盆栽自動移栽裝置設(shè)計及試驗研究

肖祥+張煒+許健+吳錢錢+楊靈

摘要本項目對于適用于穴盤苗移栽的移栽機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，傳動由齒輪、氣壓等方式進(jìn)行。整體移栽機(jī)的動作過程簡化之后對于6*12的72孔穴盤只需分3步完成，而末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)也是由市面上多見的兩指夾取變?yōu)槿竿馆唫鲃訆A取。整體來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面做出了很多增效改變。

關(guān)鍵詞穴盤苗；移栽；結(jié)構(gòu)設(shè)計；末端執(zhí)行器

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0019-02

隨著國家科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技顯得越發(fā)重要，蔬菜花卉生產(chǎn)自動化及智能化水平的不斷提高，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械成為今后發(fā)展的主要趨勢。目前來看，花卉和蔬菜一般采用穴盤進(jìn)行育苗，在其生長到一定程度之后則需要進(jìn)行移栽。移栽技術(shù)在目前看來具有直接播種難以比擬的優(yōu)勢。在初期生長過程當(dāng)中可以有效避免幼苗在面對自然災(zāi)害時的高死亡率以及減輕了農(nóng)戶的勞動強(qiáng)度，除此之外，作物的發(fā)育提早也提高了其帶來的經(jīng)濟(jì)效益。因而移栽技術(shù)是生產(chǎn)過程中十分重要的一環(huán)。手工作業(yè)移栽方式因為勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，難以實現(xiàn)大面積作業(yè)的困難。因此通過移栽自動化技術(shù)則可克服手工作業(yè)存在的種種問題，解放了勞動力、提高了移栽質(zhì)量和效率。

1國內(nèi)外研究背景

1.1 移栽機(jī)類型及特點

目前，移栽機(jī)的分類主要有以下3種：①棵苗移栽機(jī)和缽苗移栽機(jī)，兩者在栽植上有區(qū)別；②手動、半自動、自動化移栽機(jī)，從動力上區(qū)分；③鉗夾式、導(dǎo)苗管式和吊籃式等在結(jié)構(gòu)類型上不一樣。

根據(jù)第3種分類介紹各機(jī)型的特點。

1）鉗夾式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：移栽機(jī)構(gòu)簡單，深度等易控制，但容易傷苗，喂苗時間不好控制。

2）吊籃式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：能夠膜上進(jìn)行打孔，不易傷苗。但是效率低，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

3）導(dǎo)苗管式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：克服了回轉(zhuǎn)中的缺點且不傷苗?？梢赃_(dá)到很好的深度等效果。但株距不好控制，重栽率較高。

1.2 移栽機(jī)研究現(xiàn)狀

我國的移栽機(jī)發(fā)展大多起于20世紀(jì)60、70年代，在研究方面雖然有一些創(chuàng)新，但農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝明顯脫節(jié)，效益跟不上，很多技術(shù)難題也沒有進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的分析從而使這一技術(shù)擱置一邊，這也就難以大面積的推廣應(yīng)用。近幾年，由于移栽機(jī)械化能夠調(diào)高產(chǎn)量及降低勞動強(qiáng)度，這一技術(shù)的開發(fā)再次受到國家的重視。

目前，我國移栽機(jī)研究方面還有著如下這些問題：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求和農(nóng)機(jī)無法配對，無法滿足國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的真正的機(jī)型；大量的仿制國外機(jī)型，沒考慮到無法適應(yīng)國內(nèi)生產(chǎn)；已開發(fā)的移栽機(jī)質(zhì)量不穩(wěn)定，無論是自動化還是移栽質(zhì)量方面都欠佳。

2項目研究內(nèi)容

本項目的主要目的是開發(fā)出一種新型的以工業(yè)機(jī)器人為主體的穴盤苗自動移栽機(jī)，該新型移栽機(jī)通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計從而提高生產(chǎn)效率，并且節(jié)約生產(chǎn)成本。根據(jù)學(xué)校開設(shè)項目要求，首先是完成移栽機(jī)的建模、運動仿真分析，然后對末端執(zhí)行器的設(shè)計進(jìn)行試驗分析。考慮到經(jīng)費原因，再確定是否做出樣機(jī)。

