王 慧， 于 泳， 王东旭

(烟台南山学院，山东 烟台 265713)

海带夹苗钳机械结构设计

王 慧， 于 泳， 王东旭

(烟台南山学院，山东 烟台 265713)

很多沿海城市海带栽培采用人工操作，工作强度很大。传统海带夹苗设备进苗率低，夹苗绳的使用寿命较短。鉴于此，对海带夹苗机的传动部分做了改进。首先介绍了海带夹苗机设计方案选择依据，其次对海带夹苗机典型机械结构进行改进，最后通过实验对比确定了海带夹苗机破扣的最佳参数。结果表明：连杆、凸轮机构合理融合在海带夹苗钳的协调动作中，同时完成“夹紧—扭松—靠拢成孔”3个动作，实现了海带苗绳“夹紧—破扣—插苗”的自动化；通过实验确定了海带苗绳装夹长度为60 mm，扭转5°～10°时夹苗所需的扭力小，成孔容易。结论：改进后的海带夹苗钳短时间内即可完成海带苗装夹动作，可以为海产植物类夹苗装置的开发和应用提供参考，有较好的开发前景。

海带养殖；夹苗钳；夹苗机；机械结构；结构设计

海带养殖过程中的夹苗工作一般在冬季进行，用手将幼苗分开后，用拇指、食指将直径约20 mm的棕绳扭松成孔，让板或盘口上的苗根全部进入松开的孔后再放手，让苗根在孔内夹紧[1]。依次往复，劳动强度大，经常弄得双手红肿、手指开裂[2]。本文所设计的海带夹苗钳，在总结传统的海带夹苗设备和相关自动夹苗机的基础上，对传动过程做了改进，采用简单的机械结构，性能更可靠。

1 方案设计

1.1常用海带夹苗机的种类及特点

自20世纪80年代初开始，先后研制有3种夹苗机：绳夹式、分绳机头式和脚踏式海带夹苗机[3-4]。

绳夹式夹苗机是模仿人工夹苗动作而设计的，目的是为了保证夹苗质量，提高夹苗速度[5-6]。该机把主动的绳子固定成孔，用手把苗推入绳孔中完成夹苗动作。绳夹式夹苗机形成的孔能在120°范围内转动，但位置难以固定，进苗率低[7]。脚踏式夹苗机由鞋底车加上绳子等距定位置和自动送苗机构组成[8-9]。脚踏式夹苗机提高了夹苗速度，但线的松紧度和苗柄的最大承受压力难以一致，太紧了会切断柄部，太松又会压不牢，且长期处于缝纫线的压力下，苗柄部被压迫段就难以粗壮。分绳机头式夹苗机包括支架、驱动机构及分绳机构[10]，分绳机头式夹苗机孔位置固定，虽然能形成较大面积的孔，但其实际有效面积并不大，影响绳子的使用寿命[11-13]。

1.2海带夹苗机设计要求

本设计的海带苗绳结构如图1所示。它是1根由3小股尼龙绳拧结而成的绳子，直径约为20 mm，长度为2.5 m左右。现设计一种能使海带绳成孔的机构，要求每隔20 cm种植1株，种植速度20～30株/min。

图1 海带苗绳实物图Fig.1 Physical map of kelp rope

1.3海带夹苗机方案设计

海带夹苗机通过机械传动驱动一双模拟手指动作的海带夹苗钳进行夹苗，实现海带种植自动化，主要包括机架、夹苗钳、传动杆组等。夹苗机构的传动系统由电动机驱动，通过凸轮、槽轮等间歇运动机构控制。电动机带动凸轮回转，通过杆组将滚子移动从动件的上下移动转为钳子摆动，斜面凸轮的移动又带动钳子做横向移动，从而实现钳子夹紧并靠拢成孔的动作。本设计利用连杆和凸轮机构工作原理(图2)，采用电机驱动，机械传动的方式，基本实现了海带种植的自动化，大大减轻工人的劳动强度。

