穴盘苗移栽机自动取喂系统的设计及试验研究

发布时间：2020-06-11 04:28

【摘要】：移栽能提早作物的生长进程、提高单产,还能避免幼苗期的大风、雨害、低温等不利天气。目前,受栽植装备发展水平的影响和适应性限制,移栽基本以手工和半自动移栽为主。手工移栽劳动强度较大,不利于新疆大面积的移栽作业;半自动移栽的作业效率和劳动强度都有了一定的改善,但人工喂苗速度低,辅助人员数量较多,机械化效益不明显；全自动移栽机能够很好的解决当前作业效率低、劳动强度大等问题,被国内外同行普遍认为是未来移栽的发展方向,故本研究开展移栽机自动取喂系统的设计及试验,推动国内自动移栽技术向前发展。(1)国内外自动移栽形式的发展现状分析和研究内容介绍。阐述了课题研究背景和意义,总结现有温室内移栽和大田移栽的关键机构和原理,提出我国移栽机发展要解决穴盘苗自动化取、喂的问题。通过对比国内外几种典型自动取苗形式,结合我国常用的半自动移栽机的结构特点,确定了自动取喂苗系统的研究目标和具体实施方案。(2)辣椒穴盘苗特性测定。对穴盘苗的形式、特点进行介绍,总结了国内常用的穴盘苗规格。通过对随机选取的辣椒穴盘苗形态特性测定,得出适宜移栽期的穴盘苗的高度在150-200mm之间,茎秆直径在1.56-2.06mm之间,高度与茎秆直径变化正相关,穴盘苗叶片长度以中部最长,根部略短,稍部最短。掉落特性试验表明,随着穴盘苗掉落高度的增加,穴盘苗基质损失更加明显,且第二次掉落时的基质损失率会略高于第一次。掉落形态试验显示,当穴盘苗掉落高度超过400mm,穴盘苗的基质将发生明显的挤压变形,且茎秆受到中击后也会发生弯曲变化,掉落高度200mm、300mm时,基质形状变化不明显,茎秆也无明显弯曲现象。(3)自动取喂系统的设计工作步骤和基本要求。确定了自动取喂系统基本要求,提出设计自动取喂系统的工作假说,即穴盘苗机械化可取和取喂系统功能可分解。明确了各模块的功能和工作步骤,将穴盘苗移栽自动取喂系统划分为穴盘步进移位装置、取苗机械手、喂苗装置进行分别设计和试验。(4)穴盘步进移位装置的设计和试验。为有效分苗,确定了间隔取苗的基本方案,并规划穴盘以“几”字型移位。设计了穴盘步进移位装置,包含有穴盘横向移位、穴盘纵向移位机构、压盘机构。确定了以双杆气缸TN25X40驱动的横向移位机构和以可调气缸SDAJ32 × 60-40驱动的纵向移位机构,经核算,气缸驱动力能够满足要求。对穴盘步进移位机构进行功能检验和运动影响因素试验,以工作气压、穴盘姿态、穴盘载荷为影响因素,以穴盘横向移位在左、右两侧偏差为横向移位试验指标,以纵向每步的运动距离为纵向试验指标,采用正交实验设计安排试验,对实验数据结果采用方差分析,得出工作气压对穴盘横向移位和纵向移位的影响极显著,而穴盘姿态和载荷对移位机构运动的准确性无显著影响。(5)翻转式取苗机械手的设计和试验。对比分析现有取苗方式,决定采用扎取方式进行取苗,经简易取苗器验证,取苗方式可行。借助微机万能电子试验机测定了柔性滑针扎入基质所需的扎取力均小于2N,滑针在导管内的摩擦力小于1N。基于取苗器原理,设计了能够同时取出8株穴盘苗的组合取苗机械手,计算得驱动机械手的扎苗气缸所需推力为72N,选定了扎苗驱动的气缸,校核气缸驱动力满足扎苗作业要求。以取苗机械手为核心,设计了翻转摆位式机械手机构,确定了摆位机械手的动作顺序,计算得出摆位取苗机械手的运动自由度为3,并给出机械手取苗运动时应保持的角度限制范围与摆臂长度、摆臂夹角之间的关系。借助ADMAS软件对摆臂机械手的运动进行仿真,验证机械手运动路径。以工作气压、排气控制、导向杆定位为试验因素,采用正交试验方法对机械手运动位置偏移量进行测定和分析,得出导杆定位装置对机械手的运动影响显著。(6)柔性链输送喂入装置设计和试验。对主动和被动两种活门开启方式进行对比,确定采用较简单的被动活门开启机构。借助高速摄像技术,观察穴盘苗落入到苗筒后的姿态,得出以45度单侧活门作为苗筒活门开启形式。设计了柔性链输送喂入装置,对异形链和摆动马达进行了选型,由摆动马达和棘轮棘爪机构实现间歇驱动,校核摆动马达的驱动力满足驱动要求。在气压为0.4Mpa、0.45Mpa、0.5Mpa、0.55Mpa、0.6Mpa下对柔性链输送喂入系统的运动偏差进行试验,得出气压大小对运动影响明显。借助LMS多功能数据采集系统和加速度传感器,对柔性链输送喂入系统的振动加速度进行了测定,得出苗筒随着输送链移动过程中,在转弯处的加速度较大,直线移位时较小,且距离主动链轮紧边附近的苗筒加速度比松边加速度大。(7)穴盘苗移栽自动取喂系统驱动控制和性能试验。完成了穴盘苗自动取喂系统的整机结构设计和驱动控制设计,确定气压驱动系统的构成,通过计算得出自动取喂系统的耗气总量为60.56L/min。对PLC硬件、传感器、磁性开关等控制元件进行选型,规划系统的控制程序流程,编排自动取喂系统的控制时序。经试验测定,穴盘苗移栽自动取喂系统实现了各项动作和功能,系统取喂速度达到了70株/min设计目标,取苗基质损失率小于10%,自动取喂系统室内试验取苗总成功率达98.92%。
【图文】：

