卓利元穴盤苗機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）</p><p>　　穴盤苗移栽機(jī)取苗裝置的設(shè)計(jì)</p><p>　　專 業(yè) 11機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 </p><p>　　學(xué)生姓名 卓利元 </p><p>　　班 級(jí)

2、 11機(jī)制（2）班 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 201110090228 </p><p>　　指導(dǎo)教師 王艷莉 </p><p>　　完成日期 2014年5月 25號(hào) </p><p>　　摘要：穴盤苗移栽技術(shù)的發(fā)展和不斷創(chuàng)新在旱地移栽領(lǐng)域

3、起到重要作用，提高了作物的產(chǎn)量、起到了氣候補(bǔ)償作用，而且能夠大大的降低勞動(dòng)力。由于現(xiàn)有的移栽機(jī)機(jī)械中存在著半機(jī)械化和工作效率低等問題，所以需要研制穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)，而取苗機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)移栽自動(dòng)化、機(jī)械化的核心部件，為了提高旱地穴盤苗移栽的作業(yè)效率，本文對(duì)自動(dòng)移栽機(jī)的關(guān)鍵部件取苗爪進(jìn)行了研究; 同時(shí)，對(duì)取苗機(jī)構(gòu)的兩針式取苗爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)與原理分析，確定了工作參數(shù)，包括夾持角度、秧針長(zhǎng)度、取苗角度。經(jīng)過多因素試驗(yàn)，完成了對(duì)工作參數(shù)的優(yōu)化，結(jié)果表明取

4、苗機(jī)構(gòu)設(shè)滿足穴盤苗的移栽要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 穴盤苗;移栽;取苗機(jī)構(gòu)</p><p>　　Abstract: the hole plate seedling transplanting technology development and innovation play an important role in the field of dryland transplant

5、ing, improved the yield of crops, have played an important role climate compensation, but also can greatly reduce the labor force. Because of the existing mechanical transplanting machine in there half mechanization and

6、low working efficiency, so we need to develop hole plate seedling transplanting machine, and taking seedling mechanism is the core compon</p><p>　　Keywords: The hole plate seedling;Transplanting;Taking seedl

7、ings mechanism</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1項(xiàng)目的技術(shù)背景與研究意義1</p><p>　　1.2 取苗裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1國(guó)外取

8、苗裝置研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2國(guó)內(nèi)取苗裝置的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.3現(xiàn)在的取苗裝置存在的問題分析6</p><p>　　1.3取苗裝置的研究目標(biāo)6</p><p>　　1.4取苗裝置的研究技術(shù)路線7</p><p>　　第二章 穴盤苗的研究特性8</p>&

9、lt;p>　　2.1穴盤苗的形態(tài)特性研究8</p><p>　　2.1.1 試驗(yàn)儀器8</p><p>　　2.1.2 試驗(yàn)對(duì)象與方法8</p><p>　　2.1.3 番茄穴盤苗的形態(tài)特性9</p><p>　　2.2番茄穴盤苗的物理特性研究9</p><p>　　2.2.1 穴盤苗基質(zhì)含水率

10、9</p><p>　　2.2.2 基質(zhì)的強(qiáng)度10</p><p>　　2.2．3 穴盤苗的摩擦角11</p><p>　　第三章 取苗裝置整體方案設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 取苗裝置的總體設(shè)計(jì)要求分析12</p><p>　　3.2取苗裝置的工作原理分析13</p><p&

11、gt;　　3.3取苗裝置的動(dòng)力源及傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)分析13</p><p>　　3.4利用UG建立的整體樣機(jī)模型14</p><p>　　第四章 穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1取苗裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及外形設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1.1 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)15</p><p>

12、　　4.1.2機(jī)械手指的設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1.3 穴盤定位平臺(tái)設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析19</p><p>　　4.3 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析20</p><p>　　4.3.1 PLC控制電路接線分析20</p><p>　　4.3.2 PLC的程序編制分

13、析22</p><p>　　4.3.3PLC程序23</p><p>　　第五章 穴盤的步進(jìn)定位控制分析24</p><p>　　5.1步進(jìn)定位控制精度的要求分析24</p><p>　　5.2步進(jìn)定位控制下的理論分析25</p><p>　　5.3定位精度的計(jì)算分析25</p><p&

14、gt;　　第六章 取苗裝置的實(shí)驗(yàn)研究26</p><p>　　6.1 影響取苗因素分析26</p><p>　　6.2 取苗實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析26</p><p>　　6.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)28</p><p>　　第七章 總結(jié)與展望29</p><p><b>　　7.1 總結(jié)29</b>&

15、lt;/p><p>　　7.2 研究展望29</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　第一章 緒論</

16、b></p><p>　　1.1項(xiàng)目的技術(shù)背景與研究意義</p><p>　　隨著社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平的提高，設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱產(chǎn)業(yè)，溫室蔬菜、花卉及棉花生產(chǎn)對(duì)發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，增加農(nóng)民收入，豐富人民的菜籃子，改善人民生活具有舉足輕重的作用。 穴盤苗移栽是近年才興起的種植新技術(shù)，它具有縮短生育期，提早成熟，提高棉花單產(chǎn)，具有廣闊的推廣前景。過去幾年溫室大棚育出成品苗向大田移

17、栽，全部是靠人工移栽。穴盤苗自動(dòng)移栽技術(shù)是溫室蔬菜或花卉生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)工廠化和自動(dòng)化而采用的一種重要的種植方式。目前，國(guó)內(nèi)穴盤苗移栽的取苗、喂苗環(huán)節(jié)主要靠手工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，不能滿足規(guī)模化生產(chǎn)的需要，從而制約了蔬菜生產(chǎn)的發(fā)展。因此，研制開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定可靠的中小型穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)迫在眉睫，而移栽機(jī)械手是溫室穴盤苗移栽自動(dòng)化的關(guān)鍵部分，能夠完成“穴盤定位—自動(dòng)送苗—缽苗抓取—缽苗投放”這一系列連續(xù)動(dòng)作

18、，其性能直接影響移栽機(jī)的移栽質(zhì)量。穴盤苗移栽機(jī)械手的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)溫室穴盤苗移栽生產(chǎn)過程自動(dòng)化、減輕穴盤苗移栽作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作物移栽質(zhì)量，推進(jìn)我國(guó)溫室農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化進(jìn)程，特別是我國(guó)“十二五”農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的順利實(shí)施具有重大意義。</p><p>　　1.2 取苗裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)外穴盤苗移栽機(jī)取苗裝置的技術(shù)較成熟，而且大部分機(jī)型開始投入使用，尤其是

19、應(yīng)用于花卉、蔬菜等經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的作物的大面積移栽，具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。國(guó)內(nèi)的研究主要集中在各大高校及科研院所，且大部分的研究成果只是樣機(jī)的試制，尚沒有成型的機(jī)型投入生產(chǎn)應(yīng)用。</p><p>　　1.2.1國(guó)外取苗裝置研究現(xiàn)狀</p><p>　　20 世紀(jì)初期部分國(guó)家開始出現(xiàn)移栽機(jī)具。三十年代出現(xiàn)移栽裝置或移栽器代替人工取苗。五十年代移栽的生產(chǎn)技術(shù)研究，研制出了不同結(jié)構(gòu)的半自動(dòng)移栽機(jī)。八十

