缽育移栽技術(shù)通過縮短玉米在大田生育期，充分利用光熱資源，進(jìn)而提高玉米的產(chǎn)量及品質(zhì)[1-3]。缽育移栽機(jī)是推廣缽育移栽技術(shù)的有效裝備，可代替人工進(jìn)行勞作，降低勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)[4-6]。自動供切苗機(jī)構(gòu)是缽育移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，具有完成取苗、分苗、開穴、放苗等功能[7-8]，自動供切苗栽植機(jī)構(gòu)的工作情況影響著農(nóng)作物移栽質(zhì)量，因此，對供切苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究有益于缽育移栽機(jī)的發(fā)展。

在缽育移栽機(jī)的發(fā)展過程中，國內(nèi)外學(xué)者將相關(guān)的控制技術(shù)應(yīng)用在供切苗栽植機(jī)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分苗、取苗和栽植。美國從上世紀(jì)80 年代開始結(jié)合液壓、氣動等技術(shù)代替單一機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的栽植機(jī)構(gòu)；L.J.Kutz 等[9]以氣缸及平行指夾組合研發(fā)了一種自動取苗的機(jī)械手式機(jī)構(gòu)，但栽植效率較低；K.C.Ting 等[10-11]以工業(yè)機(jī)器人為平臺設(shè)計(jì)了一種基于視覺傳感器的滑針式夾持栽植機(jī)構(gòu)，采用視覺傳感器檢測缽苗的位置，避免對缽苗造成的損傷；K.H.R 等[12-13]基于視覺識別控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種全自動取苗裝置，該裝置由視覺系統(tǒng)確定秧苗位置，控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，機(jī)械手通過氣缸推動插入穴盤中，由氣動卡盤來完成對穴盤苗的夾取、移動和投放。此外，澳大利亞及意大利等公司還研發(fā)了通過PLC 可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動裝置的控制，通過改寫控制程序來調(diào)整移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)動作范圍，配合多路傳感器檢測的信號進(jìn)行取苗及投苗工作[14]。國內(nèi)仍以自主研制半自動栽植機(jī)構(gòu)為主，其特點(diǎn)是需要通過人工喂苗，由栽植機(jī)構(gòu)完成缽苗移栽[15-16]。陳星谷等[17]提出了曲柄搖桿復(fù)合平行四桿栽植機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)合了平行四桿機(jī)構(gòu)和六桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，利用伺服電機(jī)驅(qū)動曲柄，基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性，方便人工投苗。王伯鴻等[18]將栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡作為研究對象，借鑒了吊籃式植苗機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了多桿式零速度缽苗移栽機(jī)植苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)利用連桿的高次曲線形成栽植嘴所需的軌跡將開穴與移栽合二為一，移栽后缽苗直立性好，滿足缽苗移栽的農(nóng)藝要求。呂程等[19]提出一種回轉(zhuǎn)式自由非圓齒輪周轉(zhuǎn)輪系傳動缽苗移栽機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由三個自由非圓齒輪外嚙合實(shí)現(xiàn)非勻速傳動，一次性完成了移栽的夾苗、輸送、推苗。

國內(nèi)對缽育移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的研究尚處于起步階段，主要是高等院校和科研院所研究的比較多，且停留在自動供苗、取苗機(jī)構(gòu)的研究上，沒有得到大范圍的推廣[20]。因此有必要研制出一種作業(yè)可靠、機(jī)構(gòu)簡單的全自動栽植機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)取苗、送苗、栽苗的全自動有序移栽過程[16]。目前，缽盤的造價及結(jié)構(gòu)是影響缽育移栽機(jī)發(fā)展的主要因素，常用的單體缽盤成本高且供苗無序，針對上述問題，在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)植制缽育全程機(jī)械化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制的玉米生物質(zhì)缽育多連缽秧盤基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種可實(shí)現(xiàn)自動切分、供苗的栽植機(jī)構(gòu)，在滿足農(nóng)藝要求的同時保證玉米移栽的質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，整個全自動玉米缽育栽植裝置由供苗機(jī)構(gòu)、切苗機(jī)構(gòu)、移栽機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿傳動機(jī)構(gòu)、機(jī)架等組成。其中，供苗機(jī)構(gòu)由電機(jī)、毛刷組成，切苗機(jī)構(gòu)由電機(jī)、電動推桿組成；移栽機(jī)構(gòu)由鴨嘴栽植器與連桿組成；曲柄搖桿傳動機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)提供動力，對其關(guān)鍵機(jī)構(gòu)即供、切苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of whole machine

