謝曉東，張秀花

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 河北 保定 071001)

0 引言

PVC軟穴盤(pán)是我國(guó)農(nóng)民用于鋪放在苗床或平坦的地面上進(jìn)行播種育秧的一種標(biāo)準(zhǔn)化缽體苗育秧盤(pán)，穴盤(pán)育苗是在多孔穴盤(pán)中以草炭、蛙石、珍珠巖等混合輕型物料為育苗基質(zhì)進(jìn)行精量播種，是一項(xiàng)快速培育優(yōu)質(zhì)壯苗的新型蔬菜育苗技術(shù)[1-3]。我國(guó)自20世紀(jì)80年代引入了穴盤(pán)育苗技術(shù)，目前該技術(shù)已經(jīng)成為了我國(guó)培育蔬菜的主要方式之一[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年國(guó)內(nèi)的蔬菜產(chǎn)量達(dá)到了7.8萬(wàn)t，約有60%的蔬菜是采用穴盤(pán)育苗方式種植的[5]。穴盤(pán)在經(jīng)過(guò)播種、覆土等環(huán)節(jié)后會(huì)被轉(zhuǎn)運(yùn)到大棚內(nèi)進(jìn)行育秧，其搬運(yùn)擺放環(huán)節(jié)多以人工參與為主，擺放所需成本較高，勞動(dòng)強(qiáng)度大[6-7]。由于成本關(guān)系，我國(guó)所用穴盤(pán)以軟盤(pán)為主[8]，且秧盤(pán)擺放是大棚育秧生產(chǎn)環(huán)節(jié)中重要的一項(xiàng)，擺盤(pán)工作的好壞甚至影響幼苗后期的生長(zhǎng)[9]。

在苗床自動(dòng)化搬運(yùn)方面，荷蘭VISSER集團(tuán)公司利用輸送軌道、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)苗床堆疊后進(jìn)行輸送，盤(pán)垛下線后配合使用電動(dòng)車(chē)和人力液壓搬運(yùn)車(chē)對(duì)穴盤(pán)進(jìn)行搬運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了穴盤(pán)育苗育秧自動(dòng)一體化生產(chǎn)[10]；但是，其整套裝置成本較高，不符合我國(guó)國(guó)情，在國(guó)內(nèi)也未見(jiàn)引進(jìn)。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的馬靜龍等研制了一種育秧大棚自動(dòng)擺盤(pán)裝置，其以多關(guān)節(jié)機(jī)械手為主要擺放機(jī)構(gòu)，整個(gè)裝置動(dòng)作靈活，擺放范圍較大[11]，但未見(jiàn)樣機(jī)的研制及實(shí)際應(yīng)用。綜上所述，國(guó)內(nèi)的穴盤(pán)搬運(yùn)擺放工作仍然以人工為主，對(duì)于機(jī)械化擺盤(pán)的研究還較為欠缺。鑒于此，需要研制一種高效的、針對(duì)于軟盤(pán)的擺盤(pán)機(jī)械，以提高穴盤(pán)育苗流水線的機(jī)械化程度。本文設(shè)計(jì)了一種在大棚內(nèi)工作的擺盤(pán)機(jī)，提出了投放式擺盤(pán)的方案，并利用ADAMS和ANSYS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)仿真分析，為擺盤(pán)裝置的研制提供了合理的依據(jù)。

1 擺盤(pán)機(jī)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

整套裝置主要由投盤(pán)器、連桿、機(jī)架、車(chē)體及支撐桿組成，如圖1所示。

1.投盤(pán)器 2.穴盤(pán) 3.U形托盤(pán) 4.連桿 5.擺放平臺(tái) 6.支撐桿 7.機(jī)架 8.車(chē)體

機(jī)架安裝在可移動(dòng)的車(chē)體上，投盤(pán)器安裝在連桿上，U型托盤(pán)安裝在投盤(pán)器內(nèi)，U型托盤(pán)可在投盤(pán)器內(nèi)相互分開(kāi)或閉合。擺盤(pán)前，將已經(jīng)完成播種覆土后的穴盤(pán)放置在投盤(pán)器內(nèi)的U形托盤(pán)上，如圖2(a)所示。當(dāng)投放器接近擺放平臺(tái)時(shí)，托有穴盤(pán)的U形托盤(pán)自穴盤(pán)底部分開(kāi)，穴盤(pán)底部的間隙逐漸變大，當(dāng)間隙足夠大時(shí)，穴盤(pán)在自身重力作用下利用自身形變的特性從分開(kāi)的間隙彎曲著地，完成擺放過(guò)程，如圖2(b)所示。隨后，投盤(pán)器升離擺放平臺(tái)(如圖1所示)，重新將待擺放的穴盤(pán)放置在投盤(pán)器內(nèi)，并開(kāi)始下一次擺盤(pán)工序。

