蔬菜嫁接夾振動排序裝置的設(shè)計與試驗

蔬菜嫁接夾振動排序裝置的設(shè)計與試驗

0嫁接機的開發(fā)現(xiàn)狀隨著農(nóng)村植物結(jié)構(gòu)的調(diào)整，許多大城市在建立高效的工農(nóng)園后開始建設(shè)育種和苗木苗木。然而，由于中國農(nóng)村老齡化和缺乏精細工人，蔬菜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)迫切需要自動設(shè)備代替大量的手工需求。與此同時,設(shè)施農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展也已為大力研發(fā)和推廣應(yīng)用自動嫁接機器人奠定了基礎(chǔ)。因此,自動化的嫁接機器人在中國的發(fā)展勢在必行。日本從1986年起開始研制蔬菜嫁接機器人,農(nóng)林水產(chǎn)省生物系特定產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究推進機構(gòu)、井關(guān)農(nóng)機公司、洋馬農(nóng)機公司、三菱公司和TGR研究所等機構(gòu)先后開發(fā)出多種類型的嫁接機。日本開發(fā)的嫁接機,性能雖然很好,但是價格也昂貴,一般在35~200萬元之間,非一般農(nóng)戶和中小型育苗中心所能承受,而且基本為半自動式。20世紀90年代初,韓國也開始對自動化嫁接技術(shù)進行研究,開發(fā)的半自動式機械嫁接機價格低廉,在韓國、日本和中國都有一定的銷量。但該機作業(yè)程序較繁雜,只適合小規(guī)模嫁接育苗,不能大面積推廣。近幾年,嫁接技術(shù)在北美也得到了迅速發(fā)展,研究者正在開發(fā)適于嫁接育苗生產(chǎn)的自動嫁接機。在國內(nèi),臺灣開發(fā)了幾種蔬菜嫁接機,張鐵中等研制出幾種類型自動化蔬菜嫁接機,辜松等研制了一系列蔬菜自動嫁接機,姜凱等研制了蔬菜嫁接機器人等。另外李中秋、李明、田素博、李興等也開展了蔬菜嫁接機器人的相關(guān)研究。綜合考慮瓜類蔬菜苗的生理特性和機械嫁接的易操作性,國內(nèi)外的研究者如日本生研機構(gòu)的小林研、國內(nèi)的張鐵中和辜松教授等先后采用貼接法研制成功幾種嫁接機,但是現(xiàn)有貼接法嫁接機存在上夾不均勻,偶爾堵塞的問題,距離嫁接機商業(yè)化階段尚需較長時間。針對東北地區(qū)特別是遼沈地區(qū)甜瓜嫁接種植面積大,研發(fā)合適的機型應(yīng)用于生產(chǎn)實際迫在眉睫。但由于甜瓜貼接嫁接夾的專用性,并且外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則,因此,在甜瓜嫁接機設(shè)計過程中,嫁接夾自動排序送夾裝置是整個機器設(shè)計的關(guān)鍵。本文在設(shè)計出甜瓜貼接嫁接機振動排序裝置的基礎(chǔ)上,擬通過試驗優(yōu)化的方法對甜瓜嫁接機嫁接夾振動排序裝置進行試驗研究,以獲取該裝置的最優(yōu)工作參數(shù),即設(shè)置合適的振動電壓并調(diào)整好篩選擋桿的安裝角度和安裝長度,以實現(xiàn)貼接嫁接機嫁接夾的自動排序并均勻上夾且不堵塞,提高嫁接質(zhì)量及嫁接操作自動化水平。1振動裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理1.1結(jié)構(gòu)及振動排序裝置振動排序裝置主要由圓形筒狀料斗、定向篩選機構(gòu)、頂盤、電磁激振器、支撐板彈簧、重盤和底座減震器等基本結(jié)構(gòu)組成。電磁激振器是電磁鐵和銜鐵的總稱,它將電能轉(zhuǎn)換為機械振動能,作為裝置的動力源,通常安裝在料斗底部的中心處。重盤是固定電磁鐵和板彈簧的基礎(chǔ)零件,也是影響下部可動部分的主要零件,其外徑通常略小于料斗外徑。減震器位于重盤底部,由4個圓柱型的橡膠減振支座構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圓形筒狀料斗是振動排序裝置的最重要結(jié)構(gòu)之一。