1.1 工作原理

移栽作業(yè)時，伺服電機(jī)提供動力帶動曲柄搖桿進(jìn)行傳動，使鴨嘴式栽植器到達(dá)載苗盤指定位置，放在載苗板上的玉米缽育生物質(zhì)秧盤（如圖2 所示）在毛刷的帶動下進(jìn)行供苗，到達(dá)指定位置時，觸發(fā)限位開關(guān)，切苗機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行，電機(jī)啟動并帶動圓盤切割刀高速旋轉(zhuǎn)，電動推桿推動電機(jī)向前移動直至缽盤被完全切割，電動推桿帶動切苗機(jī)構(gòu)回退；被切割的缽盤落入鴨嘴式栽植器，鴨嘴式栽植器載著單缽缽苗在曲柄搖桿的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)入土栽植，完成一次玉米缽育秧苗的移栽運(yùn)動，反復(fù)連續(xù)進(jìn)行。

圖2 玉米缽育生物質(zhì)秧盤Fig.2 Corn bowl seedling tray

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 供苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖3 所示，送苗機(jī)構(gòu)由送苗軌道、毛刷輪及四二電機(jī)組成。根據(jù)玉米生物質(zhì)缽育秧盤的形態(tài)特性及育秧試驗(yàn)可知，育秧后的缽育秧盤形態(tài)尺寸為276 mm×47 mm×37 mm，在移栽作業(yè)過程中，除了便于缽育秧苗在送苗軌道內(nèi)順利通過，還要保證缽育秧苗在送苗軌道內(nèi)不會發(fā)生劇烈震蕩，因此送苗軌道設(shè)計(jì)為寬50 mm，高40 mm。

送苗軌道的傾斜角的確定是保證平穩(wěn)送苗的關(guān)鍵，在供苗過程中要保證電動毛刷輪暫停轉(zhuǎn)動時，缽育秧苗有向下運(yùn)動趨勢，且不產(chǎn)生相對運(yùn)動，由于生物質(zhì)缽育秧盤的特殊材質(zhì)，在缽育秧苗的供送過程中，會與栽秧臺產(chǎn)生摩擦現(xiàn)象，通過實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的摩擦磨損試驗(yàn)臺測定玉米生物質(zhì)缽育秧盤的的摩擦系數(shù)，初步設(shè)定送苗軌道的傾斜角范圍，再通過反復(fù)的缽育秧苗的滑動試驗(yàn)，最終確定送苗軌道的傾斜角度。

圖3 送苗軌道示意圖Fig.3 Diagram of feeding seedling orbit

圖4 確定送苗軌道傾斜角Fig.4 Determination of the inclination angle of seedling feeding track

摩擦磨損試驗(yàn)及結(jié)果如圖5 所示，由圖可知生物質(zhì)缽育秧盤的摩擦系數(shù)集中在0.054～0.095 之間，此結(jié)果為供苗軌道的傾斜角的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，借鑒玉米紙質(zhì)缽育秧盤供苗角度初步設(shè)計(jì)供苗軌道的傾斜角在30 °～45 °之間，通過缽育秧盤的滑動試驗(yàn)最終確定供苗軌道的傾斜角度。

圖5 摩擦系數(shù)測定及試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Friction and wear test

如圖6 所示，在缽育秧苗滑動試驗(yàn)時，將缽苗放在供苗傾斜板上，通過限定牽拉繩的位置，進(jìn)而改變供苗角度，觀察缽苗與供苗板產(chǎn)生相對位移，即靜摩擦力達(dá)到最大值時。記錄供苗角的數(shù)值，重復(fù)試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的篩選及數(shù)據(jù)平均處理。

圖6 缽育秧苗滑動試驗(yàn)示意圖Fig.6 Sketch diagram of sliding test for pot-raised seedlings

通過重復(fù)試驗(yàn)，得到供苗軌道的供苗角度為39°。

根據(jù)供苗機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)要求，在供苗過程中，缽育秧苗要實(shí)現(xiàn)間歇的供送，傳統(tǒng)的供苗機(jī)構(gòu)大多采用同步帶式輸送，同步帶在電機(jī)的帶動下實(shí)現(xiàn)與電機(jī)同步，使傳動更精準(zhǔn)，但存在結(jié)構(gòu)不緊湊問題，占用空間大，從而影響整個供苗機(jī)構(gòu)的尺寸。

