李少華，劉海彬，高建敏，崔永杰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌　712100)

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幼苗盤自動搬運機取放裝置設計

李少華，劉海彬，高建敏，崔永杰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌712100)

摘要：針對設施農業(yè)中播種、催芽、育苗、嫁接等作業(yè)需要大量勞動力搬運幼苗盤問題,設計了幼苗盤自動搬運機取放裝置。該裝置采用步進電機驅動，抓取手指與一對形狀相同的傳動鏈鉸鏈連接，傳動鏈同速同向，抓取手指做平移運動，實現取放幼苗盤。根據Pro/E軟件機構模塊進行運動仿真和分析，取放裝置能夠實現取放工作。試驗結果表明：當幼苗盤托盤底面與無動力滾筒上表面平齊，端面水平相距30mm時，取放裝置能夠順利取放幼苗盤。

關鍵詞：取放裝置；幼苗盤；雙鏈傳動；仿真分析

0引言

工廠化育苗是現代化農業(yè)的重要組成部分，因其育苗周期短、病蟲害低等優(yōu)點，得到廣泛應用[1-4]。然而，工廠化育苗配套設備還不健全，在播種、催芽、育苗、嫁接等之間幼苗盤的搬運作業(yè)中，主要依靠勞動力擺放幼苗盤，通過人工或者牽引機進行運輸[5-6]。隨著人工成本的提升，勞動力問題越顯突出。

國內外針對幼苗盤自動搬運裝置開展了相關技術研究。荷蘭開發(fā)的巖棉塊搬運鋪放專用車可以根據栽培工藝要求調解巖棉塊鋪放的行間距和株間距[7]，是為巖棉塊在溫室內搬運和鋪放開發(fā)的專用車。夏紅梅等設計了水稻聯合播種機穴盤搬運機械手[8]，輔助人工搬運穴盤，未提及穴盤的運輸作用。王玉輝設計的硅膠托盤自動搬運裝置，主要針對硅膠托盤的裝載過程[9]。檀連生設計的立體車庫搬運器[10]，必須先把車輛?？吭谌》叛b置上，才能自動搬運車輛。

為此，筆者設計了自動搬運機的取放裝置，能夠實現幼苗盤的自動裝卸載工作,并通過Pro/E機構模塊對其進行運動仿真分析。

1取放裝置結構及工作原理

1.1取放裝置結構

幼苗盤自動搬運機集裝載、運輸、卸載幼苗盤為一體，實現了幼苗盤的自動搬運。

幼苗盤自動搬運機由取放裝置、升降裝置、輸送裝置和機架組成，如圖1所示。其中，升降裝置上下升降取放裝置和幼苗盤，取放裝置裝卸幼苗盤。

1.輸送裝置　2.機架　3.取放裝置　4.升降裝置

在輸送裝置輸送過程中，幼苗盤在育苗箱上縱向擺放，取放裝置既要自動伸出機架取放幼苗盤，又要避開輸送裝置和育苗箱支架的干涉。該裝置主要由機架、抓取手指、鏈傳動機構、無動力滾筒機構、同步帶傳動機構和蝸輪蝸桿減速機構組成，如圖2所示。取放裝置由步進電機驅動，通過蝸輪蝸桿減速機構、鏈傳動和同步帶傳動為抓取手指提供動力，兩對內外側傳動鏈對稱安裝在裝置兩側，且外側傳動鏈位置高于內側，同步帶輪緊貼內外側傳動鏈的主動鏈輪安裝。抓取手指與安裝在內外側傳動鏈對應相同位置上直板鏈扣的連接桿鉸鏈連接，使抓取手指處于豎直，且同條傳動鏈上抓取手指安裝方向相反，不同傳動鏈上對應抓取手指安裝方向相同。無動力滾筒機構安裝在兩對傳動鏈的中間。

1.無動力滾筒機構　2.抓取手指　3.步進電機　4.內側鏈傳動

1.2工作原理

在卸載幼苗盤時，隨著鏈條的運動，前端抓取手指繞過從動鏈輪，后端抓取手指推動幼苗盤向前運動，直到幼苗盤脫離無動力滾筒機構，后端抓取手指繞過從動鏈輪，即完成卸載工作；其它層幼苗盤的擺放通過升降裝置實現取放裝置的上下移動如圖3所示。

抓取手指抓取幼苗盤時的局部放大圖，如圖4所示。

(a)　取幼苗盤

(b)　取幼苗盤完成

(c)　放幼苗盤

1.外側傳動鏈　2.抓取手指頂端運動軌跡　3.幼苗盤

幼苗盤放置在取放裝置一側，底面與鏈條上表面平齊，且其一端□型槽口在抓取手指的運動軌跡上；當抓取手指隨著鏈條逆時針運動時，手指頂端插入□型槽，并拉動幼苗盤運動。其中，運動軌跡彎曲處的曲率與鏈輪的直徑有關，取放裝置與幼苗盤之間的距離與抓取手指的寬度有關。