20、年代，半自動(dòng)移栽機(jī)已在歐美國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛被使用，培育穴盤苗、移栽作物等，實(shí)現(xiàn)了制造機(jī)械、播種機(jī)械、移栽機(jī)等各種機(jī)械配套使用。到90年代,有關(guān)部門加強(qiáng)從育苗到栽植整個(gè)系統(tǒng)的研究,使育苗和栽植有機(jī)地結(jié)合,研制出多種全自動(dòng)移栽機(jī),如日本90年代初將穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)列為農(nóng)業(yè)機(jī)械急需開發(fā)的項(xiàng)目,日本農(nóng)機(jī)研究所聯(lián)合三家農(nóng)機(jī)公司,于1993年至1995年期間開發(fā)出了三種型號(hào)的全自動(dòng)移栽機(jī)（圖1-1～1-3）,可移栽穴盤苗或紙缽苗,主要移栽卷心菜

21、!大白菜和葛芭等,完全是由機(jī)械自動(dòng)從穴盤中取苗后種植. 美國(guó)Renaldo銷售與服務(wù)公司于2003年開發(fā)出移栽空氣整根缽苗的全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)（實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖1-4）。</p><p>　　圖1-1 PR2型全自動(dòng)移栽機(jī) 圖1-2 SK20型自動(dòng)移栽機(jī)</p><p>　　圖1-3 PVR200型自動(dòng)移栽機(jī) 圖1-4全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)

22、</p><p>　　取苗機(jī)構(gòu)作為全自動(dòng)移栽機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在國(guó)外正處于不斷的研究與發(fā)展的階段。國(guó)外所研制的全自動(dòng)移栽機(jī)中，日本 Tetsuo Nanbu 等人在移栽機(jī)中設(shè)計(jì)了帶式取苗系統(tǒng)，采用兩條平行紙帶等間隔包裹苗缽缽體以使其串聯(lián)起來進(jìn)行培育的獨(dú)特方式，作業(yè)時(shí)由剝紙帶機(jī)構(gòu)和傳輸帶機(jī)構(gòu)相互配合來完成取苗、栽植等一系列移栽作業(yè)；日本Takashi Onosaka 等人在移栽機(jī)中設(shè)計(jì)了機(jī)械手式取苗系統(tǒng)，苗盤由傳送

23、帶傳輸至待取苗位置處，經(jīng)秧苗縱向定位裝置固定單個(gè)秧苗后，機(jī)械手夾取秧苗并將其從苗盤中取出；美國(guó) Errol C.Armstrong 等人在其所研制的移栽機(jī)中設(shè)計(jì)了推苗桿式取苗系統(tǒng)，苗盤由自動(dòng)牽引裝置驅(qū)動(dòng)進(jìn)行垂直進(jìn)給供苗，間歇機(jī)構(gòu)控制其逐行向下喂入缽苗，取苗推桿在主從凸輪的帶動(dòng)下作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)將秧苗從穴苗盤中頂出后再退回的連續(xù)循環(huán)作業(yè)；美國(guó) Frank W. Faulring 等人設(shè)計(jì)了真空泵式取苗系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移栽，苗盤定位放置之后

24、，將底盤抽出，秧苗在重力以及小電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)所產(chǎn)生的吸力作用下吸落至落苗口，隨后進(jìn)入落苗管完成后續(xù)的栽植作業(yè)。韓國(guó) Ryu 等設(shè)計(jì)一種由氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的夾取裝置。該末端</p><p>　　(1)末端件原型 (2)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　圖 1-5夾取裝置</b></p>

25、<p>　　綜上所述，國(guó)外移栽作業(yè)的穴盤苗移栽機(jī)取苗裝置機(jī)型比較多，自動(dòng)化程度很高，適于大面積作業(yè)的自動(dòng)移栽作業(yè); 但是，由于其通用性比較差，整體結(jié)構(gòu)控制部分復(fù)雜，并且價(jià)格昂貴，難以適應(yīng)我國(guó)中小規(guī)模農(nóng)戶的需求。</p><p>　　1.2.2國(guó)內(nèi)取苗裝置的研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)內(nèi)于 20 世紀(jì) 60 年代初開始進(jìn)行移栽機(jī)械的試驗(yàn)研究，起步較早，但由于農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝明顯脫節(jié)

26、，忽略了綜合經(jīng)濟(jì)效益，更沒有對(duì)育苗移栽機(jī)械化過程的種種技術(shù)難題進(jìn)行科學(xué)和系統(tǒng)地分析研究，致使這一技術(shù)擱淺，從而一直未能大面積推廣應(yīng)用。取苗裝置研究在國(guó)內(nèi)近些年才引起人們的重視，且大部分研究主要集中在各大農(nóng)業(yè)類院校、科研院所等。目前大部分投產(chǎn)的移栽機(jī)都是半自動(dòng)移栽。雖然植苗裝置已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是取苗還是人工進(jìn)行穴盤苗的投放。由于人工的限制，移栽機(jī)的整體效率很難提高。而且取苗裝置大部分還處于試驗(yàn)階段，研究很難達(dá)到作業(yè)要求。在實(shí)際生產(chǎn)中還

27、沒有使用，沒有成形的機(jī)型投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。</p><p>　　沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)張?jiān)娧兄频闹羔槉A緊式穴盤苗移栽機(jī)械手處于穴盤苗的上方時(shí)指針伸出，移栽機(jī)械手下降后，由于氣缸的驅(qū)動(dòng)，指針向下運(yùn)動(dòng)，插入基質(zhì)塊中。當(dāng)氣缸將要滿行程時(shí)候，指針向里收縮，夾緊基質(zhì)塊。移栽機(jī)械手向上移動(dòng)，將穴盤苗從穴盤中取出。最后移栽機(jī)械手下降，氣缸反行程往回運(yùn)動(dòng)，指針再次張開和收縮，穴苗被植入新的生長(zhǎng)盤中，以便可以有更好地生長(zhǎng)空間繼續(xù)生長(zhǎng) ，如圖

28、 1-8 所示。張麗華研制的穴盤苗移栽取苗裝置的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由 PLC 控制，帶動(dòng)汽缸運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手可以完成“穴盤定位→穴盤苗抓取→缽盆定位→穴盤苗投放”等連續(xù)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)穴盤苗的自動(dòng)取苗過程，如圖 1-9 所示。 </p><p>　　圖 1-6 移栽機(jī)械手裝置圖 圖 1-7 機(jī)械手裝置簡(jiǎn)圖</p>&

29、lt;p>　　東北農(nóng)業(yè)大學(xué)韓豹設(shè)計(jì)的水稻育苗全自動(dòng)移栽機(jī)械手，該移栽機(jī)共有 6 組 12 個(gè)機(jī)械手組成，一次可完成 6 行缽苗移栽作業(yè)。每組機(jī)械說呈 180°對(duì)稱布置，并均固定于同一個(gè)苗夾臂上。在驅(qū)動(dòng)臂軸和取秧偏心驅(qū)動(dòng)軸的作用下，取苗機(jī)械手能夠在指定位置準(zhǔn)確地完成插、夾、拔和運(yùn)苗幾道工序，而且取苗方向垂直于育秧盤盤面，不傷苗。此外當(dāng)一個(gè)機(jī)械手拔出秧苗的同時(shí)，另一個(gè)機(jī)械手支臂伸長(zhǎng)并打開苗夾放苗，如圖 1-10 所示。<

30、;/p><p>　　圖 1-8 水稻育苗全自動(dòng)移栽機(jī)械手</p><p>　　1.秧夾臂 2.驅(qū)動(dòng)臂軸焊合 3.軸座 4.鏈輪 A 5.夾緊滾輪 6.取秧偏心驅(qū)動(dòng)軸 7.鏈輪</p><p>　　由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)徐麗明，張鐵中等改進(jìn)設(shè)計(jì)的玉米自動(dòng)移栽機(jī)械手，如下圖所示，其原理為采用平面四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)取苗動(dòng)作，隨著曲柄 AB 繞 A 點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在四連桿上的苗指插入苗缽中

