 多移植手机构通过水平横移气 缸和垂直气缸分别在水平滑轨和垂直滑轨上进行往复运 动 利用油压缓冲器吸收气缸带动部件运行产生的冲击 力 实现柔性停车 齿轮和齿条啮合组成同步器 维持 多移植手整体两侧同步升降 1 左垂直气缸 2 齿条 3 齿轮 4 垂直滑轨 5 左垂直油压缓冲器 6 多 移植手机构 7 水平滑轨 8 水平气缸 9 右垂直油压缓冲器 10 水平油压 缓冲器 11 右垂直气缸 12 机架 1 Vertical cylinder in left 2 Rack 3 Gear 4 Vertical slide rail 5 Vertical oil shock absorber in left 6 Multiple end effectors mechanism 7 Horizontal slide rail 8 Horizontal cylinder 9 Vertical oil shock absorber in right 10 Horizontal oil shock absorber 11 Vertical cylinder in right 12 Frame 图2 多移植手稀植作业部件结构简图 Fig 2 Simplified structure diagram of the sparse transplanting component with multiple end effectors 多移植手机构在穴盘输送部件和栽培槽输送部件之 间往复运动 1个行程运行时间小于4 s 因此水平横移 气缸选取亚德客SC气缸 缸径为32 mm 行程为580 mm 本文设计的多移植手机构水平运动总质量M1为6 5 kg 摩擦系数为0 3 根据公式 1 2 计算 水平横移 气缸推力为478 N 大于其水平摩擦阻力19 1 N 预试验 测得多移植手机构最大平均运行速度可为1 07 m s 最短 运行时间为0 54 s 多移植手机构选取亚德客ACE 型气缸 缸径为 40 mm 行程为80 mm来实现上下升降功能 通过理论 计算 该研究设计的多移植手机构垂直单侧质量M2为 13 5 kg 其和机架滑轨间摩擦系数为0 2 根据公式 1 2 计算 水平横移气缸推力为879 2 N 大于其竖直阻 力158 76 N 摩擦力和重力之和 预试验测得多移植 手机构竖直最大平均运行速度为1 31 m s 最短运行时间 为0 06 s 由上述分析可知 该多移植手机构运行1个行 程最短时间为1 32 s 符合机构3 800株 h的高速稀植设 计要求 2 3 2 多移植手机构 多移植手机构是实现钵苗整排夹取和变间距植苗的 关键部件 主要包括6个移植手组件 分离气缸 安装 板和受拉缓冲带 如图3所示 移植手组件通过受拉缓冲 带连接 与分离气缸缸体相连移植手组件固定 气缸拉扯 推杆末端移植手组件 从而分散相邻移植手至与相邻栽培 槽间距一致 气缸回缩带动推杆末端移植手组件依次压缩 移植手组件间距 直至与穴盘相邻穴孔间距一致 多移植手合并时相邻中心间距与穴盘相邻穴孔中心 间距一致 为42 5 mm 展开时与栽培槽孔相邻间距一致 为100 mm 为了确保6组移植手正常移植作业 分离气 缸行程需为288 mm 考虑安装空间和分离效率满足生产 需求 选取缸径为20 mm的亚德客MG型气缸 通过理 论计算 该单移植手组件质量为0 8 kg 其与机架导轨摩 擦系数为0 2 根据式 1 2 计算 分离气缸推力 为78 5 N 大于其分离总摩擦阻力9 4 N 该分离气缸满 足要求 为避免分离速度过快导致钵苗基质振动破损 通过预试验确定多移植手平均分离速度为0 42 m s 1 移植手组件 2 分离气缸 3 安装板 4 受拉缓冲带 1 End effector component 2 Separation cylinder 3 Fixing board 4 Tension buffer zone 图3 多移植手机构示意图 Fig 3 Schematic diagram of multiple end effectors mechanism 移植手组件间固定等长的受拉缓冲带在分离气缸推 动下实现多移植手等间距分离 多移植手组件分离存在 惯性冲击 冲击过大则影响钵苗移栽过程基质完整度和 移植成功率 其分离受力情况如图4所示 1 受拉缓冲带 2 移植手组件 1 Tension buffer zone 2 End effector component 注 F为气缸推力 N F T为第一段受拉缓冲带拉力 N f为摩擦力 N a 1为第一个移植手组件加速度 m s 2 x0为受拉缓冲带起始长度 m