仙人球自动移栽机末端执行器的设计与试验.pdf

第 46 卷 第 2 期 Vol 46 No 2 2025 年 2 月 Feb 2025 中 国 农 机 化 学 报 Journal of Chinese Agricultural Mechanization DOI 10 13733 j jcam issn 2095 5553 2025 02 004 叶 海 平 郑 志 坚 仙 人 球 自 动 移 栽 机 末 端 执 行 器 的 设 计 与 试 验 J 中 国 农 机 化 学 报 2025 46 2 20 26 34 Ye Haiping Zheng Zhijian Design and experiment of end effector for cactus automatic transplanter J Journal of Chinese Agricultural Mechanization 2025 46 2 20 26 34 仙 人 球 自 动 移 栽 机 末 端 执 行 器 的 设 计 与 试 验 叶 海 平 1 郑 志 坚 2 1 漳 州 职 业 技 术 学 院 智 能 制 造 学 院 福 建 漳 州 363000 2 福 建 省 特 种 设 备 检 验 研 究 院 漳 州 分 院 福 建 漳 州 363000 摘 要 针 对 现 有 仙 人 球 疏 植 移 栽 设 备 的 取 苗 末 端 执 行 器 存 在 株 距 调 整 灵 活 性 差 自 动 化 程 度 低 移 栽 成 功 率 不 高 等 问 题 基 于 仙 人 球 的 物 理 特 性 和 移 栽 作 业 工 艺 要 求 设 计 一 种 株 距 可 动 态 调 整 的 取 苗 末 端 执 行 器 可 满 足 不 同 株 距 穴 盘 之 间 的 幼 苗 疏 植 移 栽 作 业 根 据 疏 植 移 栽 的 作 业 流 程 和 受 力 情 况 设 计 取 苗 末 端 执 行 器 的 整 体 结 构 分 析 计 算 确 定 各 关 键 部 件 的 尺 寸 参 数 应 用 UG 和 Adams 软 件 建 立 苗 钵 复 合 模 型 并 进 行 运 动 仿 真 试 验 以 移 栽 存 活 率 和 苗 钵 完 整 度 为 试 验 指 标 以 取 苗 针 倾 斜 角 取 苗 针 长 度 取 苗 针 插 入 速 度 取 苗 针 下 端 直 径 为 试 验 因 素 搭 建 仙 人 球 自 动 移 栽 机 取 投 苗 试 验 平 台 进 行 正 交 试 验 和 验 证 试 验 通 过 极 差 分 析 得 到 最 优 参 数 组 合 为 苗 针 倾 斜 角 19 取 苗 针 长 度 33 mm 取 苗 针 插 入 速 度 0 4 m s 取 苗 针 下 端 直 径 12 mm 移 栽 后 苗 钵 完 整 率 为 93 67 7 天 后 的 移 栽 成 活 率 为 91 83 取 苗 末 端 执 行 器 可 较 好 地 完 成 取 投 苗 作 业 关 键 词 仙 人 球 自 动 移 栽 机 末 端 执 行 器 疏 植 移 栽 运 动 仿 真 极 差 分 析 中 图 分 类 号 S223 99 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 2095 5553 2025 02 0020 08 Design and experiment of end effector for cactus automatic transplanter Ye Haiping 1 Zheng Zhijian 2 1 College of Intelligent Manufacturing Zhangzhou Institute of Technology Zhangzhou 363000 China 2 Zhangzhou Branch of Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute Zhangzhou 363000 China Abstract Aiming at the problems of poor flexibility in plant spacing adjustment low degree of automation and low success rate of transplanting in the end effector