夏旭東 王 健 周喬君 周 赟 周彬松 陳建能

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，杭州 310018；2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，杭州 310018)

0 引言

育秧是水稻機(jī)械化栽植的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)施水稻機(jī)械插秧的前提[1]，目前已有集秧盤供送、鋪基質(zhì)、播種、覆表土、淋灑水、取疊盤等多環(huán)節(jié)為一體的水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線[2-3]。將播種后的秧盤運(yùn)至田間進(jìn)行鋪盤育秧的工作，主要通過人工完成，其勞動強(qiáng)度大、效率低[4-5]。為全面提高工廠化水稻育秧全程機(jī)械化水平，急需一種結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠且適用性廣的自動鋪盤裝置。

國外關(guān)于自動鋪盤裝置的研究起步較早，主要集中在播種流水線供盤上。農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度較高的日本也公開了供盤疊盤的相關(guān)專利，例如久保田的苗箱堆垛機(jī)器、鈴木鍛工公司的育苗箱自動供給裝置、井關(guān)農(nóng)機(jī)公司的苗箱堆集裝置和洋馬農(nóng)機(jī)公司的箱體裝載裝置等[6-11]，采用鏈條升降方式，能較好地對秧盤進(jìn)行逐一堆疊。韓國OH[12]研發(fā)了一種育苗盤播種線，該播種線配套的自動供盤裝置通過連桿機(jī)構(gòu)控制左右對稱布置的撥耳，從而實(shí)現(xiàn)對整垛秧盤的逐一分離。

近幾年，國內(nèi)對自動疊盤、鋪盤設(shè)備也進(jìn)行了相關(guān)研究。馬旭等[13-15]研究了采用電控舵機(jī)、升降氣缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水稻秧盤育秧播種流水線的軟硬盤自動供盤疊放裝置；馬靜龍等[16]研究了關(guān)節(jié)型機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)了育秧大棚的自動擺盤；謝連雙[17]研制了水稻植質(zhì)缽育育秧盤擺放機(jī)，采用傳送帶配合電動桿推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)了大棚中秧田擺盤；劉海彬等[18-19]研制了一種氣吸式育苗穴盤自動擺放機(jī)；張秀花等[20]研制了一種關(guān)節(jié)式蔬菜育苗穴盤播后自動擺放機(jī)；CHIU等[21-22]研制了一種田間自走式自動托盤裝載/卸載機(jī)器。江蘇永康實(shí)業(yè)有限公司研制的育秧機(jī)，將播種流水線集成在履帶底盤上，可實(shí)現(xiàn)在秧田上行走，最后通過傳送帶將播種好的秧盤直接鋪至田間。上述產(chǎn)品只適合花卉或蔬菜軟盤的供盤、疊盤成垛，在整個育秧過程中需不斷提供育秧土，這需要大量人工參與，已有研究成果采用機(jī)械手方案成本過高，采用傳送帶方式結(jié)構(gòu)龐大，在大棚中周轉(zhuǎn)不便。

針對國內(nèi)田間鋪盤裝置自動化程度低、主要依靠人工進(jìn)行逐一鋪盤的問題，本文設(shè)計對稱布置雙凸輪控制的有序鋪盤機(jī)構(gòu)，通過雙凸輪驅(qū)動以實(shí)現(xiàn)逐一有序地自動鋪盤。

1 雙凸輪控制的自動鋪盤機(jī)構(gòu)

1.1 鋪盤農(nóng)藝要求及方案

如圖1a所示，水稻種子在秧盤(長×寬×高：600 mm×300 mm×35 mm)中播種完成后是呈成摞堆疊狀態(tài)，需到溫室大棚或秧田中有序逐個鋪好進(jìn)行育秧煉苗(如圖1b所示)；根據(jù)溫室大棚的結(jié)構(gòu)布局，采用桁架式鋪盤小車方案，由鋪盤小車將成摞的秧盤依次有序并且按照一定的間隔放入秧田。通過控制系統(tǒng)設(shè)計，鋪盤流程如下：桁架上移動式鋪盤小車實(shí)現(xiàn)每一行秧盤的定位與下落，鋪盤時第1步先將成摞秧盤中最底下秧盤分離出下落入田，第2步將余下整摞秧盤下降一層秧盤的高度；如此循環(huán)，完成每行鋪盤工作后，再驅(qū)動自走式桁架移動至下一行，依次完成整個秧田的鋪盤作業(yè)。因此，鋪盤小車是鋪盤機(jī)的核心部件，要完成的動作要求是實(shí)現(xiàn)對成摞的秧盤從下往上逐個取出并有序落入秧田，而且下落振動不能過大，以免引起稻種跳出秧盤，直接影響育秧質(zhì)量。

