趙春龍 楊傳華 姜慶昌 周海波 薛貝貝

自動(dòng)取苗移栽機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀及展望

趙春龍 楊傳華 姜慶昌 周海波 薛貝貝

文章具體介紹了旱田自動(dòng)取苗移栽機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及目前在生產(chǎn)實(shí)踐中常用的自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，深入討論其優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)闡明在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化研究中常用軟件及優(yōu)缺點(diǎn)，并且闡述未來(lái)移栽機(jī)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的前景。

育苗移栽技術(shù)對(duì)氣候補(bǔ)償作用與提早作物生長(zhǎng)發(fā)育具有綜合作用，同時(shí)可以提高作物單位產(chǎn)量。國(guó)內(nèi)現(xiàn)如今在移栽方面基本以手工移栽和半自動(dòng)移栽為主，手工移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、大面積移栽作業(yè)無(wú)法做到保質(zhì)保量完成。半自動(dòng)移栽雖然減少了一部分勞動(dòng)者的強(qiáng)度，但是沒(méi)有從根本上徹底提高移栽準(zhǔn)確率和效率。因此在國(guó)內(nèi)外移栽機(jī)發(fā)展方向一直都是全自動(dòng)移栽，這樣就要求移栽機(jī)從取苗到缽苗的輸送到自動(dòng)載苗再到缽盤(pán)自動(dòng)整理，這一系列動(dòng)作都要有機(jī)的結(jié)合起來(lái)、流水線式的完成，這樣對(duì)自動(dòng)取苗提出了很高的要求。國(guó)外已經(jīng)有一定數(shù)量的機(jī)型投入使用，國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)階段。

移栽機(jī)自動(dòng)取苗典型機(jī)構(gòu)介紹

國(guó)外移栽機(jī)起步發(fā)展較早，在20世紀(jì)初就已經(jīng)出現(xiàn)了半自動(dòng)化移栽機(jī)，雖然還是人工投苗但是在降低勞動(dòng)強(qiáng)度、效率提高方面起到了很大的作用。經(jīng)過(guò)五十年代、八十年代的發(fā)展，國(guó)外移栽及已經(jīng)發(fā)展的很成熟，全自動(dòng)移栽機(jī)已經(jīng)面世。典型的穴盤(pán)移栽機(jī)如：1993—1995日本聯(lián)合三家公司研制開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)（如圖一所示）。此機(jī)型每次栽植一行，移栽手自動(dòng)取苗后投給栽植器進(jìn)行栽植，主要移栽白菜、卷心菜、萵苣等蔬菜，缺點(diǎn)是：栽植率受曲柄帶動(dòng)機(jī)械手動(dòng)慣性影響，栽植率不高，工作效率不能太高，栽植面積偏小不適合大面積作業(yè)。美國(guó)公司Renaldo在2003年開(kāi)發(fā)的基于空氣整根苗盤(pán)的全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)。（如圖二所示）其缽盤(pán)需要采用硬質(zhì)材料制作，取苗采用氣流推動(dòng)力將苗從上面吹出，再由輸送缽苗的管道將其投送到栽植器進(jìn)行載苗。但缺點(diǎn)是：缽盤(pán)造價(jià)高、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，從而提高了一定的制造成本，而且在取苗過(guò)程中容易導(dǎo)致缽體破碎，只適用于幼苗期移栽。在國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械迅速發(fā)的同時(shí)國(guó)內(nèi)也一直不懈的努力著，同時(shí)也取得不錯(cuò)的成果。2010年新疆石河子大學(xué)研制的穴盤(pán)倒置式自動(dòng)取苗分苗機(jī)構(gòu)（如圖三所示），這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于操作，對(duì)多種作物具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，且可以保證秧苗不受損，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效自動(dòng)化作業(yè)。2013年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的曲柄搖桿菜苗移栽機(jī)構(gòu)（如圖四所示），此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單只需要一個(gè)吊杯，整體結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕，機(jī)構(gòu)只需要一個(gè)原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)，作業(yè)軌跡路徑較短、效率高，操作維護(hù)方便，整體機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)零件都比較簡(jiǎn)單，大大降低了加工成本，適合棚內(nèi)及膜上作業(yè)。隨著科技的發(fā)展、農(nóng)藝要求越來(lái)越高、氣候不斷的變化、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)移栽機(jī)的發(fā)展提出越來(lái)越高的要求。致力于移栽機(jī)研發(fā)的科技人員一直不斷的探索研究，為找到更高效、適應(yīng)性更大、能夠廣泛推廣的移栽機(jī)而不懈的努力著。