2.1 移栽機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

項目設(shè)計的穴盤苗自動移栽機(jī)主要由以下幾個結(jié)構(gòu)組成。

1）移栽機(jī)機(jī)架：機(jī)架由兩個氣缸來帶動末端執(zhí)行器的上下運動，機(jī)架的平移過程由齒輪傳動和電機(jī)帶動，從而完成了上下和縱向的移動。

2）移栽機(jī)花盆輸送帶：花盆輸送帶由鏈條、輸送帶、花盆構(gòu)成，花盆間距由穴盤制定，對于6*12的72孔30 mm*40 mm*50 mm穴盤則其設(shè)定距離為160 mm，剛好為4個穴盤孔，因此可以減少末端執(zhí)行器的橫向移動這一過程。

3）穴盤輸送裝置：該穴盤的大小為30 mm*40 mm*50 mm，孔數(shù)為6*12的72孔。

4）末端執(zhí)行器：末端執(zhí)行器為三指夾取式手爪，該手爪由凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，凸輪上開設(shè)了三個圓弧槽，角度分別為90°。通過凸輪的旋轉(zhuǎn)來帶動手爪的開合，實現(xiàn)抓取和投放過程。72孔穴盤的尺寸為30 mm*40 mm*50 mm，在底盤設(shè)計時直徑選擇為45 mm，手指傾斜角度同穴盤傾斜角度一樣為sinθ=[（40-30）/2]/50。手指關(guān)節(jié)處到手指末端的距離為70 mm（現(xiàn)今一般移栽高度為50 mm-100 mm所以多選擇為大于50 mm）。凸輪的旋轉(zhuǎn)角度最大范圍為40°，在初始階段，三根手指之間距離為20 mm，經(jīng)過40°轉(zhuǎn)角之后三根手指之間距離為13.5 mm經(jīng)過計算可求得三根手指的末端位移為4.53 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)缽苗的抓取與投放。

由上面四個機(jī)構(gòu)組裝而成總的三維模型圖如圖1。

圖1整機(jī)模型

2.2 移栽機(jī)的仿真運動

移栽機(jī)的運動主要分為以下3部分。

1）機(jī)架通過電機(jī)帶動齒輪傳動，控制縱向的抓苗和投放的運輸過程。

2）末端執(zhí)行器的上下抓取投放通過兩個汽缸的推動來實現(xiàn)。

3）末端執(zhí)行器由電機(jī)帶動凸輪的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)抓取和投放兩個過程。

小組在運動仿真方面使用了PROE的機(jī)構(gòu)和動畫模塊。末端執(zhí)行器添加伺服電機(jī)，施加一個轉(zhuǎn)矩，通過設(shè)定轉(zhuǎn)速來控制其轉(zhuǎn)角從而實現(xiàn)開合。在整機(jī)的運動過程中通過動畫模塊抓取來實現(xiàn)仿真運動。

2.3 末端執(zhí)行器仿真分析

末端執(zhí)行器的仿真分析通過ansys來實現(xiàn)，ansys在對于有限元的應(yīng)力分析方面有著獨特的優(yōu)勢，而末端執(zhí)行器的受力分析又是尤為重要的。受力分析不僅關(guān)系到末端執(zhí)行器能否正常工作，同時也對于抓苗的損傷程度有著一定的影響，所以利用ansys進(jìn)行仿真分析是必不可少的。

中應(yīng)當(dāng)注意末端執(zhí)行器的手指在土壤中進(jìn)行開合時各部分的受力情況，并分析是否會出現(xiàn)損傷以及如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)或者材料才能使得受力情況良好。首先將Proe中生成的末端執(zhí)行器模型導(dǎo)入到ansys workbench，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，然后定義兩種材料steel 1006和sand分別給三根手指和T型塊，之后再對T型塊進(jìn)行固定約束和對三個手指施加轉(zhuǎn)矩約束，從而達(dá)到手指插入泥土中工作的受力過程。最終對該過程進(jìn)行求解而得到應(yīng)力云圖，從而對其能否正常工作進(jìn)行精確的分析。

