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[我爱发明] 20160721 辣椒搬迁队
本期节目主要内容： 河南省商丘市柘城县的村民韩敬哲的辣椒移栽机构造很简单，就是通过楔型结构的铲开沟，然后，把辣椒苗放入到烟花筒一样储苗筒内，让其自由落下，正好落入到开好的沟里。到底能不能成功？这台辣椒移栽机究竟能否减轻人们的负担，代替人们来完成劳动呢？敬请收看。（《我爱发明》 20160721 辣椒搬迁队）
发明人联系方式：韩敬哲
编辑手记：
6月，又到了辣椒种植的季节，种辣椒与种大葱类似，在种植过程中，都需要进行移栽，也就是，等到辣椒苗涨到30厘米左右，就得给它们换个更宽敞的新家，让它们茁壮成长。河南省商丘市柘城县的村民们就在为移栽辣椒而忙碌着。
移栽的过程分为两步，首先，在旋耕完的土地上，村民们用他们特制的“土犁子”先开好一条10厘米深的沟，然后，再将辣椒苗插入，填埋即可，简单来说，就是挖个坑来埋点土。
看起来，移栽的过程并没有多大难度，可开沟过程实际操作起来，可没有看起来那么简单。在移栽过程中，最重要的就是保持移栽后辣椒苗的直立稳定性，所以村民们在插完苗后，还有一个手抠压实的动作。
虽然移栽辣椒幼苗并没有什么难度，但是，着实是一件苦差事，尤其是移栽过程，由于没有任何辅助的工具，人们只能蹲在田里，一颗苗一颗苗的进行填土，时间久了是腰酸背痛，膝盖疼，很容易落下病来，那么有没有一台辣椒移栽机能够代替这种简单却又复杂的劳动呢？
韩敬哲可是村里的百宝箱，农闲时就喜欢摆弄机器，平时邻里乡亲，谁家的电器有问题了，都会请老韩帮忙。
由于自己也种辣椒，那种腰酸背痛的感觉还让他记忆犹新，老韩就想着，能不能做一些工具减缓劳动强度呢？他虽然没上过一天学，可是，就是对机械感兴趣，他买来书籍自己研究，准备做一台移栽机，终于，经过了2个月的努力，一台初具雏形的机器诞生了。
呵！还真做出来了！看看去！
老韩的辣椒移栽机构造很简单，就是通过楔型结构的铲开沟，然后，把辣椒苗放入到烟花筒一样储苗筒内，让其自由落下，正好落入到开好的沟里。
到底能不能成功？这台机器究竟能否减轻人们的负担，代替人们来完成劳动呢？期待哦~
[我爱发明] 20160902 站立吧 大蒜
本期节目主要内容： 山东济南的发明人崇峻发明了一台大蒜播种机。这种机器有一套橡胶履带式行走系统，在田地里有着良好的通过性。通过一套自动上料系统，一瓣一瓣的大蒜被提升到较高的地方，随后分别顺着20根塑料导管掉落在对应的20个锥形碗中，锥形碗里的弧度可以让蒜瓣的尖朝上，最后这些蒜瓣再分别通过20个中空的金属管插入土里。这样就完成了种蒜的过程。（《我爱发明》 20160902 站立吧 大蒜）
发明人联系方式：崇峻
摘要：本实用新型涉及农用机械领域，特别涉及一种大蒜播种机。该大蒜播种机，其特征在于：包括机架、发动机、传动总成、气泵、气缸、履带底盘总成、土壤整平器、以及位于履带底盘总成上方的操作台、微电脑电控系统，所述操作台的前方设有给料仓，所述给料仓与提料装置连接，所述提料装置上方均匀安装有若干分料器，所述每个分料器下方连接分料管，所述分料管底部与导向料杯总成连接，导向料杯总成固定在第一定位板上，导向料杯总成的下方为调整料杯总成，调整料杯总成下方为点插播种器总成，所述点插播种器总成安装在开合处理支撑架上，所述导向料杯总成、调整料杯总成和点插播种器总成分别通过气缸控制开合，通过行走系统控制步进幅度。
编辑手记：
蒜可是好东西，不仅可以调味，还能杀菌、增强人的免疫力，而蒜的种植过程也是很辛苦的，全程又是蹲着又是弯腰，费时费力。今天这位发明人，就是因为看到自己的乡亲邻居们常年手工种大蒜，既辛苦又伤身体，于是反复研究，制作出了一台大蒜播种机来帮助大家。
发明人：崇峻
发明项目：大蒜播种机
发明原理
机器的最上方有一排小勺，将每颗蒜分别放进一个个圆形粗管里，大蒜通过每一根管子漏入小碗中，最后，一个圆锥形铁夹将这些蒜种到地里。
给记者简单地讲解了种蒜机的运行过程后，崇峻马上开启机器演示起来，一颗颗大蒜被这台机器很快地插进土里。
大蒜在种进地里的时候，必须让它尖朝上，这样才有利于大蒜的生长，如果蒜躺倒了就算大蒜的播种不合格。崇峻的机器正是在这里出了问题，机器种的蒜大部分都是躺着的，这显然是不行的。
经过反复试验，崇峻将小碗的底部从圆弧形换成了锥子形，这样就保证了每颗掉进小碗的大蒜都是尖朝上的。
为了测试机器的性能，崇峻准备去老刘的地里试一试，进行一场人工与机器的比赛，比赛当天聚集了很多观赛者。乡亲们有支持崇峻机器的，也有人支持农民师傅的，但是大家都希望这台机器可以替代手工种蒜。
五人一组的人工队在速度上丝毫不落后于机器，两组人分别从地里的两头向中间行进。农民师傅队伍庞大、经验丰富，进展得很快。
而崇峻这边的机器却遇到了问题，插入土里的种蒜夹口里很容易被湿的泥土堵住。
另外，由于崇峻的这台大型种蒜机是履带工作，压过去的地方明显有很深的凹槽，会把种蒜的地方压的很深，使得两边的地势不一样。浇灌时水都会流向地势较低的那一边，这样一来地势低的大蒜就很容易被水泡坏，而地势高的大蒜得不到很好的浇灌，解决了大蒜竖起率和被履带碾压地势不平的问题后，崇峻的第三代大蒜播种机终于亮相。
新一代大蒜播种机通过平台操作，人工将蒜倒入到平槽内，通过一个个小勺将蒜喂入管道中，再漏进20个锥形底的小碗里，通过插入地里的种蒜口将大蒜最后种进地里。播种蒜的同时用碾子稍微用力压平，这样不仅保证了种蒜的质量，而且使大蒜能得到充分的浇灌新一轮的比试中，刘师傅把他的人工队伍壮大到了25人，比上次多出了一倍多。
这场终级比拼到底能不能让这台种蒜机大放光彩呢？我们拭目以待。
欢迎收看《我爱发明》之《站立吧，大蒜》。
2015年1月农机化研究第1期
自动穴盘育苗精量播种机设计
刘征明，随顺涛，梅林森
（四川省农业机械研究设计院，成都
摘
610065）
要：穴盘育苗是现代设施农业的重要手段。针对目前已有的穴盘育苗播种机存在的效率低、劳动强度大等
问题，设计了一种整盘气吸式自动穴盘育苗精量播种机，介绍了其结构特点及工作原理，设计并计算了其主要结构参数，并分别用油菜籽和茄子种子进行了机具性能试验。播种试验表明：该机工作性能稳定可靠，单籽率稳定在92%以上，且对种子无损伤，提高了播种效率，满足农艺上对穴盘育苗精量播种的技术要求。关键词：农业机械；精量播种机；气吸式；可拆卸式吸盘
+
中图分类号：S223．23
