穴盘苗自动移栽机的研制毕业论文(编辑修改稿)

穴盘苗自动移栽机的研制毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

械手 3 投入生产实践的穴盘苗自动移栽机 实验室的研究工作为穴盘苗自动移栽机 的 进一步研制开发奠定了重要的基础。 近年来，一些发达国家（如美国、意大利、德国和日本）依靠技术与资金方面的优势，已 经 成功研制出 了 多种类型的穴盘苗自动移栽机。 其工作效率高、可靠性强，已被广泛 应 用于生产实践。 澳大利亚 Transplant Systems 公司生产的 XT616 型移栽机是茶叶穴盘苗专用移栽机系列之一， 如图 14 所 示。 该移栽机体积相对较小，可靠性和灵活性较高，适用于大型育苗生产线和中小育苗户。 XT616 型移栽机之所以成为一种开放式农业机器人的典型，体现在 3 个方面： 1）采用 PLC 可编程控制器实现对驱动浙江理工大学本科毕业设计（论文） 5 装置（步进电机、气缸）的控制，只要保留足够的接口，便可控制足够自由度的机械部分或接 收传感器信号；通过简单的更改程序，便可调整机械手末端的动作幅度； 2）配有多种不同规格的机械手 末端执行器，以适应不同规格的穴盘苗移栽，提高了移栽本体的利用率； 3）输送平台可 折叠，可充分节省空间和 成本。 图 14 XT616 型移栽机 荷兰飞梭公司生产的 PICOMat PC11/4 自动移栽机的夹苗装置为指针插入式结构， 1 个机械臂上有 4 个夹苗装置，移栽速率为 6000 株 /h，是人工移栽速率的 6～ 7 倍。 美国 RAPID 公司生产的 RTW 系列穴 盘 苗移栽机的移栽手具有体积小、自由度大的特点，对低于或高于标准移栽高度的穴盘苗也能成功移栽。 该机采用宽辊道输送结合气缸推送作为输送系统，可实现 4 盘同时移栽，移栽速度是同类产品的几倍。 国外大多数穴盘苗移栽机是以 ～ kW 的汽油机作为动力系统，其工作速度为 ～ km/h，具有很高的移栽质量和移栽效率。 国内研究现状 国内的穴盘育苗技术研究时间还不是很长，穴盘苗移栽机的研究还刚刚起步，相比国外成熟的技术体系还存在很大的差距。 穴盘苗移栽机械分为田间露地移栽机械、温室内移栽的棚室移栽机械以及用于将穴盘秧苗植入花盆的自动移栽机械手。 常见的田间露地移栽机机型主要包括 ： 钳夹式移栽机、链夹式移栽机、挠性圆盘式移栽机、吊杯式移栽机、导苗管式移栽机、输送带式移栽机及 空气整穴盘苗自动移栽机的研制 6 根营养钵育苗移栽机。 这些机型均应用于钵苗移栽，对于穴盘苗移栽均需要手工取苗、投苗，机械化程度 还较 低。 目前，国内对穴盘苗自动移栽机的研究主要集中在对温室内移栽的棚室移栽机械以及用于将穴盘苗植入花盆的自动移栽机械手的研究，还未涉足到适合大田作业的、不需手工取苗和投苗的穴盘苗全自动移栽机械的研究，仅有少数农业科研院校对穴盘苗移栽机进行了探索性的研究。 1996 年，吉林工业大学 的 范云翔等 人 研制出 了 一种空气整根气吸式秧苗全自动移栽机 [8]。 该 移栽 机采用吸力较大的气缸投苗机构，投苗过程中穴盘苗与运动部件不直接接触 ，伤苗率相对比较低。 其移行机构由步进电机驱动，位置精度较高，由单片机来控制，整机可靠性较强。 但该设备只适用于水稻秧苗，若用于移栽蔬菜和花卉等幼苗，则易使其茎秆秤断。 