摘要：目前使用的煙苗移栽機大部分為人工投苗的半自動移栽機。為提高移栽效率、降低農民勞動強度，設計一種煙苗移栽機自動取投苗裝置。利用軟件SolidWorks進行建模，對取投苗裝置進行整體設計。利用有限元軟件Workbench對機架進行強度計算和仿真，并對取投苗過程進行振動分析?；赟TM32單片機，設計驅動控制電路。該裝置采用間隔取苗、展開投苗的作業(yè)方式，可實現(xiàn)自動取苗、投苗。通過物理樣機的裝配和田間試驗，結果表明，平均取投苗成功率達到94.9%。為自動取投苗裝置的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術參考。

關鍵詞：煙苗；移栽機；取苗；投苗；氣缸；有限元分析

中圖分類號：S223.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0042?06

Design and experiment of seedling picking and feeding device for

tobacco seedling transplanting machine

Li Haoming1， Yang Yang1， Xu Wenbo2， 3， Dong Aohui1， Li Pengbo1， Yuan Zhihua1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002， China;

2. Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.， Ltd.， Zhengzhou， 450000， China;

3. ZRIME Gearing Technology Co.， Ltd.， Zhengzhou， 450052， China）

Abstract： Most of the tobacco seedling transplanters currently in use are semi?automatic transplanters that manually drop seedlings. In order to improve the efficiency of transplanting and reduce the labor intensity of farmers， a automatic seedling picking and feeding device for tobacco seedling transplanting machine is designed. SolidWorks software is used for modeling and overall design of the seedling picking and feeding device. The finite element software Workbench is used to calculate and simulate the strength of the frame， and conduct the vibration analysis on the process of picking and dropping seedlings. A driving control circuit is designed based on STM32 single chip microcomputer. This device adopts the operation method of interval seedling picking and unfolding seedling feeding， which can achieve automatic seedling picking and feeding. Through the assembly of physical prototypes and field experiments， the results show that the average success rate of seedling picking and feeding reaches 94.9%. This study can provide theoretical basis and technical reference for the research and development of automatic seedling picking and feeding devices.

Keywords： tobacco seedlings; transplanter; taking seedlings; seedling casting; cylinder; finite element analysis

0 引言

在煙草生產(chǎn)過程中，煙苗移栽是一個比較重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)[1]，直接關系煙苗成活率、生長發(fā)育和田間整齊度，影響煙葉的產(chǎn)量和質量。作物移栽主要有裸根苗移栽和缽體苗移栽兩種不同形式。穴盤苗屬于缽體苗的一種，因其便于存放運輸，苗株長勢勻稱，品質高，育苗過程機械化程度高，適合規(guī)?；a(chǎn)，穴盤苗移栽在作物移栽種植模式中應用多、發(fā)展廣[2]。隨著人民生活水平的提高、勞動力短缺問題的出現(xiàn)促使移栽技術的不斷進步，也逐步推動了煙草移栽機械的發(fā)展。目前使用的煙苗移栽機，大部分為人工投苗的半自動移栽機，由于移栽時需要人工取苗、投苗，導致勞動強度大、成本高、效率低[3， 4]而無法普及，耗時、費力、低效的傳統(tǒng)手工移栽作業(yè)仍然是當前我國農業(yè)種植的主要方式。一般國內移栽機的作業(yè)效率遠低于耕整、收獲等機械的作業(yè)效率，開發(fā)自動高效低成本的移栽機很有必要，也極為迫切。取投苗裝置作為全自動移栽機的關鍵部件，其對移栽機作業(yè)機械化水平的提高乃至現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展都具有重要的意義[5， 6]。