文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）01－0152－04
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.01.035
0引言
穴盘育苗是现代设施农业的重要手段
［1］
程控制系统组成，如图1所示。1．2
。在蔬
工作原理
将填充好基质的穴盘放在输送皮带的待播工位，合上总电源空气开关（带过载保护）；待PLC控制器启将转换开关转到“定位”挡，播种头自动到排种动后，
位置停下后，将转换开关转到“运行”挡，按下启动按钮，气泵启动运转，输送皮带前进一个工位；同时，播种头在曲柄摇臂机构驱动下从排种位置移向吸种位置。经过1．25s后，种子盘开始振动喂料，当到达吸种检测光电开关时，电磁气阀通电工作，播种头产生负压吸种；在曲柄摇臂机构继续驱动下，播种头移向到排种位置。通过播种位光电开关时，电磁气阀断电，播种头进气，负压消失，种子被释放到穴盘上，完成播进入下一循环。完成一种；播种头又移向吸种位置，
个循环的周期约7．7s，输送皮带的前进和种子盘振动喂料都是在播种光电开关检测到信号后1．25s进行，种子盘振动喂料持续时间为3s。整个过程需两人操作，一人负责上填充好基质待播穴盘，另一人负责取以获得较好下播好种的穴盘。种子盘振动频率可调，
的播种质量（高的单粒率、低漏播率和低多粒率）。输送带的步进距离可由PLC设定，穴盘靠固定在机架上的限位板定位，位置可微调，使穴孔与播种头上吸嘴对正，保正种子播在穴孔中心。
菜等需育苗移栽的种植中，立体化培育可节约空间、减少投资，幼苗带基质移栽，更利于幼苗在大田中生长和提高幼苗对大田环境和气候的适应性，有利于高产稳产
［2－3］
。穴盘育苗中精量播种是关键，但由于蔬
菜种子籽粒小、人工播种效率低、费工耗时，人工成本高。现有的自动穴盘育苗精量播种设备几乎都是单排针式或吸嘴式，每次只能播1排，每播1排需在1s以上，效率较低；1h播128穴（8×16）约240盘，且设该设备在花卉和高附加值的经济作物育苗备投资大，
上用得较多。半自动的整盘气吸式播种机都是人工靠手拉或脚踏，每次1盘，效率不高，劳动强度操作，大
［4－6］
。针对以上问题，设计了一种整盘气吸式自动
穴盘育苗精量播种机，可减少穴盘育苗中的人工投提高播种效率，对降低工厂化育苗的成本具有重入，要意义。
1
1．1
播种机机构及工作原理
播种机结构
自动穴盘育苗精量播种机结构：由振动喂料种子
整盘气吸播种头、曲柄摇臂连杆机构、步进皮带穴盘、
盘输送机构、泵阀系统、光电传感探测，以及PLC可编
收稿日期：2014－01－23
2012］341号文）基金项目：四川省财政资金项目（川财农［
（E－mail）作者简介：刘征明（1964－），男，四川大邑人，高级工程师，
158661926@qq．com。
（E－通讯作者：随顺涛（1982－），男，山东鱼台人，工程师，硕士，
mail）suishuntao1982@163．com。
2主要部件结构参数设计
所设计播种机主要针对需育苗移栽千粒质量在
10g以内小粒种子。通过查阅资料及相关经验，常见小粒蔬菜种子形状有球形（类球形）、类圆片、扁长条
［4］
形，外形尺寸1～5mm，据此对播种机所需参数进行
分析计算。
2015年1月2．1
吸嘴的结构参数确定
农机化研究
嘴
［7］
第1期
，90°喇叭口，孔径为种子直径的0．5～0．6倍，取
根据有关试验研究，吸嘴结构为V型锥角吸0．6、1．0mm3种规格
。孔径0．4、
1．控制面板2．机架3．穴盘输送带4．导轨板5．播种头6．摇臂驱动减速电机7．导向杆8．步进电机9．气泵10．气管11．偏心盘
12．摇臂13．连杆14．控制系统图1
Fig．1
自动穴盘育苗播种机结构示意图Thestructureoftheautomatictrayprecisionseeder
2．2吸种盘腔体形状尺寸确定
吸种盘气室对吸嘴的吸附性影响很大，要保证吸
嘴吸住种子直到播种工位释放种子完成播种。故将播种头运动设计成进出种盘时为与水平倾斜40°的平动，升降高度大于42mm；离开种盘后为水平平动，水平移动的距离大于穴盘宽度280mm。播种头单侧滚轮导轨如图4所示。
盘上各个吸嘴都能且只吸1粒种子，则要求吸种盘腔气流畅通不能有任何阻扰。标体内各部位压力一致，【自动栽苗机视频】
准穴盘是长方形540mm×280mm，根据常规蔬菜育苗要求选取128穴（8×16）的穴盘，将吸种盘腔尺寸确定为510mm×250mm×20mm。腔体上方设置配气道，可均匀稳定吸种盘腔体内的压力，如图2所示。
图2
Fig．2
吸种盘
图3
Fig．3
种盘
Thestructureoftheseeddisc
Thestructureofthesuctiondisc
2．3种盘形状尺寸的确定
要保证吸种盘（播种头）能顺畅地在种盘中吸种，
种盘的最底部尺寸必须大于播种头的结构尺寸，同时取底部尺寸为570mm保证种子在每边不受挤压损坏，
×290mm，为便于吸种盘的进出，种盘的一长边做成向外倾斜，与底成35°高42mm；其余3边均与底垂直，高80mm，如图3所示。2．4
播种头运动轨迹的设计
播种头在种盘中吸种后离开种盘到穴盘上方播种，在整个运动过程中播种头不可与种箱碰撞，同时不能有振动和冲击，播种头运行必须平稳，以保证吸
2．5
Fig．4
图4
导轨板
Thestructureofguide－wayplate
播种头驱动机构设计
要使播种头连续不断在播种工位与吸种工位之间
移动，既有高度位移又有水平位移，曲柄摇杆机构能
2015年1月农机化研究第1期
较好地满足此要求。其机构组成为齿轮减速电机驱动偏心盘通过连杆与三角形摇臂上端相连，摇臂的另摇臂用支座固定在机架一端由连杆联接到播种头，上，绕支座销轴线摆动，如图1所示。2．6
摇臂驱动电机速比及播种周期的确定
要保证有足够的吸种时间降低漏播率，同时要保证播种头运行平稳不产生冲击，故播种周期t不能太短。经试验播种周期t在7～8s间较适合，即偏心盘每7～8s转1圈，偏心盘的转速为np=60/7（8）=8．57（7．5）r/min，减速机速比为i=n/np=1400/8．57（7．5）=163．36（186．67）。其中，n为摇臂驱动电机转速。2．7
摇臂驱动减速电机的选择
播种头工作中，最大牵引力发生在吸种后离开种盘的斜向上升过程中，此时减速电机转动负荷较大。根据计算和试验测定，选用速比为180、功率为200W的卧式齿轮减速电机可以满足要求，其最大输出扭矩可达22．2N·m。2．8
