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。     

单自由度四连杆取投苗机械臂设计

针对目前蔬菜穴盘苗自动取投苗机构结构复杂、制造成本较高等问题,该文设计了一种单自由度开式铰链四杆机构取投苗机械臂。首先通过对钵苗力学特性进行分析,为取苗爪的外形设计提供了依据。其次根据人工取投苗和现有取苗机构的作业过程,制定了取苗机构的设计要求。然后对机构的运动路径和各运动副的运动进行规划设计,最终设计出一种单自由度全机械式的取投苗机械臂,显著降低了成本。试验结果表明:取苗爪抓取点的运动轨迹和设计要求与理论仿真结果相一致,移栽试验中取苗成功率为96.7%,钵体破损率为3.13%,投苗成功率为97.74%,总体成功率为91.32%,机构的可靠性较高。该机构的设计提供了一种全自动取投苗方法,可为开展移栽装备的全自动化研究提供参考。     

顶钵-夹茎组合式取苗装置设计与试验

针对现有钵苗自动移栽技术中,夹钵式取苗方式受钵体强度及盘根性差异影响易导致钵体破损,降低取苗成功率,夹茎式取苗方式受茎秆强度及钵体与穴盘之间黏附力影响易造成伤苗、钵体不能取出等问题,该研究提出了一种顶钵-夹茎组合取苗方式,并进行了结构设计、装置试制与试验优化。对辣椒穴盘苗茎秆和钵体力学特性进行了测试,得到茎秆拉伸和径向压缩力学特性,及钵体拉拔与压缩力学特性,并建立了顶钵-夹茎组合式取苗装置在顶与夹过程中钵体和茎秆的受力模型,对取苗装置关键参数进行了设计。搭建试验台架,以“中农绿亨线椒363”穴盘苗为对象,以钵体含水率、取苗频率和顶钵高度为影响因素开展正交试验,结果表明经顶钵-夹茎取苗后的穴盘苗生长状态良好,确定最优水平为含水率45%,取苗频率60株/min,顶钵高度10 mm,该条件下钵体破损率为1.98%,取苗成功率为98%。田间试验表明平均取苗成功率为93.05%,株距合格率为88.17%。研究可为辣椒、番茄等旱地作物穴盘苗移栽技术改进优化提供参考。     

蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置研制

针对蔬菜穴盘苗自动取苗装置结构复杂、取苗性能差等问题，该研究综合顶出式取苗与插入夹持式取苗的优缺点，设计了一种插入顶出式取苗装置。首先对钵苗顶出过程进行受力分析，对抛出后的钵苗进行运动过程分析，得出造成顶出式取苗的钵苗翻滚的影响因素，提出插入顶出式取苗结构的优化目标，然后对送盘机构、插入顶出式取苗机构进行受力分析和参数优化。以辣椒钵苗为试验对象，选取苗龄、钵体含水率和取苗频率为影响因素，以取苗合格率、基质损失率和伤苗率为指标进行正交试验。试验结果表明：苗龄30 d、基质含水率60%、取苗频率120 株/min时，取苗成功率为97.22%，基质损失率为18.06%，伤苗率为1.39%，取苗效果最佳。以苗龄25 d的甘蓝和花椰菜苗进行不同蔬菜作物取苗验证试验，取苗合格率分别为93.75%和95.14%，基质损失率分别为17.21%和16.67%，伤苗率分别为4.17%和3.47%，满足蔬菜穴盘苗全自动移栽机取苗作业要求。研究结果可为蔬菜穴盘苗全自动移栽机的设计和作业参数优化提供参考。     

辣椒穴盘苗自动取苗机构运动学分析与试验

针对新疆半自动移栽机人工取苗效率低、强度大、漏苗率及伤苗率高的问题,该文设计了一种辣椒穴盘苗自动取苗机构。分析了该机构的组成及工作原理,建立了其运动学模型,研究了取苗轨迹形成的机理,在确定优化目标的基础上,基于VB开发了取苗机构辅助分析软件,结合Adams运动仿真软件,通过人机交互分析其主要结构参数变化对取苗针端点运动轨迹的影响,优化取苗针端点运动轨迹,获得一组满足辣椒穴盘苗移栽农艺要求的自动取苗机构参数。虚拟样机运动仿真结果表明优化参数可以满足辣椒穴盘苗取苗工作轨迹要求;设计制作了自动取苗试验台,并利用高速摄影技术对取苗机构运动特性进行试验分析,试验结果表明取苗针实际运动轨迹与理论分析结果一致,取苗试验结果如下:取苗成功率为98.6%,基质损伤率为4.2%,投苗成功率为94.2%,满足机械自动取苗的工作要求,验证了取苗机构设计的准确性与合理性。该研究可为辣椒、番茄等作物全自动移栽机自动取苗机构的研发提供参考。     

