馬 旭 陳林濤 黃 冠 齊 龍 林少敏 陸 強(qiáng)

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心， 長(zhǎng)沙 410128)

水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線電控式軟硬秧盤自動(dòng)供盤裝置

馬 旭1,2陳林濤1黃 冠1齊 龍1,2林少敏1陸 強(qiáng)1

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心， 長(zhǎng)沙 410128)

為有效提高水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線的生產(chǎn)率，滿足輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)要求，降低農(nóng)民育秧成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，解決現(xiàn)有自動(dòng)供盤裝置振動(dòng)沖擊大、供盤可靠性不穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)了一種可嵌放軟塑秧盤的復(fù)合托盤和水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線電控式軟、硬秧盤自動(dòng)供盤裝置。該裝置以STM32單片機(jī)為控制核心，由接近開關(guān)檢測(cè)等待供送的層疊秧盤，控制秧盤供送裝置上的舵機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)層疊秧盤的自動(dòng)升落與供送。通過理論分析，建立了嵌入式復(fù)合托盤受力模型，確定了復(fù)合托盤的工作參數(shù)；設(shè)計(jì)了舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)、抬升指、輸送裝置等關(guān)鍵部件。為檢測(cè)電控式自動(dòng)供盤裝置的工作穩(wěn)定性，系統(tǒng)地進(jìn)行了振動(dòng)特性測(cè)試分析；以硬塑秧盤為試驗(yàn)對(duì)象，供盤成功率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行了三因素三水平的正交試驗(yàn)，結(jié)果表明，疊盤偏差范圍對(duì)供盤成功率有顯著影響，減小疊盤偏差能有效提高供盤成功率；通過分析試驗(yàn)結(jié)果，采用改進(jìn)的漸進(jìn)式導(dǎo)向板，實(shí)現(xiàn)對(duì)疊盤偏差糾錯(cuò)，并分別進(jìn)行硬塑秧盤和嵌入式復(fù)合托盤嵌放軟塑秧盤的試驗(yàn)研究，改進(jìn)后的裝置性能顯著提高，硬塑秧盤的供盤成功率達(dá)100%。采用嵌入式復(fù)合托盤進(jìn)行軟塑秧盤自動(dòng)供盤試驗(yàn)，軟塑秧盤的供盤成功率大于98%，滿足水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線自動(dòng)供盤技術(shù)要求。

水稻； 秧盤育秧播種； 自動(dòng)供盤裝置； 軟硬秧盤； 電控式

引言

水稻生產(chǎn)在我國(guó)具有十分重要的地位，但水稻生產(chǎn)工序繁多、機(jī)械化作業(yè)難度大[1-3]，致使以插秧為主的水稻種植機(jī)械化嚴(yán)重滯后，種植成為水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化中最薄弱的環(huán)節(jié)。在水稻栽植機(jī)械化過程中播種育秧技術(shù)是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要采用的設(shè)備是水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線，主要包括秧盤供送、鋪底土、壓實(shí)、播種、覆表土、淋灑水、取疊盤等工序?，F(xiàn)有的水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線大多由人工直接逐個(gè)送盤，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低[4-8]。因此，為有效提高水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線生產(chǎn)率，滿足輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)要求，降低育秧成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，需設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度高、性能可靠，且適用于軟、硬秧盤的自動(dòng)供盤裝置。

國(guó)外秧盤育秧播種生產(chǎn)線有多種，部分流水線上配設(shè)有自動(dòng)供盤裝置。荷蘭Flier Systems公司設(shè)計(jì)的精量播種自動(dòng)化生產(chǎn)線，配備有自動(dòng)供盤裝置，其效率可達(dá)1 250盤/h[9-14]。日本育秧和插秧機(jī)械已基本實(shí)現(xiàn)系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，目前已經(jīng)公開了若干自動(dòng)供盤的設(shè)備和專利，日清、三菱等株式會(huì)社設(shè)計(jì)了設(shè)施完善、效率高、自動(dòng)化程度高的室內(nèi)成套水稻育秧播種生產(chǎn)線，其自動(dòng)供盤裝置機(jī)構(gòu)精密復(fù)雜(螺旋式、導(dǎo)桿式和擺臂式等)，效率可達(dá)1 000盤/h以上。但由于價(jià)格昂貴，在國(guó)內(nèi)沒有得到廣泛應(yīng)用[15-19]。

國(guó)內(nèi)江蘇云馬有限公司制造的全自動(dòng)育秧播種生產(chǎn)線，包含自動(dòng)上盤機(jī)，具有小型輕巧、供盤快速的優(yōu)點(diǎn)，但只可配套該公司秧盤使用，不具有通用性。臺(tái)灣亦祥企業(yè)有限公司制造的水稻秧盤自動(dòng)供送裝置具有速度快、效率高達(dá)1 500盤/h的優(yōu)點(diǎn)，但其振動(dòng)沖擊較大，價(jià)格昂貴。浙江理工大學(xué)發(fā)明了一種由秧盤輸送帶機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、擺桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)和秧盤限位機(jī)構(gòu)組成的多撥片秧盤供給裝置，雖輕巧小型，但其效率較低，機(jī)構(gòu)較復(fù)雜。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所設(shè)計(jì)的氣吸式超級(jí)水稻毯狀苗盤育秧播種生產(chǎn)線，自動(dòng)放盤機(jī)構(gòu)只能與專門配套動(dòng)力的播種生產(chǎn)線使用，局限性較大，效率有待提高[20-24]。

