機(jī)械手式水稻有序行拋機(jī)的設(shè)計(jì)研究1

機(jī)械手式水稻有序行拋機(jī)的設(shè)計(jì)研究機(jī)械手式水稻有序行拋機(jī)的設(shè)計(jì)研究馬瑞峻 指導(dǎo)教師：區(qū)穎剛 邵耀堅(jiān)（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院）摘要：為了適應(yīng)水稻拋秧移栽這種新的種植模式，研制了一種機(jī)械手式水稻有序行拋機(jī)，該機(jī)可將工廠化穴盤育秧秧苗自動(dòng)拔起并按株行距有序地定植于田間。介紹了行拋機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。借鑒工業(yè)通用機(jī)器人原理，設(shè)計(jì)了一種夾子式機(jī)械手，該機(jī)械手只有兩個(gè)自由度，利用單片機(jī)編程可進(jìn)行全自動(dòng)控制。研究設(shè)計(jì)出一組空間曲線滑道用來(lái)分秧，以達(dá)到秧苗在田間種植的農(nóng)藝要求。關(guān)鍵詞：水稻 行拋機(jī) 機(jī)械手 設(shè)計(jì)0 前言發(fā)展與解決水稻機(jī)械化已成為中國(guó)當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重點(diǎn)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)水稻種植機(jī)械化是水稻生產(chǎn)全過(guò)程機(jī)械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。水稻用塑料軟盤工廠化育秧后進(jìn)行人工拋栽是水稻移栽種植體系中的一種新的種植模式，已經(jīng)在廣東省及全國(guó)得到大面積推廣。人工拋栽的秧苗在田間分布的無(wú)序性給后續(xù)田間管理和收獲帶來(lái)了困難，人工難以實(shí)現(xiàn)的水稻有序拋栽種植必須由機(jī)械完成。水稻拋秧機(jī)要解決的主要問(wèn)題有兩個(gè)，一是有序化栽植，二是穴盤中秧苗的自動(dòng)供給。因此，在仿人工拋秧的全過(guò)程研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)編程控制的全自動(dòng)機(jī)械手式新型水稻有序行拋機(jī)，可自動(dòng)完成從穴盤中拔起取出秧苗并按固定的行、株距進(jìn)行有序栽植。本文對(duì)機(jī)械手式有序行拋機(jī)主要工作部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。1 機(jī)械手行拋機(jī)專用育秧穴盤設(shè)計(jì)在中國(guó)，水稻工廠化育秧用的塑料軟盤，穴孔形狀均為上大下小的傳統(tǒng)的倒圓錐臺(tái)形狀，穴孔分布呈三角形交錯(cuò)布置，這種布置的秧盤優(yōu)點(diǎn)是單位面積上可分布更多的穴孔數(shù)，充分利用了塑盤面積空間，適宜于人工拋秧時(shí)供秧用，但對(duì)機(jī)械化自動(dòng)從秧盤中拔秧后拋植來(lái)說(shuō)，顯然增加了機(jī)械復(fù)雜程度，需要有秧苗橫向錯(cuò)位進(jìn)給機(jī)構(gòu)，且相鄰兩行秧苗穴數(shù)不同，難以達(dá)到有序地按株行距定植的農(nóng)藝要求。因此對(duì)機(jī)械化拔秧拋植作業(yè)而言，三角形布置的穴孔秧盤是不可取的，矩形布置顯然較好。針對(duì)機(jī)械手式行拋機(jī)設(shè)計(jì)了穴孔為四方形布置的專用穴盤，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。605330171810圖1 機(jī)械手式行拋機(jī)專用穴盤機(jī)械手式行拋機(jī)專用穴盤外形尺寸與通用561穴秧盤一致，為330mm605mm，其余尺寸穴孔上徑為17mm，高18mm，底徑為10mm，底部正中開2mm小孔。穴盤上共有1426=364個(gè)穴孔，秧盤橫向穴孔外邊緣之間間隙為6mm，兩邊穴孔邊緣距秧盤邊緣6.5mm；縱向中間兩行穴孔外邊緣之間間隙為10mm，其余穴孔外邊緣之間間隙為6mm，距兩邊秧盤邊緣距離為5mm，這樣秧盤從中間分為兩部分，每部分是7行秧苗，與機(jī)械手秧夾一次夾取7穴秧苗種植相一致。所以該秧盤穴孔縱橫向中心距均為23mm，這樣設(shè)計(jì)是由于利用滑道分秧和機(jī)械手打開插入秧行夾取秧方式所限制，致使相鄰穴孔間距離不能進(jìn)一步減小。