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。     

全自动单摆式蔬菜钵苗取喂苗系统研制

为实现蔬菜钵苗高效、稳定移栽，在分析现有全自动移栽机取喂苗系统研究现状的基础上，该研究提出了一种全自动单摆式取喂苗系统。该系统通过苗盘输送机构、纵移机构实现穴苗盘在倾斜平面内的移位，采用往复机构和夹苗机构实现取苗、喂苗。对夹苗机构等关键机构进行参数设计和运动学分析，确定了其结构参数。综合考虑影响取喂苗性能的相关因素，以苗株种类z、基质含水率w、取苗深度h和工作气压p为试验参数，以取苗成功率S1和苗株完整率S2为评价指标，在双行移栽、90株/min取苗效率下进行多因素正交试验。试验结果表明，苗株基质含水率对取苗成功率和完整率影响最大，贡献率分别为58.92%和50.58%，其次是取苗深度；当苗株为番茄苗，基质含水率35%，取苗深度40 mm，气缸工作气压为0.4 MPa时，取喂苗效果最佳，取苗成功率为98.61%，苗株完整率为97.22%。研究结果可为移栽机的机构优化及自动化控制提供理论参考。     

夹茎式番茄钵苗取苗机构设计与试验

为避免取苗机构在夹取钵苗过程中对钵体与根系造成损伤，该研究针对夹茎取苗方式，提出一种基于二阶椭圆齿轮行星轮系以及凸轮摆杆机构的夹茎式番茄钵苗取苗机构。依据二阶椭圆齿轮传动特性与机构工作原理，建立机构运动学理论模型，并对凸轮轮廓曲线进行设计，结合番茄钵苗取苗作业要求及机构特点，基于MATLAB软件开发机构分析软件对机构参数进行优化，并进一步分析优化后取苗轨迹与凸轮各工作段的对应位置关系，建立了夹茎式取苗机构虚拟样机模型，利用ADAMS软件对取苗机构运动过程进行仿真分析，验证机构参数优化结果及零部件结构设计的准确性与合理性。试制取苗机构物理样机开展高速摄影试验，通过对比分析实际工作轨迹与理论分析及仿真轨迹的一致性，验证了取苗机构设计的正确性。搭建自动取苗试验台进行取苗试验。试验结果表明，取苗机构工作性能可靠、稳定，取苗频率为80株/min时，取苗成功率为92%，投苗成功率为94.2%，伤苗率为2.9%。研究结果可为番茄钵苗全自动移栽机自动取苗机构的研发提供参考。     

混合驱动五杆花卉盘栽机构的优化设计与试验

为实现盘栽机构的轻简化和运动设计的灵活性,该文以一种混合驱动五杆机构来实现花卉穴盘苗盘栽运动。根据工作要求拟定机构轨迹,以变速电机最小角速度波动为目标,基于遗传算法优化得到机构中机架位置为(0,-150)和(-267.20,61.87),五杆机构的杆长分别为152.80、324.55、336.56、100.40、302.60、341.00 mm。建立花卉盘栽机构三维模型,利用ADAMS进行了机构运动仿真,验证了机构优化设计结果的正确性。对混合驱动五杆花卉盘栽机构控制系统进行了设计,试制样机并开展了花卉盘栽试验。通过进行花卉移栽试验,测试得到花卉移栽轨迹高度为265 mm,取苗倾角为140°,取苗时入钵摆角为6.92°、出钵摆角为6.27°,取苗环扣宽度小于3 mm,植苗倾角为90°,植苗时入盘摆角为13.19°、出盘摆角为4.19°,植苗段垂直轨迹大于40 mm。花卉移栽的平均成功率为87.16%,表明混合驱动五杆花卉盘栽机构可以实现花卉盘栽工作。研究拓展了混合驱动的应用领域,可为全自动花卉盘栽装备的研发提供参考。     