穴盘输送机构及工作台结构尺寸确定
穴盘输送采用PVC240×3600×2直纹带，驱动选用步进电机，步长由PLC程序控制，工作台宽应大于标准穴盘宽度280mm，长度大于标准穴盘长度3倍，高度符合人体工程学操作高度。2．9
种盘振动机构及参数确定
种盘中种子振动悬浮状态对播种头吸种质量（性能）有较大的影响，种盘激振强度及可靠性至关重要。经测得种盘总成及盛20mm厚的油菜种子后，其质量激振器激振力需820N；同时，为了便于种子为8．2kg，
吸取，需要将种子振动成沸腾状，选用振幅可调的30W、220V单相交流振动电机，最大激振力300N，通过调节励磁电压改变振幅以满足不同种籽的要求。2．10
气泵的选配
播种周期为7．7s，吸种时间tx为吸嘴在种盘中被“淹沫”的时间，经测定tx为0．5s。要保证吸种效果，不漏吸，气泵必须在0．5s内将气室内的空气吸完，气
3室体积为0．51×0．25×0．02=0．00255m，气泵计算3
吸气量为3600×0．00255÷0．5=18．36m/h。气路
出气泵的有效功率为总功率的30%～50%。因此，选
3
择抽气效率60m/h，电机功率1．75kW，额定电压
220V，真空度为42kPa的吸气泵。
3
3．1
PLC控制系统设计
PLC的选型及参数确定
根据控制对象的数量和动作要求，选用ABB公司
生产的PM554－Ｒ型可编程控制器。它具有8DI/128kb内存，6DO接口，性能良好。3．2
信号探测器
本机中的动作控制完全靠播种头的位置决定，播选用种头位置的探测是唯一信号源。根据结构特点，E32－DC200光纤式探测器，有效距离在0～150mm，金属和非金属均可检测，在播种位和吸种位各安装1个。3．3
控制流程
控制流程图如图5所示。
系统漏气不可避免，要维持气室的真空度保证吸附力，气泵的抽气效率不仅要克服漏气损失，还要有富裕。根据以下公式计算绝对真空度为
F=（101－P）×S
（1）
图5
Fig．5
控制流程图
F为理论吸附力≥所吸附种子质量（N）；P其中，
2
为绝对真空压力（kPa）；S为吸种盘有效面积（m）。
则绝对真空压力P≤50kPa。根据相关试验统计
Theflowchartofcontrolsystem
2015年1月农机化研究
4．2
试验结果分析
第1期
4
4．1
性能测试
试验及其结果
自动穴盘精量播种机样机如图6所示，分别用油
1）表1数据表明，用油菜籽进行机具性能试验5组试验的平均单籽率为94．53%，平均多籽率为时，
3．59%，平均漏播率为1．88%。
2）表2数据表明，用茄子种子进行机具性能试验5组试验的平均单籽率为93．75%，时，平均多籽率为3．44%，平均漏播率为2．81%。
3）分别用油菜籽和茄子种子进行性能试验时，5组试验各项指标统计结果相差不大。这说明该机工作性能稳定可靠，单籽率稳定在92%以上，且对种子无损伤，满足农艺上对穴盘精量播种的要求。
菜籽和茄子种子进行机具性能试验。吸孔孔径大小对单粒率、多粒率影响很大，孔径尺寸减小，单粒率上升、多粒率下降；但孔径太小不易加工且易被堵塞。研究表明：吸嘴孔径取物料种子直径的0．5～0．7倍较合适
［8－10］
。据此，油菜籽选用孔径0．6mm的吸嘴，
茄子种子选用0．4mm吸嘴，试验所用穴盘为128穴（8×16），尺寸（长×宽×高）为540mm×280mm×35mm。首先筛选种子，除去杂质，开机连续播种，以7s播一盘的速度进行试验；以10盘为一组，每组随机抽取两盘进行统计，共重复5次。油菜籽试验结果如表1所示，茄子种子试验结果如表2所示
。
5结论
1）本机采用了曲柄摇臂连杆机构，使播种头从排
种工位到吸种工位再到排种工位全部自动完成，整个机构运行平稳，动作、位置准确，减轻了劳动强度，提高了播种效率。
2）采用了步进式皮带输送机构，步进电机工作可靠，定位准确、可调步长。定位靠板固定于机架上且可微调，弥补了皮带拉长时产生定位误差，待播工位和就绪工位的设置，提高了工作效率。
3）将吸盘设计成可拆换式，吸嘴组装在吸盘上，这样可根据播种工艺要求更换不同行数和列数的吸盘，也可根据种子的不同更换不同吸嘴，提高了播种
图6Fig．6表1Table1
组号12345平均
单籽率94．5393．7596．0992．9795．3194．53
表2Table2【自动栽苗机视频】
组号12345平均
单籽率93．7595．3192．9794．5392．1993．75
样机图
机的适应性，扩大了播种机的使用范围。
4）种盘振动频率可调，使不同特性的种子都能达到良好的悬浮状态，便于吸嘴吸附种子，使播种机在
%破损率000000
Themodelmachine油菜籽试验数据
Testdataoftherapeseeds
多籽率3．913．912．344．683．133．59
漏播率1．562．341．572．351．561．88
播不同种子时都有较好的播种质量。
5）整机采用PLC可编程控制，简化了播种操作，提高了设备的智能性。
6）该机工作时性能稳定可靠，满足农艺上对穴盘且提高了播种效率，节约了人力和精量播种的要求，
财力，提高了经济效益，为推广工厂化育苗技术提供了先进实用的装备，提高了播种技术的现代化水平。参考文献：
［1］司亚平，．北京：中国农何伟明．蔬菜穴盘育苗技术［M］
茄子种子试验数据
%破损率000000
Testdataoftheeggplantseeds
多籽率3．913．133．912．343．923．44
漏播率2．341．563．123．133．892．81
1999．业出版社，
［2］周长吉．工厂化穴盘育苗技术在我国的发展［J］．农业工
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［5］武广伟．温室穴盘精密播种设备的研究进展［J］．北方园
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（下转第159页）
2015年1月农机化研究第1期
成控制程序的编写和软、硬件的综合与调试，能够演示自动上种、倒种的工作过程。
在硬件材料的制作中，由于材料尺寸的加工精度较差，导致系统运行时经常出现失误甚至不能正常连续运行的问题，因此本方案对材料尺寸的设计加工精度要求非常高；考虑到车载时不稳定性等因素，建议将起拨动作用的直流减速电机换成步进电机；所选用电机的型号不同，电压分为3个等级，存在供电不方便的问题，建议将电机适当调整，整合供电电压。
