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探出取推缽式蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

2019-11-04 09:20尹大慶王佳照周脈樂楊禹超王金武
關(guān)鍵詞:缽苗齒輪箱執(zhí)行器

尹大慶 王佳照 周脈樂 楊禹超 王金武

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150030)

0 引言

蔬菜移栽機(jī)主要包括取苗機(jī)構(gòu)和植苗機(jī)構(gòu)兩部分,其中取苗機(jī)構(gòu)是全自動(dòng)移栽機(jī)的核心部分。取苗方式分為手動(dòng)取苗、自動(dòng)取苗兩種。手動(dòng)取苗勞動(dòng)強(qiáng)度大,成本高,耗時(shí)耗力;自動(dòng)取苗省時(shí)、省工,大大緩解了農(nóng)忙時(shí)節(jié)勞動(dòng)力不足的問題,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約了成本,提高了生產(chǎn)效率。因此,研究蔬菜缽苗全自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)具有實(shí)際意義[1-2]。

近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)取苗機(jī)構(gòu)開展了一系列研究[3-6]。國(guó)外對(duì)取苗機(jī)構(gòu)的研究以歐美和日韓國(guó)家為主[7]。澳大利亞Transplant systems公司、美國(guó)Morning Star公司、荷蘭TTA公司生產(chǎn)的全自動(dòng)移栽機(jī),均采用氣動(dòng)式取苗機(jī)構(gòu),由氣缸驅(qū)動(dòng)取苗末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)取苗,自動(dòng)化程度較高,但機(jī)構(gòu)復(fù)雜;日本洋馬公司研制的連桿-滑槽式取苗機(jī)構(gòu),取苗爪在齒輪和連桿-滑槽機(jī)構(gòu)的共同作用下取苗,其滑道易磨損,效率低;韓國(guó)CHOI公司[8]研制的五桿滑道式取苗機(jī)構(gòu),通過推桿驅(qū)動(dòng)取苗針閉合與張開,完成取苗、投苗動(dòng)作,取苗成功率高,但效率較低。綜上所述,目前歐美國(guó)家研制的全自動(dòng)移栽機(jī)械,均采用機(jī)電一體化技術(shù),整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高;日本、韓國(guó)研制的取苗機(jī)構(gòu)效率較低,并且與我國(guó)蔬菜缽苗移栽農(nóng)藝要求存在較大差異。

國(guó)內(nèi)徐麗明等[9]提出的平面四連桿式取苗機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但取苗的速率較低;田昆鵬等[10]研制的曲柄導(dǎo)軌滑槽取苗機(jī)構(gòu),夾苗針隨著推桿的伸縮做張開閉合動(dòng)作,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)成本低,該機(jī)構(gòu)一周期只能取一次苗,效率不高;俞高紅等[11]提出的橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系的取苗機(jī)構(gòu),利用旋轉(zhuǎn)式非勻速間歇傳動(dòng)方式進(jìn)行取苗,其推苗爪相對(duì)于取苗爪運(yùn)動(dòng),進(jìn)而控制取苗與推苗,可較好滿足取苗要求,但間歇運(yùn)動(dòng)適于低速情形;王文卿[12]設(shè)計(jì)了適用于旱田缽苗移栽的夾缽式末端執(zhí)行器,苗針探出,進(jìn)行取苗、推苗動(dòng)作,效率也不高。國(guó)內(nèi)全自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的研究還處于試驗(yàn)階段,未見實(shí)際應(yīng)用[13-15]。

為了提高取苗機(jī)構(gòu)的工作效率,本文采用不等速行星輪系驅(qū)動(dòng)的取苗機(jī)構(gòu),為使取出的缽苗能夠準(zhǔn)確投入到植苗機(jī)構(gòu)的鴨嘴中,推苗必須迅速。針對(duì)這一問題,進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),提出一種新型探出取推缽式蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu),以取推一體式取苗末端執(zhí)行器代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一取苗或推苗的取苗末端執(zhí)行器,實(shí)現(xiàn)快速取苗、主動(dòng)推苗的動(dòng)作,縮短推苗時(shí)間,提高投苗準(zhǔn)確性;結(jié)合非圓齒輪回轉(zhuǎn)式傳動(dòng)方式[16],采用“一”字形取苗軌跡代替“鷹嘴”形取苗軌跡[17],進(jìn)一步優(yōu)化取苗姿態(tài),以實(shí)現(xiàn)取缽不傷苗的目的。