綜上，上述機(jī)型都能實(shí)現(xiàn)對(duì)層疊秧盤的自動(dòng)供送，不同裝置的生產(chǎn)效率略有不同。但現(xiàn)有機(jī)型大都局限于硬塑秧盤作業(yè)，未見其應(yīng)用于軟塑秧盤,不符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)要求，使得育秧成本偏高。其次,當(dāng)前自動(dòng)供盤裝置多采用氣動(dòng)和機(jī)械結(jié)合的原理進(jìn)行供盤作業(yè),而氣動(dòng)原理在供盤過程中振動(dòng)和沖擊較大，對(duì)于軟塑秧盤自動(dòng)供盤，容易造成托盤與軟盤的脫離，影響了整個(gè)供盤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)現(xiàn)有供盤裝置存在的不足，本文設(shè)計(jì)一種電控式、振動(dòng)和沖擊較小的平穩(wěn)自動(dòng)供盤裝置，以實(shí)現(xiàn)軟、硬秧盤的自動(dòng)供盤作業(yè)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

通過多方案分析，在工作原理上，本裝置選擇了振動(dòng)小、放盤平穩(wěn)的舵機(jī)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電控。電控式自動(dòng)供盤裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、導(dǎo)向板、待盤電動(dòng)機(jī)、接近開關(guān)1、電控箱、接近開關(guān)2、供盤電動(dòng)機(jī)、接近開關(guān)3、舵機(jī)、抬升指、升盤轉(zhuǎn)軸等組成。

圖1 電控式自動(dòng)供盤裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of electric controlled automatic tray feeder1.機(jī)架 2.待盤電動(dòng)機(jī) 3.接近開關(guān)1 4.傳動(dòng)鏈輪 5.導(dǎo)向板6.電控箱 7.接近開關(guān)2 8.接近開關(guān)3 9.升盤轉(zhuǎn)軸 10.舵機(jī) 11.供盤電動(dòng)機(jī) 12.抬升指 13.秧盤

該裝置工作原理如下：工作時(shí)，將層疊好的秧盤(每次疊10個(gè)秧盤)放入前半輸送段的等待區(qū)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)橡膠滾輪運(yùn)動(dòng)，層疊的秧盤由橡膠滾輪輸送，經(jīng)過導(dǎo)向板后進(jìn)入后半輸送段(工作區(qū))的升盤轉(zhuǎn)軸位置，分別觸發(fā)接近開關(guān)2和接近開關(guān)3，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)升盤轉(zhuǎn)軸上的抬升指轉(zhuǎn)動(dòng)，抬起除底層以外的秧盤，底層秧盤繼續(xù)前進(jìn)，直到秧盤離開接近開關(guān)2，使之回位，此時(shí)升盤轉(zhuǎn)軸的抬升指轉(zhuǎn)動(dòng)回位，上部層疊的秧盤落下，再次觸發(fā)接近開關(guān)2，升盤轉(zhuǎn)軸再次轉(zhuǎn)動(dòng)，抬起除底層以外的秧盤，底層秧盤繼續(xù)前進(jìn)，以此往復(fù)，直到該批層疊的秧盤全部依次供給完畢；當(dāng)該批層疊的秧盤最后一個(gè)秧盤落下時(shí)，側(cè)邊接近開關(guān)3回位，在前半輸送段等待區(qū)下一批層疊的秧盤與上一批最后一個(gè)秧盤同時(shí)前進(jìn)，經(jīng)過導(dǎo)向板后進(jìn)入后半輸送段升盤轉(zhuǎn)軸位置，分別觸發(fā)接近開關(guān)2和接近開關(guān)3，重復(fù)上述過程。若層疊的秧盤放入前半輸送段等待區(qū)時(shí)，有秧盤正在后半輸送段供送作業(yè)，即接近開關(guān)1和接近開關(guān)2同時(shí)觸發(fā)，前半輸送段的待盤電動(dòng)機(jī)將暫停轉(zhuǎn)動(dòng)，起到備盤功能。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

電控式軟硬秧盤自動(dòng)供盤裝置的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)包括：嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤、舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)、輸送裝置等。

2.1 嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤設(shè)計(jì)

2.1.1 嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤結(jié)構(gòu)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)從經(jīng)濟(jì)性和輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)出發(fā)，主要使用軟塑秧盤進(jìn)行育秧，由于軟塑秧盤不同于硬塑秧盤，其盤體較弱，作業(yè)過程中容易發(fā)生變形，需要配套硬托盤使用，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)軟塑秧盤自動(dòng)化，滿足與現(xiàn)有硬秧盤通用的原則，參考目前常用的標(biāo)準(zhǔn)硬塑秧盤 (600 mm×300 mm×30 mm)和常見的幾種應(yīng)用較多的軟塑秧盤的外形結(jié)構(gòu)與參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種可嵌合層疊的、抽取軟塑秧盤便捷的、可自動(dòng)化機(jī)械操作的嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of embedded composite tray1.底面托盤 2.加強(qiáng)筋 3.翻邊 4.立面 5.凸起 6.凹槽 7.排水孔

嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤長(zhǎng)×寬×高為600 mm×300 mm×35 mm，采用PVC材料壓制成型。嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤包括底面托盤和三立面。在底面托盤上設(shè)有均勻分布的排水孔，在三立面上均有護(hù)沿，兩長(zhǎng)邊護(hù)沿上設(shè)有向外的翻邊；長(zhǎng)邊護(hù)沿上設(shè)有凸起和凹槽；凸起與凹槽設(shè)置成可嵌入式組合結(jié)構(gòu)，可使多個(gè)托盤層疊，托盤在互相層疊時(shí)上下托盤相互配合的凸起和凹槽可達(dá)到自動(dòng)對(duì)中的效果，同時(shí)因上下秧盤嵌入作用具有層疊的穩(wěn)定性。

圖3所示為嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤層疊實(shí)物圖(含軟塑秧盤)。復(fù)合托盤的外部尺寸與硬塑秧盤相近，所以自動(dòng)供盤裝置可與硬塑秧盤通用；托盤的一端開口，便于擺盤抽取軟塑秧盤；可以看出，托盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便機(jī)械操作，能重復(fù)循環(huán)使用，降低了農(nóng)民的育秧成本，滿足輕簡(jiǎn)栽培技術(shù)的要求。

圖3 嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤實(shí)物圖Fig.3 Physical map of embedded composite tray

2.1.2 嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤受力分析

可以看出，復(fù)合托盤自動(dòng)對(duì)中和層疊穩(wěn)定性，取決于層疊時(shí)復(fù)合托盤上面的凸起部分與下部的凹槽部分相互配合的能力。當(dāng)復(fù)合托盤層疊自動(dòng)供盤作業(yè)時(shí)，由于振動(dòng)和沖擊的作用，會(huì)產(chǎn)生橫向擾動(dòng)力，這對(duì)托盤的層疊穩(wěn)定性有影響，會(huì)使托盤之間有一個(gè)橫向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，如果對(duì)托盤上的凸起和凹槽沒有很好的設(shè)計(jì)，會(huì)破壞層疊托盤的層疊穩(wěn)定性狀態(tài)，產(chǎn)生滑動(dòng)，形成疊盤偏差，影響供盤質(zhì)量。因此，對(duì)托盤凸起和凹槽的參數(shù)設(shè)計(jì)有一定的要求。

圖4為復(fù)合托盤受力分析示意圖，現(xiàn)考慮一種最容易使托盤發(fā)生側(cè)滑的情況，當(dāng)復(fù)合托盤受到振動(dòng)的瞬間，各層托盤之間會(huì)產(chǎn)生微小的空隙，托盤之間的相互作用消失。如果同時(shí)有一橫向擾動(dòng)力作用在上層托盤上，使下面托盤A面的受力為F1，B面受力為F2，就會(huì)使上層托盤與下層托盤在A和B面上產(chǎn)生滑動(dòng)的趨勢(shì)，如果A面坡度過小，也就是φ角過大就會(huì)發(fā)生側(cè)滑。

圖4 復(fù)合托盤自鎖受力模型Fig.4 Tray self-locking model

現(xiàn)以A面為例進(jìn)行分析，在A面上所受的擾動(dòng)力為F1，摩擦力Ff，托盤自鎖穩(wěn)定應(yīng)滿足

F1sinφ≤Ff

(1)

即

F1sinφ≤μF1cosφ

(2)

tanφ≤μ

(3)

式中φ——復(fù)合托盤凸起的半角，即A面與鉛垂面夾角，(°)

μ——兩復(fù)合托盤間的靜摩擦因數(shù)

查得復(fù)合托盤凸起與凹槽間的靜摩擦因數(shù)為0.5[25]，通過上述受力模型分析，由式(1)、(3)聯(lián)合可求得，當(dāng)下層復(fù)合托盤凸起的夾角為2φ≤53°，即φ≤26.5°時(shí)，可以有效防止側(cè)滑。對(duì)B面的分析也能得到類似結(jié)果。

實(shí)際上由于結(jié)構(gòu)的限制，φ角不能選擇這樣小，為此采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)，在凹槽處設(shè)計(jì)限位加強(qiáng)，能有效防止側(cè)滑。圖5的綜合夾角φ1滿足式(3)要求。

圖5 凹槽的綜合夾角示意圖Fig.5 Sketch of integrated angle of groove

2.2 舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)是電控自動(dòng)供盤裝置的關(guān)鍵部件。對(duì)層疊的秧盤進(jìn)行抬升和落放作業(yè)，實(shí)現(xiàn)秧盤的依次供送。