圖2等效應(yīng)力圖

由于計算機(jī)條件，只能計算一根手指的抓取過程的應(yīng)力分析。由圖看出在指針插進(jìn)土壤完成抓取過程中的最大應(yīng)力為100.33 Pa，對于鋼材來說是完全不存在問題的，對于苗的影響也是非常之小的，從理論上來說該抓取過程是可行的。

2.4 試驗研究

試驗小組在進(jìn)行了一系列的理論設(shè)計以及分析之后，在實驗室進(jìn)行了移栽機(jī)機(jī)械手移栽穴盤苗的試驗。試驗機(jī)器是由兩個PLC控制絲杠進(jìn)行機(jī)械手的X、Y軸的位移，然后由氣泵來控制機(jī)械手的開合。通過整個試驗過程也是能夠加深對穴盤苗移栽機(jī)械手的工作原理的理解，以便以后能夠有更多的設(shè)計思維以及新的理念。

3項目總結(jié)

總的來說，在項目申請之初是沒有考慮到很多的我們自身理論知識的缺陷和外在的許多如經(jīng)費等因素，因此在項目開展過程中進(jìn)行了如下修改。

1）由于經(jīng)費的緊張，原定的組裝樣機(jī)沒有辦法實現(xiàn)，所有的有關(guān)于設(shè)計移栽機(jī)的研究內(nèi)容均建立在軟件建模、分析上。

2）對于原本應(yīng)當(dāng)進(jìn)行的試驗研究進(jìn)行了簡化處理，僅對末端執(zhí)行器的工作做了試驗。

項目基本上達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，開發(fā)出一種新型高效的穴盤苗自動移栽機(jī)。末端執(zhí)行器的簡化和整體機(jī)械的機(jī)構(gòu)優(yōu)化使得效率方面有了較大的提升。

基金項目

項目名稱：盆栽自動移栽裝置的設(shè)計及試驗研究項目編號：1330A53項目資助：1000

參考文獻(xiàn)

[1]肖衛(wèi)兵，孫松林.我國煙草移栽機(jī)械研究發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].湖南農(nóng)機(jī)，2009，36（1）：4-8.

[2]李建橋，張國風(fēng)，陳建能.缽苗有序移栽機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（2）：1-5.

[3]王君玲，高玉芝，李成華.蔬菜移栽生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].農(nóng)機(jī)化研究，2004（2）：42-43.

[4]陳風(fēng)，陳永成，王維新.旱地移栽機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（3）：24-26

[5]尚書旗，隋愛娜，張子華.國外缽苗栽植機(jī)的幾種類型及性能分析[J].農(nóng)機(jī)與食品械，1998（1）：30-32.

[6]封俊.國內(nèi)旱地栽植機(jī)械研制的新進(jìn)展[J].科研動態(tài)，2001（2）：28-29.

作者簡介

肖祥（1993-），男，漢族，湖北荊州公安縣人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科，研究方向：穴盤苗自動移栽機(jī)。

endprint

摘要本項目對于適用于穴盤苗移栽的移栽機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，傳動由齒輪、氣壓等方式進(jìn)行。整體移栽機(jī)的動作過程簡化之后對于6*12的72孔穴盤只需分3步完成，而末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)也是由市面上多見的兩指夾取變?yōu)槿竿馆唫鲃訆A取。整體來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面做出了很多增效改變。

關(guān)鍵詞穴盤苗；移栽；結(jié)構(gòu)設(shè)計；末端執(zhí)行器

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0019-02

隨著國家科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技顯得越發(fā)重要，蔬菜花卉生產(chǎn)自動化及智能化水平的不斷提高，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械成為今后發(fā)展的主要趨勢。目前來看，花卉和蔬菜一般采用穴盤進(jìn)行育苗，在其生長到一定程度之后則需要進(jìn)行移栽。移栽技術(shù)在目前看來具有直接播種難以比擬的優(yōu)勢。在初期生長過程當(dāng)中可以有效避免幼苗在面對自然災(zāi)害時的高死亡率以及減輕了農(nóng)戶的勞動強(qiáng)度，除此之外，作物的發(fā)育提早也提高了其帶來的經(jīng)濟(jì)效益。因而移栽技術(shù)是生產(chǎn)過程中十分重要的一環(huán)。手工作業(yè)移栽方式因為勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，難以實現(xiàn)大面積作業(yè)的困難。因此通過移栽自動化技術(shù)則可克服手工作業(yè)存在的種種問題，解放了勞動力、提高了移栽質(zhì)量和效率。