for picking seedlings of existing cactus sparse planting and transplanting equipment a seedling picking end effector with dynamically adjustable plant spacing was designed based on the physical characteristics of cactus and the technical requirements of transplantation process which could meet the needs of seedling sparse planting and transplanting operations between different plant spacing hole plates According to the operation process and stress situation of sparse planting and transplanting the overall structure of the seedling end effector was designed The size parameters of each key component were analyzed and calculated A composite model of seedling bowl was established in UG and Adams A moving simulation experiment was conducted The transplant survival rate and seedling bowl integrity were used as experimental indicators the inclination angle length insertion speed and lower diameter of the seedling needle were used as experimental factors The experimental platform was built to conduct orthogonal and validation experiments for the automatic transplanting machine of cactus balls The optimal parameter combination obtained through range analysis is the inclination angle of the seedling needle of 19 the length of the seedling needle of 33 mm the insertion speed of the seedling needle of 0 4 m s and the diameter of the lower end of the seedling needle of 12 mm After transplantation the seedling bowl integrity rate is 93 67 and the survival rate after 7 days is 91 83 The experimental results indicate that the end effector for picking seedlings can effectively complete seedling picking and dropping operations 收 稿 日 期 2023 年 9 月 14 日 修 回 日 期 2023 年 10 月 30 日 基 金 项 目 福 建 省 中 青 年 教 师 教 育 科 研 项 目 JAT210858 福 建 省 教 育 科 学 十 四 五 规 划 课 题 FJJKGZ23 115 漳 州 市 自 然 科 学 基 金 项 目 ZZ2024 J01 漳 州 职 业 技 术 学 院 校 级 科 研 课 题 zzykyk24006 第 一 作 者 叶 海 平 男 1982 年 生 福 建 龙 海 人 硕 士 