李 瑾 ， 趙美卿 ， 張 燕

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，山西 陽泉 045000；2.東關(guān)小學(xué)，山西 呂梁 033000）

很多植物的栽培過程中都用到了移栽機(jī)[1-2]，在種植灌木的過程中，需要將已經(jīng)培育好的幼苗移栽到大田里以提高生產(chǎn)率[3-4]。針對(duì)移栽作業(yè)費(fèi)工、費(fèi)事的問題[5]，已有研究設(shè)計(jì)出了專用灌木幼苗移栽樣機(jī)，該機(jī)器可取代大部分人工作業(yè)，但其人機(jī)工效需進(jìn)一步提升。基于此，課題組在灌木幼苗移栽機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了抓送苗機(jī)構(gòu)以提升人機(jī)效率。

1 抓送苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

目前，已有的灌木幼苗移栽機(jī)主要由開溝機(jī)構(gòu)、種苗機(jī)構(gòu)、覆土機(jī)構(gòu)組成。隨著移栽機(jī)的發(fā)展，開溝機(jī)構(gòu)能夠在移栽機(jī)底部的田地上開出適宜深度與間距的種苗溝。滾動(dòng)式種苗機(jī)構(gòu)主要由滾筒上若干圈可開閉的鏈夾構(gòu)成，滾筒隨移栽機(jī)移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒上的鏈夾運(yùn)動(dòng)到滾筒頂部時(shí)張開，接收幼苗后夾緊，設(shè)計(jì)鏈夾運(yùn)動(dòng)到滾筒最底部時(shí)，在滾筒切線方向上鏈夾與地面相對(duì)等速，此時(shí)鏈夾將幼苗無損送入種苗溝中，同時(shí)覆土機(jī)構(gòu)進(jìn)行覆土將幼苗固定，完成移栽過程。由于灌木幼苗長度小，滾筒上的鏈夾在種苗時(shí)需貼近地表，受其質(zhì)量及動(dòng)力限制，滾筒直徑不能過大，導(dǎo)致滾筒頂部鏈夾張開接收幼苗的位置不高。若使用人工送苗，為達(dá)到幼苗移栽小行距、高密度及無漏栽的要求，需要人工長時(shí)間彎腰持續(xù)將幼苗放入鏈夾內(nèi)以保證夾緊幼苗，導(dǎo)致人工勞動(dòng)強(qiáng)度大?；诖?，課題組在種苗機(jī)構(gòu)上方設(shè)計(jì)了自動(dòng)抓送苗機(jī)構(gòu)以提升送苗效率、減輕人員的身體勞損。

常用的取苗方式主要有頂出夾取式、插入夾取式、氣吹式等[3]，本自動(dòng)抓送苗機(jī)構(gòu)屬于插入夾取式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)構(gòu)包含若干個(gè)共軸的抓苗架，與下方的種苗機(jī)構(gòu)鏈夾圈一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)抓苗架上等間距安裝有4個(gè)幼苗握爪，幼苗握爪接近前上方的放苗筒時(shí)張開，放苗筒中人工已插入分揀好的幼苗，握爪通過放苗筒后閉合以抓取幼苗根部，握爪的內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)成張拉有彈性支撐層的凹槽以避免傷害幼苗根部，握爪在運(yùn)動(dòng)到下方種苗機(jī)構(gòu)滾筒上的鏈夾時(shí)再次張開，將幼苗上部投遞給鏈夾后夾緊，完成一次抓送苗動(dòng)作。在抓苗架的中心安裝凸輪以精確控制握爪開合，抓苗架的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 移栽機(jī)抓送苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖2 抓苗架結(jié)構(gòu)簡圖

圖2中位于中心的凸輪為固定件，握爪架繞凸輪軸心順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪推動(dòng)握爪后部的滾子推桿運(yùn)動(dòng)，利用彈簧構(gòu)成力封閉機(jī)構(gòu)使推桿滾子與凸輪保持接觸，推桿另一端驅(qū)動(dòng)滑槽使握爪開合。如圖1所示，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期，握爪需要開合兩次，分別為從放苗筒取苗及將幼苗放入鏈夾中，兩個(gè)開合位置對(duì)應(yīng)的凸輪行程具有約90°相位差。設(shè)凸輪的推程為S，握爪的張開尺寸為A，握爪手指轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸與凸輪推桿間的偏距為D，握爪手指長度為L。當(dāng)握爪閉合時(shí)，S與A都為0，設(shè)此時(shí)握爪滑槽與推桿之間夾角為α，則A與S之間的關(guān)系如式（1）所示。