1 機(jī)構(gòu)組成與原理

1.1 軌跡分析

取苗末端執(zhí)行器按照取苗方式可分為夾莖稈式和取缽?fù)潦絒18-21],夾莖稈式取苗方式取苗力均值4~6 N[22]。選用市場(chǎng)上較為常見的大果哈椒缽苗為作業(yè)對(duì)象,通過試驗(yàn)驗(yàn)證缽苗莖稈軸向拉斷力均值為5.63 N。由于缽苗莖稈軸向拉斷力均值小于夾莖稈式取苗方式的最大取苗力,所以采用夾莖稈取苗方式取苗易對(duì)缽苗莖稈造成損傷,結(jié)合蔬菜缽苗所使用秧盤尺寸大的特點(diǎn),采用取缽?fù)潦饺∶绶绞竭M(jìn)行取苗作業(yè)。

為保證取苗過程中土缽被完整取出,兩取苗臂送苗過程中相互不干涉且不與苗箱干涉,并實(shí)現(xiàn)快速取苗、精準(zhǔn)投苗等動(dòng)作,結(jié)合現(xiàn)有取苗機(jī)構(gòu),提出一種探出取推缽式取苗機(jī)構(gòu),其軌跡分析如圖1所示。機(jī)構(gòu)在一個(gè)周期內(nèi)要完成取苗、持苗、推苗、回程4個(gè)連續(xù)階段。

圖1 探出取推缽式蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)軌跡Fig.1 Trajectory of vegetables seedlings pick-up mechanism for exploring and picking-pushing plugs

(1)A1AB取苗段:取苗針在撥叉以及彈簧等的作用下瞬時(shí)探出,同時(shí)推缽板回縮,取苗針探出扎入缽?fù)吝^程中取苗針回轉(zhuǎn)向內(nèi)并緊,經(jīng)過弧形路線,扎入缽?fù)?0 mm時(shí),形成托舉式姿態(tài),之后,取苗臂殼體帶動(dòng)取苗末端執(zhí)行器反向于苗箱運(yùn)動(dòng),缽?fù)帘蝗〕?,在B點(diǎn)完成取苗動(dòng)作。

(2)BC持苗段:取苗針夾持住缽?fù)猎谌∶绫蹥んw的回轉(zhuǎn)動(dòng)作帶動(dòng)下,由軌跡B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)。

(3)CD推苗段:取苗針在撥叉的作用下收回,同時(shí)推缽板推出,缽?fù)猎谌∶玑樅屯评彴宓南鄬?duì)運(yùn)動(dòng)以及推缽板的撞擊力作用下落下,推苗結(jié)束。

(4)DA回程段:取苗針及推缽板由取苗臂殼體帶動(dòng),空行程回到取苗點(diǎn)準(zhǔn)備。

1.2 工作原理

取苗機(jī)構(gòu)由齒輪箱和取苗臂兩部分構(gòu)成,如圖2所示。齒輪箱由齒輪箱左殼體、齒輪箱右殼體、5個(gè)非圓齒輪等構(gòu)成。5個(gè)非圓齒輪相互嚙合形成的行星輪系構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。取苗臂部分由凸輪、撥叉、取苗臂殼體、取苗末端執(zhí)行器組成,其中取苗末端執(zhí)行器由驅(qū)動(dòng)總成(撥叉滑道、取苗臂滑桿、推缽板滑道、彈簧座、驅(qū)動(dòng)推板槽固接形成驅(qū)動(dòng)總成)、推土撥叉、驅(qū)動(dòng)推板、推缽板、推拉座板、左取苗針、右取苗針組成,如圖3所示。

圖2 取苗機(jī)構(gòu)工作原理圖Fig.2 Working schematics of seedlings pick-up mechanism1.下中間輪 2.太陽輪 3.太陽軸 4.上中間輪 5.取苗臂殼體 6.凸輪 7.撥叉軸 8.撥叉 9.齒輪箱 10.上行星軸 11.上行星輪 12.上中間輪軸 13.下中間輪軸 14.下行星輪15.下行星輪軸