31、將苗取出，當(dāng)苗運(yùn)到導(dǎo)苗管口上方時(shí)，由固定在機(jī)組上的排苗桿 EF 將苗拔下，使苗脫離苗指，進(jìn)入導(dǎo)苗管，完成取苗過程，如圖 1-9所示。</p><p>　　圖 1-9 玉米自動(dòng)取苗機(jī)械手</p><p>　　1.排苗桿 2.苗指 3.缽苗 4.缽苗支架</p><p>　　沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)利用水稻缽苗空氣整根育苗技術(shù)進(jìn)行缽苗育秧，研制出了氣吸方式取苗和投苗的小型手扶式水稻

32、缽苗有序拋秧機(jī)，帶缽苗秧盤大口朝下由移箱機(jī)構(gòu)輸送到吸氣口上方，吸氣活門打開，缽苗在負(fù)壓作用下脫盤加速下落；到達(dá)空氣室時(shí)，落苗活門打開，吸氣活門關(guān)閉，缽苗落入水田，完成移栽。齒輪齒條式橫縱向送秧箱機(jī)構(gòu)和曲柄擺桿式吸氣活門均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制，活門的開、關(guān)閉和移箱機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制，如圖 1-10 所示。</p><p>　　圖 1-10 氣吸式取苗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖</p><p>

33、　　1.空氣室 2.吸苗管 3.吸氣活門 4.吸氣閥座 5.回位彈簧</p><p>　　6.管接頭 7.吸氣活門擺桿 8.吸氣管 9.導(dǎo)苗管 10.投苗活門</p><p>　　江蘇大學(xué)丁文芹研制的取苗裝置是由取苗機(jī)械手、驅(qū)動(dòng)裝置及凸輪裝置等組成，將穴盤苗夾取并最終釋放至植苗裝置的工作部件，實(shí)現(xiàn)從穴盤中取苗和向植苗裝置投苗的動(dòng)作。工作時(shí)取苗裝置直接與基質(zhì)接觸進(jìn)行取投苗，保證取苗裝置以一定

34、的位姿完成定點(diǎn)抓取穴盤苗、帶著穴盤苗返回到投苗位置、準(zhǔn)確投放穴盤苗等基本步驟，完成個(gè)取苗過程，如圖 1-11 所示。</p><p>　　圖 1-11 取苗裝置示意圖</p><p>　　1.行星架 2.中心輪3. 行星輪4.行星輪5.靜軌跡6.取苗爪 7.連桿</p><p>　　8.滾子 9.槽型凸輪10. 行星輪軸1.穴盤 12.托架 13.穴盤苗</p

35、><p>　　1.2.3現(xiàn)在的取苗裝置存在的問題分析 </p><p>　　我國(guó)移栽機(jī)的研究處于不成熟階段，大多是仿制國(guó)外的產(chǎn)品，不太適應(yīng)我國(guó)作物移栽模式。又由于農(nóng)民購(gòu)買力制約，半自動(dòng)化機(jī)型較多，機(jī)器使用中需要的輔助人員較多，栽植速度受到限制。現(xiàn)有的自動(dòng)移栽機(jī)的機(jī)構(gòu)尚不完善，依然存在諸多缺陷，如價(jià)格昂貴，不利于推廣、移栽效率低、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高、移

36、栽機(jī)的適應(yīng)性差，通用性差、機(jī)構(gòu)取苗的動(dòng)作對(duì)缽苗的傷害較大，降低秧苗的成活率、分苗的的效果不好，容易出現(xiàn)漏分，多分的現(xiàn)象,且所研究的溫室智能化機(jī)具都處于實(shí)驗(yàn)階段，其控制系統(tǒng)總體上存在：定位精度不高，柔性和可靠性差；控制性能不穩(wěn)定，智能化程度較低；作業(yè)效率不高等問題。</p><p>　　1.3取苗裝置的研究目標(biāo)</p><p>　　隨著農(nóng)業(yè)溫室大棚的快速發(fā)展，研制開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

37、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定可靠的中小型穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)迫在眉睫，而移栽機(jī)械手是溫室穴盤苗移栽自動(dòng)化的關(guān)鍵部分，能夠完成“穴盤定位—自動(dòng)送苗—缽苗抓取—缽苗投放”這一系列連續(xù)動(dòng)作，通過對(duì)取苗機(jī)械手、穴盤定位平臺(tái)、喂苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用PLC控制技術(shù)自動(dòng)完成取苗、喂苗，實(shí)現(xiàn)穴盤苗的自動(dòng)化移栽，取苗裝置的性能直接影響移栽機(jī)的移栽質(zhì)量移栽機(jī)的取苗、喂苗部分機(jī)械化是本項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵技術(shù)，主要在以下幾個(gè)方面：</p><p>

38、　　（1）移栽機(jī)械手的設(shè)計(jì)要基于苗坨的物理和生理特性，在保證成功提起和放置苗坨的情況下，使其具有一定的柔性，以減少穴苗損傷率和苗坨破碎率。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)的自動(dòng)取苗機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)穴盤苗自動(dòng)移栽。</p><p>　?。?）從機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個(gè)方面提高移栽作業(yè)效率。</p><p>　?。?）加強(qiáng)育苗技術(shù)、溫室設(shè)備與移栽機(jī)的配套技術(shù)

39、研究。</p><p>　　通過對(duì)移栽機(jī)取苗裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)取苗、喂苗的自動(dòng)化，大大提高穴盤苗移栽的生產(chǎn)效率，促進(jìn)穴盤移栽機(jī)全自動(dòng)化的發(fā)展。</p><p>　　1.4取苗裝置的研究技術(shù)路線</p><p>　　第二章 穴盤苗的研究特性</p><p>　　針對(duì)農(nóng)作物的種植特點(diǎn)和實(shí)際的農(nóng)藝要求，為設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)合理的取苗裝置，對(duì)穴盤苗的形態(tài)和

40、物理特性進(jìn)行了研究。</p><p>　　2.1穴盤苗的形態(tài)特性研究 </p><p>　　穴盤苗的株高、葉面展幅、莖粗等是評(píng)價(jià)壯苗標(biāo)準(zhǔn)的重要形態(tài)參數(shù)。因此測(cè)量自然環(huán)境下穴盤苗自身形態(tài)特性，是設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的取苗裝置的關(guān)鍵之一。這里我們選擇番茄作為研究對(duì)象。</p><p>　　2.1.1 試驗(yàn)儀器 </p><p>　　刻度尺，精度為 1

41、 mm；游標(biāo)卡尺，精度為 0.1 mm；電子天平，型號(hào)為 JJ3000，最大承重 3 kg，精度為 0.1 g；水分測(cè)試儀，型號(hào)為 MA45C-000230V1，精度值為 0.001 g。 </p><p>　　2.1.2 試驗(yàn)對(duì)象與方法 </p><p>　　試驗(yàn)選取 30 天苗齡、128 穴的番茄穴盤苗為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)用苗如圖2-1 所示。對(duì)穴盤苗的基本形態(tài)特征株高、葉面展幅和莖粗等

42、使用游標(biāo)卡尺測(cè)量；用電子天平測(cè)得穴盤苗的重量。</p><p>　　2.1.2番茄穴盤苗 </p><p>　　其中，莖粗是指靠近基質(zhì)上部 20~40 mm 的莖稈的平均直徑；株高是指基質(zhì)和露出的苗的整體高度葉面展幅是指真葉中最外兩點(diǎn)的水平距離。測(cè)量過程如圖 2-2 所示。</p><p>　　2-2番茄穴盤苗莖粗測(cè)量</p><p>　　