20xx 年，中国台湾吕英石等人研制 出了可调整式花卉穴盘苗假植机构 [9]。 假植爪运动 的流程 为：当假植爪位于原点时的状态为假植爪整体上升、夹取爪打开并且位于穴盘上方 ； 当要夹取 穴盘苗时则假植爪整体往下降至定点后夹取，动作完成后，假植爪往上 移动至生长盘位置上方，假植爪下降将穴盘苗植入生长盘中，然后 假植爪打开并同时上升，再借着气压缸回到原点，以 此完成单一 循环的假植作业。 气压式可调整花卉秧苗移栽机 如图 15 所示。 图 15 气压式可调整花卉秧苗移栽机 20xx 年，中国农 业 大 学的 孙刚对生菜自动移栽机进行了初步探索，设计了一种龙门式的移苗装置 [10]。 其用气爪作为执行部件，采用运行 μC /OS－ Ⅱ 嵌入式操作系统的 16 位微控制器作为核心的控制系统 [11]。 该自动移栽 机能 够 按照编程的路径和方式完成规定的移栽，但是还不能 够克服幼苗具有柔韧性的 问题，气浙江理工大学本科毕业设计（论文） 7 爪抓取的精确率和成功率需要进一步的提高。 因为只是初步探索，所以在移苗手爪、移苗机构的设计和机构的稳定性等方面还需要完善。 同时，中国农业大学强丽慧 设计 的浮板蔬菜生产自动移苗装置是移苗机构中直接与苗接触的部分。 由它来具体执行拔苗、栽苗作业。 移苗装置由移苗气缸、移苗针、可调角度连接件和移苗针固定架等 构件 组成。 拔苗时，移苗气缸伸出，移苗针以 30176。 扎入基质中。 之后，机械臂缩回，并向栽苗位置移动。 在此过程中，移苗装置起到搬运苗的作用。 栽苗时，移苗气缸缩回，移苗针随之缩回，苗栽入孔穴中。 由于取苗机构是实现全自动 移栽的重要部件之一，主要功能是驱动取苗机构的移栽机械手按照一定的路径从穴盘中取出穴苗，并夹带穴苗至栽植器接苗口处投苗。 其作为取苗和投苗的直接设备，是区分全自动移栽和半自动移栽的关键。 因此，一部分高校对穴盘秧苗移栽机的取苗机构这一关键部件进行了专门研究。 此外，还有部分人专门针对穴盘苗移栽机的控制系统进行了研究，做出了一定程度的改进和优化。 20xx 年，沈阳农业大学田素博等人设计了一种基于 PLC 的穴盘苗移栽机械手控制系统 [11]。 其中，穴盘苗移栽机械手的工作过程：“定位 — 抓取 — 定位 — 投放”，能实现穴 盘 苗单线 往复移栽。 其由气力驱动系统、夹持机构、控制系统 以及秧和花盆输送装置 4 个工作机构协同配合实现这一系列连续动作。 其控制系统由 PLC、行程开关等组成。 结果表明，该控制系统的设计合理， 并且 性能可靠。 基于 PLC 的穴盘苗移栽机机械手示意图 如图 16 所示。 图 16 基于 PLC 的穴盘苗移栽机机械手示意图 20xx 年，刘凯等人研究了 PLC 在穴盘苗移栽机器人控制系统中的应用 [12]。 穴盘苗自动移栽机的研制 8 所涉及到的穴盘苗移栽机器人由输送带、视觉相机、三维运动平台和机械手组成。 研究中，通过 2 台 PLC 的合理组合和程序的设计，实现了多电机控制系统的架构，为移栽机器人各机构平稳、有序运行提供了软件基础。 该控制系统整体布局合理、稳定性好、程序设计方法简单易行，提高了控制系统的柔性和可靠性，较好地兼顾了精度和成本。 目前，国内所研制的温室内穴盘苗自动移栽机总体上存在着 ： 柔性和可靠性差；定位精度不高，控制性能不稳定，智能化程度较低；作业效率不高，稳定性差等问题。 