蔬菜穴盘育苗底部气吹式钵体松脱装置设计

针对蔬菜穴盘苗直接拔苗费力又损伤大的问题,设计了一种有助于穴盘苗移栽的气吹式钵体松脱装置。利用直线模组移位单元和双联气缸升降单元组合成输送系统,驱动气嘴排从穴盘底部的穴孔排水口逐排顶吹穴盘苗钵体,实现穴盘苗钵体与穴孔壁之间非机械接触式放松,利于移栽时人工轻松拔苗或机械快速夹取。对关键部件进行设计,使用排气孔直径为5mm的气嘴,能确保气体射流从128穴孔排水口有效顶吹穴盘苗钵体而不顶盘,根据亚声速自由气体射流动力学原理计算表明:当气嘴口空气射流压力大于0.098 MPa,不超过0.235 MPa时,所设计的气嘴能将穴盘苗吹松而不破坏苗钵根土结构。开展气力顶钵松脱多因素试验研究,结果表明气流喷射压力高度显著影响苗钵完整率,钵体含水率对完整率影响显著,其他苗龄、气流回路流量、气嘴头有无海绵密封等试验因素没有统计学显著性影响。当气嘴回路中气流喷射压力控制为0.2 MPa,钵体含水率为55%～60%,黄瓜苗龄为25 d,气流回路全开,气嘴没有海绵头铺垫时,对穴盘苗顶吹作用达到既能将穴盘苗钵体顶松脱离穴孔壁粘附,又最大程度保证钵体完整度的效果。开展验证性试验,苗钵气力松脱完整率达到96%以上,完成整盘苗放松约48s,满足实际需要。该研究可为开发省力的穴盘苗钵放松装置和边松脱边取苗的高效无损自动取苗机构提供参考。     

钵苗自动移栽机器人抓取指针夹持苗坨参数优化试验

设施农业里末端执行器实现钵苗夹持作业是自动移栽机的关键技术之一。为提高抓取指针夹持苗坨可靠性,进行相关取苗参数优化试验。该文设计了一种以万能试验机为基础可调节指针夹持压缩苗坨的测力平台,建立力学传递模型获取指针对苗坨的夹紧力。以黄瓜钵苗为研究对象,以指针夹持角度(指针与垂直方向成4°、7°、10°和13°)、夹持指针数(三指和四指)、苗坨含水率(65%、75%、85%和88%)、3组钵苗长势(小苗、中苗和大苗)及2种苗坨基质体积配比(泥炭∶蛭石∶珍珠岩体积比分别为6∶3∶1和7∶2∶1)为影响因素,以指针对苗坨的夹紧力为优化目标,进行单影响因素的分析试验。试验结果表明,5个因素均对夹紧力变化有影响;其中各因素的较优项为:指针夹持角7°、四指、苗坨84%含水率水平、长势中等以上(主茎杆或根系长分别大于30和87 mm)和基质体积配比(泥炭∶蛭石∶珍珠岩)为6∶3∶1;末端执行器在以上较优状况夹持作业时,指针向苗坨中心压缩可获得稳定上升的夹紧力,从而提高抓苗移栽可靠性。该研究为指针式末端执行器设计和适合机械移栽的钵苗农艺提出提供参考。     

穴盘苗自动移栽钵体力学特性试验

穴盘苗钵体的力学特性,是穴盘苗自动移栽机取苗机构设计的重要依据。以黄瓜为育苗对象,选用镇江培蕾育苗有机土,使用128孔正方形锥体穴盘,在Venlo型玻璃温室培育穴盘苗。试验时,穴盘苗苗龄28d,长出两片子叶和第一片心叶,钵体含水率范围为54.21%～60.47%。对穴盘苗钵体进行了平板压缩、加卸载循环和蠕变试验,试验仪器为TA-XT2i型质地分析仪,测前、测试、测后速度均为1mm/s。钵体压缩试验测试10mm压缩量下的抗压特性,试验重复20次,钵体加卸载循环试验测试2、4、6、8mm压缩量下的加卸载特性,每个压缩量重复10次,钵体蠕变试验试验测试2、4、6、8N不同加载力下的蠕变特性,保持时间为120s,每个测试力重复10次。试验表明穴盘苗钵体的抗压力与变形呈非线性变化,抗压力随着变形的增大先缓慢增大再显著增大。在平板压缩过程中,钵体无明显的屈服破坏点。穴盘苗钵体的压缩破坏是从钵体盘根较少的区域开始,逐渐扩大破碎度。在弹塑性方面,随着压缩量的增大,滞后损失、抗压峰值力均增大,弹性度减小,并且穴盘苗钵体压缩变形越大,其塑变能力越强,具有一定的可塑性,可以从两侧或四周夹紧钵体而不破坏其整体性。利用Burgers模型能有效表征穴盘苗钵体的压缩蠕变特性,获得了对应的黏弹性参数。通过钵体不同压力下的蠕变试验,得到随着加载力的增大,瞬时弹性系数、延迟时间均减小,在1s内,加载力为2、4、6、8N时,钵体平均蠕变量分别为0.0244、0.0308、0.0446、0.0549mm,表明其蠕变量比较小,这对快速夹取穴盘钵体的夹紧松弛特性影响不大,即钵体一旦夹紧不会松弛掉落。     