2 機(jī)械手行拋機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理 機(jī)械手式行拋機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用插秧機(jī)機(jī)頭作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)。其工作原理為：育好秧的秧盤由人工放在送秧機(jī)構(gòu)上后，行拋機(jī)在動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)，按下自動(dòng)控制按鈕，機(jī)械手開始工作。首先送秧電動(dòng)機(jī)將秧苗送至拔秧位，被傳感器檢測(cè)到后電機(jī)停，秧盤一側(cè)的機(jī)械手動(dòng)作插入秧行夾持住秧盤中半行秧苗（7穴）并拔起，此時(shí)秧盤另一側(cè)機(jī)械手動(dòng)作插入秧行夾持住秧盤中另半行秧苗拔起，于是兩機(jī)械手先后相繼有序地將各自拔取的秧苗送至相應(yīng)落秧滑道處，秧夾打開，秧苗沿滑道下落定植于田間。至此秧盤中一行秧被兩只機(jī)械手拔取拋植完畢，送秧機(jī)構(gòu)繼續(xù)動(dòng)，繼續(xù)下一行秧的拔取種植。工作中暫?；蚪Y(jié)束機(jī)械手動(dòng)作，可按相應(yīng)按鈕控制。17901 送秧機(jī)構(gòu) 2 機(jī)械手 3 落秧滑道 4 放秧架 5 駕駛座6 操縱手柄 7 變速箱 8 發(fā)電機(jī) 9 發(fā)動(dòng)機(jī) 10 驅(qū)動(dòng)輪 11 牽引架 12 機(jī)械手支架 13 船板 14 回收箱圖2 拖板式機(jī)械手行拋機(jī)所設(shè)計(jì)的拔拋秧機(jī)械手只有2個(gè)自由度，包括一個(gè)水平送秧運(yùn)動(dòng)和一個(gè)垂直拔秧運(yùn)動(dòng)；采用的秧夾為夾子式秧夾，秧夾夾指長(zhǎng)為160mm，寬15mm，可一次夾起7穴秧，秧夾開啟與閉合通過(guò)24VDC電磁鐵吸合一個(gè)鍥形塊作升降運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手工作過(guò)程示意圖如圖3所示。右移左移下降上升放秧夾秧1321 秧盤 2 機(jī)械手秧夾 3 落秧滑道圖3 拔拋秧機(jī)械手工作示意圖秧盤由電機(jī)通過(guò)皮帶輸送進(jìn)給，當(dāng)傳感器檢測(cè)到秧盤中秧苗到達(dá)拔秧位置時(shí)，送秧電機(jī)停，機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)左移使秧夾從一行秧側(cè)部行間間隙順著秧苗插入，到位后水平移動(dòng)電機(jī)停，夾秧電磁鐵通電，鍥形塊上升，秧夾在彈簧力作用下夾住秧，垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上升，拔起秧苗到位后電機(jī)停，水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)右移到落秧滑道正上方停，垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)下移過(guò)程中電磁鐵斷電鍥形塊下行迫使秧夾打開，秧苗落入落秧滑道中定植于田間。如此，循環(huán)往復(fù)上述動(dòng)作。水平、垂直運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)到位均由位置傳感器檢測(cè)控制電機(jī)停。為提高生產(chǎn)效率，將秧夾垂直下降和電磁鐵通電放秧兩互不干擾又相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，這樣節(jié)省了動(dòng)作時(shí)間，縮短拔拋秧動(dòng)作周期，而前幾個(gè)動(dòng)作，必須一個(gè)執(zhí)行完才能執(zhí)行另一個(gè)，要求次序進(jìn)行。該機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程由AT80F51單片機(jī)編程控制實(shí)現(xiàn)。3 秧夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析設(shè)計(jì)的機(jī)械手秧夾如圖4-a所示。