肖祥+張煒+許健+吳錢錢+楊靈

摘要本項(xiàng)目對(duì)于適用于穴盤苗移栽的移栽機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳動(dòng)由齒輪、氣壓等方式進(jìn)行。整體移栽機(jī)的動(dòng)作過程簡(jiǎn)化之后對(duì)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?dòng)夾取。整體來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)；末端執(zhí)行器

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

隨著國(guó)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(dòng)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(shì)。目前來看，花卉和蔬菜一般采用穴盤進(jìn)行育苗，在其生長(zhǎng)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(shì)。在初期生長(zhǎng)過程當(dāng)中可以有效避免幼苗在面對(duì)自然災(zāi)害時(shí)的高死亡率以及減輕了農(nóng)戶的勞動(dòng)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?yàn)閯趧?dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，難以實(shí)現(xiàn)大面積作業(yè)的困難。因此通過移栽自動(dòng)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(dòng)力、提高了移栽質(zhì)量和效率。

1國(guó)內(nèi)外研究背景

1.1 移栽機(jī)類型及特點(diǎn)

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(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)化移栽機(jī)，從動(dòng)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(diǎn)。

1）鉗夾式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點(diǎn)：移栽機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，深度等易控制，但容易傷苗，喂苗時(shí)間不好控制。

2）吊籃式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點(diǎn)：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(diǎn)：克服了回轉(zhuǎn)中的缺點(diǎn)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(guó)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(dòng)強(qiáng)度，這一技術(shù)的開發(fā)再次受到國(guó)家的重視。

目前，我國(guó)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(duì)，無法滿足國(guó)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(guó)外機(jī)型，沒考慮到無法適應(yīng)國(guó)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(dòng)化還是移栽質(zhì)量方面都欠佳。

2項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)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(dòng)移栽機(jī)，該新型移栽機(jī)通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xiàng)目要求，首先是完成移栽機(jī)的建模、運(yùn)動(dòng)仿真分析，然后對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)分析。考慮到經(jīng)費(fèi)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(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)主要由以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)組成。

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

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(duì)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(gè)穴盤孔，因此可以減少末端執(zhí)行器的橫向移動(dòng)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(dòng)，凸輪上開設(shè)了三個(gè)圓弧槽，角度分別為90°。通過凸輪的旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)手爪的開合，實(shí)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(jì)時(shí)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(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)

移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要分為以下3部分。

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

2）末端執(zhí)行器的上下抓取投放通過兩個(gè)汽缸的推動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

3）末端執(zhí)行器由電機(jī)帶動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓取和投放兩個(gè)過程。

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

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(shí)現(xiàn)，ansys在對(duì)于有限元的應(yīng)力分析方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(shí)也對(duì)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(shí)各部分的受力情況，并分析是否會(huì)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(duì)T型塊進(jìn)行固定約束和對(duì)三個(gè)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(duì)該過程進(jìn)行求解而得到應(yīng)力云圖，從而對(duì)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(jì)算機(jī)條件，只能計(jì)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(duì)于鋼材來說是完全不存在問題的，對(duì)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(yàn)研究

試驗(yàn)小組在進(jìn)行了一系列的理論設(shè)計(jì)以及分析之后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了移栽機(jī)機(jī)械手移栽穴盤苗的試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)器是由兩個(gè)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(gè)試驗(yàn)過程也是能夠加深對(duì)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(jì)思維以及新的理念。

3項(xiàng)目總結(jié)

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

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

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

項(xiàng)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(dòng)移栽機(jī)。末端執(zhí)行器的簡(jiǎn)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(xiàng)目

項(xiàng)目名稱：盆栽自動(dòng)移栽裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究項(xiàng)目編號(hào)：1330A53項(xiàng)目資助：1000

參考文獻(xiàn)

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

[2]李建橋，張國(guó)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(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（3）：24-26

[5]尚書旗，隋愛娜，張子華.國(guó)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(guó)內(nèi)旱地栽植機(jī)械研制的新進(jìn)展[J].科研動(dòng)態(tài)，2001（2）：28-29.