2.2.1 舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)組成

如圖6a所示，電控自動(dòng)供盤裝置是一套互為鏡像的舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)。如圖6b所示，其主要由舵機(jī)、帶座軸承、聯(lián)軸器、升盤轉(zhuǎn)軸和2組抬升指組成。舵機(jī)和升盤轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接，抬升指用螺栓固定在升盤轉(zhuǎn)軸上。工作時(shí)，采用同步電路控制兩邊舵機(jī)，使其同步轉(zhuǎn)動(dòng)[26-27]，抬起上層秧盤。舵機(jī)持續(xù)接收控制信號(hào)，帶動(dòng)升盤轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使抬升指作用于秧盤的兩側(cè)上邊緣，實(shí)現(xiàn)對(duì)秧盤的升、放動(dòng)作。

圖6 舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure sketches of servo-controlling rotating shaft mechanism1.舵機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.帶座軸承 4.抬升指 5.升盤轉(zhuǎn)軸

2.2.2 抬升指與升盤轉(zhuǎn)軸尺寸設(shè)計(jì)

抬升指與升盤轉(zhuǎn)軸是舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)中的核心部件，其尺寸設(shè)計(jì)的合理與否直接影響供盤作業(yè)性能。由抬盤運(yùn)動(dòng)分析可知，抬升指繞升盤轉(zhuǎn)軸的圓心旋轉(zhuǎn)，抬升指頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡總是一個(gè)圓。按照實(shí)際供盤運(yùn)動(dòng)條件，可設(shè)定抬升指旋轉(zhuǎn)角度為90°，得出抬升指頂點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)中心連線是一個(gè)直角扇形運(yùn)動(dòng)區(qū)，如圖7運(yùn)動(dòng)軌跡所示。為保證供盤作業(yè)的高效無干涉，需使抬升指扇形運(yùn)動(dòng)區(qū)的一部分剛好卡在秧盤的上邊緣。

圖7 抬升指運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Moving path of lifting finger1.升盤轉(zhuǎn)軸 2.抬升指 3.秧盤1 4.秧盤2

參考600 mm×300 mm×30 mm的標(biāo)準(zhǔn)秧盤尺寸。由圖7可知，升盤轉(zhuǎn)軸的垂直方向尺寸要保證

H=2h+a

(4)

式中H——抬升指處于抬升狀態(tài)時(shí)，頂面到底層秧盤底面的距離，mm

h——單個(gè)秧盤的高度，mm

a——抬盤余量, mm

根據(jù)秧盤高度30 mm，為保證秧盤移動(dòng)，選擇a=6 mm,則H為66 mm。

2.3 輸送裝置

輸送裝置包括前輸送段和后輸送段，前輸送段由待盤電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，后輸送段由供盤電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)自動(dòng)供盤時(shí)存在放盤時(shí)間(從開始放盤到完成放盤的時(shí)間)，秧盤自動(dòng)供盤輸送會(huì)產(chǎn)生一定間距，秧盤保持間距輸送會(huì)造成育秧播種生產(chǎn)線育秧時(shí)種子和土壤的浪費(fèi)。為了避免浪費(fèi)，并且有效提高生產(chǎn)率，秧盤在進(jìn)入育秧播種生產(chǎn)線時(shí)秧盤需要減速，從而實(shí)現(xiàn)秧盤的連續(xù)輸送(自動(dòng)供盤裝置的輸送速度應(yīng)大于育秧播種生產(chǎn)線的輸送速度)[28]。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控式自動(dòng)供盤裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括電控舵機(jī)的選擇、硬件電路的搭建以及控制流程的設(shè)計(jì)。

電控式自動(dòng)供盤裝置使用電動(dòng)舵機(jī)作為執(zhí)行器。根據(jù)供盤裝置扭矩和速度要求(最小扭矩根據(jù)層疊秧盤最大質(zhì)量和抬升指長(zhǎng)度之積選?。?0個(gè)層疊秧盤質(zhì)量為6 kg，抬升指伸出長(zhǎng)度為34 mm，扭矩為1.99 N·m；速度根據(jù)生產(chǎn)率要求選?。阂? 100盤/h供送計(jì)算，每個(gè)秧盤占用時(shí)間為3.27 s，故放盤時(shí)間最大為1.63 s)，選用KST X20-8.4-50型舵機(jī)。硬件電路包括交流電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、秧盤檢測(cè)電路、單片機(jī)電路。本文選用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控，單片機(jī)采集3路來自接近開關(guān)的開關(guān)信號(hào)，輸出2路控制舵機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)信號(hào)，輸出1路開關(guān)信號(hào)控制繼電器；選用三線NPN常開的電感式接近開關(guān)傳感器作為接近開關(guān)。

圖9 控制系統(tǒng)原理圖Fig.9 Wiring diagram of control system

根據(jù)水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線供盤裝置的控制要求，設(shè)計(jì)了電控供盤裝置控制系統(tǒng)。結(jié)合裝置的工作原理，接近開關(guān)2和接近開關(guān)3同時(shí)被觸發(fā)，升盤轉(zhuǎn)軸抬起，否則升盤轉(zhuǎn)軸放下。依此往復(fù)，供盤裝置可以將所有層疊的秧盤依次輸送。同時(shí)，當(dāng)接近開關(guān)1和接近開關(guān)2同時(shí)觸發(fā)時(shí)，待盤電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂屏鞒倘鐖D8所示，圖9是控制系統(tǒng)原理圖。

