蔬菜工厂化生产自动移苗设备结构设计与试验.pdf

11 农业装备农业开发与装备 2021年第5期 蔬菜工厂化生产自动移苗设备结构设计与试验 顾小小 1 李 伟 2 朱春燕 1 解安东 2 李长兴 1 张样平 3 1 上海市农业机械研究所 上海市 201106 2 安徽工业大学智能装备技术研究院 安徽马鞍山 243002 3 上海绿立方农业发展有限公司 上海市 201210 摘要 针对植物工厂穴盘苗高精度移栽的生产需求 设 计了一款从96穴育苗盘移苗到8穴种植盘的自动移苗设 备 该设备主要由种植盘库机构 转接台 育苗盘输送 线 桁架直线模组和抓取装置等部分组成 试验证明设 备运行精度高 可靠性强 自动移苗设备在正常生产 速度下 48棵 min 移栽速度的最大误差为 2 s 在 误差允许范围 3 s内 不同调速脉冲参数值下 移栽 速度随脉冲参数的提升而上升 最高移栽平均速度可达 90棵 min 移栽速度的上升并不会影响移栽的成功率 移栽平均成功率可达97 关键词 植物工厂 自动移苗 穴盘 输送装置 抓取 装置 0 引言 穴盘苗移栽是设施内工厂化生产中的重要环节 1 穴 盘苗移栽可以缩短作物的生长发育期 错开成熟期 提 高产量 2 发达国家对移栽机的研究起步较早 3 L J Kutz 等研发第一个被应用到苗圃植物移栽的机器人 4 Yang Y 等设计带滑动针夹持器的四自由度SCARA工业机器人 5 Takashi等发明了一套自动化移栽系统 并引入托杯转移 钵苗 6 K H Ryu等设计带视觉系统的全自动移苗机 7 美 国RAPID的RTW系列全自动移苗机可多穴盘同时抓取 8 总体而言 国外移苗机成套设备体积较为庞大 无法较 好地适应我国实际生产的需要 且存在通用性差 难以 控制 成本较高等问题 上个世纪九十年代 国内开始温室钵苗移栽机械的 研究 吉林工业大学研制出针对空气整根营养钵育苗移 栽系统 9 范云翔等研制温室全自动移栽机 10 邱立春 等发明多个移栽机械手移栽的穴盘苗移栽机 11 韩绿化 等设计了一种穴盘苗移栽机两指四针错夹式取苗末端执 行器 12 然而 受定位精准度 抓取效率 生产成本等 因素的制约 国内穴盘苗移栽装备自动化程度低 成本 高 13 结构复杂 14 可靠性差 15 尚无法适应蔬菜工厂 化生产的实际要求 针对现状 本研究结合长三角地区 绿叶菜工厂化生产的需求 研制从96穴育苗盘移苗到8 穴种植盘的高速 高精度自动移苗机 1 整机结构及工作原理 1 抓手 2 夹爪气缸 3 X 轴 4 Z1轴 5 Y2轴电机 6 Z1轴电机 7 种植盘库 8 Z2轴电机 9 Y1轴电机 10 Z2轴 11 X轴电机 12 X轴 13 育苗盘输送线 14 夹爪气缸 15 抓手 16 转接台 17 桁架 18 Y1轴 19 Y2轴 图1 自动移苗设备结构示意图 整机结构主要包括种植盘库 转接台 育苗盘输送 线 桁架直线模组和抓取装置 图1 工作流程 向种植盘库填充空种植盘 机械臂复 位 插板气缸伸出 拖住种植盘 顶升气缸升起顶起种 植盘 插板气缸缩回 顶升气缸下落一个种植盘的距离 时 插板气缸伸出 拖住上面的种植盘 落下的种植盘 与顶升气缸一起下落到最低位置 顶升气缸杆缩回带动 托架下降 将下落的种植盘送至转接台的种植盘输送 线 种植盘输出装置接到信号后将空种植盘运输到限位装 置处等待移苗 育苗盘输送线运送育苗盘到指定位置 阻 挡气缸伸出挡住育苗盘 夹爪气缸收缩 驱动抓手夹住种 植杯移至种植盘 夹爪气缸伸长 夹爪将种植杯放入种植 基金项目 上海市科技兴农重点攻关项目 沪农科创字 2018 第 3 1号 12 农业装备 农业开发与装备 2021年第5期 盘 移苗完成后 种植盘限位装置放行 推盘装置将种植 盘推上AGV小车 由其运送种植盘至种植床 2 关键部件 2 1 穴盘及种植杯 为避免抓取装置损伤幼苗 设计满足机械臂抓取强 度要求的种植杯 抓手抓取栽有幼苗的种植杯来移栽 种植杯杯沿直径35 mm 杯沿下方直径27 mm 杯底直径 23 mm 杯高40 mm 配套设计孔数8 12 行 列 555 mm 375 mm 长 宽 穴孔中心距45 mm 45 mm 穴孔口径25 mm的种植盘 以及孔数2 4 行 列 430 mm 240 mm 长 宽 穴孔中心距100 mm 100 mm 穴孔口径30 mm的育苗盘 2 2 种植盘库 种植盘库包括机架及种植盘装置 分离装置 导向 