43、2.1.3 番茄穴盤苗的形態(tài)特性 </p><p>　　根據(jù)測(cè)量所得的番茄穴盤苗的形態(tài)參數(shù)，培育的番茄穴盤與大棚移栽的穴盤苗實(shí)際情況吻合，滿足穴盤苗的移栽標(biāo)準(zhǔn)，可作為后續(xù)取苗裝置試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)對(duì)象。穴盤苗個(gè)體之間存在著差異較大，設(shè)計(jì)取苗裝置時(shí)需要考慮穴盤苗間個(gè)體差異。穴盤苗的苗高、株高、葉面展幅、莖粗等因素會(huì)直接影響取苗裝置的實(shí)際作業(yè)效果。</p><p>　　表2-1番茄穴盤苗的形態(tài)參數(shù)

44、</p><p>　　2.2番茄穴盤苗的物理特性研究 </p><p>　　為保證取苗成功率，針對(duì)穴盤苗的物理特性進(jìn)行有性的分析研究。番茄穴盤苗的物理特性研究包括穴盤苗最佳含水率、穴盤苗不同含水率的翻轉(zhuǎn)比、摩擦角以及穴盤苗的基質(zhì)頂出力和抗壓力的測(cè)定。 </p><p>　　2.2.1 穴盤苗基質(zhì)含水率 </p><p>　　基質(zhì)含水率是指穴

45、盤苗基質(zhì)含有水分的比例，即基質(zhì)中含有水的質(zhì)量與基質(zhì)不含水時(shí)兩者的比值，即：C = M1/M2 X 100%</p><p>　　式中：C——含水率； </p><p>　　M1——常態(tài)的基質(zhì)塊的質(zhì)量； </p><p>　　M2——烘干后的基質(zhì)塊的質(zhì)量</p><p>　　表 2-2 基質(zhì)含水率的測(cè)定</p><p>

46、;　　通過表 2-2 看出，該狀態(tài)的穴盤苗的含水率的范圍為27.5 %~33. 8 %。該狀態(tài)下的穴盤苗的平均基質(zhì)含水率為 31.5 %。然而當(dāng)含水率低25%，由于基質(zhì)過于干燥、易碎，很難被主針拉出；當(dāng)基質(zhì)含水率高35%時(shí)，基質(zhì)濕度太大，基質(zhì)強(qiáng)度比較低，也很難被主針拉出。其原因是含水率太低或者太高時(shí)基質(zhì)與苗盤間的粘滯性降低，不利于移栽的作業(yè)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，得出適宜取苗的基質(zhì)含水率的范圍為 25 %~35 %</p><

47、;p>　　2.2.2 基質(zhì)的強(qiáng)度 </p><p>　　基質(zhì)強(qiáng)度是土壤力學(xué)中最基本的部分?；|(zhì)的抗壓強(qiáng)度既受限于基質(zhì)本身的配比的影響，又受限于生長(zhǎng)環(huán)境的影響。在穴盤苗基質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的研究中，對(duì)不同組成的育苗基質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，將含沙的基質(zhì)與草炭以 2:3 比例混合，再以 5~7 kgf/cm2的壓力進(jìn)行壓實(shí)的基質(zhì)塊為硬土，及以1~2 kgf/cm2的壓力進(jìn)行壓實(shí)的基質(zhì)塊為軟土基質(zhì)的強(qiáng)度測(cè)定是對(duì)穴盤苗基質(zhì)拉出

48、力與抗壓力的測(cè)量，為最終取苗取苗成功率的試驗(yàn)研究作理論依據(jù)。 </p><p><b>　?。?）基質(zhì)拉出力 </b></p><p>　　基質(zhì)拉出力是指主針把基質(zhì)從穴盤中拉出來需要的力，主要包括穴盤苗自身的重力、穴盤苗基質(zhì)與穴盤的粘滯力以及穴盤苗與周圍的穴盤苗相互之間的干涉力等組成?；|(zhì)拉出力的測(cè)定步驟是用彈簧秤直接從上面拉取穴盤苗，在拉出的瞬間記錄彈簧稱的讀數(shù)，即

49、近似為基質(zhì)的拉出力。</p><p>　　圖2-3含水率與基質(zhì)頂出力的關(guān)系</p><p>　　通過圖 2-3 所示對(duì)穴盤苗進(jìn)行基質(zhì)頂出力的測(cè)定，基質(zhì)含水率為25 %時(shí)，基質(zhì)拉出力約為1.2 N；基質(zhì)含水率30%時(shí)，基質(zhì)拉出力約為2.5 N；基質(zhì)含水率為 35 %時(shí)，基質(zhì)頂出力約3.0N。由此可以看出基質(zhì)的頂出力隨著含水率的增大而增大，且受穴盤苗自身重量的影響比較大。</p>

50、<p><b>　?。?）基質(zhì)抗壓力 </b></p><p>　　基質(zhì)抗壓力是指一定含水率的基質(zhì)塊可以承受主針最大的壓力?；|(zhì)抗壓力的測(cè)定是從穴盤中取出一定含水率的穴盤苗，用剪刀剪去苗以上的部分，只留基質(zhì)部分做后續(xù)試驗(yàn)；打開電子天平，放上基質(zhì)大頭朝下倒置在天平表面，對(duì)電子天平進(jìn)行調(diào)零操作，即放上基質(zhì)后電子天平顯示為零；用取苗裝置設(shè)計(jì)的主針從基質(zhì)上部?jī)A斜向下壓迫基質(zhì)，直至基質(zhì)出現(xiàn)

51、破裂為止，記錄電子天平的顯示數(shù)值；用所測(cè)數(shù)值乘以當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋℅=mg），得到基質(zhì)抗壓力的大小。</p><p>　　圖2-4含水率與基質(zhì)抗壓力的關(guān)系</p><p>　　通過圖 2-4 所示對(duì)穴盤苗進(jìn)行基質(zhì)抗壓力的測(cè)定，基質(zhì)含水率為 25 %時(shí)，基質(zhì)抗壓力約為 1.5 N；基質(zhì)含水率為 30 %時(shí)，基質(zhì)抗壓力約為 6.0 N；基質(zhì)含水率為 35 %時(shí)，基質(zhì)抗壓力約為 3.1 N。 由

52、此可以看出基質(zhì)抗壓力隨著含水率的增大先增大后減小，且受穴盤苗自身重的影響比較大。在穴盤苗完整的情況下，含水率在 20 %~35 %之間，由于有根系的影響。在軟土的強(qiáng)度試驗(yàn)中澆水量對(duì)于基質(zhì)強(qiáng)度并無明顯的影響，但是在有根系的硬土塊實(shí)驗(yàn)中，基質(zhì)含水率對(duì)基質(zhì)抗壓力影響比較大。其原因在于含水率太低或者太高時(shí)基質(zhì)與苗盤間的粘滯性降低，不有利于移栽的作業(yè)。</p><p>　　2.2．3 穴盤苗的摩擦角 </p>

53、<p>　　穴盤苗的摩擦角是制約拉出成功率的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)穴盤苗處于滑動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，靜摩擦力達(dá)到最大值，此時(shí)外力與拉力的夾角也最大，此時(shí)的角度稱為穴盤苗的摩擦角。</p><p>　　摩擦角測(cè)量是通過隨機(jī)選擇 32 株穴盤苗，要求表面濕度近似于移栽含水率，置于和穴盤的 PS 塑料板上，將塑料板一段升高，逐漸增大傾斜角直至穴苗盤基質(zhì)開始下滑，記錄下此時(shí)塑料板與水平面之間的夾角(角度測(cè)量?jī)x)，分別測(cè)量