x1为第一段受拉缓冲带张紧长度 m x 2为第二段受拉缓冲带张紧长度 m Note F is the cylinder thrust N F T is the tension force of first section tension buffer zone N f is the friction force N a 1 is the acceleration of first end effector component m s 2 x 0 is the initial length of tension buffer zone m x1 is the tension length of first section tension buffer zone m x 1 is the tension length of second section tension buffer zone m 图4 多移植手机构分离过程受力分析示意图 Fig 4 Schematic diagram of force analysis of multiple end effectors in separation process 由图4可得 第一个移植手组件的受力平衡方程为 农业工程学报 http www tcsae org 2021年 4 T 1 T 1 0 F f F ma F K x x 3 式中K为受拉缓冲带弹性系数 N m m为单移植手组件 质量 kg 第二个移植手组件的受力平衡方程为 1 2 0 2 Kx f K x x ma 4 式中a2为第二个移植手组件加速度 m s2 以此类推 第n个移植手组件的受力平衡方程为 1 0 2 3 4 5 6 i i nK x x x f ma i 5 式中xi 1为受拉缓冲带第i 1段张紧长度 m xi为受拉缓 冲带第i段张紧长度 m an为第n个移植手组件加速度 m s2 由式 3 5 可知 当K 0时 第一移植手组 件到达一定运行速度后 带动第二移植手组件与其等速 度运动 第二移植手组件到达一定运行速度后 瞬间带 动第三移植手组件与其等速度运动 依次类推 这种刚 性分离过程中的瞬时加速度比较大 钵苗承受剧烈局部 冲击振动 破坏基质之间黏结力 易导致钵苗移植过程 中基质块散落 当K 0时 第一移植手组件在分离气缸 作用力下 缓慢带动余下移植手组件进行柔性分离 减 缓钵苗移栽过程冲击振动现象 因此本研究受拉缓冲带 由刚性和柔性2种缓冲带组成 如图3b所示 图中深色 标识线代表刚性缓冲带 浅色标识线代表柔性缓冲带 分离气缸推动多移植手组件逐步分开 其中柔性缓冲带 缓冲分离过程中的冲击 而等长的刚性缓冲带则保证了 多移植手组件在气缸停止推动后可等间距的分布开 2 3 3 多移植手稀植作业部件碰撞过程仿真分析 通过多移植手稀植作业部件碰撞仿真分析 为水平 缓冲器和竖直缓冲器的选型提供依据 由于多移植手稀 植作业部件主要以气缸作为动力源 因此在移栽作业过 程中机构停车时易产生较大冲击力 若冲击力过大 机 械振动剧烈 易导致抓取的钵苗基质散落 影响钵苗移 栽成功率 多移植手稀植作业部件冲击振动产生原因主 要为水平横移气缸和垂直气缸运行到达末端后与机架发 生的碰撞 在Solidworks软件中进行三维模型构建 并 输出为x t格式文件 将x t文件导入到Adams软件中 多移植手机构与机架分别设定竖直和水平2个方向为碰 撞约束 参考铝材料进行阻尼和密度参数设置 具体仿 真参数设置如表2所示 表2 多移植手稀植作业部件仿真参数设置 Table 2 Parameter setting of simulation for the sparse transplanting component with multiple end effectors 主要参数Main parameters 数值Values 多移植手机构和机架垂直约束 碰撞 多移植手机构和机架水平约束 碰撞 缸体和机架约束 固定 阻尼 N mm 1 150 推板密度 g cm 3 2 7 机架密度 g cm 3 2 7 由于泥炭基质持水能力差且易坍塌 29 水平停车冲 击力过大 钵苗水平输送过程基质块易散落 造成钵苗 在移动过程中掉落或在植入栽培槽后倒伏严重 因此需 要降低碰撞产生的冲击力 本文设计机构的气泵源压力 输入范围为0 6 0 8 MPa 多移植手机构水平运动总质量 约为6 5 kg 其水平末端运行速度与第一个移植手机组件 运行速度相等 为 12v al 6 式中l为多移植手机构水平末端运行位移 m a1由式 7 计算 21 1 14a PD M 7 式中P为气泵源输入压力 