圖8 控制流程圖Fig.8 Flow chart of control system

4 電控式自動(dòng)供盤裝置振動(dòng)特性測(cè)試

供盤裝置系統(tǒng)的振動(dòng)和沖擊對(duì)于供盤作業(yè)時(shí)的平穩(wěn)、可靠性存在影響。為探明電控式軟硬秧盤自動(dòng)供盤裝置作業(yè)時(shí)的振動(dòng)特性，解析出電控舵機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)層疊待供送秧盤的振動(dòng)規(guī)律，搭建了振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)自動(dòng)供盤裝置的振動(dòng)特性進(jìn)行深入研究。

4.1 試驗(yàn)儀器與平臺(tái)搭建

試驗(yàn)儀器包AWA6290A型多通道噪聲振動(dòng)分析儀主機(jī)(附磁吸座的壓電加速度計(jì)傳感器，電荷靈敏度為2～10 pC/ms-2)，帶USB接口的計(jì)算機(jī)(配套FFT軟件)。振動(dòng)分析儀共有8個(gè)測(cè)量通道(可任意組合噪聲或振動(dòng)測(cè)量)。測(cè)試時(shí)，將振動(dòng)分析儀與計(jì)算機(jī)相連，并選擇儀器上的AWA5811B型電荷放大器作為振動(dòng)的測(cè)量通道；分析供盤作業(yè)過程中，頂層秧盤的縱向振幅變化數(shù)值。圖10為振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)。

圖10 振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Test bench of vibration1.電控式自動(dòng)供盤裝置 2.計(jì)算機(jī) 3.秧盤 4.AWA6290A型多通道噪聲振動(dòng)分析儀

4.2 測(cè)試試驗(yàn)與曲線分析

試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以供送10個(gè)秧盤為例，測(cè)出9組振幅波形。將壓電加速度計(jì)傳感器置于層疊秧盤的頂層秧盤上；傳感器一端連著FFT軟件中的位移S測(cè)量通道，分別將軟件中“通道設(shè)置”的量程設(shè)為30 dB和60 dB；在“A/D設(shè)置”中將每通道采樣頻率分別設(shè)為0.05 kHz和0.5 kHz進(jìn)行觀察。圖11a為完整供盤周期中秧盤的振幅曲線，圖11b和圖11c為供盤作業(yè)中秧盤最大振幅曲線和最小振幅曲線。

圖11 振幅曲線測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test results of amplitude curves

圖11a為完整供盤周期中秧盤的振幅曲線，從中看出，電控式自動(dòng)供盤裝置每次供盤作業(yè)時(shí)秧盤的振幅變化規(guī)律大致相同，振幅值變化平穩(wěn)，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。從圖11b和圖11c的最大和最小振幅曲線中看出，秧盤在抬升指的作用下，在0.7 s時(shí)秧盤達(dá)到最大振幅0.82 mm，在1.1 s時(shí)秧盤達(dá)到最小振幅0.5 mm，變化較小，滿足水稻秧盤育秧播種機(jī)自動(dòng)供盤技術(shù)的使用要求，說明電控式自動(dòng)供盤裝置的振動(dòng)和沖擊較小，是一種平穩(wěn)可靠的自動(dòng)供盤裝置。

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為測(cè)試整機(jī)的工作性能，驗(yàn)證關(guān)鍵部件的可靠性，研制了電控自動(dòng)供盤裝置樣機(jī)和嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤并進(jìn)行試驗(yàn)。

5.1 硬塑秧盤試驗(yàn)

5.1.1 試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素

以供盤成功率作為電控自動(dòng)供盤裝置的性能指標(biāo)。供盤成功率是指供盤合格數(shù)與總供盤數(shù)的百分比，供盤合格定義為秧盤正常放盤供送，減速進(jìn)入育秧輸送段后秧盤間距為零。供盤成功率的計(jì)算公式為

(5)

式中Y——供盤成功率，%N1——供盤合格數(shù)，個(gè)N0——總供盤數(shù)，個(gè)

根據(jù)電控式自動(dòng)供盤裝置的整機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理，通過初步分析，秧盤的疊盤偏差范圍、放盤時(shí)間及生產(chǎn)率對(duì)自動(dòng)供盤裝置性能指標(biāo)影響較大，作為試驗(yàn)因素進(jìn)行深入試驗(yàn)分析。

疊盤偏差指上下層疊秧盤兩側(cè)邊邊緣垂直面的相對(duì)距離。一般來說，要使疊盤偏差較小，則需要?jiǎng)趧?dòng)人員更加費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其對(duì)殘舊、變形的秧盤；而疊盤偏差較大則影響供盤性能。把疊盤偏差范圍分成3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，分別為0～3 mm、3～6 mm、6～9 mm。