副 教 授 研 究 方 向 为 农 业 机 械 和 自 动 控 制 等 E mail 44002326 qq com第 2 期 叶 海 平 等 仙 人 球 自 动 移 栽 机 末 端 执 行 器 的 设 计 与 试 验 Keywords cactus automatic transplanting machine end effector sparse planting and transplanting motion simulation range analysis 0 引 言 仙 人 球 造 型 奇 特 开 花 颜 色 鲜 艳 同 时 又 能 净 化 空 气 是 一 种 深 受 欢 迎 的 小 盆 栽 植 物 仙 人 球 采 用 穴 盘 育 苗 疏 植 移 栽 过 程 一 般 由 人 工 完 成 目 前 的 移 栽 设 备 存 在 自 动 化 程 度 低 作 业 效 率 低 下 取 投 苗 成 功 率 低 等 问 题 为 实 现 移 栽 的 自 动 化 提 高 移 栽 作 业 生 产 效 率 开 展 仙 人 球 自 动 移 栽 设 备 末 端 执 行 器 的 研 究 设 计 意 义 重 大 1 2 自 动 移 栽 机 是 将 苗 钵 从 小 的 穴 盘 移 栽 到 大 的 穴 盘 中 在 整 个 工 作 流 程 中 取 苗 末 端 执 行 器 与 苗 钵 直 接 接 触 完 成 取 苗 和 放 苗 动 作 是 自 动 移 栽 机 的 核 心 部 件 直 接 影 响 到 移 栽 工 作 3 国 内 外 针 对 自 动 移 栽 机 的 取 苗 末 端 执 行 器 开 展 了 大 量 研 究 4 5 美 国 德 国 和 日 本 等 国 家 的 钵 苗 自 动 移 栽 设 备 技 术 较 为 成 熟 均 研 制 出 大 量 适 合 本 国 农 业 的 全 自 动 移 栽 机 及 末 端 执 行 器 移 栽 的 研 究 对 象 主 要 为 农 作 物 水 果 和 蔬 菜 6 7 国 内 学 者 针 对 自 动 移 栽 机 和 末 端 执 行 器 也 开 展 了 大 量 研 究 工 作 8 9 段 宏 兵 等 10 针 对 目 前 国 内 马 铃 薯 组 培 苗 移 栽 的 移 栽 设 备 自 动 化 程 度 低 作 业 环 境 差 效 率 低 移 栽 成 活 率 不 高 等 问 题 研 发 试 制 了 一 种 马 铃 薯 组 培 苗 移 栽 吸 附 式 末 端 执 行 器 吸 附 式 末 端 执 行 器 依 靠 PLC 进 行 控 制 达 到 农 艺 工 艺 要 求 韩 豹 等 11 针 对 现 有 甘 蓝 取 苗 末 端 执 行 器 存 在 取 苗 针 间 距 固 定 灵 活 性 差 适 用 范 围 窄 等 问 题 设 计 了 一 种 插 入 针 间 距 可 调 的 针 式 取 苗 末 端 执 行 器 通 过 调 整 调 节 滑 块 和 针 座 在 支 架 上 的 位 置 实 现 取 苗 针 间 距 的 调 整 童 俊 华 等 12 针 对 针 式 末 端 执 行 器 夹 持 移 栽 后 穴 孔 内 基 质 残 留 较 多 的 问 题 设 计 了 一 种 指 铲 式 末 端 执 行 器 通 过 增 大 指 铲 与 苗 钵 基 质 的 接 触 面 积 可 剔 除 穴 孔 内 大 部 分 基 质 朱 兴 亮 等 13 针 对 国 内 现 有 茄 果 类 移 栽 机 自 动 化 程 度 低 效 率 低 下 等 问 题 设 计 了 一 种 茄 果 钵 苗 自 动 移 栽 机 满 足 了 新 疆 茄 果 类 蔬 菜 钵 苗 移 栽 需 求 王 超 等 14 针 对 蔬 菜 移 栽 机 取 苗 机 构 取 苗 频 率 低 的 问 题 设 计 了 一 种 气 动 下 压 式 高 速 取 苗 装 置 及 配 套 组 合 式 穴 盘 实 现 高 速 取 苗 作 业 经 过 查 阅 国 内 外 相 关 的 文 献 资 料 均 未 找 到 针 对 仙 人 球 的 全 自 动 移 栽 机 末 端 执 行 器 的 研 究 成 果 和 专 利 15 16 由 于 仙 人 球 穴 盘 苗 的 物 理 特 性 与 果 蔬 具 有 一 定 的 差 异 性 现 有 的 末 端 执 行 器 无 法 直 接 应 用 结 合 设 施 农 业 仙 人 球 移 栽 工 艺 设 计 一 种 株 距 可 调 的 仙 人 球 自 动 移 栽 机 取 苗 