MPa D1为水平横移气缸缸 径 mm M1为多移植手机构水平运动总质量 kg 由前文可知 水平横移气缸缸径为32mm 位移为 580 mm 气泵源最大输入压力为0 8 MPa 由式 6 7 计算得水平末端运行最大平均速度为1 07 m s 设定 稀植作业部件的多移植手水平运行速度为1 07 m s 则其 末端与机架进行碰撞仿真 产生的冲击力变化如图5a所示 由图5a可知 多移植手机构与机架水平碰撞产生的最大冲 击力为250 N 水平横移气缸推动多移植手机构撞击机架的动能为 21K 2MvE 8 式中v为多移植手机构水平撞击瞬间速度 m s 水平横移气缸推动多移植手机构撞击机架的驱动 能量为 ED FS 9 式中F为多移植手机构冲击力 N S为碰撞缓冲位移 初 始值为0 01 m m 由此可得冲击力总能量为 ET EK ED 10 由式 7 10 可知 水平横移气缸牵引多移植 手机构水平运动最大速度造成冲击总能量为6 22 J 为降 低水平碰撞产生的冲击力 在多移植手机构水平运动末 端位置安装吸收能量可调节型西捷克AD1210 油压缓冲 器 其行程10 mm 最大吸收能量12 J 此时水平横移气 缸牵引移植手水平运动最大冲击力产生的总能量小于 AD1210油压缓冲器最大吸收能量 该油压缓冲器可起到 缓解多移植手移动作业部件与机架水平碰撞产生刚性冲 击力 减少振动冲击对钵苗夹持成功率的影响 多移植手稀植作业部件两侧各安装一个垂直气缸 若多移植手机构垂直冲击力过大 钵苗植入栽培槽内时 钵苗基质振散 钵苗易掉落槽孔外部或倾倒斜于栽培槽 内部 不利于钵苗后期生长 本文设计的多移植机构垂 直单侧质量为15 3 kg 垂直运动加速度为 22 2 2 24a PD M g M 11 式中D2为垂直气缸缸径 mm M2为多移植机构垂直单 侧质量 kg 由前文可知 本文设计水平横移气缸缸径为40 mm 位移为80 mm 汽泵源最大输入压力为0 8 MPa 根据公 第1期 童俊华等 温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验 5 式 6 和 11 计算得多移植手机构垂直最大运行速度 为1 31 m s 设定稀植作业部件一侧多移植手机构水平运 行速度为1 31 m s 其和机架垂直碰撞产生的冲击力变化 如图5b所示 由图5b可知 多移植手机构与机架垂直 碰撞产生的最大冲击力为370 5 N 图5 多移植手机构与机架碰撞冲击力仿真曲线 Fig 5 Simulation curve of impact force between multiple end effectors mechanism and frame 根据式 8 11 可知 垂直气缸牵引多移植手 机构垂直碰撞最大速度产生的总能量为16 83 J 为降低 垂直碰撞产生的冲击力 在多移植手机构垂直运行末端 位置安装吸收能量可调节型西捷克AD1410油压缓冲器 其行程10 mm 最大吸收能量20 J 垂直碰撞产生最大冲 击力产生的总能量小于AD1410 油压缓冲器最大吸收能 量 该油压缓冲器可起到缓解多移植手移动作业部件与 机架垂直碰撞产生的刚生冲击力 减少振动冲击对成功 率的影响 3 移栽性能试验 3 1 试验材料 试验选用杭州市萧山区雷东村农场培育的甘蓝幼苗 栽培基质为泥炭 蛭石与珍珠岩组成 基质配比6 3 1 基质含水率为81 01 30 育苗温度为28 5 培育周期 2 5周 穴盘尺寸为540 mm 280 mm 72孔 PS材质 试验钵苗为株高H 80 96 mm 株宽L 45 58 mm 叶 片数4 6片 钵苗基质块高度h1为38 44 mm 上边平 均宽l1 41 mm 底边平均宽l2 22 mm 如图6所示 图6 甘蓝钵苗几何尺寸 Fig 6 Geometry size of cabbage seedling tray 预试验发现 栽培槽叶菜钵苗基质块质量小于原钵 苗基质块质量40 时 钵苗在栽培槽内易发生倾斜 叶 片倾倒于管内 不利于后期的生长管理 定义移栽成功 指标Q为多移植手稀植作业部件成功拾取钵苗并输送投 放至栽培槽中 且移栽后的钵苗基质块质量 原钵苗基 质块质量40 1 2 3 4 100 S S S S SQ S 12 式中S为钵苗总数量 S1为穴盘中未取出钵苗数 S2为 移栽过程中掉落在栽培槽外部钵苗数 S3为移栽过程中 移植手带苗数 S4为移栽后钵苗基质块质量 原基质块 质量40 钵苗数 参考前期研究成果 30 31 本文采用4根伸缩针式机 械移植手进行钵苗移栽作业 重点分析多移植手机构组 