1.2 鋪盤機(jī)構(gòu)工作原理

雙凸輪控制鋪盤機(jī)構(gòu)在對一摞秧盤進(jìn)行逐一鋪盤過程中包含4個動作，依次是托盤、卡盤、放盤和再回托，具體動作流程如圖2所示。圖2a所示為鋪盤機(jī)構(gòu)的托盤狀態(tài)，為放盤過程的初始狀態(tài)，此刻凸輪Ⅰ處于近休止點(diǎn)，這時卡爪縮在鈑金罩殼內(nèi)，不對秧盤產(chǎn)生任何約束；凸輪Ⅱ處于遠(yuǎn)休止點(diǎn)，使得擺動桿處于最大擺角處，約束住一摞秧盤最底部使其不下落。隨著軸Ⅰ順時針旋轉(zhuǎn)一定角度，處在如圖2b所示的卡盤開始動作，此刻凸輪Ⅰ處在推程運(yùn)動，迫使卡爪逐漸伸出鈑金罩殼，卡住倒數(shù)第2個秧盤；此時凸輪Ⅱ仍處在遠(yuǎn)休止?fàn)顟B(tài)，繼續(xù)托住最下面的秧盤。軸Ⅰ再順時針轉(zhuǎn)過一定角度，凸輪Ⅰ、Ⅱ處在如圖2c所示的位置時，凸輪Ⅰ頂著卡爪，使其完全卡在兩個疊摞秧盤的間隙內(nèi)，阻止倒數(shù)第2個秧盤下落；此時凸輪Ⅱ逐漸回程并到達(dá)近休止點(diǎn)，擺動桿失去對最下面秧盤的約束，秧盤下落入田，放盤動作完成。

當(dāng)軸Ⅰ繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)到如圖2d所示，凸輪Ⅰ開始回程，卡爪逐漸縮回鈑金罩殼內(nèi)；此時凸輪Ⅱ已經(jīng)進(jìn)入推程階段，擺動桿開始回擺，將卡盤時約束住的秧盤重新托住，實(shí)現(xiàn)每次只放一個秧盤。轉(zhuǎn)軸Ⅰ順時針從圖2a到圖2d旋轉(zhuǎn)了360°，依次完成鋪盤的4個動作。由于機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)速度不高，同時每次疊摞的秧盤質(zhì)量達(dá)35 kg左右，相較于鋪盤機(jī)構(gòu)的尺寸而言已是重負(fù)載，并且落盤時要求平穩(wěn)。因此，從動件的運(yùn)動規(guī)律采用適用于一般中低速重載情況的具有柔性沖擊的余弦加速度運(yùn)動規(guī)律；故根據(jù)以上機(jī)構(gòu)工作原理分析，可得到托盤與放盤控制凸輪在轉(zhuǎn)動一圈過程中與其相對應(yīng)從動件之間運(yùn)動時序圖，如圖3所示。

2 鋪盤機(jī)構(gòu)計算模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 凸輪輪廓曲線數(shù)學(xué)模型

傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計方法有圖解法和解析法。圖解法簡單、直觀，但設(shè)計精度不高；解析法設(shè)計精度高，通常編寫計算機(jī)程序進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計[23]，便于機(jī)構(gòu)優(yōu)化，因此本文采用解析法進(jìn)行凸輪輪廓曲線設(shè)計。

凸輪Ⅰ和卡爪構(gòu)成等寬凸輪機(jī)構(gòu)，已知凸輪Ⅰ的基圓半徑R1、最大升程hmax以及推程角、遠(yuǎn)休止角、回程角、近休止角，可計算出凸輪Ⅰ輪廓曲線在直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)(x1,y1)與凸輪轉(zhuǎn)角δ之間關(guān)系的方程式

x1(δ)=(r0+sδ)sinδ+vδcosδ

(1)

y1(δ)=(r0+sδ)cosδ+vδsinδ

(2)

式中r0——凸輪基圓半徑，mm

sδ——凸輪行程，mmvδ——速度，m/s

托盤過程(0～δ1)運(yùn)動參數(shù)為

(3)

式中 φmax——凸輪Ⅱ最大擺角

開始卡盤(δ1～δ2)運(yùn)動參數(shù)為

(4)

放盤過程(δ2～δ3)運(yùn)動參數(shù)為

(5)

式中 φ0——初始擺動角,(°)

回托過程(δ3～δ4)運(yùn)動參數(shù)為

(6)

托盤過程(δ4～2π)運(yùn)動參數(shù)為

(7)

