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摘 要： 摘要:隨著物聯網技術在現代農業科學中的應用和迅猛發展，自動化移動苗床已成為現代化設施農業釋放勞動力、提高作業效率的重要農業裝備。其中，移動苗床搬運車與固定苗床架之間的對接機構是自動化移動苗床功能實現的關鍵，對接機構決定著自動化移動苗床功能的
摘要:隨著物聯網技術在現代農業科學中的應用和迅猛發展，自動化移動苗床已成為現代化設施農業釋放勞動力、提高作業效率的重要農業裝備。其中，移動苗床搬運車與固定苗床架之間的對接機構是自動化移動苗床功能實現的關鍵，對接機構決定著自動化移動苗床功能的完整性。為此，利用曲柄滑桿原理設計了一種由殼體、對接插桿、擋塊、L型擋桿、連桿、滑桿和壓縮彈簧等構成的結構簡單、安全可靠的對接擋桿機構。該機構不僅可以順利地完成苗床的對接轉移，其L形擋桿還能在壓縮彈簧的作用下恢復豎直自鎖狀態，抵住苗床框架阻擋其掉落。對機構進行對接準確性的試驗驗證表明:對接擋桿的對接準確率高達99.9%，符合正常試驗誤差范圍之內;當工作速度在1m/s的速度以下時，對接擋桿機構在苗床單元慣性運動情況下限位成功率達到100%，滿足實際生產需求。
關鍵詞:設施農業;自動化移動苗床;對接擋桿機構;曲柄滑桿
引言
經過30多年的發展和探索，溫室已成為我國現代化農業的主要形式[1-3]。根據數據顯示，截至2017年，我國溫室設施面積已突破210萬hm2，相較2015年增長9.2%，已占世界溫室面積的42.8%。隨著溫室生產規模的不斷擴大，對其管理及應用技術提出了更高的要求。然而，在農業從業人員結構大幅變化的今天，苗床作為設施農業中一種重要的育苗設備在我國部分地區雖已有推廣，但仍還存在機械設備陳舊、自動化水平不高及區域分布不均勻等問題[4]。因此，亟需通過引入現代化技術以提升管理水平和生產效率[5]。
苗床根據原理可分類為固定式苗床和自動化移動式苗床。固定式苗床因空間利用率極低等特點，正在逐漸被淘汰使用[6]，如圖1所示。自動化移動苗床結構合理、安裝簡便，可多層安裝，能有效提高溫室空間利用率，解決溫室作物生產效率低、勞動力不足和勞動力成本高等問題[7-13]，如圖2所示。
無論是單層或多層自動化移動苗床，其搬運小車與苗床栽培架之間均需要有對接機構，便于搬運小車和栽培架之間實現精準對接，順利完成苗床單元的轉移，實現自動化。但因目前苗床的對接機構結構構造復雜、技術成本高昂等，其對接精度需要改進，同時自動化移動苗床存在整體投資過大，存在即使國產后投資仍然很大等問題[14-16]。隨著“物聯網+農業”概念的提出，我國研發國產化的自動化移動苗床相關裝備已經刻不容緩[17-21]。
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為改善這一狀況，本文在綜合多層移動苗床裝備技術相關特點并結合對接機構研究現狀的基礎上，設計了一款由殼體、對接插桿、擋塊、L型擋桿、連桿、滑桿和壓縮彈簧等構成的對接擋桿機構，具有結構簡單、安全可靠、成本低和能耗小等特點[22-23]。
1總體闡述
1.1整體方案設計