1國內(nèi)外研究背景

1.1 移栽機(jī)類型及特點

目前，移栽機(jī)的分類主要有以下3種：①棵苗移栽機(jī)和缽苗移栽機(jī)，兩者在栽植上有區(qū)別；②手動、半自動、自動化移栽機(jī)，從動力上區(qū)分；③鉗夾式、導(dǎo)苗管式和吊籃式等在結(jié)構(gòu)類型上不一樣。

根據(jù)第3種分類介紹各機(jī)型的特點。

1）鉗夾式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：移栽機(jī)構(gòu)簡單，深度等易控制，但容易傷苗，喂苗時間不好控制。

2）吊籃式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：能夠膜上進(jìn)行打孔，不易傷苗。但是效率低，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

3）導(dǎo)苗管式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：克服了回轉(zhuǎn)中的缺點且不傷苗?？梢赃_(dá)到很好的深度等效果。但株距不好控制，重栽率較高。

1.2 移栽機(jī)研究現(xiàn)狀

我國的移栽機(jī)發(fā)展大多起于20世紀(jì)60、70年代，在研究方面雖然有一些創(chuàng)新，但農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝明顯脫節(jié)，效益跟不上，很多技術(shù)難題也沒有進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的分析從而使這一技術(shù)擱置一邊，這也就難以大面積的推廣應(yīng)用。近幾年，由于移栽機(jī)械化能夠調(diào)高產(chǎn)量及降低勞動強(qiáng)度，這一技術(shù)的開發(fā)再次受到國家的重視。

目前，我國移栽機(jī)研究方面還有著如下這些問題：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求和農(nóng)機(jī)無法配對，無法滿足國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的真正的機(jī)型；大量的仿制國外機(jī)型，沒考慮到無法適應(yīng)國內(nèi)生產(chǎn)；已開發(fā)的移栽機(jī)質(zhì)量不穩(wěn)定，無論是自動化還是移栽質(zhì)量方面都欠佳。

2項目研究內(nèi)容

本項目的主要目的是開發(fā)出一種新型的以工業(yè)機(jī)器人為主體的穴盤苗自動移栽機(jī)，該新型移栽機(jī)通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計從而提高生產(chǎn)效率，并且節(jié)約生產(chǎn)成本。根據(jù)學(xué)校開設(shè)項目要求，首先是完成移栽機(jī)的建模、運動仿真分析，然后對末端執(zhí)行器的設(shè)計進(jìn)行試驗分析。考慮到經(jīng)費原因，再確定是否做出樣機(jī)。

2.1 移栽機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

項目設(shè)計的穴盤苗自動移栽機(jī)主要由以下幾個結(jié)構(gòu)組成。

1）移栽機(jī)機(jī)架：機(jī)架由兩個氣缸來帶動末端執(zhí)行器的上下運動，機(jī)架的平移過程由齒輪傳動和電機(jī)帶動，從而完成了上下和縱向的移動。

2）移栽機(jī)花盆輸送帶：花盆輸送帶由鏈條、輸送帶、花盆構(gòu)成，花盆間距由穴盤制定，對于6*12的72孔30 mm*40 mm*50 mm穴盤則其設(shè)定距離為160 mm，剛好為4個穴盤孔，因此可以減少末端執(zhí)行器的橫向移動這一過程。

3）穴盤輸送裝置：該穴盤的大小為30 mm*40 mm*50 mm，孔數(shù)為6*12的72孔。

4）末端執(zhí)行器：末端執(zhí)行器為三指夾取式手爪，該手爪由凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，凸輪上開設(shè)了三個圓弧槽，角度分別為90°。通過凸輪的旋轉(zhuǎn)來帶動手爪的開合，實現(xiàn)抓取和投放過程。72孔穴盤的尺寸為30 mm*40 mm*50 mm，在底盤設(shè)計時直徑選擇為45 mm，手指傾斜角度同穴盤傾斜角度一樣為sinθ=[（40-30）/2]/50。手指關(guān)節(jié)處到手指末端的距離為70 mm（現(xiàn)今一般移栽高度為50 mm-100 mm所以多選擇為大于50 mm）。凸輪的旋轉(zhuǎn)角度最大范圍為40°，在初始階段，三根手指之間距離為20 mm，經(jīng)過40°轉(zhuǎn)角之后三根手指之間距離為13.5 mm經(jīng)過計算可求得三根手指的末端位移為4.53 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)缽苗的抓取與投放。

