钵苗高速移栽机器人夹苗装置的设计

在实现农业现代化的进程中,大力推进蔬菜和花卉种植现代化是加快农业现代化进程的一个重要方向.工业化、规范化以及智能化培育幼苗是钵苗移栽产业未来的发展趋势.其中,穴盘育苗是采用轻基质无土材料作育苗基质,机械化精量播种,一穴一粒,一次性成苗的现代化育苗技术,是温室花卉和蔬菜专业化栽培的主要方式.基于此,对穴盘育苗过程中的育苗...     

蔬菜移栽机斜插夹钵式取投苗装置研制

针对目前中国蔬菜穴盘苗全自动移栽作业,取投苗装置复杂、易失败等问题,该文设计了一种斜插夹钵式取投苗装置。通过对取投苗装置原理的分析,运用投影法对装置进行设计,确定了装置各结构参数。为保证装置具有良好的取投苗效果,对苗盘倾斜角度及苗夹入穴参数进行了设计,同时分析其运动过程,对比仿真轨迹曲线和试验实际轨迹曲线,验证了方案的可行性。综合考虑影响取投苗效果的因素,以取投苗成功率作为取投苗效果评价指标,选取弹簧刚度系数、主动杆转速、苗盘倾斜角度为试验因素,进行正交试验。试验结果表明:在给定因素水平下,当弹簧刚度系数为500 N/m,主动杆转速为12 r/min,苗盘倾斜角度为45°时,取投苗效果最佳,此时基质破碎率为3.13%,钵苗脱落率为2.43%,取投苗成功率为94.44%,装置的可靠性较高。研究结果可为全自动化移栽研究提供参考。     

蔬菜钵苗移栽机取苗臂凸轮机构的设计与试验

采用解析法对蔬菜钵苗移栽机取苗臂凸轮机构进行了详细设计,以解决目前机构推苗作业时间长、速度慢而影响推苗成功率的问题。根据移栽机取苗和推苗作业时取苗针的运动要求,以及取苗臂的结构尺寸,建立凸轮机构设计的数学模型,优化凸轮推程运动角,进而得到凸轮实际轮廓曲线,进行了机构的运动及压力角分析。建立取苗机构的三维实体模型,制造出其物理样机,采用ADAMS软件进行虚拟样机运动仿真,开展高速摄像运动试验。仿真结果和试验结果基本一致,表明改进设计是正确和合理的,同时比较改进设计结果和原设计结果可知,所设计的凸轮机构能够满足蔬菜钵苗移栽的要求,且试验推苗时间比原设计有效缩短了27.9%,有助于提高推苗成功率和蔬菜钵苗移栽机的工作性能。     

番茄钵苗移栽机自动取苗装置作业参数优化与试验

针对新疆地区番茄移栽机械自动化程度低、劳动强度大、作业效率低等问题,该文分析了一种番茄钵苗自动取苗装置的夹苗器凸轮运动过程,得到了凸轮运动过程参数,结合钵苗取苗作业要求搭建取苗试验台,对自动取苗装置主要工作参数进行优化。以适栽期番茄钵苗为试验对象,利用自动取苗试验台进行单因素试验。进一步结合理论分析及单因素试验,选取苗针长度、苗针开度、取苗频率为影响因素,以伤苗率、漏苗率和取苗成功率为评价指标进行三因素三水平二次旋转正交组合试验,通过Design-Expert.V8.0.6软件,得到理论最优参数组合:苗针长度198 mm,苗针开度19 mm,取苗频率57株/min,此参数组合下伤苗率为3.91%,漏苗率为1.56%,取苗成功率为94.69%。在自动取苗试验台上进行验证试验,取苗装置伤苗率为3.44%,漏苗率为1.72%,取苗成功率为94.38%,与优化结果基本吻合,验证了所建模型与优化参数的合理性。田间取苗试验伤苗率为3.65%,漏苗率为2.08%,取苗成功率为94.27%。田间试验取苗成功率与优化结果的误差为0.44%,表明取苗装置抗干扰能力较强。该研究结果可为番茄全自动移栽机取苗装置的结构改进和作业参数控制提供参考。     

穴苗移栽机双旋转式分苗装置设计

为了解决移栽机整排取苗后投苗不连续、作业效率不高、穴苗易破损的问题,该研究设计了一种整排放苗的分苗装置,运用2排投苗台交替运动实现无间断投苗。通过台架试验,依据实际作业状态对投苗过程进行分析,确定影响投苗效果的主要因素为投苗高度、投苗速度和穴苗倾角。以投苗成功率和基质破损率为评价指标进行单因素试验,确定各影响因素的参数范围。并进行正交试验,通过方差分析得出影响成功率和破损率的主要因素分别为穴苗倾角和投苗高度。在此基础上进行响应面分析,分析各因素交互作用对投苗效果的影响。运用MINITAB优化模块对工作参数进行优化,结果得到最佳工作参数组合为:投苗高度150 mm,投苗速度65株/min,穴苗倾角85°±5°。验证试验结果表明,最佳工作参数下投苗成功率为96.41%,基质破损率为1.65%。该装置可实现分苗投苗作业,研究结果可为全自动移栽机设计提供参考。     