本方案重在设计思路，由于对小区播种机实际应用缺乏经验，该方案中一定还存在很多不足的地方，
需要后期在实际生产与应用过程中不断改进，使这套系统进一步完善。参考文献：
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PrecisionPlanterAutomaticKindofMachineDesign
HeZhongkai，GongLinong，CuiHaiming，WangYanyao
（CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，QingdaoAgriculturalUniversity，Qingdao266109，China）Abstract：Intheprocessofnewvarietiesbreedingandmultiplicationofcrops，itisalwaysneedtocompletebyalotofplotexperiments．Forthecurrentplotplanter，changingandplantingseedsineachplotneedtomanuallycompleteandthisaffectstheefficiencyoftheplotplanter．Thispaperhasdesignedakindofautomaticmachines，includingthedesignofmechanicalpartsandthedesignofelectriccontrolparts．Itbasicallymeetvehiclerequirementsandabletocompletethetaskofautomation，supplyingseedsandemptyingseeds．
Keywords：plotplanter；automatickinds；microcontroller；driverofmotor（上接第155页）
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［J］．山东工程学院学报，2002，16（3）：14－15．
AbstractID：1003－188X（2015）01－0152－EA
DesignandExperimentontheAutomaticTrayPrecisionSeeder
LiuZhengming，SuiShuntao，MeiLinsen
（SichuanＲesearch＆DesignInstituteofAgriculturalMachinery，Chengdu610065，China）
Abstract：Asanimportantmeansofseedling，trayseedlingplaysanimportantpartinthemodernfacilityagriculture．Consideringtheproblemoflowefficiencyandhighlaborintensitytotheexitingtrayprecisionseeders，anintegratedair－suctiontrayprecisionseederisdesigned．Thebasicstructureandprincipleoftheseederisintroduced，andstructurepa-rametersisalsobeendetermined．Moreover，Experimentwasconductedtotestitsperformancewiththerapeseedsandeggplantseeds．Seedingexperimentsshowthattheseederworkswithconsistentlyreliableperformance，andthesingleseedratesteadyatmorethan92%．What’smore，theseederworkswithoutinjuriestotheseed，withmeetingtherequire-mentsofthetrayprecisionseedingtechnologyonagriculture．Withthisseeders，theseedingefficiencyisimprovedandresourcesissaved，andimprovingthemodernizationlevelofseedingtechnology．
Keywords：agriculturalmachinery；precisionseeder；air－suctiontype；detachablesuctiondisc
第31卷 第23期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.23
10 2015年 12月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2015
·农业装备工程与机械化·全自动移栽机取送苗系统的设计与试验
倪有亮，金诚谦※，刘 基
（农业部南京农业机械化研究所，南京 210014）
摘 要：针对目前全自动移栽机取送苗环节伤苗率高、取送苗机构运动轨迹复杂和效率低等问题，该文设计了一种全自动移栽机取送苗系统。该试验装置采用钵苗盘移位机构实现钵苗盘纵向、横向移动，集排式顶苗机构和取苗机构完成对钵体苗的顶出、夹取，接苗机构、拨苗机构、输苗机构和落苗机构等将钵盘中取出的苗输送至栽植器，整个系统作业过程中所有动作均由PLC控制气压缸和液压马达完成。通过理论分析和MATLAB仿真求解，并进行单因素试验验证，得到针对辣椒苗顶苗机构驱动气缸和苗夹夹片开合气缸最佳工作气压分别是0.4、0.25 MPa。对取苗频率、输送苗速度、移栽机前进速度理论分析得到三者之间的函数关系，进而对这3个因素水平进行优化，得到4组最佳因素水平组合并进行了多指标正交试验。试验结果表明：当取苗频率为7次/min、输送苗速度为42 m/min、移栽机前进速度为20 m/min时，该系统取送苗质量最佳，此时移栽漏苗率为2.4%、重栽率1.1%、倒伏率1.3%、伤苗率1.7%和取送苗合格率96.7%。该研究为移栽机自动化取苗提供了参考。