由上面四個機(jī)構(gòu)組裝而成總的三維模型圖如圖1。

圖1整機(jī)模型

2.2 移栽機(jī)的仿真運動

移栽機(jī)的運動主要分為以下3部分。

1）機(jī)架通過電機(jī)帶動齒輪傳動，控制縱向的抓苗和投放的運輸過程。

2）末端執(zhí)行器的上下抓取投放通過兩個汽缸的推動來實現(xiàn)。

3）末端執(zhí)行器由電機(jī)帶動凸輪的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)抓取和投放兩個過程。

小組在運動仿真方面使用了PROE的機(jī)構(gòu)和動畫模塊。末端執(zhí)行器添加伺服電機(jī)，施加一個轉(zhuǎn)矩，通過設(shè)定轉(zhuǎn)速來控制其轉(zhuǎn)角從而實現(xiàn)開合。在整機(jī)的運動過程中通過動畫模塊抓取來實現(xiàn)仿真運動。

2.3 末端執(zhí)行器仿真分析

末端執(zhí)行器的仿真分析通過ansys來實現(xiàn)，ansys在對于有限元的應(yīng)力分析方面有著獨特的優(yōu)勢，而末端執(zhí)行器的受力分析又是尤為重要的。受力分析不僅關(guān)系到末端執(zhí)行器能否正常工作，同時也對于抓苗的損傷程度有著一定的影響，所以利用ansys進(jìn)行仿真分析是必不可少的。

中應(yīng)當(dāng)注意末端執(zhí)行器的手指在土壤中進(jìn)行開合時各部分的受力情況，并分析是否會出現(xiàn)損傷以及如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)或者材料才能使得受力情況良好。首先將Proe中生成的末端執(zhí)行器模型導(dǎo)入到ansys workbench，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，然后定義兩種材料steel 1006和sand分別給三根手指和T型塊，之后再對T型塊進(jìn)行固定約束和對三個手指施加轉(zhuǎn)矩約束，從而達(dá)到手指插入泥土中工作的受力過程。最終對該過程進(jìn)行求解而得到應(yīng)力云圖，從而對其能否正常工作進(jìn)行精確的分析。

圖2等效應(yīng)力圖

由于計算機(jī)條件，只能計算一根手指的抓取過程的應(yīng)力分析。由圖看出在指針插進(jìn)土壤完成抓取過程中的最大應(yīng)力為100.33 Pa，對于鋼材來說是完全不存在問題的，對于苗的影響也是非常之小的，從理論上來說該抓取過程是可行的。

2.4 試驗研究

試驗小組在進(jìn)行了一系列的理論設(shè)計以及分析之后，在實驗室進(jìn)行了移栽機(jī)機(jī)械手移栽穴盤苗的試驗。試驗機(jī)器是由兩個PLC控制絲杠進(jìn)行機(jī)械手的X、Y軸的位移，然后由氣泵來控制機(jī)械手的開合。通過整個試驗過程也是能夠加深對穴盤苗移栽機(jī)械手的工作原理的理解，以便以后能夠有更多的設(shè)計思維以及新的理念。

3項目總結(jié)

總的來說，在項目申請之初是沒有考慮到很多的我們自身理論知識的缺陷和外在的許多如經(jīng)費等因素，因此在項目開展過程中進(jìn)行了如下修改。

1）由于經(jīng)費的緊張，原定的組裝樣機(jī)沒有辦法實現(xiàn)，所有的有關(guān)于設(shè)計移栽機(jī)的研究內(nèi)容均建立在軟件建模、分析上。

2）對于原本應(yīng)當(dāng)進(jìn)行的試驗研究進(jìn)行了簡化處理，僅對末端執(zhí)行器的工作做了試驗。

項目基本上達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，開發(fā)出一種新型高效的穴盤苗自動移栽機(jī)。末端執(zhí)行器的簡化和整體機(jī)械的機(jī)構(gòu)優(yōu)化使得效率方面有了較大的提升。

基金項目

項目名稱：盆栽自動移栽裝置的設(shè)計及試驗研究項目編號：1330A53項目資助：1000

參考文獻(xiàn)

[1]肖衛(wèi)兵，孫松林.我國煙草移栽機(jī)械研究發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].湖南農(nóng)機(jī)，2009，36（1）：4-8.