放盤時(shí)間由升盤轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度決定，可通過改變單片機(jī)的程序來調(diào)節(jié)放盤時(shí)間。放盤時(shí)間對(duì)自動(dòng)供盤裝置的性能有一定影響，若放盤時(shí)間過大，緩慢的放盤動(dòng)作會(huì)限制供盤效率；若放盤時(shí)間太小(過快地放盤)則沖擊較大，影響供盤性能。以生產(chǎn)率1 000盤/h計(jì)算，放盤時(shí)間只要滿足2 s以下即可滿足要求，為進(jìn)一步提高效率，故取放盤時(shí)間的3個(gè)水平分別為0.4、0.8、1.2 s。

大多數(shù)應(yīng)用中的水稻秧盤育秧播種機(jī)生產(chǎn)率為400～600盤/h，若配備自動(dòng)供盤裝置能較大地降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。因此，在自動(dòng)供盤試驗(yàn)時(shí)選擇生產(chǎn)率的3個(gè)水平分別為600、800、1 000盤/h。綜上，得出3種試驗(yàn)因素及其水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平

5.1.2 試驗(yàn)安排與結(jié)果分析

樣機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)過程中配套華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2SJB-500型水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)把水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線的生產(chǎn)率分別調(diào)至600、800、1 000盤/h，按照三因素三水平的正交試驗(yàn)安排進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，分別做3組試驗(yàn)，每組測(cè)試100個(gè)秧盤，每次放置的秧盤為10 個(gè)/疊，分別記錄供盤合格的個(gè)數(shù)，計(jì)算供盤成功率。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。硬塑秧盤的自動(dòng)供盤試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖12 電控式自動(dòng)供盤裝置試驗(yàn)Fig.12 Test on automatic tray feeding device1.漸進(jìn)式導(dǎo)向板 2.秧盤輸送段 3.秧盤供送段

表2試驗(yàn)結(jié)果表明：各因素影響供盤成功率的主次順序?yàn)榀B盤偏差范圍、生產(chǎn)率和放盤時(shí)間。為進(jìn)一步判斷各因素對(duì)供盤成功率影響的顯著性，運(yùn)用方差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。通過查F值表可知，疊盤偏差范圍對(duì)供盤成功率的影響顯著，生產(chǎn)率對(duì)供盤成功率有一定影響，放盤時(shí)間對(duì)供盤成功率的影響不顯著。

上述正交試驗(yàn)可得出最佳試驗(yàn)組合：生產(chǎn)率600盤/h，放盤時(shí)間1.2 s，疊盤偏差范圍0～3 mm，此時(shí)供盤成功率100%。

分析表明，疊盤偏差范圍對(duì)供盤成功率影響最大，為此設(shè)計(jì)了漸進(jìn)式導(dǎo)向板(圖12)，實(shí)現(xiàn)對(duì)疊 盤偏差范圍糾錯(cuò)，使其限制疊盤偏差范圍在較合適的范圍內(nèi)。在生產(chǎn)率為600～1 000盤/h的條件下，采用硬塑秧盤進(jìn)行了以供盤成功率為試驗(yàn)指標(biāo)的單因素供盤試驗(yàn)，結(jié)果表明，裝置改進(jìn)后，硬塑秧盤的供盤成功率達(dá)100%，表明改進(jìn)后的自動(dòng)供盤裝置性能優(yōu)良。

表2 硬塑秧盤供盤正交試驗(yàn)安排與結(jié)果

表3 硬塑秧盤供盤成功率方差分析

注：若F0.01≥F>F0.05，則因素顯著；若F0.1≥F>F0.2，則因素有一定影響。

5.2 嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤試驗(yàn)

嵌入式軟塑秧盤復(fù)合托盤由于本身的良好嵌合性能，使疊盤偏差為零。現(xiàn)以供盤成功率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行單因素供盤試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將放盤時(shí)間調(diào)至1.2 s，將水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線的生產(chǎn)率分別調(diào)至600、800、1 000盤/h，分別做3組試驗(yàn)，測(cè)試100個(gè)秧盤，每次放置的秧盤為10個(gè)/疊，分別記錄供盤合格的個(gè)數(shù)，計(jì)算供盤成功率。試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用嵌入式復(fù)合托盤的供盤成功率大于98%，基本滿足自動(dòng)供盤的要求。不成功的主要原因是軟塑秧盤或嵌入式復(fù)合托盤尺寸差異，兩者不能很好的嵌合，在工作中造成脫盤。進(jìn)一步試驗(yàn)，即在放軟塑秧盤到復(fù)合托盤時(shí)消除有誤差的軟塑秧盤或嵌入式復(fù)合托盤，則供盤成功率可達(dá)100%，但這樣將會(huì)影響生產(chǎn)率，故應(yīng)進(jìn)一步提高軟塑秧盤或嵌入式復(fù)合托盤的制造質(zhì)量和精度，以保證供盤成功率顯著提高。

6 結(jié)論

(1)基于水稻輕簡(jiǎn)栽培技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可嵌放軟塑秧盤的嵌入式復(fù)合托盤，以及能實(shí)現(xiàn)水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線軟、硬秧盤電控式自動(dòng)供盤裝置，工作性能穩(wěn)定。通過嵌入式復(fù)合托盤受力分析，確定了復(fù)合托盤的工作參數(shù)；設(shè)計(jì)了舵機(jī)升盤轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)、抬升指、輸送裝置等關(guān)鍵部件；以STM32單片機(jī)為控制核心，完成了自動(dòng)供盤裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)地進(jìn)行了自動(dòng)供盤裝置的振動(dòng)特性測(cè)試，測(cè)試表明電控式自動(dòng)供盤裝置的振動(dòng)和沖擊較小，是一種平穩(wěn)可靠的自動(dòng)供盤裝置。