旱地蔬菜钵苗自动移栽机栽植性能试验

为了提高蔬菜苗机械化移栽作业效率,实现旱地蔬菜钵体苗移栽自动化,研制了旱地蔬菜钵苗自动移栽机,主要由椭圆-不完全非圆齿轮行星系旋转式取苗机构、横向纵向间歇送苗机构、偏心圆盘吊杯式栽植器、动力传递系统等组成。为了获得该机的作业性能,以苗龄35 d的钵体番茄苗为移栽对象,分别在栽植频率45、60、75、84株/min时进行低速移栽试验,以96株/min的栽植频率进行高速移栽试验,按照机械行业标准JB/T 10291-2013《旱地栽植机械》测定了株距变异系数、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率,参照农业行业标准NY/T 1924-2010《油菜移栽机质量评价技术规范》测定了直立度合格率。田间试验结果表明,在栽植频率为45~96株/min范围内,株距变异系数、漏栽率随栽植频率增加而略有增大,其平均值分别为6.6%~8.9%、1.7%~2.8%,栽植深度合格率、直立度合格率、栽植合格率随栽植频率增加略有下降,其平均值分别为97.5%~98.9%、96.7%~97.8%、91.1%~94.7%,株距变异系数、漏栽率、栽植深度合格率、栽植合格率均达到机械行业标准要求,直立度合格率也达到农业行业标准中的规定值。旱地蔬菜钵苗自动移栽机送苗机构、取苗机构、栽植器、整机行走配合协调,能够自动完成送苗、取苗、植苗、覆土等钵苗体移栽工序,作业性能良好。     

油菜基质块苗移栽机对辊式取苗装置设计与试验

针对油菜基质苗移栽机栽植频率低和落苗稳定性差的问题,该研究对对辊式油菜基质块苗取苗装置进行分取苗联动结构改进与性能试验。结合基质块苗移栽机作业特点及栽植农艺要求,开展了取苗栽植过程稳定性分析,确定了取苗装置稳定运行的结构及工作参数。以适栽期油菜载苗基质块为对象,进行了单因素台架试验,并开展了载苗台角度、辊轮底端直径、辊轮转速对取苗成功率和取苗同步率影响的三因素三水平二次正交组合试验。结果表明：载苗台角度为30.7°、辊轮底端直径为26.4 mm、辊轮转速为2.2 r/s时取苗效果较优,台架试验的取苗成功率为94.62%、取苗同步率为95.35%;田间试验的取苗成功率为89.84%、同步率为92.01%,满足油菜基质块苗移栽机作业性能要求。     

高速插秧机钵体毯状苗纵向送秧装置的设计与试验

基于现有高速插秧机平台,改进设计适用于钵体毯状苗的纵向送秧装置。对钵体毯状苗的插秧特点进行分析。针对钵体毯状苗对纵向送秧装置的要求,对纵向送秧装置进行了详细的理论分析和设计。通过Solidworks建模并对装置的工作状态进行虚拟仿真。设计加工样机进行试验分析,试验结果表明,多次纵向送秧误差均在2 mm以内,且不存在累积误差,故满足设计要求。保证了机器在高速工作状况下,纵向送秧的精度和非送秧过程时秧苗的纵向位置固定。该文设计的纵向送秧装置使得钵体毯状苗在插秧机平台上的纵向送秧:精准、稳定、可靠。为钵体毯状苗实现高速机械插秧提供了可靠的设计方案和理论依据。     

机械式空气整根钵苗移栽器的研究

空气整根钵苗全自动移栽机的核心部件是移栽器。采用机械方式完成全自动移栽机的送秧和投苗，简化了现有全自动钵苗移栽机的电动或气动送秧和投苗装置，降低了成本。移栽器的性能试验表明，所研制的移栽器性能良好，适应国内市场需要。     

三移栽臂水稻钵苗移栽机构设计与试验

为了实现水稻钵苗的高效、稳定的移栽,在分析现有水稻钵苗移栽机构的研究现状基础上,该文设计了一种应用于水稻钵苗自动移栽机的三移栽臂非圆齿轮行星系水稻钵苗移栽机构。构建了一种非圆齿轮节曲线方程,建立了非圆-不完全非圆齿轮机构的运动学理论模型。开发了该水稻钵苗移栽机构的计算机辅助分析与优化软件,通过人机交互的方式得到一组较优的满足水稻钵苗移栽机构工作要求的参数,然后进行虚拟仿真及物理样机试验,通过对比分析虚拟仿真得到的工作轨迹与物理样机试验得到的工作轨迹基本一致;理论计算得到的角度差为45.18°,实际测量得到的角度差为45.77°,误差为1.31%,在误差范围以内,验证了该移栽机构设计的正确性。该机构的提出解决了秧苗倒伏、低移栽成功率的问题,提高了移栽效率。     