針對此問題，借鑒同步帶工作原理，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，根據(jù)生物質(zhì)缽育秧盤的摩擦系數(shù)，選用劍麻材質(zhì)，進(jìn)行毛刷輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖7 所示，采用四二式直流步進(jìn)電機(jī)直接帶動。

圖7 電動毛刷輪整體結(jié)構(gòu)Fig.7 Integral structure of electric brush wheel

整個電動毛刷傳動機(jī)構(gòu)包括控制驅(qū)動一體板、紅外遙控器、四二式直流電機(jī)組成，通過控制驅(qū)動一體板，四二式直流電機(jī)能完成正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動、巡航往返、四個按鈕輸入端、內(nèi)置定時器可以設(shè)定定時前執(zhí)行一條指令和定時運(yùn)行完執(zhí)行一條指令；每個按鈕多達(dá)20 多條功能指令選用可以設(shè)定20組（10 條/組）程控代碼；可以完成調(diào)速、端口輸出、指定運(yùn)行步數(shù)、延時等多種功能。

為簡化供苗機(jī)構(gòu)的整體尺寸，選用電機(jī)的外形尺寸為42 mm×42 mm×33 mm，輸出軸長為22 mm，軸徑5 mm，工作時，啟動電壓3.6 V（實(shí)際工作電壓9 V以上），電源輸入接+9～24 V（電機(jī)電壓），輸入電流滿足800 mA，電源負(fù)極接負(fù)極即可，電機(jī)以1.8 度的步進(jìn)帶動毛刷滾輪進(jìn)行工作。

綜合考慮玉米生物質(zhì)缽育秧盤的成分組成及摩擦系數(shù)，根據(jù)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行毛刷輪的設(shè)計(jì)。為避免供苗過程中造成對缽育秧盤的損傷，選用劍麻作為轉(zhuǎn)動輪的主要材料，劍麻纖維質(zhì)地堅(jiān)韌，耐磨、耐鹽堿、耐腐蝕，廣泛運(yùn)用在運(yùn)輸、漁業(yè)、石油、冶金等各種行業(yè)。根據(jù)供苗要求：C軌道≥C缽育秧盤≥C毛刷輪（C 為寬度，mm），所以：C毛刷輪≤37 mm，考慮到毛刷輪在長時間工作狀態(tài)下會發(fā)生輕微變形現(xiàn)象，故取C毛刷輪=37 mm，由電機(jī)尺寸及供苗機(jī)構(gòu)安裝尺寸，將毛刷輪直徑設(shè)計(jì)為42 mm。

2.2 切苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)前期對缽盤的破壞試驗(yàn)，壓力機(jī)試驗(yàn)得出缽盤彎曲破壞需要力為320～360 N，而且破壞的缽盤不完整滿足不了移栽要求；正切破壞需要力為290～310 N；剪切破壞需要力為90～110 N，相比于彎曲破壞力有所減小，但是破壞的缽盤同樣不完整，滿足不了移栽要求；相比于以上3 種破壞，滑切破壞所需的力僅為40～50 N，而且切割缽盤完整，合格率高，故采用滑切的方式進(jìn)行玉米秧盤的分割。

圖8 切苗機(jī)構(gòu)Fig.8 Cutting mechanism

如圖8 所示，切苗機(jī)構(gòu)由電動推桿、驅(qū)動電機(jī)、鋸齒式圓盤切割刀組成。切割方式直接影響缽育秧苗的切割狀態(tài)，圓盤式切割刀具有結(jié)構(gòu)簡單、工作性能穩(wěn)定、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，工作時平穩(wěn)且振動較小，切割徹底，可以保證切割質(zhì)量，根據(jù)前期分割試驗(yàn)的結(jié)果及在團(tuán)隊(duì)的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行切割理論分析。

由圖9 可知：

秧盤所受切割力：QX=TX+NX

秧盤所受夾持力：PY=TY-NY

摩擦角：

式中：R—圓盤切割刀直徑，mm；D—切割刀圓心至送苗軌道的距離，mm；d—二分之一秧盤寬度，mm；h—二分之一秧盤高度，mm；α—缽育秧盤與切割刀之間的摩擦角（°）。