(2)進(jìn)行了電控式自動(dòng)供盤裝置的試驗(yàn)研究，硬塑秧盤試驗(yàn)表明，疊盤偏差范圍對(duì)供盤成功率的影響顯著。當(dāng)生產(chǎn)率為600～1 000盤/h、放盤時(shí)間1.2 s、疊盤偏差范圍0～3 mm組合下，采用改進(jìn)后的漸進(jìn)式導(dǎo)向板自動(dòng)供盤裝置，硬塑秧盤的供盤成功率達(dá)100%；采用嵌入式復(fù)合托盤的供盤成功率大于98%，基本滿足自動(dòng)供盤的要求。

1 馬旭, 李澤華, 梁仲維, 等. 我國(guó)水稻栽植機(jī)械化研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備, 2014(1):30-36. MA Xu,LI Zehua,LIANG Zhongwei,et al.Research status and development trend of rice transplanting mechanization in China[J].Modern Agricultural Equipments,2014(1):30-36. (in Chinese)

2 張洪程，龔金龍.中國(guó)水稻種植機(jī)械化高產(chǎn)農(nóng)藝研究現(xiàn)狀及發(fā)展探討[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014,47(7):1273-1289. ZHANG Hongcheng,GONG Jinlong.Research status and development discussion on high-yielding agronomy of mechanized planting rice in China[J].Scientia Agricultura Sinica,2014,47(7):1273-1289.(in Chinese)

3 孟元元,馮偉東,佘永衛(wèi),等.水稻工廠化大棚育秧機(jī)械設(shè)備研究及發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014,36(7):249-252. MENG Yuanyuan, FENG Weidong, SHE Yongwei, et al. The research and development of greenhouse equipments for rice factory-seedling[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2014,36(7):249-252.(in Chinese)

4 湛小梅，孫志強(qiáng)，周玉華,等.我國(guó)育秧機(jī)研究進(jìn)展與發(fā)展方向[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2012,34(6):62-66. ZHAN Xiaomei,SUN Zhiqiang,ZHOU Yuhua,et al.Chinese rice seedling machine development and direction[J].Chinese Agricultural Mechanization,2012,34(6):62-66.(in Chinese)

5 馬瑞峻，區(qū)穎剛，王玉興，等. 穴盤水稻秧苗機(jī)械拋栽的農(nóng)藝要求[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,22(1):55-59. MA Ruijun, OU Yinggang, WANG Yuxing, et al. Study on the agronomic requirement of mechanized throwing rice seedlings sprouted in plastic cell-tray[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2003, 22(1):55-59.(in Chinese)

6 馬旭，謝俊鋒，齊龍，等.水稻育秧播種機(jī)缽體苗底土壓實(shí)裝置[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(8):54-60.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140809&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.08.009. MA Xu,XIE Junfeng,QI Long,et al.Subsoil compaction device for rice seedling nursery planter of bowl seedlingtray[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(8):54-60.(in Chinese)

7 周海波，馬旭，姚亞利. 水稻秧盤育秧播種技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(4):301-306. ZHOU Haibo, MA Xu, YAO Yali. Research advances and prospects in the seeding technology and equipment for tray nursing seedlings of rice[J]. Transactions of the CSAE,2008,24(4):301-306. (in Chinese)

8 周海波. 水稻秧盤育秧精密播種機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2009. ZHOU Haibo. Research and application on key technologies of precision seeder for tray nursing seedlings of rice[D].Changchun: Jilin University,2009. (in Chinese)

9 辜松, 楊艷麗, 張躍峰, 等. 荷蘭蔬菜種苗生產(chǎn)裝備系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)中國(guó)的啟示[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013，29(14)：185-194. GU Song, YANG Yanli, ZHANG Yuefeng, et al. Development status of automated equipment systems for greenhouse vegetable seedlings production in Netherlands and its inspiration for China[J]. Transactions of the CSAE,2013, 29(14): 185-194. (in Chinese)

10 MEERBURG B G, KOREVAAR H, HAUBENHOFER D K, et al.The changing role of agriculture in Dutch society[J]. Journal of Agricultural Science, 2009, 147(5): 511-521.

11 CHIU Y C, FON D S, WU G J. Development of an automatic pallet handling system for seeded trays[J].Biosystems Engineering,2006,93 (2): 123-138.

12 CHIU Y C, FON D S, CHEN L H. A simulation model of a seeding system for rice nursery[J].Journal of Agricultural Engineering Research,1998,69(3): 239-248.

13 Kubota. 規(guī)模やニーズに合わせてお選びください[EB/OL] (2015-03-01). http:∥www.jnouki.kubota.co.jp/jnouki/html/sisetu/ikubyou/stacks/index.html.

14 Yanmar. お探しのページは見つかりません[EB/OL](2015-03-01).https:∥www.yanmar.com/jp/agri/implement/agri_implement/flooded_rice/feature03.html.