[2]李建橋，張國風(fēng)，陳建能.缽苗有序移栽機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（2）：1-5.

[3]王君玲，高玉芝，李成華.蔬菜移栽生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].農(nóng)機(jī)化研究，2004（2）：42-43.

[4]陳風(fēng)，陳永成，王維新.旱地移栽機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（3）：24-26

[5]尚書旗，隋愛娜，張子華.國外缽苗栽植機(jī)的幾種類型及性能分析[J].農(nóng)機(jī)與食品械，1998（1）：30-32.

[6]封俊.國內(nèi)旱地栽植機(jī)械研制的新進(jìn)展[J].科研動態(tài)，2001（2）：28-29.

作者簡介

肖祥（1993-），男，漢族，湖北荊州公安縣人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科，研究方向：穴盤苗自動移栽機(jī)。

endprint

摘要本項目對于適用于穴盤苗移栽的移栽機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，傳動由齒輪、氣壓等方式進(jìn)行。整體移栽機(jī)的動作過程簡化之后對于6*12的72孔穴盤只需分3步完成，而末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)也是由市面上多見的兩指夾取變?yōu)槿竿馆唫鲃訆A取。整體來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面做出了很多增效改變。

關(guān)鍵詞穴盤苗；移栽；結(jié)構(gòu)設(shè)計；末端執(zhí)行器

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0019-02

隨著國家科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技顯得越發(fā)重要，蔬菜花卉生產(chǎn)自動化及智能化水平的不斷提高，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械成為今后發(fā)展的主要趨勢。目前來看，花卉和蔬菜一般采用穴盤進(jìn)行育苗，在其生長到一定程度之后則需要進(jìn)行移栽。移栽技術(shù)在目前看來具有直接播種難以比擬的優(yōu)勢。在初期生長過程當(dāng)中可以有效避免幼苗在面對自然災(zāi)害時的高死亡率以及減輕了農(nóng)戶的勞動強(qiáng)度，除此之外，作物的發(fā)育提早也提高了其帶來的經(jīng)濟(jì)效益。因而移栽技術(shù)是生產(chǎn)過程中十分重要的一環(huán)。手工作業(yè)移栽方式因為勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，難以實現(xiàn)大面積作業(yè)的困難。因此通過移栽自動化技術(shù)則可克服手工作業(yè)存在的種種問題，解放了勞動力、提高了移栽質(zhì)量和效率。

1國內(nèi)外研究背景

1.1 移栽機(jī)類型及特點

目前，移栽機(jī)的分類主要有以下3種：①棵苗移栽機(jī)和缽苗移栽機(jī)，兩者在栽植上有區(qū)別；②手動、半自動、自動化移栽機(jī)，從動力上區(qū)分；③鉗夾式、導(dǎo)苗管式和吊籃式等在結(jié)構(gòu)類型上不一樣。

根據(jù)第3種分類介紹各機(jī)型的特點。

1）鉗夾式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：移栽機(jī)構(gòu)簡單，深度等易控制，但容易傷苗，喂苗時間不好控制。

2）吊籃式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：能夠膜上進(jìn)行打孔，不易傷苗。但是效率低，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

3）導(dǎo)苗管式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點：克服了回轉(zhuǎn)中的缺點且不傷苗。可以達(dá)到很好的深度等效果。但株距不好控制，重栽率較高。

1.2 移栽機(jī)研究現(xiàn)狀

我國的移栽機(jī)發(fā)展大多起于20世紀(jì)60、70年代，在研究方面雖然有一些創(chuàng)新，但農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝明顯脫節(jié)，效益跟不上，很多技術(shù)難題也沒有進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的分析從而使這一技術(shù)擱置一邊，這也就難以大面積的推廣應(yīng)用。近幾年，由于移栽機(jī)械化能夠調(diào)高產(chǎn)量及降低勞動強(qiáng)度，這一技術(shù)的開發(fā)再次受到國家的重視。