关键词：农业机械；控制；设计；全自动移栽机；取送苗系统；集排式顶苗机构 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.23.002
中图分类号：S223.92 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2015)-23-0010-10
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. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2015.23.002 ※通信作者：金诚谦，男，安徽潜山人，研究员，全国农业机械化与设施农业工程技术专家库专家，主要从事农业工程装备技术研究。南京 农业部南京农业机械化研究所，210014。Email：412114402 @qq.com
比试验，在一定程度上解决了穴盘苗自动取苗难题，但
单次只能取一株苗，作业效率低且伤苗率较高。与此同时国内旱地作物移栽的全自动移栽机发展缓慢，近年来出现了一些有关自动取苗和输送苗机构的研究。俞高红等[13]、叶秉良等[14-15]研发了一种椭圆-不完全非圆齿轮行星系取苗机构，并在此基础上发展了凸轮取苗机构和旋转式取苗机构，该机构能够实现高速取苗，但运动轨迹复杂、制造成本高；韩绿化等[16]设计了两指四针钳夹式取苗末端执行器，能完成自动取苗，但对钵体伤害较大；韩长杰等[17]研制了一种钵苗移栽机自动取喂系统；杨传华等[18]设计了一种采用可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）控制的蔬菜钵苗移栽机自动输送装置，采用高速伺服电动缸推杆顶出苗方式进行取送苗；吴俭敏等[19]研制了具有钵苗自动识别系统的输苗装置，能够有效减少漏苗，但该系统仅能单穴检测，效率低。
以上研究均在一定程度上实现了钵体苗的自动取送，但机构运动复杂、成本高、效率低、成功取苗率低、可靠性低等。鉴于目前移栽机研究中的问题，本文针对移栽机取送苗环节，设计了一种基于PLC控制的全自动移栽机取送苗系统，以期为移栽机自动化取苗提供参考。
1 取送苗系统整体设计
1.1 整机结构与工作原理
取送苗系统如图1所示，该系统主要由钵苗盘移位机构5、集排式顶苗机构6、取苗机构9、机架10和落苗
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机构11、接苗机构12、输苗机构13等部分构成。为更好适应国内蔬菜苗的移栽，避免Ferrari移栽机的堵苗现象，接苗机构12的接苗杯、输苗机构13的输苗桶尺寸大小进行了改进。作业过程包括钵苗盘固定、钵苗盘横向和纵向移位、顶苗、夹苗、接苗、输送苗和落苗等。系统工作时，钵苗盘固定在苗盘固定架4上，苗盘大支撑座7和小支撑座8托住苗盘，苗夹转向架4转动将苗夹转至平行于钵苗的状态；集排式顶苗机构6在气缸作用下向前驱动顶苗杆并将钵苗成排顶出，苗夹夹片开合气缸驱动苗夹夹片相向转动夹住钵体；苗夹转向架反向转动将苗夹转至竖直状态，接苗机构12向上运动，苗夹释放钵苗，接苗杯接住钵苗；接苗机构12向下运动至输苗桶上方，同时底端挡板打开，拨苗机构14拨动钵体苗，钵体苗落入输苗桶中；输苗桶在链传动的作用下不断回转输送钵体苗，当输苗桶运动到落苗机构上方时，落苗机构开合板打开，钵体苗在重力作用下落入栽植器中，完成一次取送苗作业。
移栽机伤苗率高的现象，苗夹夹片开合气缸F和顶苗机构驱动气缸I的气动控制阀端均配有减压阀和压力表，对不同移栽作物可通过调节压力表实现顶苗、夹苗压力的调节。同时针对控制系统进行了重新编程设计，采用PLC控制，精简了取送苗系统的控制过程，增加了传感器数量，控制系统测试更加稳定。
注：A为落苗机构开合板驱动气缸；B为苗盘固定架横向移动气缸；C为苗盘固定架横向限位气缸；D1、D2为苗盘小支撑座上顶起-回位气缸；E为苗盘夹紧机械手驱动气缸；F为苗夹夹片开合气缸（11个）；G为钵苗盘移位机构纵向升降气缸；H为苗盘大支撑座顶起-回位气缸；I为顶苗机构驱动气缸；J1、J2为接苗机构提升气缸；K1、K2为苗夹展开-收缩气缸；L为苗夹转向架驱动气缸；M1、M2为拨苗机构驱动气缸；N1、N2为接苗杯底端挡板开合气缸；P为空气压缩机；W为后冷却器；T为储气罐；U为压力表；S1、S2、S3为减压阀；R为分水过滤器；DT0～DT8、Q为二位三通电磁换向阀，DT9～DT16为二位五通电磁换向阀。
Note：A refers to pneumatic cylinders driving opening-closing board of seedling dropping mechanism; B refers to pneumatic cylinders controlling horizontal movement of seeding-tray holder; C refers to pneumatic cylinders controlling horizontal spacing of seeding-tray holder; D1 and D2 refer to pneumatic cylinders driving seedlings pushing up and returning mechanism respectively on small clamping support; E refers to pneumatic cylinders driving mechanical arm
clamping seeding-tray holder; F refers to pneumatic cylinders controlling
1.苗夹转向架 2.苗盘固定架横向移动气缸 3.苗盘固定架纵向移动气缸 opening and closing of seedling clamps’piece(11);G refers to pneumatic 4.苗盘固定架 5.步进移位机构 6.集排式顶苗机构 7.苗盘大支撑座 cylinders controlling vertical movement of seeding-tray holder; H refers to 8.苗盘小支撑座 9.取苗机构 10.机架 11.落苗机构 12.接苗机构 13.输pneumatic cylinders driving seedlings pushing up and returning mechanism