作者簡(jiǎn)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(dòng)移栽機(jī)。

endprint

摘要本項(xiàng)目對(duì)于適用于穴盤苗移栽的移栽機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳動(dòng)由齒輪、氣壓等方式進(jìn)行。整體移栽機(jī)的動(dòng)作過程簡(jiǎn)化之后對(duì)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?dòng)夾取。整體來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)；末端執(zhí)行器

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

隨著國(guó)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(dòng)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(shì)。目前來看，花卉和蔬菜一般采用穴盤進(jìn)行育苗，在其生長(zhǎng)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(shì)。在初期生長(zhǎng)過程當(dāng)中可以有效避免幼苗在面對(duì)自然災(zāi)害時(shí)的高死亡率以及減輕了農(nóng)戶的勞動(dòng)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?yàn)閯趧?dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，難以實(shí)現(xiàn)大面積作業(yè)的困難。因此通過移栽自動(dòng)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(dòng)力、提高了移栽質(zhì)量和效率。

1國(guó)內(nèi)外研究背景

1.1 移栽機(jī)類型及特點(diǎn)

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(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)化移栽機(jī)，從動(dòng)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(diǎn)。

1）鉗夾式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點(diǎn)：移栽機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，深度等易控制，但容易傷苗，喂苗時(shí)間不好控制。

2）吊籃式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點(diǎn)：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(diǎn)：克服了回轉(zhuǎn)中的缺點(diǎn)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(guó)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(dòng)強(qiáng)度，這一技術(shù)的開發(fā)再次受到國(guó)家的重視。

目前，我國(guó)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(duì)，無法滿足國(guó)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(guó)外機(jī)型，沒考慮到無法適應(yīng)國(guó)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(dòng)化還是移栽質(zhì)量方面都欠佳。

2項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)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(dòng)移栽機(jī)，該新型移栽機(jī)通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xiàng)目要求，首先是完成移栽機(jī)的建模、運(yùn)動(dòng)仿真分析，然后對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)分析?？紤]到經(jīng)費(fèi)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(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)主要由以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)組成。

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

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(duì)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(gè)穴盤孔，因此可以減少末端執(zhí)行器的橫向移動(dòng)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(dòng)，凸輪上開設(shè)了三個(gè)圓弧槽，角度分別為90°。通過凸輪的旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)手爪的開合，實(shí)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(jì)時(shí)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(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)

移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要分為以下3部分。

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

2）末端執(zhí)行器的上下抓取投放通過兩個(gè)汽缸的推動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

3）末端執(zhí)行器由電機(jī)帶動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓取和投放兩個(gè)過程。

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

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(shí)現(xiàn)，ansys在對(duì)于有限元的應(yīng)力分析方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(shí)也對(duì)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(shí)各部分的受力情況，并分析是否會(huì)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(duì)T型塊進(jìn)行固定約束和對(duì)三個(gè)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(duì)該過程進(jìn)行求解而得到應(yīng)力云圖，從而對(duì)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(jì)算機(jī)條件，只能計(jì)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(duì)于鋼材來說是完全不存在問題的，對(duì)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(yàn)研究

試驗(yàn)小組在進(jìn)行了一系列的理論設(shè)計(jì)以及分析之后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了移栽機(jī)機(jī)械手移栽穴盤苗的試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)器是由兩個(gè)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(gè)試驗(yàn)過程也是能夠加深對(duì)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(jì)思維以及新的理念。

3項(xiàng)目總結(jié)

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

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

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

項(xiàng)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(dòng)移栽機(jī)。末端執(zhí)行器的簡(jiǎn)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(xiàng)目

項(xiàng)目名稱：盆栽自動(dòng)移栽裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究項(xiàng)目編號(hào)：1330A53項(xiàng)目資助：1000

參考文獻(xiàn)

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

[2]李建橋，張國(guó)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(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（3）：24-26

[5]尚書旗，隋愛娜，張子華.國(guó)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(guó)內(nèi)旱地栽植機(jī)械研制的新進(jìn)展[J].科研動(dòng)態(tài)，2001（2）：28-29.