國內外學者對全自動移栽機取投苗裝置進行了廣泛的研究。國外移栽機主要分為兩類，以日本為代表的小型自動移栽機和以歐美為代表的大型自動移栽機[7]。小型自動移栽機自動化程度高、穩(wěn)定性好，但只適合小地塊移栽，不適合大田移栽。大型自動移栽機體積龐大、結構復雜，價格昂貴[8]，美國Agriplant全自動移栽機，該機通過取苗手從穴盤中成排取苗，生產(chǎn)效率可達2.5 hm2/d，但價格昂貴，后期維修不方便[9]。國內移栽機主要是半自動的，取苗大多是人工缽盤取苗。近年來國內學者對全自動取投苗裝置的研究越來越多[10， 11]，主要類型有夾莖式[12， 13]、夾缽式[14， 15]、頂出式[16， 17]等。目前市場上全自動蔬菜移栽機存在較多，但主要集中在番茄、辣椒等蔬菜上，例如沈陽農業(yè)大學研發(fā)的辣椒移栽機等[18]。煙草缽苗與以上蔬菜都不同，現(xiàn)有的機構難以滿足煙草缽苗的移栽。煙草育苗采用的是漂浮育苗方式，苗盤具有一定的特殊性，一般的蔬菜移栽機對煙苗不適用，全自動煙苗移栽機存在較少。全自動移栽機與半自動相比增加了自動取苗機構，因此設計合理的自動取投苗機構是移栽機自動化的必經(jīng)之路[19]。本文在半自動煙苗移栽機基礎上增加自動取投苗裝置，通過STM32控制無桿氣缸的移動，帶動夾爪完成取投苗，實現(xiàn)間隔取苗、展開投苗的自動取投苗作業(yè)方式。該過程代替了人工取投苗動作，解決勞動強度高、工作效率低、人工取投煙苗的移栽過程。

1 取投苗裝置整體結構及工作原理

1.1 整體結構

取投苗裝置主要由龍門架機架、無桿氣缸機構、分苗機構三部分組成，如圖1所示。龍門架機架是整體機架，無桿氣缸由滑塊、導軌、支撐架組成，分苗機構安裝在無桿氣缸上，由氣缸、夾爪、滑軌組成。

1.2 工作原理

取投苗裝置是將送來的煙苗夾出，然后投入到苗杯中。隨后栽植機構逐個將煙苗栽植到土地中，完成煙苗的移栽作業(yè)。在煙苗移栽過程中，取投苗裝置的移位氣缸活塞桿推出，帶動夾爪移動到取苗位置，升降氣缸活塞桿推出帶動夾爪下降夾住缽苗。升降氣缸活塞桿和移位氣缸活塞桿收縮，帶動夾爪移動到投苗位置。帶苗夾爪移動的同時，分苗氣缸活塞桿伸出分散夾爪，然后夾爪打開將缽苗投放到對應的苗杯中，完成一次取投苗動作。

為了提高取苗效率，該裝置設計的是一次取4個缽苗，相鄰2個苗穴之間的距離比較小，夾爪夾取相鄰缽苗容易產(chǎn)生干涉，因此需要采取間隔取苗的方法。苗盤采用的是136（17×8）穴苗盤，苗穴均勻分布，每個苗穴內徑為30 mm×30 mm，相鄰穴中心距為40 mm。該苗盤為白色苗盤，不可彎曲。這種苗盤通常是由高分子原料制成的，具有較高的耐磨性和耐腐蝕性，不易變形，可以反復使用。育苗盤示意圖如圖2所示。

每行有8個缽苗，每次間隔取4個，分兩次完成，如圖3所示，根據(jù)氣動元件的時序條件，通過keil軟件編寫程序，載入單片機中，通過程序來控制氣動元件的動作，氣泵作為氣源，為氣動元件提供動力。通過控制器給予電磁閥信號控制氣動設備的動作。在第1行缽苗取完之后，送苗機構移動，將苗盤向前移動1格，開始第2行缽苗的夾取動作，以此類推，完成缽苗的取苗動作。

投苗點在苗杯的正上方，如圖4所示，此時夾爪之間的距離等于相鄰兩個苗杯之間的中心距。苗杯上設置有傳感器，缽苗移動到苗杯正上方，傳感器信號傳入單片機中，單片機反饋給電磁閥信號，控制氣動夾爪打開，將缽苗投入鏈式輸苗機構的苗杯中，完成投苗動作。

鏈式輸苗機構通過鏈傳動將苗杯中的缽苗逐個投入到栽植機構中，再由栽植機構將缽苗移栽至土壤中。煙苗移栽機取投苗裝置的流程如圖5所示。

2 關鍵部件設計

2.1 分苗機構設計

分苗機構主要由分苗機架、滑軌、夾爪、氣缸、滑塊等組成，如圖6所示?；壣嫌?個滑塊，每個滑塊上均連接氣動夾爪?；瑝K穿在兩根平行的滑軌上，滑塊可以保持穩(wěn)定不會發(fā)生轉動，氣缸帶動滑塊的運動來控制夾爪的移動。限位連接件限制兩個夾爪之間的最大和最小距離。經(jīng)測量，兩個苗杯之間的距離為124 mm，間隔一格苗穴的兩個苗穴距離為80 mm，即兩個夾爪之間的距離范圍，取苗時，兩個夾爪之間的距離為80 mm，投苗時，兩個夾爪之間的距離為124 mm。