末 端 执 行 器 首 先 通 过 凸 轮 机 构 实 现 株 距 动 态 调 整 分 析 计 算 出 取 苗 末 端 执 行 器 的 结 构 尺 寸 然 后 运 用 软 件 进 行 取 苗 末 端 执 行 器 的 运 动 仿 真 最 后 采 用 正 交 试 验 法 进 行 试 验 验 证 取 苗 末 端 执 行 器 的 整 体 工 作 性 能 以 期 为 今 后 仙 人 球 全 自 动 移 栽 机 的 整 体 设 计 提 供 参 考 1 取 苗 末 端 执 行 器 的 总 体 结 构 与 工 作 原 理 伴 随 着 农 村 劳 动 力 大 量 涌 入 城 市 农 村 劳 动 力 匮 乏 劳 动 力 成 本 高 的 特 点 设 施 农 业 在 农 村 受 到 政 府 的 大 力 推 广 仙 人 球 是 沙 漠 植 物 为 提 高 种 植 产 量 保 证 良 好 品 相 延 长 开 花 周 期 一 般 采 用 温 室 大 棚 进 行 规 模 化 种 植 仙 人 球 的 培 育 方 式 主 要 采 用 穴 盘 育 苗 当 生 长 到 一 定 阶 段 为 创 造 更 好 的 生 长 条 件 需 要 进 行 疏 植 移 栽 现 有 的 移 栽 设 备 主 要 还 是 依 靠 人 工 完 成 自 动 化 程 度 低 移 栽 成 本 高 工 作 效 率 低 下 严 重 影 响 了 仙 人 球 产 业 的 发 展 仙 人 球 全 自 动 移 栽 机 的 研 究 就 显 得 十 分 必 要 取 苗 末 端 执 行 器 作 为 自 动 移 栽 机 的 关 键 部 件 研 究 设 计 出 性 能 好 的 取 苗 末 端 执 行 器 为 仙 人 球 全 自 动 移 栽 机 的 研 究 打 下 了 坚 实 的 基 础 1 1 取 苗 末 端 总 体 结 构 取 苗 末 端 执 行 器 的 直 接 工 作 对 象 为 穴 盘 苗 钵 目 前 仙 人 球 的 穴 盘 规 格 主 要 有 3 种 32 孔 50 孔 和 105 孔 为 便 于 取 苗 末 端 执 行 器 的 开 发 设 计 对 穴 盘 的 规 格 尺 寸 进 行 了 测 量 结 果 如 表 1 所 示 表 1 不 同 穴 盘 的 规 格 尺 寸 Tab 1 Specifications and dimensions of different hole plates 规 格 32 孔 50 孔 105 孔 穴 盘 间 距 mm 67 53 41 口 径 mm 60 48 35 底 径 mm 30 23 15 高 度 mm 50 45 40 穴 盘 倾 角 16 70 15 52 14 03 仙 人 球 的 疏 植 移 栽 过 程 主 要 是 将 105 孔 的 穴 盘 苗 疏 植 移 植 到 50 孔 或 32 孔 的 穴 盘 针 对 仙 人 球 的 移 栽 工 艺 所 设 计 的 全 自 动 仙 人 球 移 栽 机 的 取 苗 末 端 执 行 器 如 图 1 所 示 图 1 株 距 可 调 式 取 苗 末 端 执 行 器 结 构 Fig 1 Structure of the adjustable seedling spacing end effector 1 取 苗 针 2 取 苗 挡 板 3 手 指 气 缸 4 滑 块 5 凸 轮 轴 6 联 轴 器 7 步 进 电 机 步 进 电 机 提 供 动 力 与 可 编 程 控 制 器 配 合 实 现 转 动 角 位 置 的 控 制 凸 轮 轴 滑 块 和 导 轨 构 成 螺 旋 传 动 副 通 过 凸 轮 轴 的 转 动 带 动 滑 块 在 导 轨 上 移 动 滑 块 与 取 苗 手 指 相 连 实 现 5 个 取 苗 手 指 的 间 距 动 态 调 整 中 间 的 凸 轮 槽 是 圆 环 另 外 4 个 凸 轮 槽 两 两 对 称 分 布 取 苗 手 指 由 笔 21中 国 农 机 化 学 报 2025 年 形 气 缸 取 苗 针 和 取 苗 挡 板 三 部 分 组 成 通 过 笔 形 气 缸 的 活 塞 伸 缩 带 动 取 苗 针 上 下 移 动 实 现 取 苗 和 放 苗 工 作 1 2 取 苗 末 端 执 行 器 工 作 原 理 疏 植 移 栽 开 始 工 作 前 将 取 苗 末 端 执 行 器 下 移 到 取 苗 点 步 进 电 机 开 始 工 作 通 过 联 轴 器 带 动 螺 旋 杆 转 动 当 取 苗 