目前，我國移栽機(jī)研究方面還有著如下這些問題：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求和農(nóng)機(jī)無法配對，無法滿足國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的真正的機(jī)型；大量的仿制國外機(jī)型，沒考慮到無法適應(yīng)國內(nèi)生產(chǎn)；已開發(fā)的移栽機(jī)質(zhì)量不穩(wěn)定，無論是自動化還是移栽質(zhì)量方面都欠佳。

2項目研究內(nèi)容

本項目的主要目的是開發(fā)出一種新型的以工業(yè)機(jī)器人為主體的穴盤苗自動移栽機(jī)，該新型移栽機(jī)通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計從而提高生產(chǎn)效率，并且節(jié)約生產(chǎn)成本。根據(jù)學(xué)校開設(shè)項目要求，首先是完成移栽機(jī)的建模、運動仿真分析，然后對末端執(zhí)行器的設(shè)計進(jìn)行試驗分析?？紤]到經(jīng)費原因，再確定是否做出樣機(jī)。

2.1 移栽機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

項目設(shè)計的穴盤苗自動移栽機(jī)主要由以下幾個結(jié)構(gòu)組成。

1）移栽機(jī)機(jī)架：機(jī)架由兩個氣缸來帶動末端執(zhí)行器的上下運動，機(jī)架的平移過程由齒輪傳動和電機(jī)帶動，從而完成了上下和縱向的移動。

2）移栽機(jī)花盆輸送帶：花盆輸送帶由鏈條、輸送帶、花盆構(gòu)成，花盆間距由穴盤制定，對于6*12的72孔30 mm*40 mm*50 mm穴盤則其設(shè)定距離為160 mm，剛好為4個穴盤孔，因此可以減少末端執(zhí)行器的橫向移動這一過程。

3）穴盤輸送裝置：該穴盤的大小為30 mm*40 mm*50 mm，孔數(shù)為6*12的72孔。

4）末端執(zhí)行器：末端執(zhí)行器為三指夾取式手爪，該手爪由凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動，凸輪上開設(shè)了三個圓弧槽，角度分別為90°。通過凸輪的旋轉(zhuǎn)來帶動手爪的開合，實現(xiàn)抓取和投放過程。72孔穴盤的尺寸為30 mm*40 mm*50 mm，在底盤設(shè)計時直徑選擇為45 mm，手指傾斜角度同穴盤傾斜角度一樣為sinθ=[（40-30）/2]/50。手指關(guān)節(jié)處到手指末端的距離為70 mm（現(xiàn)今一般移栽高度為50 mm-100 mm所以多選擇為大于50 mm）。凸輪的旋轉(zhuǎn)角度最大范圍為40°，在初始階段，三根手指之間距離為20 mm，經(jīng)過40°轉(zhuǎn)角之后三根手指之間距離為13.5 mm經(jīng)過計算可求得三根手指的末端位移為4.53 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)缽苗的抓取與投放。

由上面四個機(jī)構(gòu)組裝而成總的三維模型圖如圖1。

圖1整機(jī)模型

2.2 移栽機(jī)的仿真運動

移栽機(jī)的運動主要分為以下3部分。

1）機(jī)架通過電機(jī)帶動齒輪傳動，控制縱向的抓苗和投放的運輸過程。

2）末端執(zhí)行器的上下抓取投放通過兩個汽缸的推動來實現(xiàn)。

3）末端執(zhí)行器由電機(jī)帶動凸輪的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)抓取和投放兩個過程。

小組在運動仿真方面使用了PROE的機(jī)構(gòu)和動畫模塊。末端執(zhí)行器添加伺服電機(jī)，施加一個轉(zhuǎn)矩，通過設(shè)定轉(zhuǎn)速來控制其轉(zhuǎn)角從而實現(xiàn)開合。在整機(jī)的運動過程中通過動畫模塊抓取來實現(xiàn)仿真運動。