2關鍵部件設計

2.1幼苗盤托盤設計

本設計采用的幼苗盤為50孔，尺寸為545mm×280mm×50mm，材料為聚苯乙烯。由于直接抓取穴盤兩端，育有幼苗的穴盤易發(fā)生變形，在搬運幼苗盤之前，栽培基質需要加水，需要托盤防止穴盤向下滲水。幼苗盤與托盤局部剖視圖，如圖5所示，幼苗盤完全放置在托盤里，托盤的尺寸為545 mm×280mm×30mm，四周外沿設有□型槽,槽深28mm,槽口寬10mm。

1.幼苗　2.穴盤　3.托盤

2.2抓取手指設計

根據幼苗盤在輸送裝置和育苗箱中擺放形態(tài)，抓取手指在抓取幼苗盤時，需要伸出取放裝置，如圖6所示。其中，抓取手指設計成“Z”型，與連接件鉸鏈連接，分別固定在內外側傳動鏈上。在取放幼苗盤時，前后端抓取手指分別插入托盤兩端的□型槽，拉或推動托盤運動。抓取手指兩孔之間的距離等于內外側傳動鏈的豎直位置差，即為61mm。抓取手指長為91mm、寬度為32mm，通過連接件鉸鏈連接在內外側傳動鏈上，隨著傳動鏈做平移運動。

1.外鏈條直板鏈扣　2.抓取手指　3. 內鏈條直板鏈扣　4.連接件

2.3鏈傳動機構

根據取放裝置對抓取手指功能要求，抓取手指在裝卸幼苗盤過程中，必須保持同一個姿態(tài)，即做平移運動。本裝置抓取手指驅動機構設計如圖7所示。

1.右側抓取手指運動軌跡　2.抓取手指　3.左側抓取手指運動軌跡

該驅動機構由一對相同大小的傳動鏈組成，內外側傳動鏈水平距離為40mm，豎直高度差為61mm。同條傳動鏈上3個鏈輪成等腰三角形布置，且下端鏈輪為主動輪，從動鏈輪中心軸線之間的距離為650mm，主動輪軸線與從動輪之間的高度差為150mm。為保持內外側鏈傳動等速同向，內外主動鏈輪之間采用同步帶傳動。

圖7中虛線為一個抓取手指頂點的運動軌跡，在不同位置處，抓取手指始終保持豎直向上形態(tài)。其中，1、3兩條運動軌跡分別是右側抓取手指和左側抓取手指的運動軌跡。當從右邊抓取幼苗盤時，鏈條逆時針方向運動，左側抓取手指運動到最右側，拉動幼苗盤向取放裝置運動；在向左側放幼苗盤時，左側抓取手指繞過鏈輪，右側抓取手指推動幼苗盤向前運動，當右側抓取手指運動到最左端時，幼苗盤脫離取放裝置，完成幼苗盤的取放工作；當抓取手指運動到左右兩端極限位置時，抓取手指水平速度為零，減小了手指抓取對幼苗盤的沖擊力。

每根鏈條與兩個抓取手指相連，兩個單邊直板鏈扣之間的鏈節(jié)數根據托盤□槽之間的距離和抓取手指的寬度計算，其計算公式為

N=(L+2M)/P

(1)

式中N—兩個單邊直板鏈扣之間的鏈節(jié)數；

L—托盤V槽之間的距離；

M—預設抓取手指的寬度；

P—鏈條型號。

其中，計算的鏈節(jié)數N四舍五入取整數，即為所求的鏈節(jié)數，抓取手指的寬度反過來根據鏈節(jié)數精確計算。本設計中鏈節(jié)數N為61。

為了避免鏈條在傳動過程中松邊垂度過大，使下方的主動鏈輪與鏈條嚙合不良，該鏈傳動機構利用可調中心距法，調節(jié)水平鏈輪之間的中心距對傳動鏈預緊。

2.4無動力滾筒機構設計

無動力滾筒運輸機是一種沒有撓性牽引構件的運輸機，具有物料運輸平穩(wěn)、結構簡單、運轉可靠和維修方便等特點。

穴盤托盤底面的尺寸為500mm×240mm,則滾筒長度為200mm,滾筒間距的大小應保證被運輸物料的平穩(wěn),則需要至少4個以上滾筒支撐物料[11-12],滾筒間距取110mm。滾筒的直徑主要考慮滾筒的承載能力，搬運穴盤時，一盤南瓜幼苗質量2.8kg，故取滾筒的直徑31mm。

2.5傳動系統(tǒng)的設計

取放平臺由步進電機驅動，采用PWM脈沖脈寬占空比調節(jié)法控制電機的轉速，改變電極極性改變電機旋轉方向。取放平臺的驅動系統(tǒng)如圖8所示，步進電機輸出轉矩經過蝸輪蝸桿減速器改變方向，傳遞給內側傳動鏈的主動鏈輪和同步帶傳動的主動輪，通過同步帶傳動把動力傳遞給外側傳動鏈的主動輪，既保證了內外側傳動鏈的同向同速，又平穩(wěn)地驅動鏈條附件運動。