机构和种植盘存放架 种植盘装置包括托架和托架升降 机构 选用30 30铝型材 40 40铝型材和40 40 4方 形钢 根据种植盘尺寸及转接台高度 确定其长 宽 高分别为2 240 mm 540 mm 1 240 mm 种植盘存放架 有1组6个种植盘储存仓 每个储存仓最多可储存12个种 植盘 种植盘库最大可储存72个种植盘 2 3 转接台 转接台结构包括种植盘输送装置和限位装置 输送 装置将种植盘库中的种植盘送至机械臂处 限位装置将 种植盘限制在移栽位置 为提高种植盘运输同步性 输送装置采用同步带传 动运送种植盘 其传动系统由电机 主动带轮 从动带 轮 张紧轮 同步带组成 6个导槽的7个主动带轮均设在 一根传动轴上 种植盘质量为3 kg 运输速度为0 13 m s 根据结构设计 选用的同步带规格为584 8M 40 选择交流电机中的异步电机作为种植盘输送装置 驱动电机 根据设计转矩以及功率选择电机型号为 6IK300RGU CF 配减速比为25的减速机 经减速机减 速后 额定转速为 额定转矩为 满足设计要求 2 4 育苗盘输送装置 根据育苗盘的尺寸和特性选择带式输送线进行育 苗盘输送 保证育苗盘在位置移动过程中不松动 不 落苗 并实现精确定位 输送线配550 W普通三相异步 电动机 输送线长2 800 mm 宽485 mm 整体高度以 417 mm为基准 可上下各调节30 mm 线体支架为4080 国标型材 输送线皮带的回转直径不得大于60 mm 2 5 桁架直线模组 直线模组单体运动速度快 重复定位精度高 质量 轻 所占空间小 寿命长 16 选用同步带型直线模组 2个模组使用同一个X轴 抓取和放置种植杯时 两个模 组分别动作 互不干涉 无碰撞的风险 设计直线模组X轴和X 轴沿种植盘输送线方向水平 直线行程为800 mm Y1轴和Y2轴沿垂直于种植盘输送线 方向水平直线行程为800 mm Z1轴和Z2轴沿竖直方向上 下直线运动行程为700 mm 经测算XYZ轴所承受的负载 分别为4 82 kg 6 77 kg 29 47 kg 根据以上参数 选择 80型同步带直线型模组 选用高惯性 高惯量 MHMF082L1U2M型伺服电 机 电机驱动机械臂沿XYZ轴运动 水平方向上伺服电 机通过X Y轴直线模组带动机械臂至指定抓苗 投苗位 置 垂直方向上伺服电机通过Z轴直线模组带动抓苗机 械手向下移动夹取种植杯 2 6 抓取装置 抓取机构考虑到成本和调试同步性问题 采用模组 机械双臂 由于种植杯呈圆柱状且上方开口 不易吸 附 故选用夹取式末端 根据种植盘孔数 每个机械臂 配4个夹爪 夹爪夹取种植杯2 3处 直径约26 mm 夹 爪松开时开度为31 mm 夹取时开度为25 mm 抓手分配盘上4条滑轨对应4个夹爪 滑轨上端间距 同育苗盘穴孔中心距 下端间距同种植盘穴孔中心距 抓取育苗盘上种植杯后 夹爪气缸伸长 4个夹爪沿分 配盘的滑轨向下运动实现高精度变距 从而与种植盘孔 距相适应 3 试验与分析 3 1 试验条件及方法 试验区为1座13连栋13间玻璃温室 配备育苗工 场 AGV小车等 测试环境温度23 6 26 6 环境湿 度44 2 49 4 RH 移栽植株为苗龄14天的生菜 单株 平均重量4 8 g 含种植杯和基质 尺寸37 mm 33 mm 高 宽 利用秒表对移苗作业做连续观测 抓 手精准夹取种植杯 并将其准确投入种植盘穴孔内视为 移栽成功 3 2 试验结果与分析 3 2 1 正常生产速度移栽性能测试 测试移苗设备在正常生产速度 48棵 min 下移栽 效果 将种植盘库全部摆满种植盘 测试每层6个种植 盘全部移满种植杯需要时间 含种植盘运输时间 机械 臂定位时间等所有准备时间 由测试可知 移苗设备在正常生产速度下 6个种植 盘全部摆满需60 s左右 即6个种植盘 48个种植杯 全 13 农业装备农业开发与装备 2021年第5期 部完成移栽需60 s左右 即满足48棵 min正常生产要求 移栽速度最大误差为 2 s 在误差允许范围 3 s内 满 足设计要求 设备整体运行稳定 育苗盘 种植盘定位 准确 抓手抓取精准 种植杯能精准投入种植盘孔穴 内 平均移栽成功率98 22 3 2 2 不同调速脉冲参数值下的移栽性能测试 从机械臂完成定位开始 至设备完成育苗盘中48个 种植杯 1个机械臂完成24个 的抓取 移位 释放动 作作为一个测试周期 测试不同调速脉冲参数值下移栽 速度 