2.2 取投苗裝置機架設計和氣缸選型

取投苗裝置需要和送苗機構配合，完成自動送苗、取苗、投苗。如圖7所示為送苗機構和取投苗裝置的配合示意圖。

為了和送苗裝置配合，根據(jù)送苗裝置的幾何參數(shù)，龍門架長度設計為1 540 mm，龍門架寬度設計為270 mm，高度設計為509 mm。

氣動元件主要由三個方向的氣缸、夾爪和伸縮氣缸組成。Y向氣缸承載X、Z向氣缸以及分苗機構的重量，X向氣缸承載Z向氣缸和分苗機構的重量，Z向氣缸承載分苗機構的重量，伸縮氣缸推動滑塊完成分距動作。X向氣缸行程取決于取投苗裝置從苗盤取苗到苗杯上方投苗的距離，經(jīng)測量為1 100 mm，Y向氣缸的行程取決于一格苗穴的距離，為40 mm，即夾爪夾取下一行苗需要前進的距離，Z向氣缸拔出缽苗后，一方面夾取的缽苗Z向上升時避免干涉其它缽苗，另一方面夾取的缽苗需要在苗杯的上方才能完成投苗，Z向氣缸行程設計為75 mm。

根據(jù)氣缸的所需行程和負載選擇氣缸的型號，X向氣缸型號為RMT25-750，缸徑為25 mm，二層氣缸型號為RMT16-38，缸徑為16 mm，Y向氣缸型號為RMT32-100，缸徑為32 mm，Z向氣缸型號為TN10-75，缸徑為10 mm，氣泵為氣動裝置供氣。根據(jù)每個氣缸的用氣量，得出總的耗氣量，進而確定氣泵型號。氣動元件的工作壓力0.4 MPa，完成一個行程的時間為1 s，最大耗氣量是氣缸以最大速度運動時所需要的空氣流量，計算如式（1）所示。

[qr=0.0462D2×um（p+0.102）] （1）

式中： D——缸徑，cm；

p——使用的壓力，Pa；

qr——最大耗氣量，L/min；

um——最大速度，mm/s。

根據(jù)式（1）計算出每個氣缸的最大耗氣量，每個氣缸的耗氣量以及相關參數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，7個氣缸總的最大耗氣量為209.85 L/min，因此選擇排氣量為0.21 m3/min的氣泵。

2.3 驅動控制電路設計

使用STM32單片機作為核心部件，載入程序來控制電磁閥的信號以此來控制氣缸的移動。STM32板給予電磁閥的信號，電磁閥控制氣動裝置[20]。所使用的STM32板的輸入輸出電壓是5 VDC，電磁閥的信號輸入輸出電壓為24 VDC，因此不能使用STM32板直接控制電磁閥，需要利用繼電器作為中介，選擇輸入端為3～32 VDC，輸出端為5～200 VDC。STM32板連接在繼電器的輸入端，電磁閥連接在繼電器的輸出端，由此通過繼電器作為中介，使得單片機來控制電磁閥實現(xiàn)氣動裝置的動作。單片機使用5 V電源供電，固態(tài)繼電器使用24 V電源供電。

3 有限元模擬與分析

3.1 機架強度分析

利用SoildWorks軟件對機架進行三維建模，然后導入到Workbench中進行仿真分析。這里只分析機架，氣缸和分苗機構用相應的力代替。由圖8可知，最大應力為6.88 MPa。所用鋼材的許用應力為150 MPa，結果表示機架滿足強度要求。符合設計要求。

3.2 機架振動分析

隨機振動分析也稱為功率譜密度分析，是一種基于概率統(tǒng)計學理論的譜分析技術。由于時間歷程的不確定性，這種情況不能選擇瞬態(tài)分析進行模擬計算，于是從概率統(tǒng)計學角度出發(fā)，將時間歷程的統(tǒng)計樣本轉變?yōu)楣β首V密度函數(shù)（PSD），隨機載荷時間歷程的統(tǒng)計響應，然后在功率譜密度函數(shù)的基礎上進行隨機振動分析，得到響應的概率統(tǒng)計值。隨機振動環(huán)境上主要包括運輸振動和飛行振動，振動可能會引起組件和零件的機械磨損[21]。