respectively on large clamping support; I refers to pneumatic cylinders driving 苗机构 14.拨苗机构
seedlings pushing up mechanism; J1 and J2 refer to pneumatic cylinders lifting 1.Bogie of seedling clamps 2.Pneumatic cylinders controlling horizontal
seedlings catching mechanism; K1 and K2 refer to pneumatic cylinders movement of seeding-tray holder 3.Pneumatic cylinders controlling vertical
controlling opening-closing of clamps; L refers to pneumatic cylinders driving movement of seeding-tray holder 4.Seeding-tray holder 5.Stepping mechanism
seedling clamps bogie; M1 and M2 refer to pneumatic cylinders driving 6.Rows of seedlings pushing up mechanism 7.Large clamping support 8.Small
seedlings stirring up mechanism; N1 and N2 refer to pneumatic cylinders clamping support 9.Seedling picking-up 10.System bracket 11.Seedling
controlling opening-closing of blocking board under seedlings catching cup;P dropping mechanism 12.Seedlings catching mechanism 13.Seedlings delivering
refers to air compressor; W refers to after cooler; T refers to air tank; U refers to mechanism 14.Seedlings stirring up mechanism
pressure gauge; S1, S2, S3 refer to pressure release valve; R refers to water
division filter; DT0-DT8, Q refer to two position three way magnetic exchange 图1 全自动移栽机取送苗系统结构图
valve; DT9-DT16 refer to two position five way magnetic exchange valve.
Fig.1 Structure diagram of picking up and delivering seedlings system in automatic transplanter【自动栽苗机视频】
1.2 驱动系统设计
取送苗系统所有部件运动均由PLC控制液压马达和气缸完成，空气压缩机为气动动力源，液压泵为液压动力源。取送苗系统安装多个传感器，精确获取各部件动作的到位信号，通过信号接收器将信号反馈给控制系统，并控制液压控制阀、气动控制阀，从而达到对各个液压马达和气缸动作的控制。该系统采用西门子公司S7-200 CN系列PLC、PP17-1触摸面板和亚德客系列气缸和气动元件等。整个系统中，除输苗机构的链传动由液压马达提供动力外，其余各部件的作业均靠气缸驱动。气动驱动系统图如图2所示[20]。气缸A～C、D1、D2、E～F由二位三通电磁换向阀控制，气缸G～I、J1、J2、K1、K2、M1、M2、N1、N2由二位五通电磁换向阀控制。针对Ferrari
图2 气动驱动系统图
Fig.2 Diagram of pneumatic control system
气动系统作业时，启动控制器，DT9动作，钵苗盘移位机构纵向升降气缸G下降，到位传感器I0.1检测到钵苗盘移位机构到位，气缸G停止；同时DT14动作，苗盘转向架翻转，传感器I0.2检测到信号，DT11、DT8动作，钵体苗被顶出同时苗夹夹苗，传感器I0.3检测到顶苗机构，DT11再次动作，顶苗机构回位；2 s后DT14动作，苗盘转向架翻转至竖直状态，传感器I0.4检测到到位信号，DT12动作，接苗机构上升同时触发传感器I0.5，DT8动作，苗夹松开放苗；5 s后DT12动作，接苗机构下降并触发传感器I0.6，DT16动作，接苗杯底端挡板打开，钵苗落下；2 s后DT15动作，拨苗机构拨苗以确保所有钵体苗落入输苗桶。
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0<α1<90°。由于该苗盘的苗穴为方形，为适应多种形状穴盘的使用，兼顾四棱台形空穴苗盘[17]，考虑到在坡度较大不平整地块，移栽机振动以及苗盘倾斜，适当增大倾斜角取值，取α1=85°。
注：l为钵体长度，mm；m为钵体宽度，mm；O1为钵体重心；G为钵体的重力，N；Fx为钵体重力的轴向分力，N；Fy为钵体重力切向分力，N；α1为苗盘固定架倾斜角，(°)。
Note: l is length of seeding body，mm；m is width of seeding body, mm; O1 is center of gravity of seeding; seeding body’s gravity is G, N; Fx is axial thrust load of seeding body’s gravity is, N; Fy is tangential spinning force of seeding body’s gravity, N; α1 is angle of inclination of seeding-tray holder, (°).