手 指 间 距 调 整 到 达 取 苗 穴 盘 位 置 步 进 电 机 停 止 工 作 手 指 气 缸 开 始 工 作 取 苗 针 插 入 穴 盘 开 始 取 苗 自 动 移 栽 机 将 末 端 执 行 器 抬 起 将 取 苗 末 端 执 行 器 输 送 到 需 投 放 的 穴 盘 位 置 步 进 电 机 继 续 工 作 调 整 株 距 直 至 取 苗 手 指 分 别 位 于 投 放 穴 盘 的 正 上 方 末 端 执 行 器 下 移 将 幼 苗 投 放 到 穴 盘 中 取 苗 手 指 气 缸 工 作 取 苗 针 回 缩 脱 离 苗 钵 完 成 投 苗 作 业 整 个 疏 植 移 栽 工 作 流 程 结 束 如 图 2 所 示 图 2 仙 人 球 疏 植 移 栽 流 程 图 Fig 2 Flowchart of sparse planting and transplanting of cactus 在 疏 植 移 栽 工 作 时 取 苗 末 端 执 行 器 的 工 作 过 程 如 下 1 移 栽 初 始 将 取 苗 末 端 执 行 器 移 动 到 取 苗 穴 盘 上 方 步 进 电 机 启 动 取 苗 手 指 完 成 间 距 动 态 调 整 通 过 行 程 开 关 控 制 实 现 5 个 取 苗 手 指 分 别 位 于 5 个 取 苗 穴 盘 的 正 上 方 保 证 取 苗 手 指 与 穴 盘 一 一 对 应 2 取 苗 末 端 执 行 器 继 续 下 移 直 至 到 达 取 苗 位 置 笔 形 气 缸 开 始 工 作 取 苗 针 伸 出 并 插 入 取 苗 穴 盘 的 苗 钵 3 将 取 苗 末 端 执 行 器 上 移 使 得 苗 钵 脱 离 穴 盘 完 成 取 苗 工 作 并 将 末 端 执 行 器 移 动 到 投 放 穴 盘 的 正 上 方 4 步 进 电 机 继 续 转 动 完 成 取 苗 末 端 执 行 器 的 间 距 调 整 直 至 5 个 取 苗 手 指 正 好 分 别 位 于 5 个 投 苗 穴 盘 正 上 方 时 步 进 电 机 停 止 工 作 5 取 苗 末 端 执 行 器 继 续 下 移 至 投 放 的 穴 盘 将 苗 钵 投 放 到 穴 盘 内 取 苗 手 指 气 缸 开 始 工 作 取 苗 针 回 缩 在 取 苗 挡 板 的 作 用 下 与 苗 钵 脱 离 完 成 投 苗 工 作 取 苗 末 端 执 行 器 归 位 移 栽 工 作 完 成 2 取 苗 末 端 执 行 器 设 计 关 键 机 构 设 计 和 参 数 选 择 的 合 理 性 直 接 影 响 到 仙 人 球 自 动 移 栽 机 整 体 的 疏 植 移 栽 工 作 性 能 取 苗 末 端 执 行 器 作 为 一 个 与 苗 钵 直 接 接 触 的 执 行 机 构 是 自 动 移 栽 机 的 核 心 部 件 取 苗 末 端 执 行 器 的 主 要 难 点 是 取 苗 手 指 的 株 距 动 态 调 整 选 用 凸 轮 传 动 机 构 实 现 株 距 动 态 调 整 取 苗 手 指 由 笔 形 气 缸 挡 板 和 取 苗 针 组 成 笔 形 气 缸 完 成 取 苗 针 的 伸 出 和 回 缩 工 作 2 1 驱 动 部 件 的 选 择 取 苗 末 端 执 行 器 的 主 要 驱 动 方 式 有 电 磁 驱 动 液 压 驱 动 气 压 驱 动 电 机 驱 动 工 作 特 性 如 表 2 所 示 末 端 执 行 器 在 工 作 中 为 实 现 取 苗 手 指 间 距 的 动 态 调 整 对 凸 轮 轴 旋 转 的 角 位 移 要 实 施 控 制 农 用 机 械 一 般 选 择 稳 定 性 好 性 价 比 高 的 所 以 选 择 电 机 驱 动 作 为 取 苗 末 端 执 行 器 的 驱 动 部 件 根 据 仙 人 球 自 动 移 栽 机 工 作 特 点 选 择 86 步 进 电 机 套 装 参 数 86 BYG250 H 转 速 驱 动 器 参 数 型 号 MA860 H 带 风 扇 17 表 2 不 同 驱 动 方 式 的 工 作 特 性 Tab 2 Working characteristics of different driving methods 稳 定 性 适 用 性 紧 凑 性 响 应 性 设 计 难 度 性 价 比 电 磁 驱 动 较 好 一 般 一 般 较 慢 高 低 液 压 驱 动 较 好 一 般 差 较 