顶出托举式钵苗脱盘装置设计与试验

针对现有自动取苗装置作业过程中出现苗体受损、钵体开裂、基质损失率高等问题,该研究设计了一种适应活动苗盘的托举式钵苗脱盘装置。设计了具有纵向、横向及竖直方向定位功能的苗盘三维定位机构和具有苗盘开启与钵苗托举功能的开启-托举机构,并设计了脱盘装置的PLC控制系统。为验证钵苗脱盘装置的作业效果,选取托举速度、端面类型及基质含水率为试验因素,以钵苗在托举台端面上的位置合格率和脱盘过程中钵体基质损失率为评价指标,以16穴活动苗盘模型培育的35 d苗龄油菜钵苗为对象,采用L9(34)正交表设计试验方案进行台架试验。试验结果表明,各因素对钵苗位置合格率和钵苗基质损失率影响的主次顺序依次为托举台端面类型、托举速度、基质含水率;试验获得影响因素的最优组合为托举速度32 mm/s、托举台端面为橡胶面、基质含水率55%。基于优选参数组合进行重复性验证试验,结果表明,钵苗脱盘后托举台端面上的位置合格率为100%,基质损失率为1.56%,满足实际作业需要。该研究可为钵苗自动移栽机取苗机构的研发提供参考。     

苗盘钵苗自动识别及控制装置的设计与试验

针对全自动移栽机在田间作业中,因苗盘的钵苗格缺苗而导致的漏栽问题,研制了一种苗盘钵苗自动识别及控制试验装置。该试验装置采用单苗爪取苗,步进电机驱动钵苗盘纵向和横向移动,光电传感器作为钵苗识别装置,由可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)为控制核心,触摸屏作为人机界面,可适应不同规格的苗盘参数,可选择对该装置进行手动或自动控制。试验结果表明,该装置可有效地对钵苗格是否缺苗进行自动识别,并控制苗盘输送装置,使缺苗的钵苗格快速跳过取苗爪,提高取苗爪的抓取效率,以降低漏栽率;相对于没有采用钵苗自动识别的移栽模式,该系统漏栽率整体降低了约12%。该研究可为全自动移栽机的进一步自动化智能化设计提供参考。     

全自动玉米秧苗移栽机的研制与试验

为了克服人工移栽劳动强度大、作业效率低、移栽质量差的缺点,该文研制了一种全自动玉米秧苗移栽机。设计了全液压驱动系统和以PLC为核心模块的自动控制快速上秧装置,可实现整册纸筒自动取苗,数字识别无苗纸筒并剔除,有苗纸筒带式水平和针刺带垂直输送,夹持圆盘可完成零速投苗栽植。该机与破茬开沟、垄型整理、滤水覆土有机结合,可完成全部移栽过程。田间试验结果表明,当机组前进速度为2.5～3.0 km/h、理论株距为22 cm时,移栽深度合格率为87.5%,株距合格率为93.2%,苗株直立度合格率为91.2%,能够满足玉米纸筒苗移栽的农艺要求。该机是实施玉米纸筒秧苗移栽新型农艺技术的机械化载体,可显著提高玉米纸筒秧苗移栽作业的标准化、机械化和自动化程度。     

基于钵苗运动动力学模型的鸭嘴式移栽机结构优化

为了探究鸭嘴式移栽机因栽植速度提升,导致钵苗倒伏率和漏栽率升高的根本原因,该文试制了纯透明有机玻璃质的鸭嘴式栽植器,并采用高速摄像对钵苗从导苗筒下落至栽植器底部的运动过程进行了试验研究。根据研究结果将钵苗在鸭嘴栽植器内的运动过程分为6个运动阶段,并建立了各运动阶段的动力学模型,得到了钵苗下落过程中与鸭嘴栽植器间的运动受力方程。选取苗龄为40 d,基质成分为草炭:蛭石:珍珠岩=3∶1∶2,钵苗土钵含水率为55%的辣椒钵苗为研究分析及试验对象,以钵苗栽植运动时间为优化目标,对钵苗运动过程动力学模型进行优化,得出了栽植器最佳初始位置及结构参数为:钵苗下落初始位置为(40 mm,350 mm),鸭嘴栽植器上苗杯壁面与竖直面间的夹角为40°,栽植器鸭嘴部分倾角为82°;栽植机构最高转速不超过80 r/min,栽植器初始相位角为25°。通过高速摄像试验对钵苗在改进后栽植器中的运动时间进行了分析,得出钵苗从开始下落至离开栽植器的时间与理论时间基本吻合,且在栽植器运动至栽植位置前钵苗已落至栽植器底部,验证了理论模型的正确性以及参数优化的合理性。该研究可为鸭嘴式移栽机高速栽植转速和结构设计提供参考。     