圖3 取苗末端執(zhí)行器工作原理圖Fig.3 Working schematic of seedling terminal actuator1.撥叉 2.驅(qū)動(dòng)總成 3.推土缽叉 4.推缽板 5.左取苗針 6.推拉座板 7.右取苗針 8.驅(qū)動(dòng)推板 9.彈簧 10.凸輪

齒輪箱工作原理:太陽軸傳入動(dòng)力,帶動(dòng)齒輪箱殼體勻速傳動(dòng);太陽輪與法蘭盤固接,兩中間輪在太陽輪兩側(cè)與其形成嚙合轉(zhuǎn)動(dòng);行星輪在兩中間輪兩側(cè)分別與兩中間輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng);取苗臂殼體與行星輪固接,并做不等速轉(zhuǎn)動(dòng)。

由于兩個(gè)取苗臂運(yùn)動(dòng)的軌跡和姿態(tài)相同,所以選取一個(gè)取苗臂進(jìn)行分析,工作原理如下:撥叉鉸接在取苗臂殼體內(nèi)部,并與固接于齒輪箱殼體外部的凸輪接觸形成相對(duì)運(yùn)動(dòng);取苗臂在隨齒輪箱做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí),在非圓齒輪的驅(qū)動(dòng)下做不等速轉(zhuǎn)動(dòng),與凸輪、撥叉、取苗末端執(zhí)行器配合形成“一”字形探入土缽式取苗軌跡。

取苗末端執(zhí)行器工作原理:撥叉上端與撥叉滑道構(gòu)成高副,帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)總成水平運(yùn)動(dòng)。推土撥叉鉸接在取苗臂殼體上,兩端分別與推缽板滑道、推缽板形成高副,并在撥叉的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)推缽板運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)推板一端插入驅(qū)動(dòng)推板槽內(nèi),另一端固定在推拉座板上。左右取苗針呈錐形配置,鉸接在推拉座板上,并可移動(dòng)地插入與取苗臂殼體固接的支撐底座上方孔,與推缽板形成相對(duì)運(yùn)動(dòng),其結(jié)構(gòu)如圖4所示。在取苗作業(yè)過程中,取苗針沿著缽內(nèi)側(cè)壁插入缽?fù)羶?nèi),推缽板回縮,當(dāng)取苗針尖點(diǎn)達(dá)到“一”字形軌跡尖點(diǎn)時(shí),苗針不再向土缽內(nèi)運(yùn)動(dòng),并形成托舉姿態(tài)夾緊缽?fù)痢T谌∶绫蹥んw的帶動(dòng)下,從穴盤中取出缽?fù)?,完成取苗?dòng)作。經(jīng)上述反向驅(qū)動(dòng)過程,在推缽板與左右取苗針相對(duì)運(yùn)動(dòng)中,取苗針回縮,推缽板給予缽?fù)磷矒袅?,使取苗針夾取的缽體快速推脫,完成推缽作業(yè)。

圖4 取苗臂結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagrams of seedling arm

2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2.1 非圓齒輪節(jié)曲線成型方法

運(yùn)用拉格朗日五次插值多項(xiàng)式,插值6個(gè)節(jié)點(diǎn),保證形成平緩無波動(dòng)的函數(shù)圖形,避免Runge現(xiàn)象發(fā)生[23],第1個(gè)節(jié)點(diǎn)與第6個(gè)節(jié)點(diǎn)重合,保證非圓齒輪節(jié)曲線封閉。

拉格朗日插值公式

(1)

其中

(2)

式中l(wèi)i(x)——拉格朗日基函數(shù)

xi——節(jié)曲線上各點(diǎn)橫坐標(biāo)值

yi——節(jié)曲線上各點(diǎn)縱坐標(biāo)值

根據(jù)上述公式,使用者僅需給出點(diǎn)坐標(biāo),即可求出曲線方程,將節(jié)曲線的點(diǎn)坐標(biāo)由直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)形式

(3)

(4)