因此，对于田间露地穴盘苗全自动移栽，除了要解决以上温室内穴盘苗自动移栽机所存在的一些问题之外，还要考虑大面积作业环境的复杂多变性，在兼顾效率和成本的前提条 件下，去完善整个移栽系统的作业可靠性和稳定性。 此外，大面积作业穴盘苗全自动移栽机相对于温室内的穴盘苗自动移栽机，除了要完成取苗以及放苗的移栽作业过程以外，还需 要 完成栽植作业要求。 因此，如何借鉴并优化现有的各种应用于钵苗移栽的田间露地移栽机的栽植部件，实现大田秧苗全自动移栽机取放投的全程作业要求，也是需要考虑的关键问题之一。 我国研制穴盘苗移栽机的必要性 发展穴盘苗自动移栽技术，研制适合我国国情的穴盘苗自动移栽机，已成为我国农业生产智能化和产业化急需解决的问题。 虽然我国穴盘苗自动移栽机研制工作起步 比较 晚，但在积极借鉴国外先进技术及经验的基础上，与我国生产实际结合，同时多学科联合攻关，必将使这项研究工作开展得更好。 论文研究的主要内容和方法 本 论 文 主要针对穴盘苗移栽机的移苗末端执行器和移栽辅助装置两大组成部分的关键技术进行了研究 ，在研究中采用了 理论分析和虚拟样机技术相结合 的办法，完成了对整套机构的设计和分析，研究的主要内容如下： 1 对 育苗穴盘的类型、育苗基质的成分、育苗方法和 钵苗自身的重量等 相关参数进行 测定， 为移栽机的结构设计提供依据。 2 穴盘苗移栽机的工作原理与结构设计。 分析已有移栽机取苗和放苗 时的缺陷，并结合已学知识及查阅资料，思考最为行之有效的取苗末端执行器 的工作原浙江理工大学本科毕业设计（论文） 9 理，设计出一台结构合理的穴盘苗 自动 移栽机，并进行三维建模。 3 进行理论分析计算。 结合市场实际需要和已学机械原理、机械设 计等知识对穴盘苗移栽机内部各构件尺寸，各标准件型号的选择和末端执行器 的运动参数进行分析和设计计算。 4 穴盘苗 移栽机工作过程的运动学仿真 分析。 运用动力学 仿真软件对移 栽机三维模型进行运动学仿真，观察整个工作过程是否科学合理，末端执行器 的运动是否精确，以及运动中是否会与移栽机其他部件发生干涉。 穴盘苗自动移栽机的研制 10 第二章 移栽机研究前期工作 实地考察 毕业设计前期阶段，我前 去浙江 省 农科院参观了温室叶菜的栽培技术，通过参观学习，了解到目前叶菜的培养模式主要有三种， 即传统农田栽培模式、水培模式和穴培模式，并认识到人工移栽、采收 的效率低下等问题。 本论文从叶菜栽培的几种主要模式出发，来阐述不同模式下的移栽装置需求，以解决农业生产中的一些实际问题。 叶菜栽培的主要模式 传统农田栽培模式 图 21 所 示为传统模式下人工栽培的叶菜， 传统农田栽培模式的叶菜 往往具有分布不均、生长周期长、收采不便等缺点。 同时，由于传统栽培方式生产周期长，导致了农药危害不易控制、安全性因素不确定等弊端。 如果在农田中实现机器按行移栽，则可使行列之间排列整齐，叶菜株距约 10cm，行距约 15cm，并根据机器需要在一定范围内可调。 图 21 农田中的叶菜 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 11 水培模式 水培模式是在温室大棚中进行 的，通过底部与四周镂空的育苗杯将叶菜固定在水浮穴盘中。 