图4 钵体在穴盘中受力图
Fig.4 Force diagram of plug seedling within plug tray
1.钵苗盘移位机构纵向升降气缸 2.限位螺母 3.苗盘固定架横向移动气缸 4.苗盘固定架 5.机架 6.苗盘 7.纵向导轨 8.编码器传动齿条 9.编码器传动齿轮 10.编码器
1.Pneumatic cylinders controlling vertical movement of seeding-tray holder 2.Limit nut 3.Pneumatic cylinders controlling horizontal movement of seeding-tray holder 4.Seeding-tray holder 5.mechanism holder 6.Seeding tray 7.Vertical guide rail 8.Encoder transmission rack 9.Encoder transmission gear 10.Encoder
注：l0是苗盘苗穴中心距，mm。
Note: l0 is distance of two adjacent seeding hole, mm.
图3 钵苗盘移位机构结构图
Fig.3 Structure diagram of plug tray stepping mechanism
2.1.2 钵苗盘移位机构编码器齿轮及齿条参数确定
苗盘结构如图5所示。苗盘固定架纵向移动气缸在钵苗盘取苗开始至结束过程中，始终保持固定位移的纵向运动，故设计利用编码器和齿条对钵苗盘移位机构的纵向移位进行精确控制。如图3所示，当钵苗盘移位机构纵向升降气缸1向下运动时，驱动钵苗盘移位机构整体纵向移动，此时编码器传动齿条8纵向移动并带动编码器传动齿轮9运动，编码器传动齿轮9转动从而驱动编码器内部主轴回转，齿条直线运动转化成主轴圆周转动，当主轴转动过控制系统设置的角位移，转化成数字信号反馈给控制系统，控制系统接收到高速脉冲信号后，控制钵苗盘移位机构升降气缸停止工作，此时苗盘固定架在气缸作用下纵向移动一格位移。
2.1.1 苗盘固定架倾斜角度设计
苗盘放置在固定架上时，苗盘底面与固定架倾斜面平行，苗盘侧面放置在固定架下支撑板，与下支撑板平行。苗盘固定架安装的倾斜角度会直接影响苗盘的纵向放置位置，若固定架倾斜角度α1过小，会增加移栽机横向体积，同时苗盘中的秧苗趋于竖直状态，不利于顶苗杆顶苗。若α1过大，苗盘趋于竖直，秧苗趋于水平状态，秧苗在重力作用下会自然脱落。在不平整地块作业，移栽机经过大于90°−α1坡度地表时，地块坡度与固定架倾斜度叠加，导致秧苗与水平线呈负角度，此时秧苗将会在重力作用下自然脱落。为避免作业过程中钵体苗从苗盘中自然脱落，对苗盘固定架倾斜角度进行设计。
由受力分析可知，当钵苗重力的分力Fx方向如图4所示时，秧苗不会自然脱落，此时
Fx=G·cosα1。 （1）
式中Fx为钵苗重力的轴向分力，N；G为钵体的重力，N；α1为苗盘固定架倾斜角，(°)。要求Fx>0，即cosα1 >0，
图5 苗盘结构图
Fig.5 Structure diagram of plug tray
为了实现对钵苗盘移位机构纵向移位的精确控制，需要对编码器传动齿条和编码器传动齿轮进行设计。钵苗盘向下纵向移动一格的条件是[21]
n
l0=πd， （2）
N
d=m1·Z。 （3）
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式中l0是苗盘纵向苗穴中心距，mm；d是齿轮分度圆直径，mm；N是编码器分辨率，P/R；n是钵苗盘下降一格编码器所转动的栅格数，个；Z为编码器传动齿轮齿数，个；m1是模数[22]。选择OSS-04-2型编码器，该编码器分辨率为400 P/R，每转400个脉冲，即N=400，取m1=1[22]，Z=26。得到n/N=24/26π，即n’=[n]=116。
钵苗盘每个苗穴圆孔尺寸是10 mm，顶苗杆顶杆设计尺寸是8 mm。为了确保在一盘苗取苗过程中避免在气缸驱动苗盘纵向移动出现尺寸偏差，即顶杆始终能够与苗穴圆孔配对顶苗，需满足钵苗盘纵向移动12次累计尺寸误差小于顶苗杆与钵苗盘圆孔半径差，即
Δ=12
n′n-<1。 （4） NN
通过活塞与苗夹座连接。活塞与苗夹座形成小型气缸。苗夹作业时，进气管通气，经过进气口进入气缸中，将活塞向两侧顶出，左、右苗夹夹片前端在活塞作用下顶出并绕螺栓相向转动，夹住钵体，此时苗夹夹片与苗夹座之间的弹簧受力压缩；当需要释放钵苗时，停止供气，压缩弹簧张开，在弹力作用下，左右苗夹夹片前端相背转动，释放钵苗。
式中Δ为钵苗盘纵向移动的累计尺寸误差，mm；n’为钵苗盘下降一格编码器所转动的栅格数。
经过计算，n’=116时满足累计误差要求，即每当脉冲接收器接收到编码器发出的116个脉冲信号，控制系统控制气缸阀，纵向升降气缸停止作业，此时钵苗盘纵向移动12次累计尺寸误差小于顶苗杆与钵苗盘圆孔半径，即钵苗盘每下降一格均能满足精度要求。 2.2 集排式顶苗机构及取苗机构设计
为了提高移栽机作业效率，完成高效自动化取苗作业，设计了成排顶-夹式取苗系统，如图6所示，图6a是顶苗-夹苗作业示意图，图6b是集排式顶苗机构驱动架运动示意图，图6c是苗夹转向架运动示意图。成排顶-夹式取苗系统主要包括顶苗杆6、顶苗杆驱动气缸11等；取苗机构主要包括苗夹2、苗夹转向架4等。
作业过程中，PLC系统控制并启动苗夹转向架驱动气缸13和苗夹展开-收缩气缸3，苗夹整体由v方向收缩，苗夹转向架4逆时针转动，系统支架9上固定一个限位螺栓12，通过调节限位螺栓12的位置限制苗夹转向架4的转动角度。当苗夹转向架4转动并接触限位螺栓12时，此时苗夹与顶苗杆平行，苗夹转向架驱动气缸13停止工作，同时触发传感器A，传感器A将到位信号反馈给控制系统，顶苗机构驱动气缸11工作，集排式顶苗机构5向前顶出，当其运动至传感器B处时，传感器B触发并将信号反馈给控制系统，顶苗机构驱动气缸11停止工作， 同时PLC控制系统控制苗夹内置的苗夹夹片开合气缸作业，苗夹夹紧钵体，完成一次顶苗、夹苗作业。 2.2.1 苗夹设计