同理，凸輪Ⅱ和擺動桿構(gòu)成擺動凸輪機(jī)構(gòu)，在已知凸輪Ⅱ的基圓半徑R2、最大擺動角φmax、鉸鏈中心距L、擺桿長度l、滾子半徑r以及推程角、遠(yuǎn)休止角、回程角、近休止角，可得凸輪Ⅱ的輪廓曲線直角坐標(biāo)系下實(shí)際輪廓坐標(biāo)(x2,y2)與轉(zhuǎn)角δ的方程式

(8)

x′2(φ)=Lsinδ-lsin(φmax+φ0+φ)

(9)

y′2(φ)=Lcosδ-lcos(φmax+φ0+φ)

(10)

式中 φ——凸輪行程參數(shù),(°)

實(shí)際輪廓線

x2(δ)=x′2(δ)+

(11)

y2(δ)=y′2(δ)+

(12)

在利用公式求解輪廓曲線方程時需要先求解上述表達(dá)式中相關(guān)運(yùn)動學(xué)參數(shù)s(mm)(φ(°))和v(m/s)(ω(rad/s))，在求解相關(guān)運(yùn)動學(xué)參數(shù)時，需要結(jié)合選定的從動件簡諧運(yùn)動規(guī)律方程[19]和對應(yīng)的運(yùn)動時序圖(圖3)進(jìn)行計算。

將計算出的運(yùn)動學(xué)參數(shù)代入凸輪Ⅰ和凸輪Ⅱ在直角坐標(biāo)系下的輪廓曲線方程，可得到一系列坐標(biāo)值，分別用矩陣[X1Y1]和矩陣[X2Y2]表示為

(13)

(14)

根據(jù)本文中鋪盤機(jī)構(gòu)的放盤原理，可知雙凸輪控制鋪盤機(jī)構(gòu)是由凸輪Ⅰ和凸輪Ⅱ在同一坐標(biāo)系下疊加起來的，因此需要把式(13)、(14)得到的兩種凸輪輪廓曲線組合放在同一坐標(biāo)系下，用矩陣表示為

(15)

最后將上述得到的矩陣進(jìn)行樣條曲線擬合，即可得如圖4所示的一組組合凸輪的平面圖。

2.2 參數(shù)化設(shè)計軟件

根據(jù)2.1節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型利用Matlab進(jìn)行編程，軟件設(shè)計結(jié)果界面如圖5所示，區(qū)域1、2為參數(shù)輸入?yún)^(qū)，用來輸入鋪盤機(jī)構(gòu)組合凸輪的初始參數(shù)值，在使用軟件設(shè)計之前需要輸入凸輪Ⅰ、Ⅱ的基圓半徑、最大擺動角，以及推程角、遠(yuǎn)休止角、回程角、近休止角等；區(qū)域3、4為圖形顯示區(qū)，其中區(qū)域3左側(cè)是鋪盤機(jī)構(gòu)的平面設(shè)計圖，右側(cè)是模擬放盤動作的動畫，通過動畫可以細(xì)微地觀察到放盤過程中每個階段是否達(dá)到設(shè)計要求；區(qū)域4是運(yùn)動學(xué)的相關(guān)曲線，其中區(qū)域4左側(cè)是凸輪Ⅱ與擺動桿構(gòu)成的擺動凸輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中的壓力角曲線，右側(cè)是凸輪Ⅰ、Ⅱ從動件運(yùn)動規(guī)律曲線，區(qū)域5是軟件界面的操作按鈕，依次按下“開始設(shè)計”、“動畫模擬”、“運(yùn)動分析”就能出現(xiàn)區(qū)域3、4的圖形顯示區(qū)內(nèi)容，最后點(diǎn)擊“清除退出”就會清除設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)并退出程序。

2.3 參數(shù)確定

結(jié)合2.1、2.2節(jié)對凸輪輪廓曲線的設(shè)計結(jié)果，進(jìn)一步確定鋪盤機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)，主要參數(shù)包括左右鈑金罩殼之間的距離、卡爪伸出長度、托板寬度、凸輪旋轉(zhuǎn)中心與鈑金殼壁距離以及擺動桿與托板之間夾角。以上各參數(shù)如圖6所示。

左右鈑金罩殼之間的空腔主要用于盛放秧盤，應(yīng)滿足

L2=L1+2ε

(16)

式中L1——秧盤寬度，mm

L2——左右鈑金殼之間的距離，mm

ε——一側(cè)鈑金罩殼與秧盤之間的間隙

ε一般取2～4 mm，L1=300 mm，因此L2=308 mm。

根據(jù)鋪盤機(jī)構(gòu)工作原理可得，在托板階段卡爪需要完全縮進(jìn)鈑金罩殼內(nèi)，那么卡爪伸出長度l1為

ε+λ≤l1≤hmax

(17)