圖2 穴盤(pán)投放過(guò)程

由于在人工擺放穴盤(pán)時(shí)人的兩只手也是在緩慢抽離穴盤(pán)底部的過(guò)程中完成擺盤(pán)動(dòng)作的，因此在此投放過(guò)程中U形托盤(pán)慢慢抽離穴盤(pán)底部的過(guò)程類(lèi)似于人手?jǐn)[放穴盤(pán)的過(guò)程。

平行四邊形機(jī)構(gòu)維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命較長(zhǎng)，各個(gè)桿件間可通過(guò)相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)某一桿件的始終水平[12]。本設(shè)計(jì)中，連桿、機(jī)架和投盤(pán)器共同組成了平行四邊形機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，通過(guò)連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)整體形狀的變化。例如，對(duì)于連桿間的張開(kāi)或者并攏的動(dòng)作，當(dāng)連桿張開(kāi)時(shí)，投盤(pán)器遠(yuǎn)離地面進(jìn)行取盤(pán)等操作；當(dāng)連桿并攏時(shí)，投盤(pán)器接近地面進(jìn)行擺盤(pán)操作。另外，在此過(guò)程中，由于平行四邊形機(jī)構(gòu)的特性，投盤(pán)器始終處于水平狀態(tài)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

投盤(pán)器相當(dāng)于工業(yè)機(jī)器人中的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前，在需要擺放機(jī)械的各個(gè)領(lǐng)域中，常見(jiàn)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括夾持式執(zhí)行機(jī)構(gòu)、真空吸附式執(zhí)行機(jī)構(gòu)及磁吸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)[13-14]。由于要擺放的穴盤(pán)為塑料軟盤(pán)，在夾持時(shí)容易變形，故夾持式機(jī)構(gòu)并不適用；軟質(zhì)穴盤(pán)在擺放時(shí)其中充滿了基質(zhì)土，故真空式和磁吸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)也不適用。為了在不損壞穴盤(pán)的前提下將其精確地置于地面，提出了投放式的擺盤(pán)方案。投盤(pán)器尺寸的設(shè)計(jì)應(yīng)該以穴盤(pán)尺寸為依據(jù)，并由此合理選擇擺放方式及驅(qū)動(dòng)方案等。

投盤(pán)器主要包括擺盤(pán)殼體、U形托盤(pán)、齒輪及齒條，如圖3所示。擺盤(pán)殼體對(duì)稱布置在U形托盤(pán)兩端，并通過(guò)殼體連接件相連，擋板固定在殼體上；在殼體內(nèi)有3段滑槽，中間的托盤(pán)滑槽與U形托盤(pán)相連接，上下的滑槽上安裝有滑軌，滑軌可在滑槽內(nèi)滑動(dòng)。電機(jī)主軸穿過(guò)殼體與齒輪相連，齒輪和上下齒條相嚙合，齒條安裝在滑軌上，齒條的無(wú)齒端和U形托盤(pán)連接在一起。由于齒條布置在齒輪上下兩側(cè)，在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，上下齒條將沿著相反的方向滑動(dòng)，利用上下齒條的不同向滑動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)U型托盤(pán)的分開(kāi)或者合并。當(dāng)U形托盤(pán)上放有穴盤(pán)并進(jìn)行擺放時(shí)，U形托盤(pán)和穴盤(pán)底部會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，這種滑動(dòng)在穴盤(pán)底部產(chǎn)生的摩擦力會(huì)對(duì)穴盤(pán)的姿態(tài)產(chǎn)生影響，故在托盤(pán)兩側(cè)設(shè)計(jì)了擋板裝置，通過(guò)該擋板和U形托盤(pán)共同作用，可令穴盤(pán)在水平方向保持姿態(tài)的統(tǒng)一，在保證穴盤(pán)平穩(wěn)著地的同時(shí)保證了被擺放穴盤(pán)的整齊，對(duì)大棚內(nèi)有限空間進(jìn)行了充分利用。