通過文獻(xiàn)可知，當(dāng)α 取值在35 °～40 °時，切割效果最好，根據(jù)秧盤結(jié)構(gòu)及供苗軌道設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合實(shí)際工作情況取R 值100 mm。根據(jù)缽育秧盤的尺寸及切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求，將鋸齒式圓盤切割刀通過螺栓安裝在電機(jī)上，通過電機(jī)帶動進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滑切分割。

相比于其他可實(shí)現(xiàn)鋸齒式圓盤切割刀直線往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，電動推桿具有結(jié)構(gòu)簡單、便于調(diào)試，工作過程中無振動、無噪音等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理可看成永磁同步電動機(jī)，電機(jī)驅(qū)動，螺桿傳動。根據(jù)電機(jī)及鋸齒式圓盤刀的整體重量可知，G＜100 N，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推桿規(guī)格推薦表，選擇推力為150 N，速度60 mm·s-1，伸縮行程50 mm，工作電壓DC 24 V 的臥式電動推桿。結(jié)構(gòu)尺寸如圖10 所示。

圖9 切割受力分析Fig.9 Analysis of cutting force

圖10 電動推桿機(jī)構(gòu)Fig.10 Electric push-rod mechanism

3 生物質(zhì)缽育秧盤供切試驗(yàn)

供切苗機(jī)構(gòu)如圖11，所示根據(jù)玉米缽育移栽農(nóng)藝要求，通過對生物質(zhì)缽育秧盤的力學(xué)特性分析及分割試驗(yàn)，以缽盤切割效果及完整度為評價指標(biāo)，要求在滿足完全切割的前提下，破壞方式所需力最小，切割后的缽盤保持80%以上的完整度，缽盤分割后缽?fù)敛凰缮?，則認(rèn)為切割合格。缽盤切割質(zhì)量與鋸齒式圓盤切割刀的轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，對不同轉(zhuǎn)速下的分割情況進(jìn)行對比試驗(yàn)確定最佳轉(zhuǎn)速。

切割試驗(yàn)力及切割效果如圖12 所示，通過試驗(yàn)可知，滑切分割力最小僅為40～50 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他分割；鋸齒式圓盤切割刀轉(zhuǎn)速在255 r·min-1時切割力最小，缽盤的切割斷面平整且缽盤完整度大于85%。結(jié)合供苗機(jī)構(gòu)的間歇特性，缽苗分割速度達(dá)30 個·min-1，由于個別缽育秧盤的形態(tài)，僅有4%的秧盤在切割過程中出現(xiàn)散碎現(xiàn)象。

圖11 供切苗機(jī)構(gòu)Fig.11 Seedling feeding and cutting mechanism

圖12 試驗(yàn)力及切割效果Fig.12 Test force and cutting effect

4 結(jié)論

通過理論分析及試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)自動供送、切割的全自動玉米缽育栽植裝置的供切苗機(jī)構(gòu)，具體結(jié)果如下：

（1）根據(jù)玉米缽育秧苗供送要求，設(shè)計(jì)送苗軌道為的尺寸為50 mm×40 mm，通過摩擦磨損試驗(yàn)及缽育秧苗滑動試驗(yàn)測定秧盤與供苗軌道的摩擦系數(shù)在0.054～0.095 之間，供苗軌道最佳情傾斜角度為39 °。

（2）供苗機(jī)構(gòu)采用四二式電機(jī)帶動寬為37 mm，直徑為42 mm 的毛刷輪進(jìn)行缽盤供送，切苗機(jī)構(gòu)采用直徑為200 mm 的鋸齒式圓盤切割刀進(jìn)行滑切方式分割，最大分割力50 N；選用推力為150 N，速度60 mm·s-1，伸縮行程50 mm，工作電壓DC 24 V 的臥式電動推桿帶動切割機(jī)構(gòu)的水平移動。

（3）通過加工制作試驗(yàn)臺，進(jìn)行缽苗供送、切割試驗(yàn)，結(jié)果表明：切下的缽體斷面平整，缽體完整度大于85%，切缽速度達(dá)30 個·min-1，切割合格率達(dá)到96%，滿足移栽要求。該機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和工作可靠為全自動玉米缽育移栽機(jī)的研制奠定基礎(chǔ)。