最終其結(jié)構(gòu)尺寸為：H=130mm，a=15mm，b=47mm，c=10mm，h=50mm，d=7mm，=30。秧夾指面粘貼有軟性材料。NdHchbaB1BA1AK+NGPF（a）秧夾結(jié)構(gòu)尺寸圖 （b）秧夾受力分析圖圖4 機(jī)械手秧夾結(jié)構(gòu)及受力分析秧夾受力如圖4-b所示。夾秧時(shí)，電磁鐵通電，鐵心吸合上升，帶動(dòng)鍥形塊上升，此時(shí)電磁力QF（包括鍥形塊自重mg及彈簧壓縮力f1=k1x1）。F力不對(duì)秧夾作用，秧夾在自身彈簧力作用下夾住秧，則有： （1）秧夾放秧時(shí)，電磁鐵斷電，鍥形塊在重力mg和彈簧力f2=k1x2作用下下行，合力設(shè)為F，此合力的分力N作用在秧夾上，克服秧夾的壓縮彈簧力K及秧夾自重作用將秧夾打開，秧夾打開時(shí)夾秧力P=0。所以秧夾打開時(shí)受力方程如下： （2） （3）4 分秧滑道的設(shè)計(jì)育秧穴盤中秧苗間距為23mm，必須分成200mm距離才能達(dá)到水稻田間種植的農(nóng)藝要求。因此需要設(shè)計(jì)一組分秧滑道。機(jī)械手將秧苗從秧盤中夾持拔取出來(lái)，送到滑道上端，由滑道進(jìn)行分秧與限位落秧。分秧機(jī)構(gòu)由7條滑道組成，每條滑道均勻分布在同一豎直平面內(nèi)，滑道上端7個(gè)開口部分緊密排列在一起，與機(jī)械手夾持的7株秧苗一一對(duì)應(yīng)，相鄰滑道中心距等于育秧穴盤中相鄰穴孔中心距，即23mm；滑道下端7個(gè)開口之間間隔距離為秧苗行距，為200mm?；勒w安裝于拋秧機(jī)中心線偏外側(cè)，故每條滑道呈不規(guī)則放射狀固定于豎直平面內(nèi)?；榔x送秧機(jī)構(gòu)中心線越遠(yuǎn)，則滑道下落傾斜角度越小，越難于落秧。最后確定距送秧機(jī)構(gòu)中心線250mm處開始安置滑道。理論上講，每條滑道中心線為平面平滑曲線時(shí)最有利于秧苗滑行，考慮到實(shí)際加工制造時(shí)的困難，將每條滑道中心線改成圓弧與直線相連。滑道中心線從上到下為“垂直線過(guò)渡圓弧傾斜直線過(guò)渡圓?。ù怪本€）”連接。圓弧段與滑道直線段全部相切。見圖5所示。圖5 落秧滑道設(shè)計(jì)計(jì)算示意圖在7條滑道中，滑道1直線段下滑（傾斜）角度最小，故只研究秧苗在滑道1中傾斜直線段中受力情況。設(shè)秧苗質(zhì)量為m，與滑道壁摩擦系數(shù)為f，保證秧苗下滑需有：arc tg f，即只要保證滑道傾斜角大于秧苗營(yíng)養(yǎng)土缽與滑道壁摩擦系數(shù)的反正切值即可。設(shè)計(jì)滑道高為1035mm（如需加高，滑道下部直接加長(zhǎng)直線段即可），另一組機(jī)械手落秧滑道與其反向?qū)ΨQ布置。7條滑道計(jì)算公式如下。令：H滑道垂直高度，1035mm；a垂直段滑道中心線距對(duì)稱中心線間距離，管形滑道外徑等于穴盤中一行秧苗相鄰兩穴中心距，a=250+c/2+c（i-1），滑道外徑c=23mm；i=1，2，7為滑道序號(hào)；b滑道末端中心線與對(duì)稱中心線間距離，b=nd，d=200mm為秧苗在田間行距（滑道數(shù)為奇數(shù)，為偶數(shù)時(shí)b=d/2+nd），n為整數(shù)；r1垂直段與傾斜直線段之間過(guò)渡圓弧半徑，mm；r2滑道末端過(guò)渡圓弧半徑，通常將其選為田間行距大小，r2=200mm；L傾斜直線段長(zhǎng)度，mm；傾斜直線段傾斜角度；過(guò)渡圓弧圓心角；則可知末端過(guò)渡圓弧圓心角和直線段與傾斜直線段之間過(guò)渡圓弧圓心角均為，且： （4）r1和L的計(jì)算公式為： （5） （6）或 （7）傾斜方向與其余滑道相反的第7條滑道，計(jì)算時(shí)將a+b換為b-a代入公式即可。表1為7條滑道按上述方法設(shè)計(jì)而得的各參數(shù)理論計(jì)算值。第6條滑道無(wú)過(guò)渡圓弧段。