为了提高取苗机构的自动化程度，减少伤苗率，本文设计了如图7所示的苗夹结构。苗夹包括左、右2个苗夹夹片，苗夹夹片采用弧形设计，增大与钵体基质的接触面积，在夹取钵体基质过程中有一定的缓冲力，能有效避免夹碎钵体，尤其适用于柱状钵体基质。适于移栽的蔬菜苗其高度一般小于250 mm，故设计苗夹夹片夹苗部分长度为280 mm，穴盘孔穴宽度或者直径一般小于35 mm，设计左、右苗夹夹片非工作状态下距离为40 mm。托苗杆固定在苗夹座上，左、右苗夹夹片通过螺栓和轴承与苗夹座连接，并且在左、右苗夹夹片中部用压缩弹簧与苗夹座连接，左、右苗夹夹片末端
1.传感器A 2.苗夹 3.苗夹展开-收缩气缸 4.苗夹转向架 5.集排式顶苗
机构 6.顶苗杆 7.苗盘 8.钵体苗 9.系统机架 10.传感器B 11.顶苗机构驱动气缸 12.限位螺栓 13.苗夹转向架驱动气缸
1.SensorA 2.Seedling clamp 3.Pneumatic cylinders controlling opening-closing of clamps 4.Seedling clamps bogie 5.Rows of seedlings pushing up mechanism 6.Seedlings pushing up bar 7.Seeding tray 8.Seeding 9.System frame 10.Sensor B 11.Pneumatic cylinders driving seedlings pushing up mechanism 12.Limit bolt 13.Pneumatic cylinders driving seedling clamps bogie
注：v是苗夹运动速度，m·s-1。
Note: v is velocity of seedling clamps, m·s-1.
图6成排顶-夹式取苗系统结构图
Fig.6 Structure diagram of rows of seedling pushing up and
picking up system
该苗夹夹片、螺栓、轴承以及活塞在受力时形成一个杠杆机构。有如下公式
F气=PπD， （5）
F极 ·l1=F气·l2， （6）
4F⋅l
。 （7） P=极1
πl2⋅D2
2
式中F气为气缸活塞对苗夹夹片作用力，N；P为进气气压，MPa；F极为钵体所受的极限力，N；l1为苗夹夹片顶端到轴承中心距，mm；l2为活塞中心到轴承中心距，mm；D为活塞直径，mm[23]。
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≥140 mm， Δ=2.2.2 集排式顶苗机构驱动架设计
为提高作业效率，满足取苗机构的供苗数量，设计了集排式顶苗机构驱动架，其结构示意图如图6b所示，其工作轨迹及受力如图8所示。
′-xC′)2+(yD′-yC′)2=(xD-xC)2+(yD-yD)2， 且(xD
22
′2+yC′2。 且xC+yC=xC
同时，苗盘固定架倾角是85°，导杆滑动方向与苗盘方
JJJJGCDx1
故γ=cos−1−π， 向平行，故DD′与x轴夹角为5°。
36CD
JJJJGJJJJGCDxCDy
11
即 cosγ=cosπ+sinπ，
3636CDCD
JJJJGJJJJGJJJJG
其中CDx=xD−xC，CD=lCD，CDy=yD−yC。 式中x′D，y′D分别是点D′的横坐标和纵坐标；xD，yD分别是点D的横坐标和纵坐标；x′C，y′C分别是点CC′的横坐标和
JJJG
纵坐标；xC，yC分别是点C的横坐标和纵坐标；CD为CD
JJJJGJJJJGJJJJGJJJJGCD段的向量；CDx为CD在x轴的分量；y为CD在
注：F1为气缸在驱动架点B处的顶力，N；F2为驱动架在点C处的驱动力，
N；F3为F2沿钵体轴向的分力，N；α为气缸与驱动架的夹角，(°)；β为驱动架OC段与CD段的夹角，(°)；γ为F2与钵体轴向的夹角，(°)；θ为驱动架OB段与OC段的夹角，(°)。
Note: F1 is pushing force of pneumatic cylinder at point B on bogie，N；F2 is pushing force of bogie at point C，N；F3 is component of force of F2 in direction of axial of seeding，N；α is angle between pneumatic cylinder and OB part of bogie，(°)；β is angle between OC part and CD part of bogie，(°)；γ is angle between force F2 and axial of seeding，(°)；θ is angle between OB part and OC part of bogie，(°)。
图8 集排式顶苗机构驱动架工作轨迹及受力图
Fig.8 Working stroke and force diagram of rows of seedlings
pushing up mechanism bogie
y轴的分量。
在顶苗过程中，气缸供气压力可调，当气缸活塞杆的作用力一定，顶苗机构需要足够的输出力F3才能够将成排钵苗顶出，故以F3的最大值为目标函数，得到MATLAB优化方程。目标函数
F · lsinα · cosγ
max F3=1OB。 （10）
lOC · sinβ
约束条件
140 mm， （11） Δ=集排式顶苗机构驱动架可简化成一个曲柄滑块机
构，由5个旋转副和一个移动副构成。图8中AB段是气缸部分，长度随气缸杆伸缩可变；BOC是焊接而成的旋
′−xC′)2+(yD′−yC′)2=(xD−xC)2+(yD−yD)2，（12） s.t(xD
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