圓形筒狀料斗的螺旋料道內(nèi)壁上設(shè)置4級固定的定向結(jié)構(gòu),其中第1級和2級均為片狀,第3級為桿狀,第4級為孔狀,對甜瓜嫁接夾在輸送過程中進行4級定向處理,見圖2所示。在螺旋料道末端和出料口之間的螺旋料道外側(cè)板上通過固定螺釘安裝工作長度可調(diào)的篩選機構(gòu)——篩選擋桿,見圖3所示。振動排序裝置實物見圖4所示。篩選擋桿是振動排序裝置的核心部件,其末端形狀根據(jù)甜瓜嫁接夾的尺寸確定,擋桿上設(shè)有安裝調(diào)節(jié)孔,擋桿安裝角度α和安裝長度L都是可調(diào)的。通過調(diào)整安裝角度和安裝長度,讓符合嫁接要求的嫁接夾通過,其他姿態(tài)的嫁接夾經(jīng)過篩選擋桿時將被擋住并直接掉入料斗內(nèi)。篩選擋桿的安裝角度和安裝長度互相關(guān)聯(lián),是由嫁接夾的大小和結(jié)構(gòu)尺寸決定。1.2振動排序裝置電磁鐵線圈中通入交變電流后,電磁鐵產(chǎn)生電磁力,圓形筒狀料斗在電磁力的作用下,產(chǎn)生微小振動,甜瓜嫁接夾在依靠慣性力、重力和摩擦力的綜合作用驅(qū)使下,沿螺旋料道向上向前運動,并在輸送過程中通過定向和篩選機構(gòu)實現(xiàn)自動定向和排序,然后成單列并按供夾的要求將其輸送到出料口。工作時,經(jīng)半波整流后的交流電輸入到電磁鐵的線圈中,產(chǎn)生頻率為50Hz的磁性吸力,從而吸引料斗底部的鐵芯,迫使料斗下降。料斗下降的同時,料斗在其底部邊緣同一圓周上相隔90°傾斜放置的4根彈簧的作用下,產(chǎn)生沿彈簧傾斜方向的圓周扭轉(zhuǎn)。當電磁鐵的磁力迅速減小并趨近于零時,料斗在彈簧恢復(fù)力的作用下,反向回轉(zhuǎn)上升,恢復(fù)原位。在磁性吸力如此往復(fù)作用下,料斗連續(xù)地進行螺旋式圓周振動,使得料斗內(nèi)雜亂的嫁接夾沿著料斗內(nèi)壁的螺旋料道成列地向上行進,并從料斗的頂部經(jīng)過最后的篩選機構(gòu)進入出料口,輸送到送夾滑道以備后續(xù)的機構(gòu)自動供夾。振動排序裝置通過改變電磁鐵線圈中的輸入振動電壓,可以調(diào)整料斗的振幅,從而調(diào)整甜瓜嫁接夾的輸送速率。電磁振動排序裝置在自動嫁接過程中的主要功能是完成嫁接夾在振動料斗內(nèi)的單列有序排列,并能夠以一種快速平穩(wěn)的速度前進。但是,因為排序的甜瓜嫁接夾外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不便于調(diào)整,所以振動排序裝置的定向、篩選結(jié)構(gòu)比較特殊。并且板狀、桿狀、孔狀的4級定向機構(gòu)的安裝位置和篩選擋桿的安裝角度及安裝長度直接影響排序和上夾的質(zhì)量。2振動設(shè)備的運行參數(shù)優(yōu)化試驗2.1振動排序裝置振動排序裝置參數(shù)優(yōu)化試驗的地點在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院實驗室,儀器設(shè)備包括已加工完成的振動排序裝置樣機1臺、甜瓜嫁接夾若干、KBA31智能穩(wěn)壓振動控制器1個(沈陽金安科技有限公司)、游標卡尺1把、測角儀1個、日本佳能相機(CanonPowerShotA4000IS)1臺、秒表1個、直尺1把等。2.2影響因素的評估，以及對工作績效的評價指標和影響因素的分析2.2.1排夾時間變異系數(shù)的確定評價振動排序裝置工作性能用排夾時間變異系數(shù)來量化衡量。所謂排夾時間變異系數(shù)是指符合要求的甜瓜嫁接夾排出出料口的均勻性和連續(xù)性。當排夾時間變異系數(shù)越小時,代表嫁接夾排出出料口越均勻,效果越好,越成功,按式(1)計算排夾時間變異系數(shù)。式中:y為排夾時間變異系數(shù),%;為相鄰夾子排出時間間隔的平均值,s;S為標準差。S的計算公式見式(2),的計算公式見式(3)。式中:Δti為相鄰2個夾子排出的時間間隔,s;n為排出的夾子個數(shù)。