54、30株穴盤機(jī)制的摩擦角求其平均值作為實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。</p><p>　　圖2-5含水率與摩擦角的關(guān)系</p><p>　　通過圖 2-5 看出對(duì)穴盤苗進(jìn)行穴盤苗的摩擦角的測(cè)定，基質(zhì)含水率為 25 %時(shí)，穴盤苗的摩擦角約30°；基質(zhì)含水率為 30 %時(shí)穴盤苗的摩擦角約為 35°；基質(zhì)含水率為35 %時(shí)，穴盤苗的摩擦角約為 40°。 </p><

55、p>　　由此可以看出穴盤苗的摩擦角隨著含水率的增大先增大，且受穴盤苗自身重量的影響比較大。</p><p>　　第三章 取苗裝置整體方案設(shè)計(jì) </p><p>　　3.1 取苗裝置的總體設(shè)計(jì)要求分析</p><p>　　旨在開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、取苗質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)適用的移栽機(jī)取苗機(jī)械手。通過對(duì)取苗機(jī)械手、穴盤定位平臺(tái)、喂苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用PLC控制技術(shù)自

56、動(dòng)完成取苗、喂苗，實(shí)現(xiàn)穴盤苗的自動(dòng)化移栽。此外，該移栽機(jī)體積相對(duì)較小，抓取穴盤苗模擬手指的動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)軌跡靈活可靠，適應(yīng)不同根系結(jié)構(gòu)的蔬菜缽苗的抓取，能夠滿足不同穴盤結(jié)構(gòu)、穴格的間距、取苗效率和并排取苗的要求，可靠性和靈活性較高，對(duì)中小型農(nóng)戶均適用。移栽過程中取苗、喂苗部分自動(dòng)化是全自動(dòng)移栽機(jī)擬解決的關(guān)鍵技術(shù)，主要在以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）采用基于PLC控制的針扎式取苗機(jī)械手，取苗穩(wěn)定、作業(yè)效率高

57、、不易傷根；</p><p>　?。?）穴盤的送苗由兩個(gè)一維線性模組構(gòu)成二維定位平臺(tái)，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下定位平臺(tái)帶動(dòng)穴盤沿XY兩個(gè)方向精確定位，保證穴盤苗的準(zhǔn)確送苗，定位速度快，系統(tǒng)重復(fù)性好。</p><p>　?。?）基于PLC控制的針扎式取苗機(jī)械手，與穴盤精密定位平臺(tái)相結(jié)合，完成“穴盤定位—自動(dòng)送苗—缽苗抓取—缽苗投放”，實(shí)現(xiàn)取苗、喂苗的自動(dòng)化，大大提高穴盤苗移栽的生產(chǎn)效率。 </

58、p><p>　　3.2取苗裝置的工作原理分析</p><p>　　機(jī)械手的工作過程，如圖1所示。首先機(jī)械手進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即由初始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到取苗點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)過程包括升降運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)，根據(jù)穴盤苗的大小，控制升降運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)的距離。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到取苗點(diǎn)后保持合適的取苗姿態(tài)；然后機(jī)械手的兩根針在氣缸的推動(dòng)下伸出并以30~45°的方向插入缽苗，接著機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)90°，即機(jī)械手由取苗點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到投苗

59、點(diǎn)，在投苗點(diǎn)機(jī)械手兩根手指退回，缽苗被機(jī)械手外罩殼的擋板結(jié)構(gòu)與手指分離并在穴盤苗的重力作用下進(jìn)入導(dǎo)苗管，完成一次取苗循環(huán)。當(dāng)機(jī)械手再次運(yùn)動(dòng)到取苗點(diǎn)時(shí)，穴盤在二維定位平臺(tái)的控制下穴盤苗向前移動(dòng)一個(gè)穴位，機(jī)械手完成又一次取苗回到起點(diǎn)。機(jī)械手和穴盤定位平臺(tái)相配合依次完成整個(gè)穴盤的取苗、投苗動(dòng)作?？紤]到穴盤的結(jié)構(gòu)、相鄰穴格的間距，以及穴盤苗的大小不同，針扎式取苗機(jī)械手指部分可以根據(jù)缽苗的大小及時(shí)調(diào)節(jié)更換，取苗穩(wěn)定，不易傷根。</p>

60、<p>　　穴盤苗移栽機(jī)械手主要由機(jī)械手指、手指安裝定位元件、穴盤定位平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置（包括水平氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸），其中機(jī)械手指和定位平臺(tái)是機(jī)械手的核心部件。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由可編程邏輯控制器控制電磁閥帶動(dòng)氣缸來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手工作時(shí)，可編程邏輯控制器發(fā)出控制指令控制電磁閥及升降、水平氣缸帶動(dòng)機(jī)械手做升降和水平位移，通過行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在苗盤上的準(zhǔn)確定位；在90°旋轉(zhuǎn)氣缸的作用下，機(jī)械手完成從取苗點(diǎn)

61、到投苗點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)定位動(dòng)作。為了提高穴盤定位平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度和系統(tǒng)數(shù)字控制的要求，此處選用體積小、重量輕的步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源。傳動(dòng)鏈?zhǔn)前褎?dòng)力元件的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成滑塊的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)輸出通過行星齒輪減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成了滾珠絲桿上螺母的直線運(yùn)動(dòng)。穴盤的送苗由兩個(gè)一維線性模組構(gòu)成二維定位平臺(tái)，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下定位平臺(tái)帶動(dòng)穴盤沿XY兩個(gè)方向精確定位，保證穴盤苗的準(zhǔn)確送苗，定位速度快，系統(tǒng)重復(fù)性好。</p><p>

62、　　3.3取苗裝置的動(dòng)力源及傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)分析</p><p>　　自動(dòng)移栽機(jī)的取苗裝置是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力來源進(jìn)行實(shí)現(xiàn)取苗過程的。采用氣動(dòng)的主要有點(diǎn)是，空氣容易獲取、且工作壓力低，用過的空氣可就地排放，無需回收管道。 .氣的粘性小、流動(dòng)阻力損失小，便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。氣動(dòng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度高，氣動(dòng)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，能在溫度范圍很寬，潮濕和有灰塵的環(huán)境下可靠工作，稍有漏泄不會(huì)污染環(huán)境，無火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)，使用

63、安全。.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低廉。氣動(dòng)元件壽命長(zhǎng)，氣動(dòng)元件的執(zhí)行輸出比液壓小、運(yùn)動(dòng)較快、適應(yīng)性強(qiáng)、可在易然、易爆、多沉、潮濕、沖擊的惡劣環(huán)境中工作，不污染環(huán)境，工作壽命長(zhǎng)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，價(jià)格低廉。根據(jù)需求，此處所采用的空氣壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　　型號(hào)：OTS750 外形尺寸：56x24x57cm</p><p>　　重量：19KG

64、 儲(chǔ)氣容積：18L</p><p>　　轉(zhuǎn)速：1380r/min 匹配功率：750W</p><p>　　公稱容積流量：60L/min 額定排氣壓力：0.7Mpa</p><p>　　傳動(dòng)裝置主要包括伸縮氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、垂直氣缸，其中，水平氣缸帶動(dòng)取苗裝置的水平伸縮運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)氣缸主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到實(shí)現(xiàn)從取苗點(diǎn)到投

65、苗點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，而垂直氣缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的上下運(yùn)動(dòng)。水平氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸，垂直氣缸作何運(yùn)動(dòng)則是由可編程控制器控制繼電器，繼電器再控制三位五通的電磁閥來實(shí)現(xiàn)的氣流的通斷。</p><p>　　3.4利用UG建立的整體樣機(jī)模型</p><p>　　整個(gè)取苗裝置有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，PLC控制機(jī)構(gòu)，其整體樣機(jī)建模如圖3-1示所示。</p><p>　　圖3-1取苗機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)圖

