生产管理机械化岗位
徐丽明 马帅 闫成功 谭好超 沈聪聪 刘星星
针对当前葡萄苗木栽植作业过程中存在的劳动强度大、作业效率低等问题，设计一种株距可调式葡萄苗木栽植机。
1 整机结构和工作原理
1.1 葡萄苗木的外形尺寸及栽植的农艺要求
根据栽植农艺要求对葡萄苗木进行修剪后，随机选取30根生长状况良好的葡萄苗木，测量其外形尺寸，包括苗高h1、根长h2、主茎茎粗d、茎部最大宽度b、根部最大宽度B和叶子情况。栽植株距为100~200 cm，栽植的直立度要求主茎垂直于地面，主茎与地面的夹角小于30°时，视为倒伏苗，埋土深度为15 cm，栽植频率不小于30株/min。
1.2 整机结构
株距可调式葡萄苗木栽植机的整机结构（图1），由栽植机构、放苗箱、座椅、控制柜、组滑板、开沟器、镇压轮、覆土轮、测速轮、机架、地轮等部分组成，电机转速由STM32单片机通过测速轮的转速和株距值共同调节。
1.3 工作原理
葡萄苗木栽植机通过三点悬挂装置与拖拉机挂接，通过鳄鱼钳连接拖拉机上的蓄电池，为控制柜供电。作业前，投苗人员将适量的葡萄苗木放入放苗箱，通过控制柜上的触摸屏输入预期的株距值。工作时，开沟器开出一条宽度为12 cm、深度为10~15 cm的长沟，与此同时，投苗人员将葡萄苗木放在栽植机构的苗夹上，苗夹随主动链轮转动，当苗夹进入组滑板时，苗夹夹紧，当苗夹转动到垂直状态时，苗夹从组滑板中滑出，苗夹张开，完成投苗。葡萄苗木在组滑板的保护下，其根部和茎部可以顺利的通过机架，进入开沟器，降低伤苗率。控制部分主要是用STM32 F103系列的单片机作为控制核心，通过接收编码器的电信号（编码器与测速轮连接）和预期输入的株距值，实时调节电机转速，从而驱动主动链轮转动。此后，镇压轮和覆土轮分别完成镇压和覆土工作，以此为一个循环进行栽植作业，直至栽植工作全部完成。
1.4 主要工作参数
根据葡萄苗木栽植要求和农艺要求，确定了栽植机的主要技术参数。
2 关键部件设计
2.1 栽植机构
栽植机构主要由苗夹、下传动轴、挡板、链传动、上传动轴等组成（图2），上传动轴为主动轴，链条上均匀分布有6跟苗夹。
2.2 护根式开沟器
葡萄苗木的栽植深度要求为15~20 cm，葡萄苗木根部的最大宽度B为6 cm，在工作过程中，葡萄苗木从开沟器的中间通过，所以合理的开沟器宽度为12 cm，同时，考虑到开沟器的开沟阻力和加工的可行性，因此，设计芯铧式开沟器的长度为60 cm，加工时要求开沟器刃口硬度≥28 HRC。
2.3 开沟器与栽植机构相对位置
2.3.1 葡萄苗木栽植过程运动分析
苗夹完成投苗前的一段时间里，苗夹绕链传动的下链轮旋转，在这段时间里，葡萄苗木经历了从开始埋土到完成埋土的过程，拖拉机前进的距离LAB。如图9所示，A点为开始埋土点，B点为完成投苗的位置点，C点为链传动下传动轴中心点；直线AC为苗夹夹紧葡萄苗后，整体的位置线，直线AB为从开始埋土到完成埋苗这段时间里，拖拉机的前进距离；α为从开始埋土到完成埋苗这段时间里，葡萄苗木绕下链轮转过的角度。
为了简化计算，将栽植机的工作过程看作匀速直线运动。
当设定葡萄苗木的株距值为100 cm时，拖拉机的前进速度为0.5 m/s，苗夹的转速为0.33 r/s。此时，α与LAB满足的关系式为：
整理得：；同理得，当设定的株距值分别为150 cm和200 cm时，关系式分别为：和。
2.3.2 开沟器与栽植机构相对位置确定
从株距值100~200 cm之间，选取100、150和200 cm三个株距进行开沟器与栽植机构相对位置确定。通过选取不同角度α，计算得到拖拉机前近距离的理论值，同时，测量拖拉机前近距离的实际值LAB'，通过分析可知，角度α越小，的相对误差值LAB'-LAB越小。
3 基于人机交互的株距可调式控制系统
结合葡萄苗木栽植机的实际情况，设计了一种包括人机交互功能、信号采集功能、信号处理功能、动作执行功能和串口输出功能的控制系统[26-29]。
