第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
中国是世界上第三大番茄酱产区,而新疆是世界适宜种植番茄的少数地区,番茄制品出口量占全国的 90%。在新疆种植的番茄,红色素和谷维素的含量普遍高,而且霉菌少[1]。据资料显示,在中国新疆番茄红色素含量居世界第一,达 62 mg/100 g;谷维素的含量为 5.5 g/100 g,高于我国沿海地区 4 g/100 g 的普遍含量[2]。
新疆地域辽阔,水土资源丰富,番茄种植条件可与美国加利福尼亚相比,且已具备较大的生产规模。因此国际与国内的番茄制品都在向新疆转移,为新疆快速发展番茄加工业提供了良好的机遇。新疆独特的气候特点虽然适合番茄等农作物的生长,但地处北部高纬度,寒冷干燥、无霜期短,更容易受早春气候变化的影响,加之土壤保墒不足,传统直播方式不适于新疆生长期短的经济农作物,很难保证出苗率[3]。
相对于传统直播,移栽技术可使移栽作物生育期延长、成熟收获期提前,同时大幅提高农民收入。随着穴盘育苗技术的成熟,机械化育苗移栽也得到了大面积推广,预先在大棚育苗,有效避开了低温、霜冻、“倒春寒”影响,使农户可以安排种植的合理时间,不仅缩短了种子的生长周期,并且可以错峰收获,大大提高效率,从而带来更高的经济效益[4,5]。
农业部在印发的 《“十三五”农业科技发展规划》 中,将粮食作物与主要经济作物得机械化生产关键技术,农机核心功能部件及系统,与农机农艺相融合的设计及制造技术,主要粮食、经济作物和畜禽水产智能化农机装备,作为十三五期间的关键突破点。其核心指标为主要粮食作物机械化技术水平显著提高,主要经济作物机械化技术瓶颈取得重大突破[6]。新疆大面积种植加工番茄、辣椒等作物,由于移栽机械化起步较晚,多为人工移栽,工作环境恶劣,移栽劳动强度大,工作效率低,人工移栽效率仅为 800-1000 株/ h,而且幼苗成活率低,限制了穴盘育苗移栽技术的应用与推广,阻碍了农业现代化进程与新疆地区生产率的发展[7]。新疆生产建设兵团农二师对番茄育苗进行了田间移栽试验,在此过程中发现,通过机械化移栽技术大幅提高了番茄幼苗的移栽效率,每移栽番茄苗 3000 株/亩,即可节省人工费约 400 元/亩,同比节省种子 50%,工效提高 10~20 倍;进而使番茄亩增产 2~2.5 吨[8,9]。目前只是局部地区引进了半自动移栽机,但是机械化移栽仍然是番茄、辣椒全程机械化种植过程中的关键难题[10]。
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1.2 国内外发展现状分析
1.2.1 国外研究现状
20 世纪 20 年代,欧美发达国家开始研制并使用手工喂苗移栽器进行栽植;30 末40 年代初,出现了送苗过程机械化的移栽机构;50 年代开始研制不同结构的半自动移栽机,同时出现了育苗用土钵制钵机;80 年代各种半自动移栽机、制钵机已形成完整系列,并被推广在农业生产中使用;至 90 年代,加强了对整个种植系统的研究,将育苗技术和栽植技术相结合研制出多种全自动移栽机[11]。
美国、日本及以色列现已研发出全自动移栽机,可实现取苗、投苗等环节,由于适用环境不同,并不能直接应用于新疆的移栽作业。德国、法国、荷兰、意大利等欧洲国家,大部分都实现了蔬菜花卉的育苗工厂化和移栽机械化,机型成熟、性能稳定、实用性强。日本的移栽机械使用已很普及,机械化程度高,如洋马、井关以及久保田株式会社的自动移栽机都很成熟,但专用性强,适用农作物单一[12-14]。国外发达国家研制移栽技术起步较早,目前其研发和应用都处于较高水平。
美国奥本大学 Kutz 等[15]基于 Pu-ma560 机器人设计了一种苗圃植物移栽机器人,如图 1-1 所示。该机器人执行末端采用气动驱动,要求取放苗过程中手指间距为 5~10mm,以番茄、万寿菊为研究对象进行试验,以优化得出的“ L” 型路径进行取苗,试验得出取苗成功率为 96%。
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第二章 番茄钵苗形态特征测定与基质力学损伤特性研究
2.1 番茄钵苗形态特征的测定
2.1.1 试验目的
为准确获得关键零部件的结构尺寸,使机械构件的结构满足需要,需要对适栽的钵苗进行外形尺寸的测定。
2.1.2 试验仪器
试验仪器选用英国 SMS 公司生产的质构分析仪,型号为 TA-XTplus;游标卡尺,精度为 0.02 mm;钢板尺(0 mm-500 mm),精度为 1mm;上海越平科学仪器有限公司生产的电子天平(JY/YP30002),精度为 0.001g。
2.1.3 试验材料