全自动移栽机取送苗系统的设计与试验

针对目前全自动移栽机取送苗环节伤苗率高、取送苗机构运动轨迹复杂和效率低等问题,该文设计了一种全自动移栽机取送苗系统。该试验装置采用钵苗盘移位机构实现钵苗盘纵向、横向移动,集排式顶苗机构和取苗机构完成对钵体苗的顶出、夹取,接苗机构、拨苗机构、输苗机构和落苗机构等将钵盘中取出的苗输送至栽植器,整个系统作业过程中所有动作均由PLC控制气压缸和液压马达完成。通过理论分析和MATLAB仿真求解,并进行单因素试验验证,得到针对辣椒苗顶苗机构驱动气缸和苗夹夹片开合气缸最佳工作气压分别是0.4、0.25 MPa。对取苗频率、输送苗速度、移栽机前进速度理论分析得到三者之间的函数关系,进而对这3个因素水平进行优化,得到4组最佳因素水平组合并进行了多指标正交试验。试验结果表明:当取苗频率为7次/min、输送苗速度为42 m/min、移栽机前进速度为20 m/min时,该系统取送苗质量最佳,此时移栽漏苗率为2.4%、重栽率1.1%、倒伏率1.3%、伤苗率1.7%和取送苗合格率96.7%。该研究为移栽机自动化取苗提供了参考。     

机械驱动式辣椒穴盘苗自动取投苗系统设计与试验

针对目前半自动移栽机人工取投苗劳动强度大、工作效率低,控制系统复杂等问题,该研究结合当前新疆穴盘苗移栽作业模式和农艺要求,模仿人工取喂苗的方式设计了一种机械驱动式辣椒穴盘苗自动取投苗系统。该自动取投苗系统由地轮提供动力,通过穴盘进给装置的横向送苗驱动机构和纵向送苗驱动机构驱动穴盘横向、纵向准确移位,实现128穴整盘穴盘苗的自动进给,通过机械取投苗装置实现穴盘苗的自动取投。根据"己"字型穴盘进给方案和机械手取投苗轨迹与姿态要求,确定了机械取投苗装置偏转驱动机构和拔取驱动机构各构件的尺寸参数,构建了机械自动取投苗机构驱动装置的运动学模型,分析得出机械手末端位移、速度、加速度方程以及偏转、拔取驱动装置的主要参数和运动规律。为验证该系统的作业性能,利用Solidworks软件对机械手取投苗轨迹和运动规律进行仿真分析,选取苗龄60d、基质含水率24.61%～31.57%的辣椒穴盘苗进行室内样机穴盘进给位移可靠性试验和取投苗试验。试验结果表明,机械手仿真运动轨迹满足设计要求;穴盘纵向和横向进给位移与理论偏差小于1 mm,满足穴盘进给装置的供苗要求;在取投苗速度64～88株/min范围内,随着取苗速度的增加,取苗成功率、投苗成功率先增大后减少,输苗成功率总体波动较小,取投苗总成功率先增大后减少,取投苗速度80株/min时效果最佳,此时系统平均取投苗总成功率、取苗成功率、投苗成功率、输苗成功率分别为92.54%、92.93%、99.57%和100.00%,作业过程中无伤苗情况,满足穴高45 mm的辣椒穴盘苗栽植前自动进给穴盘苗、取投苗、输苗等作业要求。研究结果可为后续机械式自动穴盘移栽机的设计提供参考。     