2 海带夹苗机典型机构设计

由设计要求可知，电机通过减速器减速后带动凸轮回转，滚子从动件将转动转变成钳子的装夹松弛动作。另外，通过带传动，将减速器输出轴一部分动力传到滚轮上，确保苗绳进给[17-19]。

2.1海带夹苗机工作原理

海带夹苗机由电动机、减速器、夹苗钳、凸轮、滚轮、带轮、传动杆等组成(图2)，可以完成“夹紧—扭松—靠拢成孔”3个动作。海带夹苗钳是一双模拟手指动作的机械，其外形是仿照V型块对中定位原理设计制造。夹苗钳不工作时，由弹簧张开(图3)。夹苗钳由两个半只钳口拼合而成，每半只钳口上各有一只活动销轴，由夹紧弧、过渡夹紧弧组成。夹苗钳左侧钳口只能绕钳轴转动，不能轴向移动；右侧钳口既能绕钳轴转动又能轴向移动。

图2 海带夹苗机结构图Fig.2 Structure chart of the gripper for kelp seedling

图3 海带夹苗钳模型图Fig.3 Model diagram of the gripper for Kelp seedling

两个夹苗钳不工作时，由弹簧张开60 mm(图3)。在右侧钳的右侧安装有凸轮，凸轮拉杆只能沿竖直方向移动。当凸轮拉杆沿导轨竖直向下运动时，凸轮受到向左的推力，推动凸轮向左滑移，间接推动右侧夹苗钳向左滑移，实现两钳靠拢。当夹苗钳开始工作时，先拉下垂直拉杆，联动四根连杆、摇杆和拉杆(图4)，使半圆连杆向中心收敛，此时夹苗钳夹紧苗绳，且通过半圆连杆使夹苗钳成两相反方向绕苗绳中心线转动。转动方向与苗绳绞紧方向相反，在半圆连杆转动10°左右后，被夹紧的这段苗绳被扭转5°～10°，但不成孔。此时，垂直拉杆继续拉下时，便拉动了斜面凸轮，使该凸轮向左滑移，迫使已被扭松的棕绳相对靠拢成孔。当机器工作后，操作工人只需在此时用手取一棵海带苗将根部插入成孔中，即可完成“夹紧—扭松—靠拢成孔”3个动作。

2.2连杆机构设计

设计连杆机构(图4)时考虑刚体引导问题，布置杆组时需要有一系列的预定位置；连架杆的转角应满足预定的对应位置，当拉杆下端停留在最上方位置时，钳子开30°，张口最大，两钳口相距约35 mm，而绳子直径20 mm，足够苗绳顺利通过；机构运动过程中半圆连杆可绕定点作旋转运动，当两半圆连杆各旋转10°后，可让绳子夹紧[20]。

图4 连杆机构图Fig. 4 Diagram of linkage mechanism

2.3凸轮设计

海带夹苗机的凸轮机构在夹苗钳的右侧，凸轮有移动滚子倾斜端面，滚子可在其上滚动，当凸轮拉杆竖直向下时，滚轮推动凸轮沿钳轴向左滑移，实现两钳靠拢。在凸轮机构中，必须使滚子始终与凸轮之间保持接触，即封闭(图5)。

图5 直动滚子从动件盘形凸轮机构的设计Fig.5 Translation roller followerdisc CAM mechanism design

夹苗钳及连杆机构重力较小，不能利用机械重力实现封闭，因此采用形封闭。形封闭消除了从动件与凸轮脱离接触的现象。将凸轮表面加工出沟槽，为减小从动件与凸轮的磨损，采用滚子变滑动为滚动，可延长凸轮机构的寿命(图6)。