作者簡(jiǎn)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(dòng)移栽機(jī)。

endprint

摘要本項(xiàng)目對(duì)于適用于穴盤苗移栽的移栽機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳動(dòng)由齒輪、氣壓等方式進(jìn)行。整體移栽機(jī)的動(dòng)作過程簡(jiǎn)化之后對(duì)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?dòng)夾取。整體來說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)；末端執(zhí)行器

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

隨著國(guó)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(dòng)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(shì)。目前來看，花卉和蔬菜一般采用穴盤進(jìn)行育苗，在其生長(zhǎng)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(shì)。在初期生長(zhǎng)過程當(dāng)中可以有效避免幼苗在面對(duì)自然災(zāi)害時(shí)的高死亡率以及減輕了農(nóng)戶的勞動(dòng)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?yàn)閯趧?dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，難以實(shí)現(xiàn)大面積作業(yè)的困難。因此通過移栽自動(dòng)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(dòng)力、提高了移栽質(zhì)量和效率。

1國(guó)內(nèi)外研究背景

1.1 移栽機(jī)類型及特點(diǎn)

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(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)化移栽機(jī)，從動(dòng)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(diǎn)。

1）鉗夾式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點(diǎn)：移栽機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，深度等易控制，但容易傷苗，喂苗時(shí)間不好控制。

2）吊籃式移栽機(jī)。

優(yōu)缺點(diǎn)：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(diǎn)：克服了回轉(zhuǎn)中的缺點(diǎn)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(guó)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(dòng)強(qiáng)度，這一技術(shù)的開發(fā)再次受到國(guó)家的重視。

目前，我國(guó)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(duì)，無法滿足國(guó)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(guó)外機(jī)型，沒考慮到無法適應(yīng)國(guó)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(dòng)化還是移栽質(zhì)量方面都欠佳。

2項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)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(dòng)移栽機(jī)，該新型移栽機(jī)通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xiàng)目要求，首先是完成移栽機(jī)的建模、運(yùn)動(dòng)仿真分析，然后對(duì)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)分析。考慮到經(jīng)費(fèi)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(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)主要由以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)組成。

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

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(duì)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(gè)穴盤孔，因此可以減少末端執(zhí)行器的橫向移動(dòng)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(dòng)，凸輪上開設(shè)了三個(gè)圓弧槽，角度分別為90°。通過凸輪的旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)手爪的開合，實(shí)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(jì)時(shí)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(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)

移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要分為以下3部分。

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

2）末端執(zhí)行器的上下抓取投放通過兩個(gè)汽缸的推動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

3）末端執(zhí)行器由電機(jī)帶動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓取和投放兩個(gè)過程。

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

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(shí)現(xiàn)，ansys在對(duì)于有限元的應(yīng)力分析方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(shí)也對(duì)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(shí)各部分的受力情況，并分析是否會(huì)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(duì)T型塊進(jìn)行固定約束和對(duì)三個(gè)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(duì)該過程進(jìn)行求解而得到應(yīng)力云圖，從而對(duì)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(jì)算機(jī)條件，只能計(jì)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(duì)于鋼材來說是完全不存在問題的，對(duì)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(yàn)研究

試驗(yàn)小組在進(jìn)行了一系列的理論設(shè)計(jì)以及分析之后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了移栽機(jī)機(jī)械手移栽穴盤苗的試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)器是由兩個(gè)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(gè)試驗(yàn)過程也是能夠加深對(duì)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(jì)思維以及新的理念。

3項(xiàng)目總結(jié)

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

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

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

項(xiàng)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(dòng)移栽機(jī)。末端執(zhí)行器的簡(jiǎn)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(xiàng)目

項(xiàng)目名稱：盆栽自動(dòng)移栽裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究項(xiàng)目編號(hào)：1330A53項(xiàng)目資助：1000

參考文獻(xiàn)

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[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(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（3）：24-26

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

作者簡(jiǎn)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(dòng)移栽機(jī)。

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