66、</p><p>　　第四章 穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1取苗裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及外形設(shè)計(jì)</p><p>　　取苗裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有穴盤定位平臺(tái)、機(jī)械手臂，機(jī)械手指及機(jī)械手的底座，其中最關(guān)鍵的部位是機(jī)械手指的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.1.1 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)

67、械手臂是支承缽苗、機(jī)械手指的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)機(jī)械手指去抓取缽苗，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。機(jī)械手臂由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(水平氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸)與驅(qū)動(dòng)源(氣壓)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。圖3-4所示是機(jī)械手的三維建模結(jié)構(gòu)示意圖。該手臂由水平臂、升降臂、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)三部分組成。水平臂負(fù)責(zé)手指的水平推進(jìn)動(dòng)作，完成缽苗的抓??；升降臂在升降氣缸的推動(dòng)下完成機(jī)械手垂直方向的升降動(dòng)作；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在旋轉(zhuǎn)氣缸的作用下完成從取苗點(diǎn)到

68、投苗點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)定位動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)角度90°。</p><p>　　1-水平氣缸 2- 機(jī)械手指 3-直角件 4-連接元件1 5-連接元件2 6-旋轉(zhuǎn)氣缸 7-升降氣缸</p><p>　　圖4-4機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　4.1.2機(jī)械手指的設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)械手指由兩根取苗針、安裝連接元件

69、和機(jī)械手退苗機(jī)構(gòu)組成，圖3-5為機(jī)械手指部分的三維結(jié)構(gòu)示意圖。兩根針在氣缸的推動(dòng)下伸出并以30~45°的方向插入苗缽這樣的角度將缽苗夾持可以保證缽苗不滑落，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，提高了機(jī)械手抓取的適應(yīng)性，針對(duì)不同的缽苗抓取效率高，不傷苗。</p><p>　　機(jī)械手退苗機(jī)構(gòu)是由四塊鋁合金板連接而成的矩形殼體，該罩殼水平軸相連接組成機(jī)械手的水平臂，主要起固定機(jī)械手手指、退苗及投苗作用。機(jī)械手罩殼下放的矩

70、形孔保證缽苗能夠順利落下，完成投苗動(dòng)作。</p><p>　　1-水平氣缸 2- 擋苗機(jī)構(gòu) 3-機(jī)械手指</p><p>　　圖4-5 機(jī)械手指三維結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　機(jī)械手指的最關(guān)鍵部位是手指前端的兩根主針，主針插入苗缽，既要能輕松便捷的插入苗缽能順利把幼苗取出穴盤，以及還要做到不傷幼苗，盡量做到不傷到幼苗的根和葉，保證幼苗的完整，使得幼苗的移栽

71、成活率大大提高，所以把手指的取苗機(jī)構(gòu)做成針的形式，由于穴盤苗基質(zhì)的深度大約有8cm，根據(jù)針斜插入基質(zhì)的方式，并以30~45°角度插入基質(zhì)，針只需插入基質(zhì)4到5厘米深處，所以針的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成6至8厘米即可，針的三維建模如圖4-6所示。</p><p>　　4-6機(jī)械手指的主針三維圖</p><p>　　圖4-7所示是穴盤苗移栽機(jī)械手底座的三維建模結(jié)構(gòu)示意圖。由于考慮到機(jī)械手臂在旋轉(zhuǎn)氣

72、缸的帶動(dòng)下，會(huì)有一個(gè)很大的沖擊力，使得機(jī)械手臂在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)晃動(dòng)，所以經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究，該底座設(shè)計(jì)成由一塊連接板和兩個(gè)氣缸支柱組成，底座與移栽機(jī)相連接用螺母固定，兩根支柱與旋轉(zhuǎn)氣缸相連接，起到固定和支撐整個(gè)機(jī)械臂的作用，這樣就減少了機(jī)械手臂的晃動(dòng)，從而使得取苗時(shí)手臂運(yùn)動(dòng)的更加平穩(wěn)，同時(shí)一板兩支柱的結(jié)構(gòu)保證了機(jī)械手旋轉(zhuǎn)時(shí)的剛度和穩(wěn)定性，起到很好的止轉(zhuǎn)作用，極大地增加了取苗的成功率，和很好的防止了運(yùn)動(dòng)過程中因?yàn)槎秳?dòng)而造成的缽苗脫落，傷到幼苗

73、。</p><p>　　圖4-7機(jī)械手底座三維結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.1.3 穴盤定位平臺(tái)設(shè)計(jì)</p><p>　　穴盤的送苗由兩個(gè)一維線性模組構(gòu)成二維定位平臺(tái)，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下定位平臺(tái)帶動(dòng)穴盤沿XY兩個(gè)方向精確定位，保證穴盤苗的準(zhǔn)確送苗，定位速度快，系統(tǒng)重復(fù)性好。穴盤定位平臺(tái)是用來帶動(dòng)穴盤的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)為取苗裝置送苗的動(dòng)作，穴盤苗定位平臺(tái)三維建模如圖3-

74、1所示。穴盤定位平臺(tái)由動(dòng)力元件、傳動(dòng)鏈、十字交叉導(dǎo)軌和滾珠絲杠平臺(tái)等組成二維定位系統(tǒng)，穴盤固定在錐形托盤內(nèi)，托盤與交叉導(dǎo)軌上的連接接法蘭固定。動(dòng)力元件就是驅(qū)動(dòng)滑塊的動(dòng)力源，為了提高平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度和系統(tǒng)數(shù)字控制的要求，此處選用體積小、重量輕并帶有伺服電機(jī)作為動(dòng)力源。傳動(dòng)鏈?zhǔn)前褎?dòng)力元件的動(dòng)力轉(zhuǎn)換成滑塊的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)輸出通過行星齒輪減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成了滾珠絲桿上螺母的直線運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)塊直接和螺母固聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)

75、動(dòng)十字交叉導(dǎo)軌上的滑塊移動(dòng)，帶動(dòng)滑塊上固定板移動(dòng)。十字交叉導(dǎo)軌是用來實(shí)現(xiàn)給定滑塊直線運(yùn)動(dòng)軌跡的導(dǎo)向裝置，有較高的傳動(dòng)精度和可靠性。</p><p>　　1-滾珠絲杠； 2-線性模組；3-連接法蘭</p><p>　　圖4-1定位平臺(tái)三維結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　托盤用來支撐穴盤，并隨著定位平臺(tái)一起移動(dòng)，材料采用不繡鋼，厚度為1mm,托盤根據(jù)育苗穴盤的大小及外形設(shè)計(jì)

76、如圖3-2所示：</p><p>　　圖4-2托盤的工程圖</p><p>　　根據(jù)定位平臺(tái)以及托盤的設(shè)計(jì)分析，定位平臺(tái)與托盤組成為機(jī)械手送苗的送苗機(jī)構(gòu)，通過PLC控制實(shí)現(xiàn)穴盤自動(dòng)定位，為機(jī)械手自動(dòng)送苗，從而實(shí)現(xiàn)取苗、送苗的全自動(dòng)。穴盤定位平臺(tái)的總裝圖如圖3-3所示：</p><p>　　1-托盤；2 -連接法蘭 3絲桿 4線性模組</p><p

77、>　　圖4-3穴盤定位平臺(tái)總裝圖</p><p>　　綜上述，取苗裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖4-8所示：</p><p>　　圖4-8取苗裝置與定位總裝圖平臺(tái)的</p><p>　　4.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析</p><p>　　動(dòng)力裝置是驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn):不用增速機(jī)構(gòu)

