基于穴盘苗力学特性的自动取苗末端执行器设计

通过对穴盘苗进行夹苗拉拔试验、钵体摩擦试验、钵体平板压缩抗压试验,研究分析了与自动移栽相关的穴盘苗力学特性,为机构设计提供依据。对穴盘苗自动取苗进行技术设计,得到两针钳夹式取苗末端执行器自动取苗的拉拔力与钵体抗压强度、夹持角度、夹持面积、静摩擦因数等参数的关系。利用建立的夹持参数关系,结合穴盘苗力学特性试验数据,设计了一种适应穴盘苗力学特性的自动取苗末端执行器。试制了物理样机,进行了自动取苗夹持力测试。测试结果表明,夹持力测试数据与理论计算数据无显著性差别,验证了理论设计的可靠性。在所测试的含水率下,当取苗频率为30株/min时,取苗成功率达到95.16%。     

草莓穴盘苗移栽末端执行器设计与试验

穴盘草莓的长苗、大苗株特点和弓背向外的特殊移栽要求,使其自动化移栽存在困难。首先进行了草莓苗坨的单指刺入力和拔苗阻力试验,进而提出并开展了有约束苗坨的双指夹拔破坏试验。试验发现双针取苗指的苗坨刺入阻力与刺入速度、深度、含水率相关,50 mm和100 mm深度的最大刺入阻力分别可达21.47 N和57.09 N。双指的夹茎拔苗阻力可达9.64 N,而当取苗针滑移量为20 mm和40 mm时约束夹拔力分别可达10.85 N和42.5 N,但过大滑移量对精准可靠移栽极为不利。根据草莓穴盘苗的物理特性、苗坨的力学特性,设计了带双爪可同步换向变距的四针式移栽末端执行器。以有效缩减取苗爪宽度和摆动传动角为双重目标进行了多连杆定角斜插式双指四针取苗爪的非线性规划,得到了优化的机构参数。换向变距装置通过微型行程开关与微型电磁吸盘配合,实现了双取苗爪的快速同步换向变距和可靠定位。验证试验表明,在加速度不大于0.20 mm/s2时取出率和取苗成功率分别在93%和90%以上,加速度过大则可能造成取苗针滑脱和苗坨下部断裂,换向变距装置有效解决了弓背朝外问题和相邻两列同时移栽的间距调整问题,栽苗试验中放苗顺利且直立度和深度均达到移栽要求,且移栽后10 d草莓苗完全成活,该末端执行器可满足草莓穴盘苗的移栽作业需要。     

穴盘苗移栽末端执行器设计与仿真分析

针对目前穴盘苗移栽末端执行器存在夹持角度不可调、结构复杂等问题,设计一种三指式移栽末端执行器,通过最小夹持角度、几何参数的分析计算,完成其机械本体部分的设计。结合ADAMS虚拟样机技术,建立了该机构的虚拟样机模型,通过仿真分析得出关键点的运动轨迹及在空载和施加等效负载时的位移、速度、加速度曲线。同时,分析得出移栽末端执行器夹持土壤时的受力情况,其提升总摩擦力为16.56N大于所需提升阻力6.1 7 N。仿真实验结果显示:移栽机械手的结构设计符合要求,其运动特性能够满足移栽运动要求。     

穴盘育苗移栽机两指四针钳夹式取苗末端执行器

设计了一种穴盘育苗移栽机两指四针钳夹式夹钵取苗末端执行器。利用2根气缸机械手指伸出4根夹取针插入苗钵,气缸机械手指闭合夹取针捏紧苗钵来取苗,利用两根气缸机械手指撑开放松夹持苗钵,4根夹取针回缩脱离苗钵来放苗。根据穴盘苗自动取苗力学要求,进行了基于穴盘苗物理力学特性的夹取力设计。试制末端执行器,进行夹钵取苗效能测试。在40 mm/s提取速度下,各试验因素的夹钵脱盘力无显著性差异。取苗效能的正交试验分析发现,苗钵含水率水平高度显著影响根土破坏,入钵角度、深度以及根系等试验因素没有统计学显著性影响。当夹取针入钵角为11°,入钵深度为32 mm,苗数为4株,含水率为55%~60%时,所设计的取苗末端执行器对苗钵的夹取作用达到最小根土破坏程度。     

硬质穴盘苗自动取苗装置设计

自动取苗装置是移栽机的核心部件。针对硬质穴盘苗设计了一种利用顶苗爪将穴盘苗顶出,并由接苗板上的夹片夹持住穴盘苗基质,随后带动穴盘苗转动90°到放苗位置的机构;穴盘可以进行水平位置和纵向位置移动,从而实现穴盘中的苗按规则取出;整个装置的运动顺序由PLC进行控制,依靠气缸作为执行元件驱动。初步试验显示,自动取苗装置能够完成硬质穴盘苗的取苗作业,取苗速度达72株/min。      