1.擋板 2.U形托盤(pán) 3.齒條 4.齒輪 5.電動(dòng)機(jī) 6.滑軌 7.滑槽 8.托盤(pán)滑槽 9.殼體連接件 10.擺盤(pán)殼體

3 運(yùn)動(dòng)仿真與結(jié)果

3.1 ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

根據(jù)實(shí)際情況及穴盤(pán)育苗的農(nóng)藝要求，穴盤(pán)擺放機(jī)械應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：

1)穴盤(pán)在靠近擺放平臺(tái)的過(guò)程中，為了保證穴盤(pán)內(nèi)基質(zhì)土不受擺盤(pán)動(dòng)作的影響，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程應(yīng)當(dāng)盡量平穩(wěn)。

2)穴盤(pán)在被投放過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)應(yīng)盡量平穩(wěn)，以避免其從被投放到落地過(guò)程中所受振動(dòng)和擠壓對(duì)基質(zhì)土造成沖擊和松動(dòng)，令種子暴露在空氣中或產(chǎn)生移位，影響育苗質(zhì)量。

為了驗(yàn)證整機(jī)在工作時(shí)通過(guò)平行四邊形機(jī)構(gòu)進(jìn)行擺盤(pán)動(dòng)作的平穩(wěn)性，現(xiàn)對(duì)整機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真。將本機(jī)的三維模型導(dǎo)入ADAMS中(見(jiàn)圖4)，并按照實(shí)際情況設(shè)定各個(gè)構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)，如材料類(lèi)型、摩擦力等；為了便于觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，將部分構(gòu)件隱藏，得到擺盤(pán)機(jī)虛擬樣機(jī)模型。通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真，可在ADAMS/PostProcessor中生成裝置在擺盤(pán)動(dòng)作中的某一點(diǎn)或者某個(gè)部件的速度、加速度、位移等曲線圖，通過(guò)觀察圖像可知是否有速度或者加速度的突變，以及整個(gè)裝置是否有部件干涉等情況。

圖4 擺盤(pán)裝置虛擬樣機(jī)

在擺盤(pán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在實(shí)際中執(zhí)行擺盤(pán)動(dòng)作時(shí)，設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：平行四邊形連桿的角速度應(yīng)從0增加到某值后保持不變，隨后從該值緩慢降低到0。為了保證擺盤(pán)的平穩(wěn)，避免運(yùn)行動(dòng)作對(duì)穴盤(pán)出現(xiàn)過(guò)大的沖擊，在仿真時(shí)引入了ADAMS中的Step函數(shù)。為了便于觀察穴盤(pán)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)合理設(shè)置Step函數(shù)，最終確定穴盤(pán)的運(yùn)動(dòng)形式為：四連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)穴盤(pán)完成“加速-勻速-減速”運(yùn)動(dòng)過(guò)程。同時(shí)，應(yīng)用此函數(shù)對(duì)連桿的角速度進(jìn)行定義，由此得到的仿真數(shù)據(jù)可為實(shí)際中的機(jī)械擺放動(dòng)作作為參考。

ADAMS有著豐富的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，其中的Step函數(shù)有設(shè)計(jì)過(guò)程函數(shù)和運(yùn)行過(guò)程函數(shù)兩種格式及用法。設(shè)計(jì)過(guò)程(design-time)Step函數(shù)格式為:Y=Step (A,x0,h0,x1,h1)，由數(shù)組A的x值生成點(diǎn)(x0,h0)與(x1,h1)之間的階躍曲線，并返回一個(gè)Y值數(shù)組。運(yùn)行過(guò)程(run-time ) Step函數(shù)格式為:Y=Step (x,x0,h0,x1,h1)，它通過(guò)三次多項(xiàng)式逼近海賽(Heaviside)階躍函數(shù)，其定義為