78、就能獲得較高的運(yùn)動(dòng)速度，這正是簡(jiǎn)易型機(jī)械手的一項(xiàng)主要性能；氣源方便，空氣泄漏無害，因此對(duì)管路要求低，適應(yīng)易爆、易燃等惡劣環(huán)境；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保養(yǎng)成本低；可將水平氣缸和升降氣缸做成手臂的一部分，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性好。</p><p>　　穴盤苗機(jī)械手的動(dòng)力裝置由水平氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸三部分組成，水平氣缸帶動(dòng)水平軸為取苗針的推進(jìn)取苗提供動(dòng)力；升降氣缸帶動(dòng)升降軸負(fù)責(zé)完成手臂豎直方向的升降動(dòng)作；旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸完成從取苗

79、點(diǎn)到投苗點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度90°。氣壓 驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)氣缸只需承受水平氣缸及連接件重力，伸縮氣缸只需推動(dòng)主針和承受基質(zhì)的重力，由于旋轉(zhuǎn)氣缸和伸縮氣缸所需的力都不大，所以旋轉(zhuǎn)氣缸采用常用的小型號(hào)的MGA20x90°、M=0.6kg,伸縮氣缸采用MA16x50、M=0.7kg。連接件的質(zhì)量為0.3kg,主針及擋苗機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為0.1kg,一個(gè)穴盤

80、苗的基質(zhì)質(zhì)量大約為0.3kg至0.4kg左右。但垂直氣缸所需向上的推力包括旋轉(zhuǎn)氣缸、伸縮氣缸、連接件以及穴盤苗的總重力。為了不使垂直氣缸的推力過大，或者拉力過小，而造成機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)，所以需要對(duì)垂直氣缸需要多大的推力計(jì)算。</p><p>　　垂直氣缸所需向上的推力：</p><p><b>　　G=mg </b></p><p>　　= (0

81、.6+0.7+0.3++0.1+0.35)x9.8kg/N</p><p><b>　　=20.09N.</b></p><p>　　由氣缸的理論推力公式可知，</p><p>　　F=0.25πD2P D―氣缸活塞直徑（mm）</p><p>　　D=F/0.25π2P P―氣缸的

82、工作壓力（kgf/mm ²）</p><p>　　=20.09/0.25π2P F―氣缸的理論推力(N)</p><p><b>　　=18.3mm</b></p><p>　　因氣缸的推力應(yīng)大于所需客服的重力，結(jié)合氣缸的標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，采用內(nèi)徑為20mm的氣缸，則選型的氣缸理論推力為：</p><p>

83、　　F=0.25πD2P</p><p><b>　　=21.98N</b></p><p>　　因氣缸的理論推力21.98N大于20.09N,所以垂直氣缸選型合理。根據(jù)機(jī)械手上升的高度為4至5厘米，所以采用氣缸行程為50mm.綜上所述，垂直氣缸采用的型號(hào)為TDA20x50的雙氣缸，旋轉(zhuǎn)氣缸采用MGA20x90°的型號(hào)，伸縮氣缸采用MA16x50的型號(hào)。&l

84、t;/p><p>　　4.3 機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析</p><p>　　控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。穴盤苗移栽機(jī)取苗機(jī)械手采用PLC 控制氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作, 同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，通過行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位。自動(dòng)控制裝置保證穴盤苗機(jī)械手取苗器能準(zhǔn)確的投入穴盤的種穴中，保證種苗的準(zhǔn)確夾持。</p><p>　　該機(jī)械手采

85、用氣動(dòng)控制裝置，所有動(dòng)作由氣動(dòng)完成，它的上升和下降、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)均采用三位五通電磁閥分別控制升降氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸運(yùn)動(dòng)完成。機(jī)械手的取苗/投苗采用電磁閥控制水平氣缸運(yùn)動(dòng)完成。機(jī)械手各動(dòng)作的轉(zhuǎn)換靠限位開關(guān)來控制，限位開關(guān)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行下降、上升、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)等動(dòng)作的限位，并給出動(dòng)作到位的信號(hào)。而機(jī)械手指部分的取苗、投苗動(dòng)作的轉(zhuǎn)換由時(shí)間繼電器來控制。</p><p>　　4.3.1 PLC控制電路接線分析</p>

86、<p>　　該機(jī)械手選用西門子S7-200型可編程邏輯控制器，如圖3-9所示。這種PLC功能強(qiáng)、體積小、性能價(jià)格比高。選用該P(yáng)LC來完成“穴盤定位—缽苗抓取—缽苗定位—缽苗投放”這一系列動(dòng)作的準(zhǔn)確定位和過程控制。以下是PLC控制電路圖。</p><p>　　PLC電路圖如圖10、11所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)打到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過開關(guān)SA來控制相應(yīng)的繼電器從而控制相應(yīng)的氣缸達(dá)到要求的動(dòng)作。SA1為控制1號(hào)垂直缸的

87、開關(guān)，SA2為控制2號(hào)旋轉(zhuǎn)缸的開關(guān)，SA3為控制3號(hào)水平缸的開關(guān)。按下開關(guān)SA1,1號(hào)垂直缸下降，按下開關(guān)SA2,2號(hào)旋轉(zhuǎn)缸左旋90°，按下開關(guān)SA3,3號(hào)水平缸伸出。</p><p>　　當(dāng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)打到自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SB1,程序啟動(dòng)，由PLC內(nèi)部程序控制繼電器動(dòng)作；按下停止按鈕SB2，機(jī)械手停止在當(dāng)前工作狀態(tài)；按下復(fù)位按鈕SB3，機(jī)械手回復(fù)到設(shè)定的初始工作位置。</p><

88、;p>　　圖4-9 PLC控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4-10 PLC控制電路接線圖</p><p>　　圖4-11 主電路接線圖</p><p>　　控制面板根據(jù)線路及接線的要求設(shè)計(jì)制作如圖4-12所示：</p><p>　　圖4-12控制面板的設(shè)計(jì)工程圖</p><p>　　4.3.2 PLC的程序編制分

89、析</p><p>　　機(jī)械手完成取苗的動(dòng)作，需用可編程控制程序來控制機(jī)械手的動(dòng)作，根據(jù)動(dòng)作要求，對(duì)程序的編程有以下幾點(diǎn)分析：</p><p>　　動(dòng)作順序：左轉(zhuǎn)（90°）—下降—取苗—上升—右轉(zhuǎn)（90°）—投苗；左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)動(dòng)作由90°旋轉(zhuǎn)氣缸完成，上升/下降由升降氣缸完成，取苗/投苗由水平氣缸完成</p><p>　　時(shí)間間隔：時(shí)間間

90、隔先長(zhǎng)一點(diǎn)，調(diào)試以后再縮短</p><p>　　機(jī)械手各動(dòng)作的轉(zhuǎn)換靠限位開關(guān)來控制</p><p>　　停止與復(fù)位 a.停止：程序開始以后是無限循環(huán)，按停止以后，程序繼續(xù)走完一個(gè)循環(huán)才能結(jié)束 b.急停：按急停以后，立刻停止，再按復(fù)位完成循環(huán)。</p><p>　　4.3.3PLC程序</p><p>　　LD start

91、 （start地址I0.0）</p><p>　　O M0.0</p><p><b>　　LPS</b></p><p>　　AN stop_s (stop_s地址I0.1)</p><p>　　= M0.0

92、</p><p><b>　　LPP</b></p><p>　　CALL 自動(dòng)控制子程序 (自動(dòng)控制子程序地址SBR1)</p><p>　　LD re_start (re_start地址I1.0)</p><p>　　O

93、M0.1</p><p><b>　　LPS</b></p><p>　　AN M0.2</p><p>　　= M0.1</p><p><b>　　LPP</b></p><p>　　CALL 復(fù)位子程序 (復(fù)