穴盘苗移栽机末端执行器设计与虚拟样机分析

针对现有穴盘苗移栽机工作过程中易伤苗、作业效率低等问题,设计了移栽机末端执行器。根据移栽机实际移栽作业要求,采用SolidWorks进行末端执行器虚拟样机设计,并采用COSMOSMotion插件分析机械手指运动轨迹,联合COSMOSWorks插件进行基质有限元模型分析。运动模拟试验表明机械手指水平位移量主要受斜楔块位移量Δh影响,而垂直位移量主要受机械手指初始插入角度α影响,并且机械手指产生的作用力主要作用于基质块边缘,不会对基质中的幼苗茎产生损伤。移栽试验表明末端机械手指平均移栽成功率为95.76%,平均伤苗率为3.06%,满足移栽作业要求。     

基于圆柱凸轮的株距可调式取苗末端执行器设计与试验

穴盘苗疏植移栽是设施农业育苗的关键步骤,可为幼苗提供优良的生长环境,实现增产增收。针对疏植移栽环节中,可调株距设备自动化程度低,人工作业效率低下,易损苗伤苗等问题,本文设计了一种基于圆柱凸轮的株距可调式取苗末端执行器,可实现不同株距之间的疏植移栽作业。首先,对末端执行器整体结构进行设计,确定其工作原理;其次,通过理论分析确定圆柱凸轮与取苗手指各关键参数,并分析其作业状态下受力情况;然后,利用EDEM与Recur Dyn建立苗钵根土复合模型,进行耦合仿真单因素模拟试验,确定后续正交试验因素范围;最后,搭建了穴盘幼苗疏植移栽试验平台,以取苗针夹角、入土角、取苗针间距和变距速度为试验因素,以苗钵最大形变量和移栽成功率为试验指标,进行正交试验。在最优参数组合为取苗针夹角10°、入土角4°、取苗针间距8 mm、变距速度5 mm/s下,选取128穴至72穴与72穴至50穴两种疏植移栽要求进行验证试验,移栽后128穴钵体形变量平均值为(1.13±0.68) mm, 72穴钵体形变量平均值为(1.51±0.64) mm。总移栽成功率为93.33%,整机移栽效率为22株/min,满足不同穴盘规格疏植作业...     

移栽机穴盘苗定位取苗装置的设计

目前,我国的机械化程度还处于初级阶段,和日本、美国等国家还有着很大的差距。为此,鉴于我国新疆地区大面积的种植模式,针对人工移栽穴盘苗存在的劳动强度大、成本高、移栽周期长、移栽效率低等问题,设计了一种穴盘苗移栽机定位取苗装置。该装置利用双摇杆式定位推苗气吹取苗,完成对穴盘的准确定位,同时打破钵苗与穴盘间的粘结力。该定位取苗装置结构简单、成本低,对增加农民的经济收入及解决育苗移栽技术大面积推广问题具有重要意义。该技术有利于促进农业机械化,对大面积种植模式,尤其是新疆地区,具有促进作用。     

穴盘苗移栽分段式不间断取放苗装置设计

为提高全自动移栽取放苗装置效率,减少取放苗动作,设计了一种自动化程度高的新型取放苗装置,并提出了取苗苗夹与运苗、放苗装置合一的方案,简化了移栽机取放、输送系统。同时,提出了使用无线控制方案,减少了运动部件间的有线连接,在实现控制结构轻量化的同时提升系统硬件稳定性。装置控制使用模块化设计,系统实现自动化与集成化,减化了被控对象和控制流程。试验结果表明：装置控制系统稳定,可以实现不间断取苗、投苗,选取移栽苗为辣椒苗,取放苗成功率90.6%。研究结果可为穴盘苗全自动移栽机设计提供参考。     

基于单片机的穴盘苗自动取苗装置控制系统设计

针对一种新型穴盘苗自动取苗装置,根据其结构特点分析控制要求,设计了自适应Fuzzy-PID控制器,在Matlab中进行了仿真建模和实验分析,对取苗机构控制系统的硬件电路和软件程序进行了设计和开发,完成控制系统设计。实验分析表明:该控制系统可实现取苗机构中苗盘输送的步进定位控制,能够满足苗盘输送的定位精度要求以及改善系统的抗干扰性和作业稳定性,为该取苗机构进行高效作业提供保障。     