快 较 高 低 气 压 驱 动 一 般 较 广 较 好 快 一 般 较 高 电 机 驱 动 好 广 一 般 快 一 般 高 2 2 传 动 机 构 设 计 取 苗 手 指 株 距 动 态 调 整 是 疏 植 移 栽 技 术 的 核 心 环 节 通 过 查 阅 相 关 资 料 自 动 移 栽 机 要 在 一 定 稳 定 下 实 现 取 苗 手 指 的 株 距 动 态 调 整 可 以 实 现 变 距 的 方 式 有 4 种 凸 轮 传 动 机 构 塔 轮 调 节 机 构 连 杆 调 节 机 构 凸 轮 调 节 机 构 与 其 他 3 种 变 距 机 构 相 比 凸 轮 传 动 机 构 简 单 在 工 作 运 行 平 稳 可 根 据 实 际 工 作 要 求 灵 活 调 整 取 苗 手 指 间 距 制 造 成 本 低 因 此 选 择 凸 轮 传 动 机 构 作 为 自 动 移 栽 机 取 苗 末 端 执 行 器 的 疏 植 移 栽 调 节 机 构 凸 轮 调 节 机 构 作 为 疏 植 移 栽 的 关 键 部 件 其 工 作 性 能 直 接 影 响 到 自 动 移 栽 机 的 取 苗 效 率 为 了 提 高 自 动 移 栽 机 工 作 效 率 在 轴 上 加 工 封 闭 的 凸 轮 槽 如 图 3 所 示 封 闭 的 凸 轮 槽 内 分 别 装 有 滑 块 凸 轮 的 转 动 带 动 取 苗 手 指 的 移 动 实 现 取 苗 手 指 的 株 距 动 态 调 节 图 3 株 距 调 节 机 构 示 意 图 Fig 3 Schematic diagram of plant spacing adjustment mechanism 2 2 1 圆 柱 凸 轮 设 计 根 据 仙 人 球 的 移 栽 特 性 和 穴 盘 的 规 格 仙 人 球 自 动 移 栽 机 的 取 苗 末 端 执 行 器 的 株 距 调 节 40 70 mm 通 过 取 苗 手 指 的 工 作 行 程 范 围 确 定 凸 轮 株 距 调 节 机 构 的 结 构 尺 寸 结 合 仙 人 球 在 移 栽 过 程 中 的 受 力 情 况 选 择 直 径 为 50 mm 的 轴 作 为 凸 轮 轴 材 质 选 择 普 通 45 号 钢 在 凸 轮 轴 上 加 工 出 5 条 凸 轮 槽 根 据 取 苗 手 指 的 工 作 范 围 确 定 凸 轮 槽 的 行 程 范 围 为 30 70 mm 和 60 140 mm 选 择 凸 轮 槽 深 度 为 4 mm 宽 22第 2 期 叶 海 平 等 仙 人 球 自 动 移 栽 机 末 端 执 行 器 的 设 计 与 试 验 度 为 8 mm 为 保 证 凸 轮 传 动 机 构 的 运 动 平 稳 性 避 免 运 动 过 程 中 出 现 太 大 的 刚 性 冲 击 凸 轮 的 运 动 曲 线 选 择 简 谐 振 动 曲 线 式 1 为 靠 近 中 心 的 对 称 凸 轮 槽 曲 线 方 程 形 状 如 图 4 a 所 示 式 2 为 外 围 的 对 称 凸 轮 槽 曲 线 方 程 形 状 如 图 4 b 所 示 考 虑 到 凸 轮 传 动 机 构 的 工 作 行 程 其 运 动 凸 轮 槽 的 两 条 对 称 曲 线 方 程 如 式 1 式 2 所 示 在 复 杂 的 外 部 环 境 下 凸 轮 传 动 机 构 无 法 连 续 无 突 变 的 平 稳 运 动 会 出 现 一 定 程 度 上 的 冲 击 和 振 动 y x t 2 0 sin x 90 50 1 y x t 40 sin x 90 100 2 式 中 x t 取 苗 手 指 的 的 轴 向 位 移 mm x 凸 轮 轴 转 动 的 角 度 0 x 3 60 a 小 凸 轮 运 动 方 程 曲 线 b 大 凸 轮 运 动 方 程 曲 线 图 4 凸 轮 运 动 方 程 曲 线 Fig 4 Cam motion equation curve 2 2 2 凸 轮 传 动 机 构 的 受 力 情 况 机 械 设 计 过 程 中 通 过 分 析 计 算 机 构 在 工 作 过 程 中 的 受 力 情 况 确 定 零 部 件 的 机 构 尺 寸 仙 人 球 自 动 移 栽 机 在 工 作 过 程 中 疏 植 移 栽 作 业 的 株 距 动 态 调 整 采 用 凸 轮 传 动 机 构 凸 轮 机 构 在 工 作 过 程 中 凸 轮 轴 转 动 的 同 时 取 