式中ri——節(jié)曲線向徑

φi——向徑極角

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

非圓齒輪行星輪系運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5所示[24]。

圖5 非圓齒輪行星輪系示意圖Fig.5 Schematic of non-circular planetary gear train

由于機(jī)構(gòu)關(guān)于太陽輪中心對(duì)稱,故取一側(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。太陽輪固定在機(jī)架上,行星架(齒輪箱殼體)逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng),R1表示太陽輪節(jié)曲線半徑,R2表示上中間輪節(jié)曲線半徑,ηH0表示行星架的初始安裝角,π-φ0表示行星架拐角,δ0表示取苗臂在取苗針探出前與行星架的夾角,δ0+α表示取苗臂在取苗針探出后與行星架的夾角,lO1O2表示太陽輪與上中間輪的中心距,lO2O3表示上中間輪與上行星輪的中心距,lO3E表示第1段取苗臂長(zhǎng)度,lED表示第2段取苗臂長(zhǎng)度,lO3D表示行星輪回轉(zhuǎn)中心到取苗針尖點(diǎn)距離,lO3D′表示取苗針探出后行星輪回轉(zhuǎn)中心到取苗針尖點(diǎn)距離。當(dāng)行星架轉(zhuǎn)過η后,行星架相對(duì)機(jī)架的絕對(duì)轉(zhuǎn)角為

ηH(η)=ηH0+η

(5)

太陽輪的相對(duì)和絕對(duì)轉(zhuǎn)角為

(6)

上中間輪的相對(duì)和絕對(duì)轉(zhuǎn)角為

(7)

上行星輪的相對(duì)和絕對(duì)轉(zhuǎn)角為

(8)

(9)

式中η30——行星架偏角引起的行星輪初始安裝角

由于齒輪4與齒輪2對(duì)稱、齒輪5與齒輪3對(duì)稱,其轉(zhuǎn)角相差180°。

太陽輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置坐標(biāo)為

x1(η)=y1(η)=0

(10)

上中間輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為

(11)

上行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為

(12)

對(duì)上取苗臂的取苗針尖點(diǎn)進(jìn)行分析,第1段取苗臂尖點(diǎn)坐標(biāo)為

xE(η)=lO3Ecos(ηH0+β+η-θ3(η))+x3(η)

(13)

yE(η)=lO3Esin(ηH0+β+η-θ3(η))+y3(η)

(14)

其中取苗臂初始安裝角

第2段取苗臂尖點(diǎn)坐標(biāo)分3種情況討論:

(1)取苗針探出前第2段取苗臂尖點(diǎn)D坐標(biāo)為

xD(η)=lO3Dcos(ηH0+π-φ0+δ0+η-θ3(η))+
x3(η)

(15)

yD(η)=lO3Dsin(ηH0+π-φ0+δ0+η-θ3(η))+
y3(η)

(16)

(2)取苗針探出后第2段取苗臂尖點(diǎn)D′坐標(biāo)為

xD′(η)=lO3D′cos(ηH0+π-φ0+δ0+η-
θ3(η)+α)+x3(η)

(17)

yD′(η)=lO3D′sin(ηH0+π-φ0+δ0+η-
θ3(η)+α)+y3(η)

(18)

(3)取苗針探出過程中,建立取苗機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器示意圖,如圖6所示。

圖6 取苗機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器示意圖Fig.6 End-effector kinematic model diagram of seedlings pick-up mechanism

由于左右取苗針對(duì)稱,取一側(cè)取苗針對(duì)取苗針探出過程進(jìn)行分析,其中M點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),l1表示撥叉上段長(zhǎng)度,l2、lIT-l3表示撥叉上端點(diǎn)與取苗針鉸接點(diǎn)的y向距離和x向距離,λ表示撥叉上段與x軸之間夾角,θI0表示取苗針與推拉缽板的夾角,假設(shè)θI0已知,l5表示取苗針長(zhǎng)度。

撥叉上端點(diǎn)N點(diǎn)坐標(biāo)為

xN=xM+l1cosλ

(19)

yN=yM+l1sinλ

(20)

取苗針鉸接點(diǎn)坐標(biāo)為

xI=xN+lIT-l3

(21)

yI=yN+l2

(22)