温室穴盘苗自动移栽机设计与试验

针对种苗从高密度穴盘移植到低密度穴盘,或者从穴盘直接移植到花盆的温室穴盘苗移栽生产需要,设计了一种轻简型自动移栽机。利用成熟的直线模组和无杆气缸组合设计出自动移栽机械臂,驱动取苗末端执行器往复于来源盘和目标盘进行取苗、移苗、栽苗操作,采用双排链传动实现穴盘和花盆输送,对穴盘苗的夹取操作采用气动两指四针钳夹式夹钵取苗方法。根据所设计的移栽机工作要求,构建电气控制系统。试制样机,开展试验研究。采用直线位移传感器系统检测分析机器取苗移栽移位性能,结果显示对于128/72孔穴盘苗,移栽效率分别达到1 221株/h和1 025株/h,运用单样本t检验法分析得到实测取苗移位间隔与理论设定穴孔间隔无显著差别,标准差低于0.5,整机工作精度准确。以当地自行培育的种苗为移栽对象,进行温室穴盘苗移栽生产试验,对比分析自动取苗移栽效能,结果显示多种穴盘苗移栽成功率平均达到90.70%,苗钵夹取破碎率低于5%,自动取苗移栽效果较好。     

穴盘苗移栽机自动取苗装置的设计

穴盘育苗是我国现代化育苗的主要方式,针对穴盘苗人工移栽或半自动移栽作业效率低、作业劳动强度大、作业质量差等问题,为全自动移栽机设计了一种运行稳定、高效的自动取苗装置,基于齿轮-凸轮-连杆复合机构实现符合农艺要求的取苗工作轨迹。建立了取苗装置的数学模型,推导了凸轮槽的理论廓线方程和实际轨迹方程。采用SolidWorks软件和Adams软件,构建了取苗装置的三维模型和虚拟样机模型,得到了仿真工作轨迹。制作了取苗装置的物理样机,并进行了样机试验,结果表明:实际工作轨迹与理论轨迹、仿真轨迹具有较好的一致性。     

自动移栽机整排取苗间隔投苗控制系统设计与试验

针对自动移栽机取苗控制精度、协调配合等问题,结合自主设计的自动移栽机取苗、投苗及分苗系统结构及其工作原理,基于可编程控制器PLC设计了一种整排取苗间隔投苗控制系统。该控制系统采用3个行程开关I1、I2、I3检测翻转取苗状态,实现取苗爪针在插入苗钵过程中逐渐收缩的过程,减少了对钵体内部的损伤;运用光电传感器感应分苗杯位置和数量,以增量式编码器获取分苗杯运动位移,通过两者配合完成苗钵在最佳投苗点投苗;选用72孔和128孔穴盘、20 d苗龄的黄瓜苗进行取苗、投苗栽植试验,检测控制系统性能。试验结果表明:在栽植频率40~70株/min范围内,两种穴盘苗的取苗投苗综合成功率均高于95%,平均值为97.98%,随着栽植频率的增加,取苗投苗综合成功率有所下降,但变化不大,证明设计的控制系统能适用不同规格苗盘、不同栽植频率下的自动移栽,达到高效自动移栽目的。     

穴盘苗自动移栽机的结构设计及运动仿真分析

为了实现穴盘苗的大田高效移栽,设计了一种由齿轮连杆机构和槽形凸轮机构组成的移栽机取苗机构和植苗机构,并重点研究了在设计的机构条件下栽植效率与前进速度和转速比值之间的关系,并进行了ADAMS运动学仿真实验和分析。仿真实验结果表明:取苗机构与植苗机构的匹配设计能使取苗爪顺利取苗和植苗器准确植苗,取苗爪和植苗器末端中心轨迹显示移栽机能够有效地完成对穴盘苗的移栽。     

可调节式甘蓝钵苗取苗末端执行器设计与试验

针对现有取苗末端执行器取苗针间距固定、适应性差,难以实现按需调整以适应移栽过程中不同规格穴盘钵苗取苗的问题,设计了一种插入针间距可调的针式取苗末端执行器。该执行器由直流电动推杆驱动,取苗针沿根钵四角倾斜插入。通过调整调节滑块和针座在支架上的位置,实现取苗针间距的调整。本文以72穴、128穴和200穴3种规格甘蓝穴盘所育钵苗为研究对象,研究了3种规格穴盘钵苗苗龄对根钵形成与甘蓝幼苗生长发育的影响,确定了取苗末端执行器主要结构参数,并对取苗瞬间进行了受力分析。在根钵均已形成的前提下,运用EDEM对根钵提取进行单因素仿真模拟,以穴盘规格、取苗加速度、取苗针插入边距比和根钵含水率为试验因素,根钵完整率和取苗失败率为评价指标,采用L9(34)正交试验,考察试验因素对评价指标的影响,通过极差分析、方差分析和综合加权法,得到各因素对评价指标影响的主次顺序为取苗加速度、根钵含水率、穴盘规格、插入比;得到优选参数组合：取苗加速度为0.1m/s2,根钵含水率为56.2%,穴盘规格为128穴,插入边距比为15%,此时根钵完整率为97.93%,取苗失败率为0.81%。     