2.2.2接種夾的尺寸規(guī)格前期研究結(jié)果表明,振動排序裝置排夾時間變異系數(shù)的影響因素包括電磁鐵線圈中輸入的振動電壓大小、篩選擋桿的安裝角度及其安裝長度、螺旋料道的傾斜角度、嫁接夾的尺寸規(guī)格等。其中螺旋料道的傾斜角度是通過測定嫁接夾與振動盤螺旋滑道材料之間的摩擦情況并根據(jù)計算分析而選定,其角度為3.8°,嫁接夾的尺寸規(guī)格按照市面銷售的國內(nèi)常用甜瓜嫁接夾的特征設(shè)定。輸入的振動電壓大小直接影響料斗的振幅,從而影響振動排序裝置對甜瓜嫁接夾的排夾效果。篩選擋桿的安裝角度和安裝長度也直接影響甜瓜嫁接夾的排夾效果。因此,影響振動排序裝置排夾時間變異系數(shù)的主要可變因素有輸入的振動電壓大小、篩選擋桿的安裝角度和安裝長度。2.2.3起料時料道下不同時移動接根據(jù)前期試驗結(jié)果,輸入的振動電壓小于40V時,電磁鐵產(chǎn)生的電磁力過小,導(dǎo)致圓形筒狀料斗的振幅太小,從而嫁接夾不能沿著螺旋料道順利地向上向前移動,其排夾時間變異系數(shù)較大;大于50V時,電磁力過大導(dǎo)致料斗的振幅太大,致使嫁接夾在料道上振動太大,排序紊亂,并且速度過高,可能使嫁接夾不能順利運動到出料口,或者即使移動到篩選擋桿處,嫁接夾也沒有排序成功,將被篩選擋桿阻擋并碰掉到料斗內(nèi),只有極少數(shù)的嫁接夾能夠以符合要求的姿態(tài)成功地通過篩選擋桿,并被輸送到出料口。因此,智能穩(wěn)壓振動控制器的輸入振動電壓變化范圍為40~50V。2壁內(nèi)間隔間隙的根據(jù)前期試驗結(jié)果,當篩選擋桿的安裝角度小于23°時,篩選擋桿的末端與螺旋料道內(nèi)壁之間的間隔空隙太大,不能完成對甜瓜嫁接夾的最終篩選;當安裝角度超過26°時,篩選擋桿的末端與螺旋料道內(nèi)壁之間的間隔空隙太小,嫁接夾被擋住不能通過,并被篩選擋桿的末端碰掉到料斗內(nèi)。因此,篩選擋桿安裝角度的有效取值范圍為23°~26°。3篩選擋桿安裝長度根據(jù)前期試驗結(jié)果,當篩選擋桿的安裝長度小于最短工作長度44mm時,篩選擋桿的末端與螺旋料道內(nèi)壁之間的間隔空隙太小,嫁接夾被擋住不能通過,并被篩選擋桿的末端碰掉到料斗內(nèi),或者嫁接夾直接卡在篩選擋桿上;當安裝長度超過48mm時,篩選擋桿的末端與螺旋料道內(nèi)壁之間的間隔空隙過大,經(jīng)過螺旋料道輸送到篩選擋桿處的嫁接夾,任何姿態(tài)都能通過。因此,篩選擋桿安裝長度的有效取值范圍為44~48mm。本文將通過試驗的方法研究影響振動排序裝置作業(yè)性能的可變因素的最優(yōu)工作參數(shù)。2.3單因素試驗2.3.1確定排夾時間變異系數(shù)根據(jù)前期研究結(jié)果,首先選取2個可變因素的較好值,即將篩選擋桿的安裝角度固定為24°,將篩選擋桿的安裝長度固定為46mm,然后在振動電壓變化范圍40~50V內(nèi)改變電壓值,并記錄甜瓜嫁接夾排出出料口的間隔時間,計算排夾時間變異系數(shù)。2.3.2安裝角度試驗根據(jù)前期研究結(jié)果,將試驗條件確定為輸入振動電壓大小恒定在45V,篩選擋桿的安裝長度恒定為46mm,改變篩選擋桿的安裝角度,即在安裝角度的有效取值范圍23°~26°內(nèi)改變角度進行試驗,每次試驗記錄嫁接夾排出出料口的間隔時間,計算排夾時間變異系數(shù)。2.3.3擋桿安裝長度的確定同理,根據(jù)前期的試驗結(jié)果,其他2個可變因素的試驗條件確定為輸入的振動電壓大小恒定為45V、篩選擋桿的安裝角度恒定24°,在有效取值范圍44~48mm內(nèi)改變擋桿的安裝長度進行試驗,并相應(yīng)地記錄每個嫁接夾排出出料口的間隔時間,然后根據(jù)間隔時間計算排夾時間變異系數(shù)。2.4試驗指標選取根據(jù)單因素試驗結(jié)果,選取輸入的振動電壓、擋桿的安裝角度和安裝長度作為因素,選取排夾時間變異系數(shù)為試驗指標。依據(jù)選取的因素和水平選擇三元二次回歸正交組合設(shè)計安排試驗,由于因素數(shù)m=3,零水平試驗次數(shù)m0=3,通過查閱文獻確定星號臂長度γ的取值為1.353,所以通過計算得出因素水平編碼表,如表1所示。