取苗針探出過程中第2段取苗臂尖點(diǎn)D1坐標(biāo)為

xD1=xI+l5sinθI0

(23)

yD1=yI-l5cosθI0

(24)

3 機(jī)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化與仿真

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)蔬菜缽苗取苗的農(nóng)藝要求,取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉、角度變化、軌跡形態(tài)等特性,確立了7個(gè)優(yōu)化目標(biāo)[25]:①取苗角介于25°~35°之間。②推苗角介于80°~100°之間,保證投苗直立度。③角度差介于40°~60°之間,保證取苗臂從取苗位置到投苗位置轉(zhuǎn)過的角度約等于苗箱傾角,保證秧苗直立狀態(tài)下推苗。④齒輪箱與喂苗點(diǎn)距離大于0,避免齒輪箱體與植苗機(jī)構(gòu)干涉。⑤軌跡高度大于260 mm,取苗期秧苗已經(jīng)長(zhǎng)到一定高度,保障取出的秧苗不與苗箱上的秧苗干涉。⑥取苗時(shí)取苗臂擺角小于10°,避免土缽與缽盤干涉,擠碎土缽。⑦兩取苗臂不干涉,避免取苗過程中兩個(gè)取苗臂發(fā)生碰撞。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件

基于可視化優(yōu)化軟件Visual Basic 6.0,根據(jù)取苗機(jī)構(gòu)的理論模型,以及通過人機(jī)交互方式優(yōu)化目標(biāo),開發(fā)了取苗機(jī)構(gòu)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件圖形顯示區(qū),觀察取苗機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬,如圖7所示,藍(lán)色軌跡為取苗實(shí)際軌跡。

圖7 取苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件界面Fig.7 Optimization of software interface for seedlings pick-up mechanism

應(yīng)用開發(fā)的取苗機(jī)構(gòu)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件,得到一組滿足優(yōu)化目標(biāo)的機(jī)構(gòu)參數(shù)。齒輪節(jié)曲線參數(shù)包括:φ1=0°,φ2=48.9°,φ3=164.9°,φ4=230.1°,φ5=268.6°,φ6=360°,r1=24.1 mm,r2=27 mm,r3=18.9 mm,r4=22.3 mm,r5=22 mm,r6=25 mm。結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:行星架初始安裝角ηH0=158°,行星架拐角π-φ0=-68°,取苗臂初始安裝角β=-56°,苗箱中心點(diǎn)橫坐標(biāo)值xg=225 mm,苗箱中心點(diǎn)縱坐標(biāo)值yg=145 mm,苗箱傾角γ=55°,第1段取苗臂長(zhǎng)度lO3E=150 mm,行星輪回轉(zhuǎn)中心到取苗針尖點(diǎn)距離lO3D=168 mm。

3.3 仿真

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)所得的參數(shù),完成取苗機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計(jì),并在ADAMS仿真軟件中進(jìn)行模擬仿真,如圖8所示。

圖8 ADAMS仿真軌跡Fig.8 ADAMS simulation trajectory

4 試驗(yàn)

4.1 軌跡與姿態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)

利用仿真軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真驗(yàn)證后,采用可快速成型的3D打印技術(shù)對(duì)取苗機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行加工,并完成機(jī)構(gòu)裝配。將試制好的機(jī)構(gòu)安裝在臺(tái)架上,設(shè)定機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速40 r/min,采用phantomv 5.1高速攝像機(jī)得到實(shí)際工作軌跡,試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際工作軌跡如圖9所示,并記錄下取苗針尖點(diǎn)的軌跡和姿態(tài)。將攝影所得軌跡與理論軌跡、虛擬軌跡相對(duì)比,結(jié)論基本一致,驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的正確性。取苗段有些許差異,是由于理論軌跡的取苗段軌跡由兩段軌跡合成,仿真軌跡和實(shí)際軌跡取苗段軌跡是由彈簧控制取苗針探出形成。

圖9 試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)際工作軌跡Fig.9 Trajectory of physical prototype

4.2 取苗機(jī)構(gòu)臺(tái)架試驗(yàn)

4.2.1相似理論預(yù)試驗(yàn)