每种调速脉冲值下测试3次 取算术平均值 由测试可知 随着脉冲参数提升 移栽速度几乎 呈线性上升 调速脉冲值80 000时 移栽速度最快 平 均可达90棵 min 所有调速脉冲值下平均移栽成功率为 97 27 移栽成功率与移栽速度之间没有显著相关性 在调速脉冲值60 000时 移栽成功率最高 移苗设备在 不同调速脉冲值参数下 整体运行速度稳定 各传动机 构运行平稳 机身没有异常振动 移栽效果良好 没有 卡盘现象 4 结语 本研究设计的96穴育苗盘移苗到8穴种植盘的自动 移苗设备主要由种植盘库机构 转接台 育苗盘输送 线 桁架直线模组和抓取装置等部分组成 种植盘库 和转接台分别用于存放和输送种植盘 种植盘输送线 运行速度300 mm s 单次输送种植盘数量6个 育苗盘 输送线用于输送育苗盘 运行速度300 mm s 单次输 送育苗盘数量为2个 桁架直线模组和抓取装置用于准 确抓取育苗盘中的种植杯并移入种植盘内 该模组结 构简洁 定位精准 2个机械臂 运行速度为800 mm s 最大拾取距离800 mm 重复定位精度0 05 mm 抓 手采用分配盘结构 多个抓手之间的相对距离能够保 持一致 抓手抓取种植杯 不直接抓取幼苗 不会对 幼苗造成损伤 对设备进行试验 正常生产速度下 48棵 min 移栽速度的最大误差为 2 s 在误差允许范围 3 s内 不同调速脉冲参数值下 移栽速度随脉冲参数的提升 而上升 最高移栽平均速度可达90棵 min 移栽速度的 上升并不会影响移栽的成功率 移栽平均成功率可达 97 试验证明设备整体精度高 稳定性强 参考文献 1 胡建平 严宵月 何俊艺等 钵苗移栽机器人控制系统设计 研究 J 农机化研究 2014 12 122 127 2 张振国 穴盘苗移栽机自动取苗装置的设计与仿真 D 新 疆 石河子大学 2013 1 47 3 张健 蔬菜移栽机取送苗控制系统设计及研究 D 重庆 西 南大学 2018 1 100 4 KUTZ L J MILES G E HAMMER P A et al Robotic transplanting of bedding plants J American Society of Agricultural Engineers 1987 30 3 586 590 5 Yang Y Ting K C Giacomelli G A Factors affecting performance of sliding needles gripper during robotic transplanting of seedlings J Applied Engineering in Agriculture 1991 7 4 493 498 6 Takashi Onosaka Kenji Okuno Kiyoshi Uchida Transplanter P 欧洲专利 1996 05 22 7 Ryu K H Kim G Han J S Development of a robotic transplanter for bedding plants J Journal of Agricultural Engineering Research 2001 78 2 141 146 8 解杰 取栽一体式花卉自动移栽机构的设计与试验 D 浙 江 浙江理工大学 2017 1 76 9 孙廷综 马成林 纪春千 空气整根营养钵育苗及移栽系统 技术的研究开发 J 农业工程学报 1991 7 2 86 91 10 范云翔 杨子万 Adekola K A 等 温室全自动移栽机的研 究开发 J 农业工程学报 1996 12 2 111 115 11 邱立春 西素博 王荣华等 一种穴盘苗自动移栽机 P 中国 专利 2009 09 25 12 韩绿化 毛罕平 严蕾等 穴盘育苗移栽机两指四针钳夹式 取苗末端执行器 J 农业机械学报 2015 46 7 23 30 13 倪有亮 金诚谦 刘基 全自动移栽机取送苗系统的设计与 试验 J 农业工程学报 2015 31 23 10 19 14 张丽华 邱立春 田素博 穴盘苗自动移栽机的研究进展 J 农业科技与装备 2009 5 28 31 15 蒋卓华 温室钵苗移栽机的优化设计及移栽过程力学分析 D 浙江 浙江大学 2017 1 126 16 韩绿化 蔬菜穴盘苗钵体力学分析与移栽机器人设计研究 D 江苏 江苏大学 2014 1 190