2.4.2試驗計劃根據(jù)三元二次回歸正交組合設(shè)計的理論,選擇進行8次二水平試驗、6次星號試驗和3次零水平試驗,共計17組試驗。3結(jié)果與分析3.1單因素試驗的結(jié)果3.1.1圖1:美國監(jiān)獄警察-區(qū)輸入的振動電壓大小和排夾時間變異系數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖5a所示。由圖5a可見,輸入的振動電壓對排夾時間變異系數(shù)的影響極大,當在43V左右時,其排夾時間變異系數(shù)達到最小,此時嫁接夾排列最均勻。3.1.2不同類型的圖件的對比篩選擋桿的安裝角度和排夾時間變異系數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖5b所示。從圖5b可見,篩選擋桿的安裝角度對排夾時間變異系數(shù)的影響很大,當在24°左右時,振動排序裝置的排夾時間變異系數(shù)達到最小,此時嫁接夾排列最均勻。3.1.3擋桿安裝長度對排夾時間變異系數(shù)的影響篩選擋桿的安裝長度和排夾時間變異系數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖5c所示。由圖5c可以看出,篩選擋桿的安裝長度對排夾時間變異系數(shù)的影響明顯,當在46mm左右時,振動排序裝置的排夾時間變異系數(shù)最小,此時甜瓜嫁接夾的排序效果最好。3.2正交回歸試驗的結(jié)果3.2.1試驗結(jié)果根據(jù)前面因素水平編碼表確定的試驗方案進行試驗,得出的試驗結(jié)果,即17組試驗條件下的排夾時間變異系數(shù)如表2所示。3.2.2排夾時間變異系數(shù)的確定根據(jù)表2的試驗結(jié)果,運用試驗設(shè)計Design-Expert軟件的響應(yīng)曲面中星點設(shè)計,對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析,得出試驗因素x與排夾時間變異系數(shù)y之間的回歸方程如式(4)。運用Design-Expert軟件中的優(yōu)化功能對此數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化,在輸入振動電壓40~50V、篩選擋桿安裝角度23°~26°、篩選擋桿安裝長度44~48mm的有效取值范圍內(nèi),得出以下結(jié)果:1)當變異系數(shù)定為60%~70%時,優(yōu)化結(jié)果為輸入電壓40V、擋桿的安裝角度25.7°、擋桿的安裝長度45.5mm,此情況下排夾時間變異系數(shù)為68.69%;2)當變異系數(shù)定為70%~80%時,優(yōu)化結(jié)果為輸入電壓41V、擋桿的安裝角度24.7°、擋桿的安裝長度46.27mm,此情況下排夾時間變異系數(shù)為79.69%;3)當變異系數(shù)定為80%~90%時,優(yōu)化結(jié)果為輸入電壓48.7V、擋桿的安裝角度25.61°、擋桿的安裝長度47.48mm,此情況下排夾時間變異系數(shù)為82.83%。然而,當排夾時間變異系數(shù)較小時,雖然嫁接夾通過出料口非常均勻,通過的嫁接夾個數(shù)也多,但是通過的嫁接夾中也存在一些排序不符合要求;當排夾時間變異系數(shù)較大時,嫁接夾的篩選效果較差,符合排列效果的嫁接夾通過出料口較少,并且偶爾也存在不符合要求的嫁接夾通過出料口。所以,結(jié)合實際的試驗,選擇排夾時間變異系數(shù)60%~70%作為理想的范圍。因此,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果得出本試驗最終的作業(yè)性能優(yōu)化參數(shù)的理論值為輸入電壓40V、擋桿的安裝角度25.7°、擋桿的安裝長度45.5mm,此時排夾時間變異系數(shù)為68.69%。3.2.4試驗結(jié)果驗證在保證其他試驗條件相同下,對優(yōu)化后的最優(yōu)參數(shù)理論值進行試驗驗證,驗證試驗結(jié)果測得排夾時間變異