秧苗箱田間自動化搬運系統

一、前  言

根據九十三年度的普查結果，目前水稻育苗中心共有722處，供應全省所需之水稻秧苗。而由於稻田面積的減少，育苗中心競爭甚為劇烈，有些因無法獲得足夠的人力，只有歇業一途。但仍有許多育苗中心因供苗地區超出原先範圍，規模擴大，並已逐漸走向多角化經營。為因應農業結構急遽轉變、農村人口外流、僱工不易造成勞力短缺等問題，改善作業環境及辛勞度、減低勞力需求、降低生產成本，是目前育苗中心發展的重要方向之一。因此，未來育苗中心勢必邁向更機械化、自動化的生產，以減低勞力需求，進而降低生產成本。

水稻育苗在秧苗箱完成播種後，需將秧苗箱堆積成疊，進行保溫保濕約2~4天，使種子順利發芽，此時每個秧苗箱重約5 kg。播種發芽後，再將秧苗箱搬運至綠化場進行排放，稱為入苗作業 (圖1)。秧苗接受陽光，進行綠化及硬化工作。待秧苗長成後，再將秧苗收集捲起，利用搬運設備運送至卡車上出貨 (稱為出苗作業， 圖2)，以供農民插秧用。秧苗箱進出綠化場的搬運作業，需要耗費許多的人力，而且工人彎著腰工作，相當的辛苦。鑑於此，本研究旨在研究發展一套自動化搬運系統，以節省秧苗箱在綠化場內搬運所需的人力。

圖1、人工入苗排箱作業

圖2、人工出苗作業

二、輸送機搬運系統

採用輸送機搬運系統進行綠化場內秧苗箱的運送，可減少搬運勞力的支出。該系統具有作業效率高、作業較輕鬆的優點。輸送機主要是將兩條平行的三角皮帶裝設於桁架上，進行秧苗箱縱向輸送。桁架可依照綠化場長度大小來進行多節串聯銜接。每節桁架兩端有驅動輪，驅動輪行走於軌道上，利用馬達驅動做橫向移動。由於此種搬運系統採用X-Y方向移動的原理，因此綠化場區塊需呈長方型或正方型，圖3為輸送機搬運系統之示意圖。

圖3、輸送機搬運系統

傳統的輸送機桁架採用梯型設計，構造複雜、結構重，且輸送皮帶換修不易 (圖4)。本研究改良現有輸送機結構，以減輕其重量，採用倒三角形（▽）截面設計 (圖5)。新型輸送桁架由四種不同斷面的管材所組成，上方為兩根平行之空心方管，下方則為空心圓管。上方方管可做為自動卸取機之行走軌道，兩根方管之內側亦可做為秧苗箱輸送時之導板，以避免秧苗箱輸送時左右移動。每一管間所銜接方式為焊接，焊接後其結構剖面為倒三角形的形狀，以每6m為一節，每節的兩端焊上法郎，因此每節間的接合方式以法郎鎖上螺栓、螺帽，再依所需要之長度來架接。設計之輸送機結構輕巧，每公尺僅26 kg，並改良傳統輸送機之輸送帶更換不易的缺點。輸送帶採用側邊裝卸，相當簡便，強度可支撐跨距達30 m，且輸送機平面相當平直，以便利自動卸取機作業平順。

圖4、傳統的輸送機採用梯型設計-1

圖4、傳統的輸送機採用梯型設計-2

圖5、設計之三角型輸送桁架-1

圖5、設計之三角型輸送桁架-2

三、秧苗箱自動卸取系統

設計之秧苗箱自動卸取機可達成自動化排放與收集秧苗箱的作業，卸取機以輸送機系統做為載具，藉由在輸送機桁架上前後移動，來進行卸取箱作業。卸取機本身不能橫向移動，需靠輸送機之橫移來達成換列作業。入苗時，可將輸送機上的秧苗箱依序排放於田間，亦即卸箱作業。出苗時則可反向運動，將秧苗箱從田間拾起，經由輸送機上的輸送帶運送出綠化場，亦即取箱作業。對於秧苗箱處理而言，卸箱和取箱作業互為反向運動，因此卸取箱作業可為同一部機器來進行，只是運送方向相反。

(一)自動卸取機之構造
圖6為設計之自動卸取機構造，分為行走、上傾運送、側送、下傾運送、卸取等5個部份。動力源為馬達，整套設備利用機械元件作動，作業穩定度高，故障少。行走部使用三相220伏特 1馬力馬達連結20:1之減速機來驅動行走輪，行走速度利用可程式變頻器來控制。上傾運送部連結空中輸送機和側送部間之苗箱輸送，皮帶為一齒形皮帶，可增加苗箱輸送時之摩擦力。側送部連結上傾運送部與下傾運送部間之苗箱輸送，利用側送部將苗箱從輸送機皮帶，經由下傾運送部將苗箱運送至卸取部。卸取部負責苗箱的卸取作業，下方裝設有滑板，當卸取部放下時，滑板與地面接觸，感應地面高度，以確保卸取部能緊貼地面，達到最佳的作業效果。提升部負責驅動下傾輸送部與卸取部之舉升及放下作業，主要由提升驅動馬達、提升驅動軸、絞筒及提升鋼索所組成。當卸取機進行換行作業時，利用絞筒將提升鋼索捲起，將下傾運送部及卸取部舉升。

自動卸取箱系統以可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller; 簡稱PLC)來進行程序控制，可自動感測苗箱的運送狀態，來自動調整皮帶的輸送速度，藉此達到較高的作業效率。苗箱之排放為縱向式，每畦的苗箱列數及畦溝的寬度，可依作業方式不同，而改變設定。系統使用三個可程式變頻器來控制及改變運轉速度，變頻器A控制輸送帶之速度；變頻器B控制卸取機之行走速度；變頻器C控制卸取機上之上傾、側送、下傾及卸取部等之驅動速度。