栽植机的栽植频率为30株/min时，能够满足整机性能要求，同时也是操作熟练的投苗人员最舒适的投苗频率。主动链轮的最高转速。当栽植机的栽植株距为100~200 cm时，拖拉机的最大前进速度为0.5~ 1 m/s，测速轮的最高转速满足：
式中 n1——测速轮转速，r/min
V——拖拉机的最大前进速度，m/s
D——测速轮的外径，m
由公式（2）计算得测速轮的最高转速约为29.84 ~59.68 r/min。
测速轮与主动轮的传动比满足为：
式中 i——传动比
n1——测速轮转速，r/min
n2——主动链轮转速，r/min
计算得不同株距对应得理论传动比满足图5所示的曲线，此数据为控制系统软件功能实现提供理论支持。
3.1 控制系统硬件设计
基于人机交互的株距可调式控制系统主要由触摸屏、编码器、控制器、电源模块、电机驱动器和直流无刷减速电机等部分组成，如图6所示。控制器选用 STM32 F103ZET6 单片机（72 M 主频，144 引脚，供电电源DC12 V），实现定时、计数脉冲和输出 PWM 信号的功能要求。触摸屏选用M系列串口屏 DC80480M070_2111_0C ，采用400M SOC处理器；编码器选用 E6B2-CWZ3E 增量式光电旋转编码器，脉冲为 1000 P/R；直流无刷减速电机,选用XCDQ 型直流无刷电机（电压 DC24 V，额定转矩为0.28 N·m，额定转速为2000 r/min），减速器减速比为 1:100，；选用 DBL-30驱动器，可外接 PWM 信号驱动直流无刷电机调速。电源模块包括 12 V 直流电源和 12 V 转24 V 升压模块，拖拉机自带蓄电池为 12 V 直流电源。
3.2 控制系统软件设计
本控制系统设计的控制程序流程图如图7所示。
4 田间试验
试验于2021年7月在山东省日照市莒县葡萄园进行（图8）。试验设备有TDR150土壤水分速测仪（量程0~50%，精度±2%，分辨率0.1%）、卷尺、秒表、500 mm直尺、铁锹、量角器等。试验区为长度60 m的地块，土壤质地类型为轻壤土，测定土壤含水率为15~20%。
从株距值100~200cm之间，选取100、150和200 cm三个株距进行田间试验。试验配套的动力为山拖泰山 TS404 拖拉机，平均作业速度根据选择的株距值不同依次为1 m/s、0.75 m/s、0.5 m/s。结合现行的林业机械自行式苗木移栽机的设计标准LY/T 1933-2019[18]和机械行业旱地栽植机械的设计标准JB/T 10291-2013[30]，对机器作业质量进行评价。试验结果表明，葡萄苗木栽植机的作业性能，能够达到设计要求（图9）。
5 结论
（1）设计了一种株距可调式葡萄苗木栽植机，根据葡萄苗木的外形尺寸和栽植的农艺要求，选择葡萄苗木较直的茎部作为夹持位置，确定了苗夹的尺寸和形状，为了降低葡萄苗木的倒伏率，提升苗木的栽植直立度，确定了开沟器与栽植机构的安装位置，确定了株距值分别为200 cm、150 cm和100 cm时，角度α分别取7.7°，10°和12.3°，安装孔距离开沟器后端的距边距离b分别为245 cm，267.5 cm和290 cm，符合设计要求。
（2）基于葡萄苗木栽植的农艺要求，设计了株距可调式控制系统，提高了栽植株距的准确性及株距调节的便利性，投苗人员可以根据需求选择100~200 cm作为株距值。
（3）在直流电机转速静态标定试验中得到了电机转速与 PWM 信号占空比的对应关系；栽植精度、栽植频率和栽植质量的测定实验表明，当设定的株距值分别为200 cm、150 cm和100 cm时，栽植的实际株距均值为200.07 cm、150.08 cm和100.18 cm，株距变异系数均值为0.01%、0.02%和0.03%，栽植深度均值为18 cm，栽植深度合格率均值为97.67%、98%和97.34%，最大栽植频率为30株/min，漏栽率、重栽率、露苗率和伤苗率均为0，倒伏率均值为1.33%、1.67%和1.33%，埋苗率均值为1%、0.67%和1.33%，均满足葡萄苗木栽植的作业要求。