表1 7條滑道設(shè)計(jì)參數(shù)理論計(jì)算值滑 垂直段 過(guò)渡圓弧段 傾斜直線段 過(guò)渡圓弧段道 長(zhǎng)度 圓心 半徑 弧心角 長(zhǎng)度 傾斜角 圓心 半徑 弧心角號(hào)（mm） （mm）（ ）（mm）（ ） （mm）（ ）1 90 (135.7,-90）125.8 47 1032.2 43 2處 200 472 90 (129.4,-90）155.1 40 935.6 50 3處 200 503 100 (-10.6,-100）318.1 33 788.3 57 4處 200 574 100 (-71.3,-100) 401.8 22 765.3 68 5處 200 685 110 (143.8,-110) 209.7 10 848.1 80 6處 200 106 110 925.3 88.54 7 110 (695.7,-110) 296.2 13 834.8 77 6處 200 13所設(shè)計(jì)的滑道，利用外徑為25和32的PVC工程塑料管制作的實(shí)物模型，通過(guò)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽臺(tái)車試驗(yàn)，秧苗通過(guò)性良好。秧苗按行有序排列，但同一次落下的秧苗不按整齊的列排列，有待進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)成空間曲線滑道來(lái)解決。5 結(jié)論為適應(yīng)水稻拋秧種植新模式，提出了一種機(jī)械手式有序行拋機(jī)，可自動(dòng)完成從育秧穴盤中拔起秧苗并定植于田間的全過(guò)程。所設(shè)計(jì)的拔拋秧機(jī)械手只有2個(gè)自由度，采用夾子式秧夾，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其工作過(guò)程利用單片機(jī)編程經(jīng)過(guò)調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)了一組曲線滑道用來(lái)分秧，根據(jù)給出的設(shè)計(jì)方法制作的實(shí)物模型經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室土槽臺(tái)車試驗(yàn)證明秧苗的通過(guò)性良好，解決了工廠化育秧穴盤中秧苗自動(dòng)分秧的難題。參考文獻(xiàn)1 邵耀堅(jiān).水稻工廠化育秧拔苗拋植機(jī)械手及仿生機(jī)理的研究.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,21(1):78812 李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996THE STUDY ON THE MANIPULATOR TYPE RICE ORDER THROWING MACHINEMa ruijun Ou yinggang Li zhiweiShao yaojian(College of Polytechnic, South China Agricultural University)Abstract：Based on the bionics-analysis of hand gripping and throwing of rice seedlings in the paddy, a manipulator type of orderly throwing machine is designed to adapt the new planting model of rice seedlings throwing transplant. The manipulator can automatically pull up the rice seedlings sprouted in the cell-tray at industrial nursery and orderly plant the rice seedlings into paddy according to the requirements of planting rice seedlings. The whole construction and working processing of orderly throwing machine are introduced. Applying the principle of common industrial robot for reference into agriculture machine, a kind of clip gripper of manipulator is designed. The manipulator arm has two degree of freedoms. The manipulator is automatically controlled by single chip microcomputer using assembled language program. A group of space curve chutes a