圖6、自動卸取箱機之構造

(二)自動卸箱作業
入苗作業時，苗箱由工人從堆積區搬上橫向輸送帶後，經過苗箱計數器，運送到輸送機之縱向輸送帶上，再到達卸取機。苗箱經由上傾、側傾、下傾運送部，到達卸取部。當碰觸苗箱感測器時，卸取機後退，秧苗箱經由導板導正後，從滑桿滑下田間排放，完成一個秧苗箱的排放作業。此時若下一個秧苗箱再碰觸到苗箱感測器時，卸取機則一直後退，進行卸箱作業。因此當秧苗箱一直不斷供應時，卸取機可連續作業，猶如流水般的順暢。當秧苗箱供應中斷時，卸取機則會在原處等待秧苗箱的到來，再進行作業。當卸取機等待秧苗箱時間超過10sec時，系統會切換輸送帶以高速運轉，節省秧苗箱的輸送時間。因此秧苗箱排放於田間時，不會留有縫隙，綠化場利用率高。

當苗箱計數器計數到達一列排放所需的秧苗箱數後，輸送帶停止供應秧苗箱至輸送機的緃向輸送帶上。待卸取機完成一列秧苗箱的排放作業後，卸取部舉升，以空車高速移動至下一列作業前端，定位後停止，並放下卸取部，準備開始新一列的卸箱作業。當卸取機前移換列同時，輸送帶運再次運轉將秧苗箱運送到輸送機之緃向輸送帶上。此時輸送帶以高速運轉，直到第一個秧苗箱碰觸苗箱感測器後，輸送帶自動切換成低速運轉，如此可節省秧苗箱的運送時間。在卸取作業時，綠化場亦可同時進行淹灌，不會影響機械作業，可縮短整個入苗作業時間。圖7為自動卸箱作業情形；圖8為自動卸箱之秧苗生長情形。

經由田間試驗結果顯示，每小時自動化卸箱作業為954箱，對於大規模的育苗中心來說，卸箱作業能量略嫌不足。因此卸箱作業模式亦可更換為一次排放三箱為一疊，再輔以人工進行排盤作業。如此搭配兩位人工作業，可將卸箱速度提升至每小時2,800箱 (圖9)。

圖7、自動卸箱作業情形

圖8、自動卸取機及卸箱後秧苗生長情形

圖9、一次排放三箱一疊

(三)自動取箱作業
出苗作業時，卸取機反向運動。取箱之原理係利用卸取部前方之撥輪迴轉，將秧苗箱的一端抬起。同時，卸取機前進，卸取部伸入秧苗箱下方，將秧苗箱鏟起，再利用進給皮帶將秧苗箱往上輸送，達成拾起秧苗箱之目的。拾起之秧苗箱經由下傾、側送和上傾皮帶，進入輸送機之縱向輸送帶，以高速運轉將秧苗箱送出綠化場，完成取箱作業。當卸取機取完一列的秧苗箱後，卸取部自動舉起，然後卸取機以高速後退至作業後端。同時，輸送機橫移至下一列定位點，繼續進行下一列的取箱作業。整個取箱作業不需人力，可由機械完成，每小時作業能量約為1,127箱。圖10為自動取箱作業；圖11為取箱後秧苗送出情形。

圖10、自動取箱作業

圖11、取箱後送出情形

由於育苗中心出苗作業時間大都集中於清晨及傍晚時間，在作業尖峰時，每小時出苗數量需達1,500個捲苗以上，故自動取箱作業速度無法滿足需求。然而以人工將收集好三個捲苗的秧苗箱 (約15公斤)搬上輸送帶是一件相當辛勞的工作，故以此人工出苗作業模式，亦可使用自動卸取機將人工捲苗後的秧苗箱搬上輸送機，替代人工搬運，可降低工人的作業辛勞度。圖12為使用自動卸取機撿拾滿載秧苗箱的作業情形。

圖12、一次收集三個捲苗一箱

(四)示範及推廣
研發之自動卸取機已獲得國內發明專利，並辦理技術移轉于廠商進行商品化生產。同時亦在各地區之水稻育苗中心進行商品機田間試驗，讓農民實際操作本系統，並辦理示範觀摩會，檢討其缺點，以做為改良之依據，使本系統性能更臻完善。圖13和14為示範觀摩會舉辦之一景。

圖13、宜蘭縣五結鄉之示範觀摩會

圖14、嘉義縣太保市之示範觀摩會

四、結  論

研發之卸取機採用順流式連續作業，可以正確且順暢地達成作業目的。卸取機之動力源為馬達，整套設備利用機械元件作動，系統採用可程式控制器進行自動控制，可自動感測苗盤的運送狀態來自動調整輸送帶的速度，藉此達到較高的作業效率。整個卸箱作業僅需一個工人將苗箱搬上，其它搬運及排放作業則自動由機械完成。在機械進行卸箱作業時，綠化場亦可同時進行淹灌，使秧苗箱內的種子可以最快的速度得到水份，亦可縮短整個入苗作業時間。取箱時，可以一箱一箱地取起，再進行人工捲苗或搭配捲苗機自動捲苗。卸取機亦可將人工在田間捲苗後收集之苗箱自動拾起，免除人工搬運的辛勞。自動卸取機不僅可應用在水稻育苗上，亦可應用於類似水稻秧苗箱來進行栽培之作物上，進行苗箱的排放及收集作業。