件高速稀植作业过程中停车冲击对钵苗移栽成功率和效 率的影响 3 2 试验方法 在试验钵苗状态 移植手结构和抓取深度等条件相 同的情况下 根据上述分析知 多移植手高速稀植作业 过程影响移栽成功率主要的因素为受拉缓冲带弹性系数 K 水平平均速度v1 水平末端油压缓冲器吸收能量N1 垂直平均速度v2和垂直末端油压缓冲器吸收能量N2 其 中v1和N1间存在交互作用 当v1单独作用时 其值越大 移栽效率越高 但成功率越低 而当水平末端缓冲器吸 收能量N1作用于v1末端时 通过调节N1值大小 缓冲 移植手到达末端速度瞬间减小产生的振动冲击 从而提 高移栽成功率 同样 v2和N2间也存在交互作用 v2单 独作用时 其值增大会导致移栽成功率越低现象 而吸 收能量N2作用于末端 通过调节N2值大小 缓冲v2末 端瞬间减小产生的机械冲击振动现象 从而提高移栽成 功率 因此设计五因素三水平正交试验 对温室叶菜钵 苗稀植机构试验平台移栽性能进行分析 受拉缓冲带是多移植手等间距分离的关键联接件 受拉缓冲带的弹性系数K决定了多移植手分离时的振动 程度 但弹性系数过大 不利于气缸伸展进行移植手分 离 根据多移植手稀植部件分离运动分析 选取受拉缓 冲带的弹性系数K为0 0 064 0 128 N m的3个水平进 行试验 钵苗在水平和垂直方向移送时 气缸作为驱动部件 垂直气缸推动多移植手机构向上运动带动抓取的钵苗与 穴盘壁分离 水平横移气缸则带动多移植手机构水平移 动至栽培槽上方 最后垂直气缸推动多移植手机构向下 运动将钵苗植入栽培槽内 以上作业过程均为变加速变 减速的运动过程 加速运动使移植手爪针与基质块间产 生振动冲击 易导致苗针夹苗不稳 钵苗基质散落 移 植影响因素的初步测试发现 水平平均运行速度v1大于 0 7 m s时 移栽成功率小于60 v1小于0 2 m s时 水 平运动耗时大于3 s 远大于v1为0 7 m s时的0 8 s耗时 综合考虑 通过气阀调节得到v1 0 30 0 49 0 68 m s 作为水平速度的3个水平 同理 确定v2 0 26 0 50 0 74 m s 为减缓冲击影响 本移植装置使用的油压缓冲器为 吸收能量可调节型 可通过旋转吸振器尾部调整旋钮 改变其吸收能量值 来调节油压吸振器缓冲强度 油压 农业工程学报 http www tcsae org 2021年 6 缓冲器吸收能量过大或过小 对多移植手部件都为刚冲 击状态 起不到缓冲作用 因此选取合适的吸振器缓冲 强度对稳定移栽过程与提高成功率较为重要 根据运行 速度和输入压力 选取水平末端油压缓冲器吸收能量N1 分别为6 9 和12 J 垂直末端油压缓冲器吸收能量N2 分别为10 15 和20 J作为试验水平 稀植移栽正交试验 因素水平如表3所示 基于SPSS分析软件进行正交试验设计 每组试验水 平测试5次 正交试验结果如表4所示 试验平台如图7 所示 表3 试验因素水平 Table 3 Experiment factors level 水平 Levels 受拉缓冲带弹性系数 Elastic coefficient of tension buffer zone K N m 1 水平平均速度 Horizontal average velocity v1 m s 1 垂直平均速度 Vertical average velocity v2 m s 1 水平末端油压缓冲器吸收能量 Horizontal end oil buffer absorption energy N1 J 垂直末端油压缓冲器吸收能量 Vertical end oil buffer absorption energy N2 J 1 0 0 30 0 26 6 10 2 0 064 0 49 0 50 9 15 3 0 128 0 68 0 74 12 20 表4 稀植移栽交互正交试验结果 Table 4 Interactive orthogonal experiment results of sparse transplanting 试验序号 Test No K N m 1 空 Blank v1 m s 1 N1 J v1 N1 1 v1 N1 2 v2 m s 1 N2 J v2 N2 1 v2 N2 2 平均效率 Average efficiency 株 h 1 移栽成功率 Transplantation success rateQ 1 0 1 0 3 6 1 1 0 26 10 1 1 2 934 96 70 2 0 2 0 49 9 2 2 0 50 15 2 2 3 816 90 00 3 0 3 0 68 12 3 3 0 74 