其中，x為自變量;y為函數(shù)值;x0為階躍函數(shù)起點(diǎn)自變量值;h0為階躍起點(diǎn)處函數(shù)值;x1為階躍終點(diǎn)自變量值;h1為階躍終點(diǎn)函數(shù)值[15]。

在ADAMS中，將各個(gè)構(gòu)架設(shè)置為相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，在電機(jī)所在處設(shè)置回轉(zhuǎn)副后添加驅(qū)動(dòng)。參照實(shí)際中的擺放用時(shí)，穴盤(pán)的移動(dòng)時(shí)間應(yīng)該設(shè)置為1min左右。在此基礎(chǔ)上，為了使速度曲線較為平滑，使之便于觀察，基于step函數(shù)在ADAMS函數(shù)構(gòu)建器中創(chuàng)建電機(jī)處旋轉(zhuǎn)副的等效速度函數(shù)。

V(t)的表達(dá)式為

V(t)=step(time,1,0,20,-3d)+

step(time,21,0,36,0)+step(time,37,0,62,3d)

此Step函數(shù)所表達(dá)的意義為：

1～20s，連桿由靜止開(kāi)始，緩慢加速轉(zhuǎn)動(dòng)至V(t)=30(°)/s；21～36s，連桿保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；37～62s，連桿緩慢減速直至速度為0。

進(jìn)行仿真分析后，在產(chǎn)生的結(jié)果集中提取關(guān)于穴盤(pán)的速度、加速度和位移曲線，如圖5所示。

圖5 穴盤(pán)運(yùn)動(dòng)曲線

其中，位移曲線位移量是以ADAMS內(nèi)置坐標(biāo)系為參照?？梢?jiàn)，穴盤(pán)的運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有突變現(xiàn)象，且速度曲線和加速度曲線呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，穴盤(pán)的加速度曲線較為平滑，最大加速度為0.1m/s2，且沒(méi)有明顯的突變現(xiàn)象，穴盤(pán)在運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的沖擊較小；同時(shí)，穴盤(pán)位移曲線過(guò)渡自然，沒(méi)有突變產(chǎn)生。由此可知，穴盤(pán)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較平穩(wěn)，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 穴盤(pán)投放狀態(tài)的有限元分析

現(xiàn)通過(guò)ANSYS軟件對(duì)穴盤(pán)的投放變形量進(jìn)行分析。圖6為一種常見(jiàn)的72孔PVC軟穴盤(pán)，其尺寸參數(shù)540mm(長(zhǎng))×280mm(寬)×40mm(高)。結(jié)合穴盤(pán)投放方式的設(shè)計(jì)要求，可知需要注意的參數(shù)如下：

1)投盤(pán)器底部離地或平臺(tái)高度H；

2)穴盤(pán)在被投放時(shí)的最大形變量L。

為了避免投盤(pán)器在進(jìn)行投盤(pán)作業(yè)時(shí)觸碰到已經(jīng)擺放完畢的穴盤(pán)，造成穴盤(pán)的移動(dòng)或者損壞，投盤(pán)器在投放穴盤(pán)時(shí)與擺放平臺(tái)或地面的高度應(yīng)該大于或等于穴盤(pán)的自身高度，即H≥40mm。為了便于說(shuō)明，設(shè)H=40mm。為了實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)的變形著地，減小穴盤(pán)在著地時(shí)所受的沖擊，穴盤(pán)在被投放時(shí)應(yīng)滿足條件L>H；若L

圖6 穴盤(pán)實(shí)物圖

穴盤(pán)臨近落地時(shí)，穴盤(pán)部分與U形托盤(pán)部分最后接觸的是穴盤(pán)最兩側(cè)底部的兩條邊，此時(shí)穴盤(pán)整體的變形量最大。設(shè)此時(shí)為穴盤(pán)落地的臨界狀態(tài)，如圖7(a)所示。為了便于仿真，將穴盤(pán)模型上的圓角適當(dāng)簡(jiǎn)化；PVC材料的彈性模量通常為2.4～4GPa，泊松比為0.38～0.47。由于穴盤(pán)較薄，且為軟質(zhì)PVC，故設(shè)置彈性模量為2.4GPa，設(shè)置其泊松比為0.4。隨后，對(duì)穴盤(pán)進(jìn)行網(wǎng)格化分，并對(duì)穴盤(pán)的兩側(cè)進(jìn)行固定約束，如圖7(b)所示，以此模擬穴盤(pán)在落地臨界狀態(tài)下的狀態(tài)。