水浮穴盘 由泡沫板制成，可漂浮在盛有营养液的水池中。 如 图22 所示 ， 图中 左中右水池宽度 的 分别为 180cm、 120cm 和 120cm。 水培模式是一种新型的 漂浮栽培技术，可使叶菜在特定条件下的光热条件得到充分利用，避免 恶劣天气 的 影响，从而提高叶菜的质量和产量。 如图 23 所示，水浮穴盘的穴孔分布较疏松，穴盘整体尺寸是 60cm179。 80cm，穴孔按 6179。 8 分布。 要实现水浮栽培叶菜，首先要将育苗穴盘中的幼苗移栽到水浮穴盘中。 传统移栽都是靠人工实现，工作效率低 且强度大，在一定程度上降低了经济效益， 通过 现代农业机械设备 可实现高效移栽、省时省力的目的。 图 22 水培模式下的叶菜 图 23 水浮穴盘 穴盘苗自动移栽机的研制 12 穴培模式 图 24 所示 为叶菜的穴培模式，穴培 模式就是将叶菜在穴盘中栽培。 一个穴盘的尺寸约为 28cm179。 54cm，图中所示为两两并排的穴盘，其总宽 度 约 为 115cm。 穴培同样是在温室大棚中进行的， 并且 便于 对幼苗进行管理和搬运。 穴培 模式的另一显著优点就是便于采收，由于叶菜排列较整齐，通过采收装置比较容易实现自动或半自动采收。 如图 25 所示，育苗穴盘的穴孔分布较密，穴盘整体尺寸是 28cm179。 54cm，穴孔按 6179。 12 分布。 幼苗是在育苗杯中培育的，而育苗杯（营养钵）置于育苗穴盘的穴孔中。 黑色塑料育苗杯具有白天吸热，夜晚保温护根、保肥作用，干旱 时节还具有保水作用。 用育苗杯育苗便于集中培育和移栽，可以显著提高经济效益。 图 24 穴培模式下的叶菜 图 25 育苗穴盘 浙江理工大学本科毕业设计（论文） 13 叶菜移栽的需求分析 根据叶菜培养模式的不同，我们需要的移栽装置也略有差异，农科院要实现的移栽主要有两类，一类是将育苗穴盘中的幼苗移栽到水浮穴盘中，另一类是将育苗穴盘中的幼苗移栽到种植穴盘或农田 中。 叶菜移栽是生产过程中的一个重要环节，有利于弥补光照不足和生长温度不宜等缺点，实现光热资源的充分利用。 同时，通过移栽便于在温室下对叶菜秧苗进行统一管理，而且成苗率高、成本低。 但是传统情形下，幼苗的移栽都是靠人工完成的，人工移栽工作强度大、效率低，所以如果能通过一种移栽装置来自动完成移栽，那么可以有效地节省劳动力，同时提高移栽效率，从而获得良好 的经济效益。 水培模式下的移栽 水培模式下，主要是将育苗穴盘中的幼苗按 行移栽到水浮穴盘中，这需要通过一定的机械装置实现。 移栽动作主要包括 抓取 — 移动 — 分散 — 放置四 个步骤。 传统模式下的移栽 传统 模式下，主要是将育苗穴盘中的幼苗移栽到农田中，同样需要通过机械装置来 实现，移栽动作主要是针插 — 夹持 — 移动 — 放置四步。 图 26 所示 是用于移栽到农田中的育苗穴盘， 图 27 所示 是连同基质一起提出的待移栽幼苗。 图 26 用于移栽到农田中的育苗穴盘 穴盘苗自动移栽机的研制 14 图 27 连同基质一起 提出 的待移栽幼苗 移栽方案选择 本论文主要针对 研究较少的 水培模式下的移栽作业，力图研究设计一台穴盘苗 自动 移栽机械，用于将育苗穴盘中的穴盘苗移栽至水浮穴盘之中。 穴盘苗与穴盘苗物理特性研究 育苗穴盘的选择 穴盘育苗是一个新的行业，是 20 世纪 70。