温室穴盘钵苗成排取苗移植手部件设计与试验

温室穴盘钵苗成苗后需要从穴盘移植到培养槽孔,但因人工作业效率低,限制了其规模化生产。为实现高效、高质量自动化移栽作业,本文设计一种用于温室穴盘钵苗高速取、放苗移栽作业的爪片插入式成排移植手部件,分析取苗作业过程移植手的受力及取放苗过程移植手的变形,结合ADAMS刚柔耦合仿真试验开展植苗手优化设计,确定爪片尖点拟合曲线及移植手抓取穴盘钵苗的运行轨迹。以移植手取苗深度、基质含水率、升降速度和水平横移速度为试验因素,开展成排移植手部件取、放苗正交试验,并确定最佳参数组合。结果表明,当取苗深度48mm、基质含水率69.9%、升降速度0.24m/s和水平横移速度0.35m/s时,取放苗成功率为97.9%,效率10322株/h,满足高速、高效移栽要求。该研究为温室穴盘钵苗高速移栽部件的国产化开发提供参考。     

欠驱动式柑橘采摘末端执行器设计与试验

为实现柑橘采摘的机械化、智能化,设计了一款欠驱动式柑橘采摘末端执行器。该执行器通过三指充分抓握与偏转的融合控制,实现对不同大小及椭圆度的柑橘的稳定采摘。针对不同尺寸柑橘采摘需求,设计了双连杆并联式手指,在抓握直径差异较大的柑橘时,手指能够自动进行抓取或捏取动作,并实现被动柔顺。通过静力学分析,得到抓取力与电机输出力矩间的关系。针对不同椭圆度柑橘采摘需求,为手指根部添加旋转关节。在建立电机驱动控制系统模型的基础上,提出基于电流反馈的主动柔顺控制策略,指根能够旋转合适的角度使指面与柑橘表面紧密贴合,在防止手指棱边刮伤柑橘表皮的同时,增大接触面积、提高摩擦力。仿真结果表明,该末端执行器结构在运动学方面满足设计要求。制作物理样机并在实验室环境下进行了柑橘抓取试验,试验结果表明采摘执行器针对直径30~100mm的柑橘抓取成功率为98.3%,平均耗时5.3s。该末端执行器能够针对不同尺寸、不同形状的柑橘实现采摘功能,具有适应性强、抓取稳定、不损伤果实等优点。     

穴盘苗顶杆式取苗机构的自动化控制系统设计

穴盘苗移栽技术在旱地作物种植中具有稳产高产和省时省工等优点。目前的穴盘苗移栽仍主要依靠人工进行取苗。针对这一问题,利用PLC设计开发了一种顶杆式穴盘苗取苗机构自动控制系统,来完全代替人工投苗。取苗动作自动控制过程的实现,对移栽机械的全自动化具有重要意义。     

双孢菇柔性仿形采摘末端执行器设计与试验

为解决现有夹持式采摘机械手对双孢菇造成的机械损伤高、采摘损失大等问题,基于颗粒阻塞原理设计了一种双孢菇柔性仿形采摘末端执行器。首先根据双孢菇菇盖外形参数设计柔性仿形吸盘的结构,通过预试验分析末端执行器的关键参数;选定了吸盘材料和颗粒填充物的种类,通过有限元仿真验证柔性仿形吸盘的仿形能力和吸附效果,并得到柔性仿形吸盘最优的开口直径。为明确吸附负压、双孢菇直径、柔性膜厚度、颗粒直径等因素对吸附力的影响,对所试制的末端执行器进行了拉脱力试验,结果表明拉脱力与吸附负压、双孢菇直径、颗粒直径均呈线性关系,与柔性膜厚度呈非线性关系。当末端执行器中柔性膜厚度为9mm、颗粒直径为20目的石英时仿形效果最好,并与标准真空吸盘开展了对比试验,试验结果表明同等吸附力柔性仿形吸盘所需负压更低。针对尺寸范围为25~50mm的双孢菇进行了采摘试验,柔性仿形吸盘的采摘成功率为98.5%,并对采后双孢菇进行了损伤检测,柔性仿形吸盘的采摘损伤率为2.5%。结果表明,所设计的柔性仿形采摘末端执行器具备适应性强、抓取稳定、损伤率低等优点,能够满足双孢菇自动化采摘需求。