2.3 末端執(zhí)行器仿真分析

末端執(zhí)行器的仿真分析通過ansys來實現(xiàn)，ansys在對于有限元的應(yīng)力分析方面有著獨特的優(yōu)勢，而末端執(zhí)行器的受力分析又是尤為重要的。受力分析不僅關(guān)系到末端執(zhí)行器能否正常工作，同時也對于抓苗的損傷程度有著一定的影響，所以利用ansys進(jìn)行仿真分析是必不可少的。

中應(yīng)當(dāng)注意末端執(zhí)行器的手指在土壤中進(jìn)行開合時各部分的受力情況，并分析是否會出現(xiàn)損傷以及如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)或者材料才能使得受力情況良好。首先將Proe中生成的末端執(zhí)行器模型導(dǎo)入到ansys workbench，進(jìn)行劃分網(wǎng)格，然后定義兩種材料steel 1006和sand分別給三根手指和T型塊，之后再對T型塊進(jìn)行固定約束和對三個手指施加轉(zhuǎn)矩約束，從而達(dá)到手指插入泥土中工作的受力過程。最終對該過程進(jìn)行求解而得到應(yīng)力云圖，從而對其能否正常工作進(jìn)行精確的分析。

圖2等效應(yīng)力圖

由于計算機(jī)條件，只能計算一根手指的抓取過程的應(yīng)力分析。由圖看出在指針插進(jìn)土壤完成抓取過程中的最大應(yīng)力為100.33 Pa，對于鋼材來說是完全不存在問題的，對于苗的影響也是非常之小的，從理論上來說該抓取過程是可行的。

2.4 試驗研究

試驗小組在進(jìn)行了一系列的理論設(shè)計以及分析之后，在實驗室進(jìn)行了移栽機(jī)機(jī)械手移栽穴盤苗的試驗。試驗機(jī)器是由兩個PLC控制絲杠進(jìn)行機(jī)械手的X、Y軸的位移，然后由氣泵來控制機(jī)械手的開合。通過整個試驗過程也是能夠加深對穴盤苗移栽機(jī)械手的工作原理的理解，以便以后能夠有更多的設(shè)計思維以及新的理念。

3項目總結(jié)

總的來說，在項目申請之初是沒有考慮到很多的我們自身理論知識的缺陷和外在的許多如經(jīng)費等因素，因此在項目開展過程中進(jìn)行了如下修改。

1）由于經(jīng)費的緊張，原定的組裝樣機(jī)沒有辦法實現(xiàn)，所有的有關(guān)于設(shè)計移栽機(jī)的研究內(nèi)容均建立在軟件建模、分析上。

2）對于原本應(yīng)當(dāng)進(jìn)行的試驗研究進(jìn)行了簡化處理，僅對末端執(zhí)行器的工作做了試驗。

項目基本上達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，開發(fā)出一種新型高效的穴盤苗自動移栽機(jī)。末端執(zhí)行器的簡化和整體機(jī)械的機(jī)構(gòu)優(yōu)化使得效率方面有了較大的提升。

基金項目

項目名稱：盆栽自動移栽裝置的設(shè)計及試驗研究項目編號：1330A53項目資助：1000

參考文獻(xiàn)

[1]肖衛(wèi)兵，孫松林.我國煙草移栽機(jī)械研究發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].湖南農(nóng)機(jī)，2009，36（1）：4-8.

[2]李建橋，張國風(fēng)，陳建能.缽苗有序移栽機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展及應(yīng)用展望[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（2）：1-5.

[3]王君玲，高玉芝，李成華.蔬菜移栽生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].農(nóng)機(jī)化研究，2004（2）：42-43.

[4]陳風(fēng)，陳永成，王維新.旱地移栽機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（3）：24-26

[5]尚書旗，隋愛娜，張子華.國外缽苗栽植機(jī)的幾種類型及性能分析[J].農(nóng)機(jī)與食品械，1998（1）：30-32.

[6]封俊.國內(nèi)旱地栽植機(jī)械研制的新進(jìn)展[J].科研動態(tài)，2001（2）：28-29.

作者簡介

肖祥（1993-），男，漢族，湖北荊州公安縣人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科，研究方向：穴盤苗自動移栽機(jī)。

endprint