94、位子程序地址SBR0)</p><p>　　LD back (back地址I0.6 )</p><p>　　A up (up地址I0.2)</p><p>　　= M0.2</p><p><b&g

95、t;　　復(fù)位子程序</b></p><p>　　LD SM0.0</p><p>　　R Q0.1, 1</p><p>　　TON T37, +60</p><p>　　LD T37</p><p>　　R Q0.2, 1</p><p>

96、　　TON T38, +60</p><p>　　LD T38</p><p>　　= Q0.0</p><p><b>　　自動(dòng)控制子程序</b></p><p>　　LD M0.0</p><p>　　R Q0.0, 1</p><

97、p>　　AN T40</p><p>　　AN Q0.1</p><p>　　AN Q0.2</p><p>　　TON T40, 30</p><p>　　LD T40</p><p>　　O Q0.1</p><p>　　AN M

98、1.0</p><p>　　= Q0.1</p><p>　　LD down (down地址I0.5)</p><p>　　TON T41, 10</p><p>　　LD T41</p><p>　　O Q0.2</p>

99、<p>　　AN M1.1</p><p>　　= Q0.2</p><p>　　LD front (front地址I0.4)</p><p>　　TON T42, 10</p><p>　　LD T42</p><p>　　=

100、 M1.0</p><p>　　LD up (up地址I0.2)</p><p>　　TON T43, 10</p><p>　　LD T43</p><p>　　S Q0.0, 1</p><p>　　TON T44, 15

101、</p><p>　　LD T44</p><p>　　= M1.1</p><p>　　LD back ( back地址I0.6)</p><p>　　TON T45, 15</p><p>　　LD T45</p>&

102、lt;p>　　R Q0.0, 1</p><p>　　第五章 穴盤的步進(jìn)定位控制分析</p><p>　　5.1步進(jìn)定位控制精度的要求分析</p><p>　　該取苗機(jī)構(gòu)采取從穴盤基質(zhì)上部插入的方式來實(shí)現(xiàn)取苗過程，因此對(duì)取苗系統(tǒng)中苗盤輸送定位控制的精度提出了要求。該取苗機(jī)構(gòu)用來移取穴盤型號(hào)為 3×4穴格的穴盤苗，每一錐形穴孔上截面尺寸為：

103、32mm×32mm，下截面尺寸為：13mm×13m，參考《新機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于優(yōu)先、常用配合極限間隙的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),最終確定苗盤輸送定位所允許的最大位置誤差為：s = ±0.8mm，若定位偏差超過該距離，則取苗主針很可能不能順利地插入基質(zhì)中將秧苗取出。</p><p>　　5.2步進(jìn)定位控制下的理論分析</p><p>　　在穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)中，步進(jìn)電機(jī)常

104、被用作典型的驅(qū)動(dòng)裝置來帶動(dòng)線性模組運(yùn)行,并結(jié)合行程開關(guān)、限位開關(guān)或位置傳感器來構(gòu)成簡(jiǎn)單的閉環(huán)定位控制系統(tǒng)，該取苗機(jī)構(gòu)中苗盤的間歇式輸送定位采用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。采用PLC系統(tǒng)來對(duì)該穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，該步進(jìn)輸送定位控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、減速器、苗盤輸送機(jī)構(gòu)以及位置傳感器這六部分組成，簡(jiǎn)單閉環(huán)步進(jìn)定位控制下控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 5-1 所示，下面將具體計(jì)算該控制方式下的理論定位精度。</p>

105、;<p>　　圖 5-1 控制系統(tǒng)框圖 </p><p>　　5.3定位精度的計(jì)算分析</p><p>　　取苗機(jī)構(gòu)中苗盤輸送由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性來帶動(dòng),并通過位置傳感器將苗盤位移信息反饋給控制器，位置傳感器選取測(cè)量行程為 100mm, 線性精度為 0.01%(即 0.01mm)的直線編碼器。苗盤輸送時(shí)放置 1個(gè)穴苗盤，針對(duì)每個(gè)苗盤進(jìn)行取苗時(shí),每移取完一個(gè)秧苗，步進(jìn)電機(jī)就驅(qū)

106、動(dòng)線性模組帶動(dòng)苗盤向下移動(dòng) 1 個(gè)穴孔的距離 L（32mm），直至移取完整個(gè)苗盤的 3排秧苗。由于前一個(gè)苗盤與后一個(gè)苗盤之間的距離為 L，因此在前一個(gè)苗盤的最后一排秧苗移取完之后以及后一個(gè)苗盤的第一排秧苗移取之前，即在兩個(gè)苗盤進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間，步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動(dòng)線性模組向下移動(dòng) 2 個(gè)穴孔的距離 2L（64mm），此后再重復(fù)前一個(gè)苗盤秧苗的移取過程，直至完成下一個(gè)苗盤的秧苗移取工作。其中,線性模組向下移動(dòng) L 的距離，步進(jìn)電機(jī)需要運(yùn)轉(zhuǎn)的步距角

107、數(shù)為：</p><p>　　N =L/πd2×360°/﹙θ1／n0﹚ (5-1)</p><p>　　式中，d2為電機(jī)直徑,為 32mm；θ1為步進(jìn)電機(jī)的步距角,為 1.8°；n0為減速器的減速比,為 10，故減速之后的單步角為：θ2=θ1／n0=0.18°。將各值代入（5-1）式得：n=2000/π ，由于n為整數(shù)量，計(jì)算并取整得：n =

108、637,其中誤差為:Δn= 0.620,故步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的角度為：θ=n×θ1。</p><p>　　由于步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差而無累積誤差,且步進(jìn)電機(jī)的精度一般為步距角的3-5%,故整個(gè)工作過程中步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最大角度誤差為：Δθ=（Δn+5%）θ1 ,則最大相對(duì)角度誤差為：</p><p>　　σ0＝Δθ／θ×100% (5-2)</p><

109、;p>　　將Δθ、θ 以及 n 的值代入（5-2）式得：σ0 =0.105%。而苗盤輸送定位控制所允許的最大相對(duì)位置誤差為：</p><p>　　σ1＝|s|／2L×100%</p><p>　　式中，s 為苗盤輸送定位所允許的最大位置誤差，2L 為苗盤轉(zhuǎn)換過程中輸送帶向下移動(dòng)的距離，代入數(shù)值得：σ1=1.25%。由于苗盤輸送的距離與步進(jìn)電機(jī)所運(yùn)轉(zhuǎn)的角度θ呈正比例關(guān)系,所以

110、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所允許的最大相對(duì)角度誤差為：σ2=σ1＝1.25%.</p><p>　　由于σ0＜σ2,故經(jīng)過以上計(jì)算和分析可知,簡(jiǎn)單的帶位置負(fù)反饋的步進(jìn)定位控制系統(tǒng)的定位精度理論上能夠滿足苗盤輸送的定位精度要求。</p><p>　　第六章 取苗裝置的實(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　6.1 影響取苗因素分析</p><p>　　取苗裝置的取苗效

111、果受到很多因素的影響，例如穴盤苗基質(zhì)的含水率、基質(zhì)的強(qiáng)度，氣體壓力、穴盤摩擦角度、主針的寬度以及手臂的角度等等。下面就通過實(shí)驗(yàn)具體分析取苗裝置的取苗成功率，選取重要的具有代表性的因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)理論和實(shí)際的分析，了解其影響效果，為參數(shù)的選擇和機(jī)構(gòu)的改進(jìn)提供參考。</p><p>　　6.2 取苗實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析</p><p>　　本文的主要研究指標(biāo)是秧苗取苗成功率，秧苗取