图6 凸轮与滚子的接触Fig. 6 Contact between CAM and roller

3海带夹苗机破扣参数确定

影响海带苗绳破扣的主要参数包括苗绳装夹长度、扭转力和扭转角度[21-22]。传统的海带夹苗钳在装夹时，将海带绳扭转成孔需要的夹紧力比较大，有的成孔较小，不容易装夹海带苗。为了更好地设计钳子的动作以及具体的动作过程，进行了实验。采用手夹苗绳的方法初步确定影响海带苗绳破扣的最佳参数。

实验(1)：改变苗绳的装夹长度，分别在40(a)、60(b)和80 mm(c)位置装夹，各自扭转后，相向靠拢10 mm，记录各自最大成孔状态(图7)。可以看出，在40 mm处装夹时，扭转成孔及靠拢力比较大，成孔比较难；在60 mm处装夹，再扭转靠拢，用力小，扭转角度较小时，成孔较大；在80 mm处装夹时，即使扭转很大角度后，仍很难成孔。分析可知，苗绳装夹的长短对破扣是有影响的，装夹苗绳太短，扭转成孔需要的扭力大，装夹苗绳太长，很难聚拢成孔，就会失去破扣功能，而苗绳装夹长度为60 mm时，成孔容易且扭力小。因此，海带苗在60 mm装夹时最合适。

实验(2)：苗绳的装夹长度(60 mm)不变，改变扭转的角度，分别为0°(a)、5°～10°(b)、20°(c)，分别记录3次成孔状态(图8)。可以看出，不同的扭转角度对破扣也是有影响的，扭转0°靠拢力比较大，成孔比较难；扭转5°～10°时，不仅扭力小，再靠拢成孔比较容易；扭转再大的角度后，扭力会随扭转角度的增大而增大，虽然迫使钳子靠拢的作用力不大，但成孔不会变大，所以最佳扭转角度为5°～10°。

图7 不同装夹位置结果Fig.7 Different installation locations for grippers

图8 不同扭转角度实验结果Fig.8 Different torsion angles

4 结论

设计的夹苗机将连杆、凸轮机构原理合理地融合在海带夹苗钳的协调动作中，可同时完成“夹紧—扭松—靠拢成孔”3个动作，可实现海带苗绳“夹紧-破扣-插苗”过程的自动化，降低工人劳动强度。通过实验分析，确定了海带苗绳最佳装夹位置，即在海带苗绳装夹长度60 mm、扭转5°～10°时最合适装夹。

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Mechanicalstructuredesignofgrippingforcepsforkelpseedling

WANGHui,YUYong,WANGDongxu

(YantaiNanshanUniversity,Yantai265713,China)

Kelp seedling cultivation is operated manually in many coastal cities, which is highly labor-consuming. For the traditional gripping equipment for kelp seedling, the rate of seedling is low, and the service life of the grippers is short. In view of this, improvements have been made to the driving parts of the gripper for kelp seedling. In this paper, the selection basis of the design scheme of the gripper for kelp seedling gripping was firstly introduced; then the typical mechanical structure of the gripper for kelp seedling gripping was improved; finally, the optimal parameters of the loosening of the gripper for kelp seedling gripping are determined by experiment. The results showed that the connecting rod and CAM mechanism have been reasonably merged into the coordinated action of the gripper for kelp seedling gripping, meanwhile the three movements "gripping-loosening-drawing close to form a hole" was completed, thus the kelp rope for inserting seedling "clamping-loosening- inserting seedlings" automation was achieved; By experiment, it is determined that the length of the gripping length is 60 mm, the torque required for changing the angle of 5°-10° is small, and the hole is easy to be formed. The research shows that the gripping motion can be completed in a short time, which can provide a reference for the development and application of the seedling gripping device of Marine plants, thus having a good prospect for development.

kelp seedling cultivation；gripping forceps；gripper；mechanical structure；structure design

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.05.007

2017-06-14

山东省职业教育教学改革研究项目(2017248)；山东省高等学校科技计划项目(J17KB038)

王慧(1981—)，女，讲师，硕士，研究方向：农业机械。E-mail：46727902@qq.com

S968.4

A

1007-9580(2017)05-035-05