自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)仿真軟件綜合應(yīng)用簡(jiǎn)介

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能分析中眾多軟件被應(yīng)用，其中包括Pro/Engineer、CAD、SolidWorks、Creo、UG、Adams、ANSYS、PFC3D等。在農(nóng)業(yè)機(jī)械中常用的軟件主要是：Pro/Engineer/ SolidWorks、Adams、ANSYS、PFC3D，由于農(nóng)機(jī)工作環(huán)境的特殊性和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的需要以及軟件的普及率特別高，所以使這幾款軟件發(fā)揮了他們強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，其原是機(jī)械結(jié)構(gòu)看起來(lái)簡(jiǎn)單，但由于作業(yè)環(huán)境惡劣，需要對(duì)其力學(xué)分析極為復(fù)雜，單個(gè)零件分析同樣不容易，首先由proe進(jìn)行三維造型，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。在仿真中很多模型即有剛體又有柔體。這時(shí)我們就要利用Adams與proe的接口文件導(dǎo)入，在其中做剛體與柔體的耦合分析，ANSYS既可以做剛體力學(xué)分析、扭矩分析、抗拉抗壓強(qiáng)度分析、也可以做場(chǎng)強(qiáng)分析以及流體模擬分析，它也是一款功能強(qiáng)大適應(yīng)范圍廣泛的機(jī)械設(shè)計(jì)必不可少的設(shè)計(jì)輔助軟件。研究設(shè)計(jì)要求我們更全面化的分析時(shí)我們還需要模擬農(nóng)機(jī)具在其土壤中的各種性能時(shí)我們就要利用PFC3D建模分析各種所需數(shù)據(jù)。這個(gè)軟件的輔助作用是將復(fù)雜的田間試驗(yàn)轉(zhuǎn)換為電腦模擬，使大量的人工測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的過(guò)程，為我們?cè)O(shè)計(jì)提供準(zhǔn)去的參考和起到指引作用。以上這幾款軟件是在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中最為常見(jiàn)的幾種軟件，除此之外還需要一些輔助軟件如數(shù)據(jù)處理、圖像分析、最優(yōu)化問(wèn)題等等。科技的發(fā)展使設(shè)計(jì)更為嚴(yán)謹(jǐn)、更為科學(xué)、設(shè)計(jì)過(guò)程更接近實(shí)際工作環(huán)境。

圖1　全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)

圖2　全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)

圖3　穴盤(pán)倒置式自動(dòng)取苗分苗機(jī)構(gòu)

圖4　曲柄搖桿菜苗移栽機(jī)構(gòu)

未來(lái)移栽機(jī)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的展望

隨著科技的發(fā)展自動(dòng)化程度的提高，移栽技術(shù)已經(jīng)從半自動(dòng)化向全自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，根據(jù)事物發(fā)展的規(guī)律以及triz理論在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。理論革新將會(huì)是一次更大的變革。加之正在興起的仿生學(xué)理論在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，更是給機(jī)械設(shè)計(jì)增添了無(wú)限生機(jī)和更為廣闊的天地。今后移栽將會(huì)從自動(dòng)化轉(zhuǎn)向智能化、人性化、全方位的自動(dòng)信息智能化，并且將會(huì)進(jìn)發(fā)展到一個(gè)全新農(nóng)機(jī)領(lǐng)域階段。同時(shí)也將會(huì)有更大的跨學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)，從而使農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)成本更低、操作更簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍更為廣泛。面對(duì)國(guó)內(nèi)移栽機(jī)起步晚于發(fā)達(dá)國(guó)家，仍處在落后階段，雖然在這方面也取得了些許驕人的成果，但是是否能趕超發(fā)達(dá)國(guó)家還需要進(jìn)一步完善和實(shí)際驗(yàn)證。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.045