圖7 穴盤(pán)投放臨界狀態(tài)示意圖

經(jīng)查閱有關(guān)資料，可知我國(guó)常用的基質(zhì)土密度為900kg/cm3 [16]。經(jīng)計(jì)算，穴盤(pán)在裝滿基質(zhì)土?xí)r，質(zhì)量為m=2.87kg。為了便于仿真，設(shè)其總的重力為G=mg≈29.4N，將重力添加到穴盤(pán)的中心位置，隨后對(duì)穴盤(pán)進(jìn)行仿真分析，得到穴盤(pán)受力變形量的分布結(jié)果如圖8所示?？梢?jiàn)，穴盤(pán)最大變形量為L(zhǎng)=57mm>H=40mm。

圖8 穴盤(pán)形變量分布圖

由此關(guān)系式可知：穴盤(pán)底部在達(dá)到落地臨界條件之前就已經(jīng)著地。由于穴盤(pán)的泊松比介于0.38～0.47之間，而在仿真時(shí)預(yù)先設(shè)定穴盤(pán)泊松比為0.4，因此需明確泊松比的改變是否會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成影響。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果基于泊松比設(shè)置的合理性，增強(qiáng)仿真結(jié)果的說(shuō)服力，依次在ANSYS/Preprocessor中對(duì)穴盤(pán)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行改變。由此發(fā)現(xiàn)：當(dāng)穴盤(pán)泊松比在0.38～0.47間變化時(shí)，得到的所有仿真結(jié)果中穴盤(pán)的形變分布云圖幾乎相同，且各仿真結(jié)果形變?cè)茍D中最大形變量之間的差距在2mm左右。這說(shuō)明，泊松比的改變并不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成影響，仿真結(jié)果合理。

在此過(guò)程中，U形托盤(pán)的張開(kāi)速度決定了穴盤(pán)的投放速度，過(guò)快的張開(kāi)速度會(huì)令穴盤(pán)在被投放到落地過(guò)程中受到較大的沖擊，令穴盤(pán)內(nèi)的基質(zhì)土受到影響；張開(kāi)速度過(guò)慢則會(huì)降低擺盤(pán)環(huán)節(jié)的工作效率。參考實(shí)際中人工的擺盤(pán)速度[17]，結(jié)合投放器的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)，應(yīng)將穴盤(pán)的投放用時(shí)設(shè)置在5s左右，即設(shè)置U形托盤(pán)的張開(kāi)速度為28mm/s左右。

穴盤(pán)的應(yīng)力分布圖如圖9所示。其最大拉力出現(xiàn)在穴盤(pán)中心位置，大約為23N。查閱相關(guān)資料[18]，參考穴盤(pán)的橫截面積，可知PVC材料的穴盤(pán)所能承受的最大拉力遠(yuǎn)大于23N，故“投放式”擺盤(pán)方式不會(huì)損傷穴盤(pán)，擺盤(pán)方案符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 穴盤(pán)應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

1)本文基于平行四邊形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了穴盤(pán)的擺放裝置，整個(gè)裝置安裝在可移動(dòng)的車(chē)體上，簡(jiǎn)化了穴盤(pán)的搬運(yùn)過(guò)程，符合大棚育苗的農(nóng)藝要求。

2)應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了穴盤(pán)的速度和位移曲線，運(yùn)動(dòng)曲線平穩(wěn)且無(wú)突變現(xiàn)象，仿真結(jié)果驗(yàn)證了相關(guān)機(jī)構(gòu)的合理性。

3)通過(guò)ANSYS軟件對(duì)穴盤(pán)進(jìn)行了有限元分析，得到了穴盤(pán)的形變分布圖。由仿真結(jié)果可知：穴盤(pán)最大變形量L=57mm>H=40mm，投放式擺盤(pán)方案滿足設(shè)計(jì)要求，得到的相關(guān)數(shù)據(jù)為今后擺盤(pán)機(jī)的研制提供了合理依據(jù)。

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