15 井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社. 播種機(jī)用育苗箱自動(dòng)供給裝置：日本, 昭60-199304[P]. 1985-10-08.

16 久保田鉄工株式會(huì)社. 育苗箱供給裝置：日本, 昭62-87008[P]. 1987-04-21.

17 鈴木鍛工株式會(huì)社. 播種裝置の育苗箱供給裝置：日本, 昭61-58507[P]. 1986-03-25.

18 ヤンマ一農(nóng)機(jī)株式會(huì)社. 育苗箱供給裝置: 日本, 昭61-166306[P]. 1986-07-28.

19 株式會(huì)社啓文社製作所.育苗箱自動(dòng)供給裝置:日本,昭62-205708[P].1987-09-10.

20 邱德旺.自動(dòng)進(jìn)料排箱機(jī):中國(guó)臺(tái)灣,85214362[P].1996-09-17.

21 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所.自動(dòng)供盤器:CN,98227269.3[P].1999-08-04.

22 馮帆.2BDP-1000型水稻育苗秧盤精量播種機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程,2015,5(2)：76-79. FENG Fan. Research and design on 2BDP-1000 type rice seedling disc precision seeder[J]. Agricultural Engineering,2015,5(2)：76-79. (in Chinese)

23 應(yīng)孔月, 李革, 王益君, 等. 一種多撥片秧盤供給機(jī): CN,204124837U[P]. 2015-01-28.

24 王永維, 曹林, 王俊, 等. 一種水稻育秧播種苗盤自動(dòng)進(jìn)給裝置: CN,202594408U[P]. 2012-12-12.

25 王清文,王偉宏.木塑復(fù)合材料與制品[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

26 馬旭, 譚永炘, 齊龍, 等. 水稻秧盤育秧精密播種流水線軟硬秧盤自動(dòng)疊放裝置[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(3):29-36.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160305&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.03.005. MA Xu,TAN Yongxin,QI Long,et al.Automatictray stacking device for hard and soft tray of rice precision seeding fornursing seedlings pipeline[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016，47(3):29-36. (in Chinese)

27 姚武軍. 多電機(jī)同步控制策略研究[D].湘潭：湘潭大學(xué), 2013. YAO Wujun.Study of multi-motor synchronous control strategy[D].Xiangtan:Xiangtan University,2013. (in Chinese)

28 譚永炘.氣動(dòng)式自動(dòng)供盤與自動(dòng)疊盤裝置研究[D].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015. TAN Yongxin.Study on pneumatic type automatic tray feeder and automatic tray stacker[D].Guangzhou:South China Agricultural University,2015. (in Chinese)

Electric Controlled Automatic Tray Feeding Device for Hard and Soft Tray of Rice Precision Seeding for Nursing Seedlings Planter

MA Xu1,2CHEN Lintao1HUANG Guan1QI Long1,2LIN Shaomin1LU Qiang1

(1.CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2.SouthernRegionalCollaborativeInnovationCenterforGrainandOilCropsinChina,Changsha410128,China)

Rice factory seedling nursery is a technology that may greatly benefit the Chinese agriculture. It can improve the productivity of rice tray nursing seedlings planter, simplify the cultivation procedure and requirement, and reduce the labor intensity of manual planting. However, one technical drawback of this technology is that the current automatic tray feeder suffers from significant vibration shock and unstable reliability of automatic tray feeder. A composite tray which can be fitted with soft plastic trays and an automatic tray-supplying apparatus for rice tray nursing seedlings planter was developed. The control system was based on the STM32 microcontroller, the trays were detected by a proximity switch, and the servo steering shaft mechanism was used to automatically lift and drop the tray. Through theoretical analysis, the force model for the embedded composite tray was established, and the working parameters of the composite tray were determined. Key components such as the reel shaft mechanism, the lifting finger and the conveying device were designed. For analyzing the performance of the automatic tray feeder and discovering of the main factor of the tray feeding success rate, an orthogonal trial experiment was carried out by using the hard tray, and the tray feeding success rate was used as the experimental index. The orthogonal experiment showed that the tray stacking deviation had significant influence on tray feeding success rate, while the productivity and the tray feeding rate were non-significant. In addition, according to analyzing the experimental data, the automatic tray feeder was improved. Individually, two single factor experiments were carried out which regarded tray feeding success rate as experimental index. One experiment used the hard tray as experimental subject and the other one used soft plastic tray with the embedded composite tray as the experimental subject. Experimental results showed that the improved automatic tray feeder achieved high performance, the rate of hard tray feeding success was 100% and that of the soft plastic tray with the embedded composite tray was more than 98%. The automatic tray feeder can effectively raise productivity and reduce labor intensity, and the experimental indexes met the using requirements of rice tray nursing seedlings planter.

rice； tray nursing seedlings； automatic tray feeder； hard and soft tray； electronic control

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.005

2016-09-29

2016-12-10

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B020207002)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CARS-01-33)

馬旭(1959—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備研究，E-mail： maxu1959@scau.edu.cn

S233.71

A

1000-1298(2017)06-0041-09