式中λ——在卡爪完全伸出后，卡爪卡入秧盤的深度，一般取4～6 mm

根據(jù)圖6容易得到凸輪旋轉(zhuǎn)中心與鈑金罩殼壁距離

l3=l1+R1

(18)

式中R1——凸輪Ⅰ的基圓半徑，由最初設(shè)計參數(shù)確定

鋪盤機(jī)構(gòu)在最后落盤過程中，需要將托板下擺，使托板完全縮進(jìn)鈑金罩殼內(nèi)，那么托板寬度l2應(yīng)滿足

l2cosφmax=l3

(19)

托板在保持托盤階段，其整體處于水平狀態(tài)，結(jié)合圖6可以得到擺動桿與托板之間夾角ξ為

(20)

根據(jù)以上幾何關(guān)系，為使鋪盤小車盡可能降低自重，鋪盤機(jī)構(gòu)設(shè)計尺寸需在滿足運(yùn)動規(guī)律條件下盡可能小型化(控制基圓半徑)，通過鋪盤機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計軟件采用人工進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選，優(yōu)選過程依次輸入凸輪基圓半徑、行程及1.2節(jié)中時序圖的相關(guān)運(yùn)動規(guī)律參數(shù)，觀察推程最大壓力角是否小于30°，運(yùn)動規(guī)律曲線是否滿足時序要求，從而優(yōu)化得到一組較優(yōu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)：凸輪基圓半徑R1=15 mm，R2=16 mm，關(guān)鍵長度參數(shù)l1=15 mm，l2=40 mm，l3=30 mm。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)2.3節(jié)得到的機(jī)構(gòu)運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行鋪盤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖7a、7b所示，鋪盤裝置主要由電機(jī)、左右兩側(cè)放盤組件和驅(qū)動鏈條組成，疊摞的秧盤放在左右兩側(cè)鈑金罩殼圍成的框內(nèi)。其中鋪盤機(jī)構(gòu)是由同軸安裝兩種不同輪廓曲線的凸輪組成，并通過兩種凸輪動作上的時序配合，對上下嵌套、中間留有間隙的一摞秧盤，實(shí)現(xiàn)逐一放盤動作。

一側(cè)鋪盤機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)如圖7c所示，主要包含一體成型的鈑金罩殼，在其內(nèi)部平行安裝兩根軸，其中軸Ⅰ上固定兩種凸輪。凸輪Ⅰ和對應(yīng)的從動件卡爪構(gòu)成等寬凸輪機(jī)構(gòu)，隨著凸輪Ⅰ轉(zhuǎn)動，卡爪往復(fù)伸縮運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)卡盤動作。凸輪Ⅱ和對應(yīng)從動件擺動桿構(gòu)成擺動凸輪機(jī)構(gòu)，隨著凸輪Ⅱ轉(zhuǎn)動，擺動桿在一定角度擺動，同時迫使與擺動桿固定在同一軸上的托板也在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，以此實(shí)現(xiàn)托盤、放盤動作。驅(qū)動鏈條起到了兩側(cè)放盤組件的同步動作，鋪盤時不致秧盤側(cè)翻。

3 田間試驗

為測試鋪盤機(jī)的工作性能，對研制的全自動水稻秧盤擺放機(jī)樣機(jī)進(jìn)行田間鋪盤試驗。

3.1 鋪盤機(jī)樣機(jī)

結(jié)合溫室秧田的規(guī)模布局和鋪盤裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計了龍門桁架式秧盤擺放機(jī)(圖8)，桁架上的鋪盤小車如圖9所示。鋪盤裝置可在鋪盤小車中做升降運(yùn)動，適應(yīng)不同秧田高度的鋪盤要求，鋪盤小車在桁架上作橫向移動實(shí)現(xiàn)有序鋪盤，龍門桁架在溫室秧田的兩邊導(dǎo)軌上作縱向移動，對整個秧田進(jìn)行鋪盤作業(yè)。

3.2 正交試驗及結(jié)果

以鋪盤合格率為評價指標(biāo)，并以每次放盤高度、鋪盤機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速和鋪盤小車移動速度為影響因素，對鋪盤機(jī)自動鋪盤進(jìn)行三因素三水平正交試驗[24-25]。目的是在全自動鋪盤模式下，在保證高質(zhì)量鋪盤的前提下，調(diào)試出一組高效率鋪盤的運(yùn)行參數(shù)。定義鋪盤合格率為擺放合格的秧盤數(shù)占總放盤數(shù)百分比。