取投苗裝置需要在田地里面工作，在進行移栽作業(yè)時，避免不了振動問題，利用Workbench分析隨機振動對裝置造成的效果是否會對取苗產(chǎn)生較大的誤差偏移。

如圖9所示，添加隨機頻率，得到PSD加速度，使模型產(chǎn)生隨機振動模擬，得出結果如圖10所示，結果顯示夾爪偏差最大為0.016 mm，該偏差在允許范圍內，符合設計要求。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗條件與方法

4.1.1 試驗設備及材料

試驗設備：試驗樣機；氣泵1臺；量程150 mm的游標卡尺1個；烘干機；電子秤；電子萬能試驗機；煙苗取投苗裝置，工作氣壓為0.4 MPa。

試驗材料為煙草缽苗（苗期為50天），苗盤規(guī)格為136（17×8）穴的苗盤。煙苗的物理特性在實驗室測量，田間試驗在學校試驗田進行。

4.1.2 煙草缽苗的物理特性

如圖11所示為生長期50天的煙苗。用稱重法測得煙苗基質的含水率，最低含水率為42%，最高含水率為72%。用游標卡尺和卷尺測量缽苗的直徑和高度，測得煙苗的最大直徑為5.5 mm，最小直徑為4.3 mm，最大高度為17 mm，最小高度為14 mm。

用電子萬能試驗機測量煙苗的拔取力。測量煙苗的基質含水率平均值、高度平均值、直徑及拔取力平均值如表2所示。

4.1.3 田間試驗

移栽過程中準確地取投苗是確保移栽成功的重要因素，因此以取投苗成功率為試驗指標來驗證煙草缽苗取投苗裝置的可行性。根據(jù)育苗盤規(guī)格，每次取苗裝置夾取4個缽苗為理想狀態(tài)，每次夾取的缽苗全部投入苗杯中為理想狀態(tài)。取投苗成功率[10]計算如式（2）所示。

[x=（m-a）（m-b）m2×100%] （2）

式中： a——漏取數(shù)，株；

b——漏投數(shù)，株；

m——總株數(shù)，株；

x——取投苗成功率，%。

使用136穴育苗盤進行送苗，通過煙草缽苗取投苗裝置進行試驗，共進行10組，每組為一整個苗盤，共136株缽苗。由于在育苗過程中受到各種因素的影響，導致個別煙苗壞死的情況，該類煙苗不算入試驗對象。試驗樣機如圖12所示。

4.2 結果分析

試驗結果如表3所示。試驗中，通過單片機對電磁閥的控制，實現(xiàn)取投苗裝置的移動。在10組試驗中，總的漏取數(shù)為45株，總的漏投數(shù)為25株。取投苗成功率平均值達到94.9%。根據(jù)設計要求，取投苗成功率應達到90%以上，因此該裝置滿足要求。夾取煙苗時，正常狀態(tài)是夾取莖稈部分，由于煙苗的生長具有一定的隨機性，部分試驗煙苗枝葉過于緊湊，缽苗枝葉相互纏繞，夾爪夾取到相鄰缽苗上的枝葉，一定程度上影響了取投苗成功率。若在育苗過程中使煙苗規(guī)范統(tǒng)一生長在苗穴的正中央，取投苗成功率會得到提升。

5 結論

1） 為提高移栽效率，降低農民勞動強度，設計一種煙苗移栽機自動取投苗裝置，該裝置主要由機架、無桿氣缸機構、分苗機構組成。采用間隔取苗、展開投苗的自動取投苗作業(yè)方式，可實現(xiàn)煙苗的自動取苗、投苗。

2） 利用有限元軟件，對機架進行強度計算和仿真，并對取投苗過程進行振動分析。夾爪偏差最大為0.016 mm，不影響取苗效果。

3） 搭建單片機控制系統(tǒng)，制作試驗樣機，進行田間試驗。田間試驗結果表明：在栽植株距穩(wěn)定情況下，測得10組缽苗平均取投苗率為94.9%。

4） 相比于人工取投苗，該裝置不僅提高工作效率，也很大程度上提高取投苗成功率，試驗結果表明，該裝置滿足煙苗移栽機的自動取投苗要求，驗證設計的合理性，為全自動智能移栽機的設計和研發(fā)提供理論和技術參考。

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