20 3 3 4 500 83 30 4 0 064 1 0 3 12 2 1 0 50 10 1 2 3 016 86 70 5 0 064 2 0 68 9 3 3 0 26 20 2 1 4 153 93 30 6 0 064 3 0 49 6 1 2 0 74 15 3 3 3 956 96 70 7 0 128 1 0 68 6 3 1 0 50 20 2 2 4 320 93 30 8 0 128 2 0 3 9 1 2 0 74 10 3 1 3 103 90 00 9 0 128 3 0 49 12 2 3 0 26 15 1 3 3 686 93 30 10 0 128 1 0 49 12 2 3 0 74 20 3 2 3 956 90 00 11 0 128 2 0 3 9 1 2 0 50 15 2 3 3 016 100 00 12 0 128 3 0 68 6 3 1 0 26 10 1 1 4 153 93 30 13 0 128 1 0 68 6 3 1 0 74 15 3 3 4 500 93 30 14 0 128 2 0 3 9 1 2 0 26 10 1 1 2 934 96 70 15 0 128 3 0 49 12 2 3 0 50 20 2 2 3 816 96 70 Pi 90 00 92 00 94 02 94 66 96 02 92 66 94 66 92 66 93 34 94 00 Ji 92 23 94 00 94 00 93 34 91 34 94 68 93 34 94 66 94 66 92 00 Ki 94 07 92 66 90 00 91 30 91 30 91 32 90 66 91 32 90 66 94 66 Si 30 26 6 23 32 51 17 67 44 18 17 17 24 92 12 46 24 92 15 71 注Pi为第i列因素水平1试验结果平均值 Ji为第i列因素水平2试验结果平均值 Ki为第i列因素水平3试验结果平均值 Si为第i列因素离均差平方和 i 1 2 3 Note P i is average of test results of level 1 of factor in column i Ji is average of experiment results of level 2 of factor in column i Ki is average of experiment results of level 3 of factor in column i S i is sum of squares of deviation from mean of factor in column i i 1 2 3 图7 叶菜钵苗多移植手稀植移栽试验 Fig 7 Experiments of leaf plug seedlings spare transplant with multiple end effector 3 3 试验结果与分析 为判断因素水平变化所引起的试验成功率变动显著 性 采用单因素试验方差由对表4进行分析 试验因素方 差分析结果如表5所示 由表可知 N1 N2的方差与随 机序列空白方差相差不大 其偏差主要由于试验误差干 扰造成 其值变化对移栽成功率影响比较小 对其他试 验因素进行显著性检测 求解其他试验因素显著性F值 如表5所示 表5试验结果方差分析表 Table 5 Analysis of variance table of test results 方差来源 Variance source 自由度 Degree of freedom f 方差 Variance V 显著性 Statistical significance F K 2 15 13 4 86 空 2 3 11 1 00 v1 2 16 25 5 23 N1 2 8 83 2 84 v2 2 12 46 4 01 N2 2 8 46 2 72 v1 N1 4 15 34 4 93 v2 N2 4 10 00 3 20 由表5可知 因素K和v1对移栽成功率影响显著 v2次之 因素 v1 N1 交互作用大于因素 v2 N2 交 互作用 多移植手机构的水平平均速度对钵苗移栽成功 率影响显著 水平平均速度越大 钵苗基质承受冲击力 第1期 童俊华等 温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验 7 越大 基质散落程度严重 导致移栽成功率越低现象 作用于v1末端的水平末端油压缓冲器吸收能量N1单独 作用对