于 2018 年 5 月 15 日在石河子大学新疆兵团农业机械重点实验室进行试验。采用与新疆移栽机配套的 128(16 行× 8 列)规格穴盘,穴盘的长× 宽× 高为 540 mm× 280 mm× 40 mm,空穴为正四棱台,边界圆角处理,上口径为 28 mm,下口径为 15 mm,如图2-1 所示。番茄穴盘苗试验品种选用 “石红 78 号”,在石河子市农林研究所进行培育,基质配比(草炭:蛭石:珍珠岩)为 3:1:1,苗龄为 45d,根系完整、叶片健康无病斑、叶色浓绿,无倒伏现象,如图 2-2 所示。
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2.2 番茄钵苗基质抗压力学特性研究
2.2.1 基质在夹持过程中的力学分析
穴盘苗基质属于软质物料,容易散落[47],因此要求设计的取苗机构尽可能减少对基质的干扰动作,避免基质破坏,并选用斜向夹片来实现对钵苗的夹取。
为满足以上要求,对夹持过程中的穴盘苗钵体进行受力分析,建立钵体受力分析图,如图 2-5 所示。在取苗过程中,钵体受到两夹片的夹持力,与两夹片接触产生的静摩擦力,钵体重力及钵体与穴盘的黏附力竖直方向上的分力的合力。末端执行器的指针与基质之间会产生摩擦力,该摩擦力会随钵体的含水率增大而减小[48,49]。入穴角度决定取苗爪末端斜插入穴盘内壁的角度,入穴角度过大,穴盘易被损伤。入穴深度 h 过大则可能损伤穴盘,无法取出钵苗,深度 h 过低,会破坏基质。
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3.1 取苗机构的设计理论分析 ................................. 23
3.1.1 取苗机构的设计要求 ............................. 23
3.1.2 取苗机构的总体设计方案及工作原理 .................................. 24
第四章 取苗机构控制系统方案设计 ................................. 34
4.1 控制系统硬件选型 ........................................ 34
4.2 控制系统硬件设计 ............................ 35
第五章 取苗机构验证试验 .................................. 45
5.1 控制系统及试验平台搭建 ................................... 45
5.1.1 关键部件选型及加工 ..................................... 45
5.1.2 取苗机构控制系统实体搭建 .................................. 46
第五章 取苗机构验证试验
5.1 控制系统及试验平台搭建
5.1.1 关键部件选型及加工
(1)滚珠丝杠选型
本设计的传动机构选用滚珠丝杠传动来实现对取苗机构入穴角度及取苗角度的控制,考虑到安装尺寸及相关农机农艺相结合的要求,选区型号为 SFU1605-3 的滚珠丝杠,如图 5-1 所示,主要参数见表 5-1 所示。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文以自动移栽取苗机构作为研究对象,在查阅文献分析国内外全自动移栽机取苗机构的研究现状的基础上,根据新疆旱田穴盘苗移栽的工作要求及农艺要求,结果课题组对全自动移栽机构的相关研究,设计了一种适用于新疆大田移栽的夹钵式取苗机构。在 1stOpt 软件中利用遗传算法工具箱对取苗机构进行优化得出相应参数组合,完成了机构的整体结构的设计,建立了三维模型,并通过 ADAMS 对其进行运动学仿真分析,验证该机构的正确性和合理性。加工出取苗机构物理样机并设计相应控制方案,最后完成控制系统试验平台的搭建并对取苗机构进行取苗验证试验。论文主要工作总结如下:
(1)通过分析国内外研究现状,根据特定对象的穴盘、种苗、基质的特性设计一种专门的末端执行器。穴盘、基质、番茄穴盘苗的特性参数测定和分析为设计取苗机构提供了理论依据。基于对研究对象的特性研究,得到恒定速度和不同速度下钵体抗压力-位移曲线,分析抗压力与位移之间的关系;通过对试验数据的分析,得知各因素对基质破碎压缩量的影响大小为:入穴深度>夹持角度>含水率,对抗压强度的影响大小为夹持角度>入穴深度>含水率。
(2)通过优化得出相应的机构参数组合,完成了取苗机构的整体结构设计。应用Solidworks 软件完成取苗机构各零部件的建模、装配、干涉检查,运用 ADAMS 软件对机构进行运动学仿真,得出夹持角度调节阶段丝杠需由安装位置下降距离为 3.73 mm,此时取苗爪倾角 α 为设定值 11.02°,速度范围为 12~14 mm/s 时可满足抗压力最大的要求;对取苗机构进行部件选型、关键机构加工,完成试验平台的搭建。根据传动机构和执行机构的控制问题,对控制硬件及各元器件进行了选型,完成搭建了取苗机构控制系统硬件电路采用 Arduino 开发工具编译了程序代码,并对整个控制系统进行了性能测试,基本能满足设计要求。
参考文献(略)