斜插式蔬菜嫁接机砧木夹持机构研制与试验

针对传统嫁接机采用整体式夹持片作为砧木夹持机构无法矫正砧木苗弯曲度而造成砧木苗夹持损伤,夹持力无法调节的缺点,该文以葫芦苗作为试验对象,在分析了葫芦苗结构参数和力学特性的基础上,设计开发了一种应用于斜插式蔬菜嫁接机并通过凸形和凹形夹持片交叉夹紧、夹持机构厚度和夹持力大小可调的砧木夹持机构,并确定了该机构的主要结构参数。试验结果表明,与普通夹持机构相比,该机构对砧木苗具有较好的导向作用,能较好地矫正砧木苗的弯曲状态,夹持成功率达到100%,提高了13.3个百分点,伤苗率仅为1.67%,比普通夹持机构减小了11.63个百分点,所设计的嫁接机砧木苗夹持机构是可行的。该研究可为蔬菜砧木苗嫁接机的设计提供参考。     

蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置设计与试验

针对穴盘苗取投苗装置机械结构较复杂、取投苗易失败等问题,该研究设计了一种蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装置。通过对取投苗作业过程进行分析,提出整排取苗、弧形展开投苗的自动取投苗作业方式,对夹苗组件、导向槽、旋转接苗机构等进行设计,并确定各部件关键参数,搭建PLC自动控制系统,设计执行单元的气动回路方案,并提出匹配延时函数。以辣椒穴盘苗为试验对象,以平均取投苗频率、供气压力、基质平均含水率为试验因素,以取投苗成功率、损伤率为试验指标进行正交试验,并以较优参数组合进行重复验证试验。试验结果表明：平均取投苗频率为90株/min、供气压力为0.4 MPa、基质平均含水率为30%时,取投苗成功率为94.05%,损伤率为1.19%,该研究可为自动取投苗装置的研发提供参考。     

穴盘幼苗机械手取苗基质完整率影响因素试验与分析

当前国内外移栽机械研究中取苗环节是制约自动移栽机发展的瓶颈,该文试验研究重点是判别拟定的影响因素对穴盘幼苗机械手取苗影响显著与否。测试的影响因素为基质含水率(35%~65%),取苗执行器的执行结构外形特征(指针形状、压舌板形状、U型形状3种)和作物生长初期幼苗根系对基质抗剪性能提升的效果,并将基质完整率作为试验指标值。通过试验给出夹持力与夹持量的对应关系,明确了各取苗执行器执行结构的最佳夹持量,采用正交试验法得出主次影响因素和优水平。试验结果表明:执行结构外形特征是主要影响因素,并确定U型形状为最佳;基质含水率对取苗结果有一定影响,含水率在50%左右为最佳;在幼苗长出第1对真叶时取苗,幼苗根系对基质抗剪性能提升的效果对取苗影响不大,对最优水平组合做验证试验基质完整率均在80%以上,样本全都成功移栽到营养钵内。该文为进一步研究和改善穴盘幼苗移栽设备的关键技术点提供参考。     

基于Micro-CT的黄瓜苗坨夹取破损检测及取苗参数优化

为了减小自动移栽时取苗爪夹取苗坨的破损,利用X射线Micro-CT对处于夹取状态的黄瓜苗坨进行检测,用阈值分割方法将根系和孔隙从断层图片中分割提取并三维重构。在垂直和水平方向将苗坨划分成6等份,对根系和孔隙的体积和分布密度进行统计,得出夹取过程中根系未发生显著位移,根系的作用是将基质缠绕包裹住,防止苗坨散坨;孔隙的体积和分布密度变化非常显著,新生孔隙的聚集和裂缝的形成是导致苗坨破损的主要原因。苗坨中夹针收缩移动的区域、夹针的顶端部位和苗坨的顶部是破损的主要部位,用这3个区域孔隙体积的增加量作为评价苗坨破损量的指标,对圆形和扁形2种夹针,在夹针直径为2、2.5和3 mm,夹取初始角为7°、9°和11°时进行扫描试验,得出在夹针收缩量为5 mm时,减小夹针直径和增大夹持初始角可以减小苗坨破损量,相同夹取条件下圆针夹取苗坨的破损量小于扁针;在夹取力等于苗坨屈服点的抗压力7.31 N时,圆针和扁针的收缩量分别为4.75和4.26 mm,此时孔隙体积的增加量分别为843.7和786.1 mm~3,扁针夹取苗坨的破损量小于圆针。以苗坨质量损失25%作为考核指标,在自动取苗机构上进行试验,结果表明,在夹针直径为2 mm,夹取力和夹取初始角分别为7.31 N和11°时,苗坨的破损率为6.3%,小于其他参数的试验结果,与Micro-CT扫描分析的结论一致。