2 B樣條曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律

常用的凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要有三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律[6]和多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律[7]。三角函數(shù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不易實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)任意多行程控制點(diǎn)，多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，單段多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線的次數(shù)隨著凸輪行程控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)而變化。為適應(yīng)握爪運(yùn)動(dòng)對(duì)凸輪行程多控制點(diǎn)的需求，不采用計(jì)算復(fù)雜、難以加工的高次多項(xiàng)式曲線，而采用由低次多項(xiàng)式順滑連接而成的B樣條曲線[8]。由于凸輪推動(dòng)握爪開合運(yùn)動(dòng)為低速輕載工況，因此采用三次B樣條曲線即可滿足設(shè)計(jì)需求，可利用數(shù)控編程加工以保證曲線軌跡的準(zhǔn)確性[9]。

三次B樣條曲線方程的基本表達(dá)式如式（2）所示。

式中，Pi是控制點(diǎn)，Ni,k(t)是第i個(gè)三次基函數(shù)。用于凸輪設(shè)計(jì)的B樣條曲線應(yīng)當(dāng)具有二階連續(xù)性，因此對(duì)于任意兩段連續(xù)曲線的五個(gè)控制點(diǎn)Pj、Pj+1、Pj+2、Pj+3、Pj+4，需滿足式（3）。

由式（3）可得曲線參數(shù)需滿足式（4）。

由于樣條曲線并不一定經(jīng)過控制點(diǎn)，為使凸輪行程規(guī)律滿足關(guān)鍵控制點(diǎn)要求，設(shè)第i段三次B樣條曲線4個(gè)控制點(diǎn)Pi、Pi+1、Pi+2、Pi+3中，控制點(diǎn)Pi、Pi+1、Pi+2三點(diǎn)共線且Pi+1為線段中點(diǎn)時(shí)，曲線經(jīng)過點(diǎn)Pi+1，可得式（5）。

求解式（4）和式（5），可得曲線參數(shù)，得到第i段3次B樣條曲線方程如式（6）所示。

3 凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律

用B樣條曲線求得的是以直角坐標(biāo)系表示的凸輪行程，凸輪行程與凸輪基圓半徑相加后用極坐標(biāo)形式表達(dá)即可得到凸輪理論廓線，可求解得凸輪理論廓線的曲率半徑如式（7）所示[10]。為避免凸輪實(shí)際廓線出現(xiàn)尖點(diǎn)現(xiàn)象及失真現(xiàn)象，凸輪理論廓線的曲率半徑應(yīng)該大于滾子半徑，即滿足式（8）。

要求凸輪輪廓控制握爪抓苗時(shí)到達(dá)放苗筒下方合適位置后迅速夾緊幼苗，送苗時(shí)到達(dá)張開的鏈夾上方合適位置后迅速打開放苗。因此采用實(shí)驗(yàn)的方法確定在抓放苗過程中握爪開合時(shí)機(jī)的關(guān)鍵位置及幅度D，代入式（1）計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的凸輪行程運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵控制點(diǎn)。由式（5）可知，需要重復(fù)關(guān)鍵控制點(diǎn)或在關(guān)鍵控制點(diǎn)前后增加輔助控制點(diǎn)以約束樣條曲線。將所有控制點(diǎn)代入式（6）并通過式（7）和式（8）進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證不通過則合理修改輔助控制點(diǎn)，最終得到合適的凸輪行程運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖3（a）所示。將理論廓線導(dǎo)入制圖軟件，向內(nèi)偏置滾子半徑值得到凸輪的實(shí)際廓線，如圖3（b）所示，可見凸輪并未出現(xiàn)尖點(diǎn)和失真現(xiàn)象，達(dá)到了柔順性要求。

圖3 凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律

4 結(jié)論

灌木幼苗移栽機(jī)的抓送苗機(jī)構(gòu)可以顯著減少用工人數(shù)、提升灌木幼苗移栽效率。抓送苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心在于握爪及凸輪設(shè)計(jì)，握爪指內(nèi)側(cè)使用柔性覆蓋物以避免傷苗，在凸輪的設(shè)計(jì)過程中，采用3次B樣條曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)確定關(guān)鍵控制點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)精確控制握爪開合時(shí)機(jī)，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。