圖8　傳動系統(tǒng)原理圖

3取放裝置的取放試驗

試驗在西北農林科技大學農業(yè)裝備實驗室進行,電機型號為安川步進電機86HD3635-11-37AJ3,步距角為1.8°，驅動器為S264兩相混合式步進電機驅動器，穴盤苗為適合嫁接的北京北農種業(yè)生產的黃瓜專用砧木苗，試驗時穴盤苗質量2.8kg。裝置取放幼苗盤試驗如圖9所示。

圖9　裝置取放幼苗盤試驗

通過直流穩(wěn)壓電源向S264驅動器提供24V直流電。采用C語言編程，通過單片機控制驅動器，單片機和驅動器之間采用共陽極方法，單片機P00、P01分別與S264驅動器的控制脈沖端口PUL-、控制正反轉端口DIR-相聯，控制脈沖端口PUL+、控制正反轉端口DIR+分別于+5V直流電相聯。步進電機勻速轉動，抓取手指在做水平運動時，速度為0.03m/s，即取放裝置取放幼苗盤的速度。

取放裝置兩端放置試驗臺，擺放幼苗盤，在取放裝置右側試驗臺放置一把尺子，測量取放裝置與試驗臺之間水平距離，取放裝置豎直高度通過凳子調節(jié)。通過多次試驗，測得取放裝置與支架之間最佳位置為：水平距離為30mm，托盤底面與無動力滾筒上表面平齊。

4結論

1)根據幼苗盤在播種、催芽、育苗和嫁接等作業(yè)特點，設計出一種幼苗盤自動搬運機取放裝置，并給出了具體結構尺寸。該裝置能夠平穩(wěn)完成幼苗盤的裝載和卸載工作。

2)針對設計的取放裝置，采用Pro/E軟件機構模塊對其運動仿真和分析，并制作和試驗。結果表明：當幼苗盤托盤底面與無動力滾筒上表面平齊、端面水平相距30mm時，取放裝置能夠順利取放幼苗盤。

參考文獻：

[1]辜松.蔬菜工廠化嫁接育苗生產裝備與技術[M].北京:中國農業(yè)出版社,2009.

[2]郝金魁，張西群,齊新,等.工廠化育苗技術現狀與發(fā)展對策[J],江蘇農業(yè)科學,2012,40(1):349-351.

[3]李雪松.蔬菜工廠化育苗發(fā)展前景廣闊[J].現代農村科技,2013(21):19.

[4]王娟,張志民,趙光旻.國外蔬菜穴盤育苗發(fā)展現[J] .新農業(yè),2014(3):33-34.

[5]齊飛,周新群,張躍峰,等.世界現代化溫室裝備技術發(fā)展及對中國的啟示[J].農業(yè)工程學報,2008,24(10):279-285.

[6]楊信和,馮丁樹，陳世銘.蔬菜育苗中心簡易搬運機械之設計與應用[J].農業(yè)機械學刊,1997,6(1):19-31.

[7]辜松,楊麗莉,張躍峰，等.荷蘭蔬菜種苗生產裝備系統(tǒng)發(fā)展現狀及對中國的啟示[J].農業(yè)工程學報,2013,29(14)185-194.

[8]夏紅梅,李志偉,鄭丁科.水稻聯合播種機穴盤搬運機械手的設計[J].農機化研究,2006(8):90-92.

[9]王玉輝.硅膠托盤自動搬運裝置研究[D].淄博:山東理工大學,2011.

[10]檀連山.搬運器帶有取放裝置的滾道存放停車設備方案設計與應用研究[D].上海：上海交通大學，2007.

[11]蒲良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2010.

[12]范狄慶,杜向陽.現代裝備傳輸系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2010.

Design of Access Mechanism in Automatic Transporting Seedling Tray Machine

Li Shaohua,Liu Haibin,Gao Jianmin,Cui Yongjie

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract：In facility agriculture, lots of labor was needed for transporting seedling trays during the process of seeding, accelerating germination, seedling, grafting and so on. To solve the problem, this paper designs an access mechanism in automatic transporting seedling tray machine. The access device used a stepper motor as drive and its grab-fingers were connected with one pair of hinged drive chains which had the same shape with the grab fingers. The chains were at the same speed and direction and the grab-fingers did a translational motion. In this way, pick and place of seedling trays were achieved. The motion simulation and analysis to the device made by Pro / E mechanism module proved that the access device could realize the pick and place of seedling trays. According to the test, this access mechanism could pick and place the seedling trays successfully only when the bottom of seedling tray flushed with the surface of non-powered roller and the level distance between end face was 30mm.

Key words：access mechanism; seedling trays; dual train drive; simulation and analysis

文章編號：1003-188X(2016)05-0072-05

中圖分類號：S233.74

文獻標識碼：A

作者簡介：李少華(1990-),男,河南周口人,碩士研究生,(E-mail)lsh7576@163.com。通訊作者：崔永杰(1971-),男(朝鮮族), 吉林圖們人,副教授,博士，(E-mail) cuiyongjie@nwsuaf.edu.cn。

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA10A506)

收稿日期：2015-04-29