苗 手 指 联 接 的 滑 块 与 凸 轮 槽 接 触 并 沿 着 导 轨 做 直 线 运 动 分 析 滑 块 与 凸 轮 槽 相 互 作 用 的 整 体 受 力 情 况 并 绘 制 出 图 5 图 5 圆 柱 凸 轮 机 构 受 力 分 析 图 Fig 5 Force analysis of cylindrical cam 在 疏 植 移 栽 过 程 中 通 过 凸 轮 轴 的 转 动 调 整 取 苗 手 指 的 间 隙 滑 块 通 过 凸 轮 轴 的 转 动 带 动 下 发 生 轴 向 移 动 滑 块 在 工 作 中 受 到 凸 轮 的 转 动 力 矩 T 滑 块 与 凸 轮 槽 接 触 面 的 正 压 力 F 2 正 压 力 与 竖 直 线 的 夹 角 为 滑 块 的 轴 向 移 动 推 力 F 1 滑 块 与 凸 轮 轴 的 相 对 滑 动 产 生 的 摩 擦 力 F 3 通 过 理 论 分 析 计 算 可 得 到 力 平 衡 方 程 组 如 式 3 所 示 F 3 F 2 0 F 1 F 2 F 2 sin 0 F 2 sin F 3 cos T r 0 3 式 中 滑 块 与 凸 轮 槽 的 相 对 滑 动 摩 擦 因 数 r 凸 轮 轴 半 径 mm 2 3 取 苗 手 指 取 苗 手 指 的 结 构 如 图 6 所 示 由 笔 形 气 缸 挡 板 和 取 苗 针 三 部 分 组 成 笔 形 气 缸 主 要 完 成 取 苗 针 的 伸 缩 工 作 取 苗 针 负 责 完 成 插 入 和 拔 出 苗 钵 工 作 挡 板 的 作 用 是 协 助 完 成 投 苗 工 作 图 6 取 苗 手 指 的 结 构 图 Fig 6 Structure diagram of seedling fingers 1 取 苗 针 2 挡 板 3 笔 形 气 缸 2 3 1 钵 苗 取 苗 手 指 的 选 择 根 据 移 栽 过 程 中 的 受 力 情 况 不 同 取 苗 手 指 分 为 夹 持 式 和 直 插 式 两 类 夹 持 式 取 苗 手 指 在 工 作 过 程 中 取 苗 针 对 苗 钵 产 生 一 定 的 挤 压 作 用 力 然 后 靠 苗 钵 与 取 苗 针 之 间 的 摩 擦 力 带 动 苗 钵 脱 离 穴 盘 在 移 栽 过 程 中 夹 持 方 式 工 作 平 稳 但 是 当 受 力 太 大 时 易 导 致 苗 钵 发 生 形 变 甚 至 破 坏 苗 钵 的 完 整 性 直 插 式 取 苗 手 指 在 移 栽 过 程 中 取 苗 针 以 一 定 的 角 度 斜 插 入 苗 钵 在 插 入 过 程 中 对 苗 钵 会 产 生 一 定 的 扰 动 在 一 定 程 度 上 破 坏 了 苗 钵 的 完 整 性 主 要 通 过 取 苗 针 对 苗 钵 形 成 的 支 持 力 和 摩 擦 力 完 成 整 个 取 苗 过 程 鉴 于 直 插 式 对 苗 钵 的 破 坏 性 较 小 结 构 简 单 结 合 仙 人 球 的 根 系 特 点 和 苗 钵 特 性 选 择 直 插 式 取 苗 手 指 完 成 取 投 苗 工 作 2 3 2 取 苗 针 的 确 定 取 苗 针 是 取 苗 手 指 的 执 行 部 件 考 虑 到 仙 人 球 移 栽 工 作 环 境 和 受 力 情 况 选 择 铝 合 金 作 为 取 苗 针 的 材 质 具 体 如 图 7 所 示 图 7 取 苗 针 的 结 构 图 Fig 7 Structure diagram of the seedling needle 针 数 和 直 径 是 取 苗 针 的 两 个 重 要 参 数 目 前 的 取 苗 针 针 数 主 要 有 2 针 3 针 4 针 通 过 试 验 分 析 在 相 同 直 径 的 情 况 下 取 苗 针 的 针 数 越 多 取 苗 手 指 工 作 越 平 稳 为 能 实 现 稳 定 夹 持 选 择 4 根 取 苗 针 结 构 取 苗 针 的 直 径 选 择 用 试 验 方 式 进 行 确 定 分 别 选 择 直 径 23中 国 农 机 化 学 报 2025 年 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm 对 仙 人 球 穴 盘 进 行 取 苗 试 验 试 验 发 现 1 mm 2 mm 的 取 苗 针 由 于 尺 寸 太 小 刚 性 不 足 易 折 弯 3 mm 的 取 