其中機(jī)器擺放秧盤合格判定標(biāo)準(zhǔn)是：秧盤有序落地后，缽苗盤中稻種未翻掉出來，兩個秧盤之間無搭盤現(xiàn)象，盤間距不大于35 mm，若有缽苗盤稻種振出穴孔直接視為不合格。

將鋪盤機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在500～600 r/min內(nèi)(經(jīng)初步試驗，該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，一摞秧盤可較好地下落，振動小、不會出現(xiàn)卡盤現(xiàn)象)，同時秧盤箱每次只放入每摞10個的秧盤，每組試驗的總鋪盤數(shù)為100個。每次試驗重復(fù)3次，記錄每次鋪盤合格的數(shù)目并計算對應(yīng)的合格率，取平均值。其中試驗因素水平如表1所示，其中放盤高度的選擇依據(jù)秧田整地規(guī)范(田面高低落差不超過30 mm[26])，以免小車與秧田發(fā)生干涉，取放盤高度最小值100 mm。正交試驗方案與結(jié)果如表2所示。

表1 試驗因素與水平

表2 鋪盤正交試驗設(shè)計與結(jié)果

3.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表2可以看出，因素A對于鋪盤合格率的影響較為顯著，主次順序為A、B、C，從優(yōu)水平知，因素A的優(yōu)水平是1，因素B的優(yōu)水平是3，因素C的優(yōu)水平是2，所以最優(yōu)組合是A1B3C2?？梢缘贸鲣伇P小車以50 mm/s速度在龍門桁架上移動，放盤機(jī)構(gòu)在距離地面約100 mm的放盤高度，以600 r/min電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行鋪盤，此時的自動鋪盤效果最好。

圖10所示為田間鋪盤試驗場景。對上述試驗結(jié)果進(jìn)行分析，在鋪盤的過程中，如果每次放盤的高度過高，那么下落的秧盤與地面接觸后會有一定反彈，這必然會將秧盤內(nèi)基質(zhì)土振掉出來，直接影響到鋪盤質(zhì)量；放盤高度過低，勢必讓秧盤箱升降行程變大，影響效率，而且秧田地面有起伏，鋪盤小車底部框架也有可能剮蹭地面，影響鋪盤。其次，鋪盤機(jī)構(gòu)和鋪盤小車之間速度匹配效果會影響到盤與盤之間的間距，在實(shí)際鋪盤過程中，希望縮小盤與盤之間的間距，讓一塊秧田上盡可能多鋪放秧盤，節(jié)約面積。

最后按照正交試驗所得最優(yōu)組合參數(shù)，進(jìn)行田間鋪盤試驗，得到鋪盤合格率為97.16%。在試驗過程中，通過計時得出鋪盤機(jī)在最優(yōu)組合參數(shù)下，對10個秧盤進(jìn)行連續(xù)鋪盤需要80 s，而每鋪放10個秧盤需要人工上盤，人工每次上盤需要15 s，并計入小車回位時間5 s，故可得鋪盤機(jī)工作效率為1 h鋪放360個秧盤。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)水稻育秧對秧田鋪盤的農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種雙凸輪控制的有序鋪盤機(jī)構(gòu)。對鋪盤機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模分析和設(shè)計，實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)中兩組凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動配合，從而完成對疊摞秧盤的托盤、卡盤、放盤和再回托4個工位動作，最終實(shí)現(xiàn)兩放盤爪同步托盤放盤，獲得田間有序的單一鋪盤效果。

(2)建立了雙凸輪控制的有序鋪盤機(jī)構(gòu)參數(shù)計算數(shù)學(xué)模型，編寫了輔助分析和設(shè)計軟件，優(yōu)選得到一組較優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù)：兩凸輪基圓半徑R1=15 mm、R2=16 mm，關(guān)鍵長度參數(shù)l1=15 mm，l2=40 mm，l3=30 mm。

(3)研制龍門桁架式鋪盤機(jī)，鋪盤裝置安裝于鋪盤小車內(nèi)實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動，并在龍門桁架上作橫向移動。為獲得較高鋪盤效率時的最佳參數(shù)組合，在保證鋪盤質(zhì)量前提下進(jìn)行了田間鋪盤試驗，獲得鋪盤機(jī)最佳參數(shù)組合為：鋪盤小車以速度50 mm/s在龍門桁架上移動，鋪盤機(jī)構(gòu)在距離地面約100 mm的放盤高度時，以600 r/min電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行鋪盤，此時鋪盤合格率達(dá)到97.16%，鋪盤效率達(dá)到360盤/h，滿足機(jī)械化田間鋪盤技術(shù)要求。