玉米钵苗顶出式有序分秧机构的设计与试验

玉米钵苗移栽可以延长作物生育期,大幅度提高粮食单产和品质。为了解决国际移栽装备结构复杂、成本高、效率低,仅适用于经济作物的问题,该文提出了一种结构简单、成本低、效率高的全自动玉米钵苗移栽机核心工作部件——顶出式有序分秧机构。采用连续输送的纵向送秧方式,设计了并排均布按顺序逐次顶出的分秧形式,分别完成同一排秧苗连续有序的快速顶出。提出了机构相关部件的结构设计参数及设计依据,同时利用渐开线反转法设计了关键部件杠杆的轮廓曲线。完成了该机构的虚拟样机运动学与动力学仿真分析与验证。利用顶出式有序分秧机构进行了玉米钵苗的顶出翻转试验,得出当土钵质量为10 g、秧苗高度为160 mm时钵苗转体高度符合机构设计与栽植要求。利用自制的顶出式有序分秧机构试验台,结合高速摄像技术完成了机构顶出均匀性台架性能试验,验证了该机构性能的合理性;对所研制的试验物理样机进行了田间试验,获得了90.4%的移栽成功率,满足旱地栽植标准,也为开发相关作物的顶出式钵苗移栽机奠定了研究基础。     

履带式油菜苗移栽栽植孔成型机的设计与试验

为设计新型油菜移栽机,基于旱地移栽作业的工作特点,融合油菜移栽农艺要求,研制了一种履带式油菜移栽栽植孔成型装置。通过分析土壤物理机械力学特性,求取打孔机构垂直出土所受摩擦阻力参数方程,为关键部件打孔机构的机构设计提供力学参数与理论依据;完成关键部件—打孔机构、靠模凸轮进行设计及优化后,设计并试制试验样机,进行田间试验。试验结果表明:机器以慢一档工作状态下前进速度为1.65~1.78 km/h,作业效率达到0.231~0.249 hm2/h,其成孔的平均合格率也达到93.8%。研制的机器能形成满足设计要求的栽植孔,为新型移栽机的设计提供技术支持。     

油菜毯状苗移栽机栽植过程动力学模型及参数优化

为有效减少油菜毯状苗机械化移栽过程中苗块出现的脱苗现象,提高立苗质量,该文构建了栽植过程中运移苗阶段油菜毯状苗苗块的动力学模型,结合油菜毯状苗基质的力学参数特性试验,研究苗块发生脱苗的临界条件,建立了运移苗阶段苗块的脱苗条件方程,得到了影响苗块脱苗的主要因素以及各因素的脱苗临界值。利用高速摄影试验探究了基质含水率、栽植机构转速和纵向取苗量对苗块脱苗率的影响,得到的各因素的脱苗临界范围与理论分析结果基本吻合,验证了模型的准确性和可行性。为探究低脱苗率条件下油菜毯状苗移栽机栽植机构和苗块相关参数的最优组合,采用响应面试验分析方法建立主要影响因素与考察指标之间的回归数学模型,试验结果表明：当基质含水率56.72%,栽植机构转速22 rad/s,纵向取苗量为15 mm时,优化后脱苗率为1.52%,与预测值绝对误差为0.16个百分点。该研究可为提高油菜毯状苗移栽的立苗质量提供参考。     

基于苗钵力学特性的自动移栽机执行机构参数优化试验

为有效减少加工番茄机械化移栽过程钵苗基质的损伤,提高移栽机取苗、植苗成功率,该文构建了移栽过程中取苗、植苗阶段加工番茄钵体的力学模型,结合钵体的抗压力学特性试验,研究移栽过程中造成钵苗基质破损、影响取苗、植苗成功率的因素,通过试验分析适合机械化移栽的钵体和移栽机执行机构的相关参数。参数组合重复性验证试验表明：钵体基质配比（珍珠岩：砾石：泥炭）为1∶1∶2,钵体绝对含水率为72%,取苗夹片插入穴孔深度为35 mm,取苗夹片对钵体的夹持角度为14°,投苗点与接苗碰撞点高度为90 mm,鸭嘴锥度为38°时,移栽成功率满足加工番茄穴盘苗机械移栽要求。该研究为机械化移栽的加工番茄钵苗培育农艺及移栽机参数优化设计提供了参考。