對接擋桿機構主要由殼體、方對接插桿、圓對接插桿、擋塊、苗床導軌、L形擋桿、連桿、滑桿及壓縮彈簧等零部件組成，如圖3所示。
對接擋桿機構的主要功能是:方對接插桿固定連接在圓對接插桿上，圓對接插桿安裝在搬運機上，方對接插桿可以隨著圓對接插桿插入和拔出殼體，從而完成對接功能。
圓對接插桿的主要作用有:①支撐位于其上部的移動苗床，是搬運機對移動苗床進行搬運的執行部件;②圓對接插桿端部采用階梯型圓錐設計，可以更好地實現與殼體之間的精準對接。方對接插桿的主要作用有:①作為動力插桿，插入殼體下部，從而推動L形擋桿下部短臂運動，使得L形擋桿長臂旋轉到大致水平位置，進而使苗床進行轉移和搬運;②方對接插桿與圓對接插桿組成雙對接機構，提高對接的精度、可靠性和穩定性。殼體固定安裝在苗床往返機構上的苗床導軌端部下方，內部右端固定有一個擋塊，用來對L形擋桿的短臂進行右側定位及限位。對接擋桿機構中L形擋桿、連桿、滑桿和彈簧構成可自鎖的曲柄滑桿機構。其中，L形擋桿安裝在殼體內部，與殼體組成轉動副;L形擋桿的短臂充當曲柄的作用，與連桿鉸接構成鉸鏈副，連桿與滑桿端部鉸接構成鉸鏈副;滑桿穿過殼體，與殼體構成滑移副;滑桿上套有壓縮彈簧，壓縮彈簧作用于滑桿與殼體之間，為曲柄滑桿機構提供彈簧力達到預緊和自鎖的目的。
1.2工作原理圖
4為對接擋桿機構插入狀態工作示意圖。當圓對接插桿和方對接插桿都插入殼體后，即完成了對接過程。此時，L形擋桿短臂在方對接插桿和機構的彈簧力合力下，保持接近水平位置鎖定狀態，L形擋桿長臂也旋轉到相應的接近水平位置，進而使苗床進行轉移和搬運的過程不發生干涉。當苗床轉移和搬運完成，圓對接插桿和方對接插桿拔出對接擋桿機構殼體，L形擋桿在壓縮彈簧的作用下恢復原始豎直自鎖狀態，擋住苗床的框架，阻擋苗床掉落。
2關鍵部件及主要參數確定
2.1曲柄滑桿機構的設計
連桿機構可以在原動件運動規律不變的條件下，通過改變各構件的相對長度使動件得到不同的運動規律，還可以方便地達到改變運動的傳遞方向、擴大行程、實現增力和遠距離傳動的目的[24]。為了使L型擋桿起到預緊和自鎖功能，采用曲柄滑桿機構。曲柄滑桿機構是對接擋桿機構的關鍵功能部件，決定著移動苗床單元在搬運機與立體栽培架之間轉移和搬運的可靠性和安全性。對接擋桿機構中L形擋桿、連桿、滑桿和壓縮彈簧構成可自鎖曲柄滑桿機構。其中，L形擋桿的轉軸安裝在殼體內部前端通孔中，與殼體構成轉動副;L形擋桿的短臂充當曲柄的作用，與連桿鉸接構成轉動副;連桿與滑桿端部鉸接構成轉動副;滑桿穿過殼體端部通孔，與殼體構成滑移副，滑桿上套有壓縮彈簧，壓縮彈簧作用于滑桿與殼體之間，為曲柄滑桿機構提供彈簧力達到可自鎖的目的。接擋桿機構中曲柄滑桿機構的結構，如圖5所示。
2.2曲柄滑桿機構的受力分析
對曲柄滑桿機構進行受力分析，以保證機構的可靠性，曲柄連桿的機構運動簡圖如圖6所示。為簡化模型起見，忽略機構零件的自重和摩擦力[25-26]。L形擋桿簡化為擋桿AB，連桿簡化為BC，滑桿簡化為C，滑桿C和L形擋桿AB的轉動副中心O點在同一水平面上，A點是移動苗床單元對L形擋桿的力的作用點。