由于試驗(yàn)樣機(jī)為3D打印材質(zhì),實(shí)際機(jī)構(gòu)加工材料為45號(hào)鋼,兩種材料的強(qiáng)度存在一定的差異,為使取苗試驗(yàn)結(jié)果更接近于實(shí)際值,采用相似理論原理,將試驗(yàn)樣機(jī)與實(shí)際機(jī)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比,求出試驗(yàn)樣機(jī)所能承受的最大入缽力,從而配比相對(duì)應(yīng)的基質(zhì)比。

3D打印材料為聚乳酸,查文獻(xiàn)[26]得,聚乳酸材料構(gòu)件的許用拉應(yīng)力為40 MPa;查機(jī)械手冊(cè)可知45號(hào)鋼材料的許用拉應(yīng)力為598 MPa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知,當(dāng)缽?fù)翞樵?、土壤濕度?0%左右時(shí)適合移栽。考慮機(jī)構(gòu)安全,由力學(xué)試驗(yàn)測(cè)取土壤濕度為10%左右時(shí)實(shí)際取苗過程中的單根針最大入缽力,均值為34.87 N。

由相似理論公式

(25)

求出試驗(yàn)樣機(jī)最大入缽力平均在2.33 N左右。根據(jù)所得到的力和常用基質(zhì)配比,采用試湊法,確定符合最大入缽力的缽?fù)磷罴鸦|(zhì)比(原土與基質(zhì)質(zhì)量比)為0.4∶1,如表1所示。

表1 不同基質(zhì)配比對(duì)入缽力的影響Tab.1 Effect of different matrix ratio on pedestal soil force

4.2.2臺(tái)架試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證取苗機(jī)構(gòu)的可行性,根據(jù)所選基質(zhì),進(jìn)行試驗(yàn)樣機(jī)的取苗試驗(yàn),如圖10所示。

圖10 取苗機(jī)構(gòu)各個(gè)關(guān)鍵位置的姿態(tài)Fig.10 Key postures of pick-up seedlings mechanism

本試驗(yàn)選用72穴穴盤,上口徑40 mm×40 mm,下口徑20 mm×20 mm,高度35 mm,設(shè)置臺(tái)架工作轉(zhuǎn)速40 r/min,對(duì)應(yīng)取苗效率80株/min。選用大果哈椒作為試驗(yàn)對(duì)象,日齡60,苗高15 mm左右。共選取4盤共288株大果哈椒缽苗進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。其中共順利取出279株苗,順利推出279株苗,取苗成功率為96.87%。秧苗未取出的原因有:秧苗體質(zhì)較弱,盤根效果不理想;塑料秧缽缽體變形;秧缽側(cè)壁及孔底不光滑等。

5 結(jié)論

(1)提出了一種用于蔬菜缽苗機(jī)械化取苗的探出取推缽式蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu),具有缽苗取苗效率高、主動(dòng)推苗的特點(diǎn),末端執(zhí)行器采用取苗與推苗兩機(jī)構(gòu)組合設(shè)計(jì),推缽時(shí)取苗針收縮,推缽板伸出給予缽?fù)磷矒袅?,使取苗針夾取的缽體快速推脫,完成推缽作業(yè)。

(2)根據(jù)取苗機(jī)構(gòu)的實(shí)際需求,結(jié)合農(nóng)藝要求,確立其優(yōu)化目標(biāo),基于可視化優(yōu)化軟件Visual Basic 6.0,通過人機(jī)交互方式,開發(fā)了取苗機(jī)構(gòu)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件,得到滿足要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)。

(3)使用ADAMS軟件對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì),制造試驗(yàn)樣機(jī),進(jìn)行高速攝影試驗(yàn),將仿真軌跡、實(shí)際軌跡與理論軌跡進(jìn)行對(duì)比,軌跡形狀基本一致。

(4)運(yùn)用相似理論原理,確定試驗(yàn)樣機(jī)最大入缽力及缽?fù)磷罴鸦|(zhì)比為0.4,搭建試驗(yàn)臺(tái)架,進(jìn)行樣機(jī)取苗試驗(yàn),取苗成功率為96.87%,取苗效率為80株/min,驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

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