苗 针 取 苗 过 程 没 有 出 现 取 苗 针 折 弯 或 苗 钵 变 形 现 象 4 mm 的 取 苗 针 由 于 尺 寸 太 大 易 导 致 苗 钵 发 生 变 形 综 合 以 上 试 验 结 果 选 择 直 径 为 3 mm 的 取 苗 针 2 3 3 取 苗 手 指 的 主 要 参 数 1 取 苗 针 倾 角 每 个 取 苗 手 指 都 有 4 根 对 称 布 置 的 取 苗 针 其 倾 斜 角 度 与 穴 盘 的 角 度 方 向 一 致 取 苗 针 通 过 倾 斜 角 来 提 高 夹 持 苗 钵 的 稳 定 性 为 避 免 角 度 过 小 在 插 入 过 程 中 刺 破 穴 盘 侧 壁 取 苗 针 倾 角 应 大 于 穴 盘 的 倾 角 即 arctan D 1 D 2 2 H 1 4 式 中 D 1 穴 盘 上 端 直 径 mm D 2 穴 盘 下 端 直 径 mm H 1 穴 孔 高 度 mm 穴 孔 棱 线 倾 角 通 过 表 1 计 算 可 得 32 穴 盘 50 穴 盘 105 穴 盘 的 穴 盘 倾 角 分 别 为 16 70 15 52 14 03 为 防 止 刺 破 穴 盘 侧 壁 取 苗 针 的 倾 角 设 计 成 18 2 取 苗 针 长 度 L 1 取 苗 针 插 入 越 深 对 苗 钵 的 夹 持 越 平 稳 为 防 止 取 苗 针 插 入 太 深 而 刺 破 穴 盘 的 底 部 即 H cos H 1 5 由 表 1 可 得 穴 盘 高 度 最 小 为 32 穴 盘 高 度 40 mm 通 过 分 析 计 算 选 择 取 苗 针 的 长 度 为 36 mm 3 取 苗 针 的 上 端 直 径 D 3 和 下 端 直 径 D 4 取 苗 针 在 插 入 穴 盘 中 的 苗 钵 时 不 能 触 碰 到 穴 盘 侧 壁 所 以 取 苗 针 下 端 直 径 D 4 要 小 于 D 2 上 端 直 径 D 3 要 小 于 穴 盘 上 端 直 径 D 1 考 虑 到 本 移 栽 工 作 对 象 为 32 孔 50 孔 和 105 孔 三 种 规 格 穴 盘 具 体 尺 寸 如 表 1 所 示 取 苗 针 下 端 直 径 D 4 为 13 mm 取 苗 针 的 上 端 直 径 D 3 为 33 mm 3 仿 真 优 化 取 苗 参 数 取 苗 末 端 执 行 器 在 株 距 调 整 过 程 中 简 谐 运 动 曲 线 的 凸 轮 机 构 的 转 动 带 动 滑 块 的 水 平 移 动 从 而 实 现 株 距 的 调 整 根 据 疏 植 移 栽 工 艺 要 求 凸 轮 机 构 在 工 作 过 程 中 包 括 推 程 休 止 回 程 休 止 四 种 工 作 状 态 会 出 现 一 定 程 度 的 振 动 滑 块 也 会 出 现 突 然 加 速 或 停 止 从 而 引 起 冲 击 和 振 动 造 成 位 置 精 度 不 够 准 确 因 此 在 UG 和 Adams 软 件 进 行 建 模 仿 真 分 析 不 同 穴 盘 疏 植 移 栽 过 程 中 取 苗 手 指 的 运 动 特 性 仙 人 球 栽 植 的 穴 盘 主 要 分 为 32 孔 50 孔 105 孔 三 种 其 对 应 的 取 苗 手 指 的 株 距 位 移 分 别 为 67 mm 53 mm 和 41 mm 选 取 设 施 农 业 中 仙 人 球 疏 植 移 栽 工 艺 要 求 进 行 模 拟 仿 真 分 析 分 别 为 105 孔 穴 盘 疏 植 移 栽 至 50 孔 穴 盘 105 孔 穴 盘 疏 植 移 栽 至 32 孔 穴 盘 由 圆 柱 凸 轮 疏 植 移 栽 仿 真 过 程 分 析 发 现 从 动 件 整 体 运 行 平 稳 可 以 满 足 疏 植 移 栽 平 稳 高 速 的 要 求 但 由 于 株 距 要 求 的 不 同 急 启 急 停 现 象 仍 然 存 在 需 进 一 步 对 冲 击 现 象 进 行 分 析 根 据 仙 人 球 在 疏 植 移 栽 过 程 中 凸 轮 机 构 的 运 动 情 况 在 软 件 中 完 成 对 模 型 的 各 种 条 件 约 束 包 括 固 定 约 束 接 触 约 束 和 转 动 约 束 等 然 后 增 加 动 力 驱 动 设 置 好 凸 轮 轴 的 转 动 速 度 为 5 s 设 置 仿 真 步 长 为 600 并 提 取 取 苗 手 指 在 疏 植 移 栽 过 程 的 位