6中，FC為壓縮彈簧對滑桿C的作用力，FNC為殼體對滑桿C的支持力，FCB為滑桿C對連桿BC的作用力，F'CB為連桿BC對擋桿AB上B點作用力的水平分力，FB為連桿BC對擋桿AB上B點作用力的水平分力，FNB為連桿BC對擋桿AB上B點作用力的豎直分力，FA為移動苗床單元對擋桿AB上A點的作用力，FO為殼體對擋桿AB的反作用力，θ為擋桿AB和連桿BC之間的夾角。
為了使彈簧能夠可靠地工作，彈簧材料必須具有高的彈性極限和疲勞極限，同時應具有足夠的塑性和韌性及良好的可熱處理性。常用的低錳彈簧鋼與普通碳素彈簧鋼相比，具有淬透性較好和強度高的優點，且價格相對便宜，非常適合制造一般機械上尺寸不大的彈簧，本機構采用65Mn材料彈簧鋼絲，彈簧鋼絲切變模量G=79000MPa。
3試驗與結果
根據前文中對接擋桿機構的結構設計和研究，對其各零件進行加工制造，然后裝配得到該機構的實物樣機，如圖7所示。
由結構設計可知，對接擋桿機構主要有兩個功能:一是當苗床單元在立體栽培架和搬運機之間轉移時，可以更好地使搬運機和立體栽培架精準對接，以便順利完成苗床單元的轉移，實現自動化;二是作為安全限位機構，擋住苗床框架，阻擋苗床掉落，確保安全。對接擋桿機構對于自動化移動苗床裝置整機的可靠性有至關重要的作用，是立體栽培架和搬運機之間的銜接機構，下面將對機構兩個功能分別進行試驗驗證，以確保所設計機構的安全性、可靠性和穩定性。
3.1對接功能試驗
測試方法:將圓對接插桿和方對接插桿按照設計方案固連在一起，將推進機構進行插入對接，驗證能否將對接插桿能夠順利插入對接擋桿機構，同時驗證苗床單元能否從對接擋桿機構順利滾動到對接插桿上。圖8是多層立體自動化移動苗床，圖9是對接功能試驗過程
經過多次調試和試驗，得知對接擋桿的對接準確率高達99.9%，符合正常試驗誤差范圍。所以，得出結論，對接擋桿機構能夠很好地完成對接功能，使苗床單元順利轉移。
3.2安全限位功能試驗
對接擋桿機構安全限位功能試驗，主要驗證對接擋桿機構在苗床往返機構上能否阻擋苗床單元由于慣性運動或者波動時而產生的運動，阻擋其掉落。因為移動小車上面載滿了苗床，屬于負重狀態，同時搬運過程中不需要急速運動等，所以苗床的速度不能太快。本文將電動推桿接通電源后，使苗床往返機構分別在0～1.50m/s的工作速度范圍區間內推動苗床單元運動，在苗床單元慣性情況下測試對接擋桿機構的限位功能，如圖10所示。
經過多次試驗驗證得到:當工作速度在1m/s的速度以下時，對接擋桿機構在苗床單元慣性運動情況下限位成功率達到100%;當速度大于1m/s以后，準確率逐漸下降約為99.1%，綜合考慮工作效率等，最終選用速度為0.06m/s效率最佳。因此，可得出結論:在正常速度范圍內，對接擋桿機構的限位功能時滿足功能的，本機構在安全限位功能方面滿足使用要求
4結論
在結合國內外移動苗床研究現狀的基礎上，設計了一種利用曲柄滑桿原理的對接擋桿機構，并完成了機構的關鍵零部件的結構設計。
試驗表明:對接擋桿的對接準確率高達99.9%，符合正常試驗誤差范圍之內;當工作速度在1m/s的速度以下時，對接擋桿機構在苗床單元慣性運動情況下限位成功率達到100%。對接擋桿機構能夠順利實現苗床的轉移及自動鎖定功能實現了安全限位功能，達到了機構的設計目的和要求。