穴盘苗,移栽机,可折叠,驱动装置

程控制器对驱动装置控制，配有多种不同规格的机械手末端执巧器，适应不同规格逡逑Ｉ咧题ｉ逡逑图１－２邋ＸＴ６１６型移栽机逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋ＸＴ６１６邋ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｒ逡逑的穴盘苗移栽，提高了移栽系统的利用率、输送平台可折叠，可充分节省空间及成本，逡逑３逡逑

移栽机

、逦Ｊ逡逑图１－１邋ＳＮＳ夹取器逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋ＳＮＳ邋Ｐｉｃｋｉｎｇ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑１９９５年日本生产的ＰＴ６０００型移栽机器人是第一台对有无缺苗现象进行识别的移逡逑栽机器人，工作时，穴盘苗依靠苗盘输送系统移动至夹取位置，经光电传感器检测，逡逑若穴孔内有穴盘苗，穴盘苗被夹取装置抓起，并随着机械手移动到指定的放苗位置，逡逑穴盘苗被夹取装置释放，随后输送带将穴苗盘移走Ｕ＂。其控制部分采用自诊断装置，逡逑智能化程度在当时已经相当高。逡逑韩国Ｒｙｕ设计了一种由气动系统驱动的取苗机构，该装置的取苗机构由气动卡盘、逡逑夹取指、步进电机和气缸组成。气缸可Ｌ：Ａ推动夹取指扎入基质中，然后通过气动卡盘逡逑实现对穴盘苗的夹取、保持和投放。２００２年韩国Ｃｈｏｉ等人开发了一种新的用于蔬菜逡逑移栽的取苗装置。该取苗装置是由夹取指针、轨迹发生器和指针驱动器纽成。使用番逡逑茄苗做实验，该装置每分钟能移栽３０个番茄苗，，移栽成功率高达９７％ｎ＇ｗ？。逡逑澳大利亚Ｔｒａｎｓｐｌａｎｔ邋Ｓｙｓｔｅｍｓ公司生产的ＸＴ６１６型移栽机（图＾２），采用可编逡逑程控制器对驱动装置控制
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S223.9

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