1、 江苏农林职业技术学院 毕 业 设 计（论 文） 穴盘苗移栽机取苗装置的 设计 专 业 11机械设计与制造 学生姓名 卓利元 班 级 11机制（ 2）班 学 号 201110090228 指导教师 王艳莉 完成日期 2014年 5月 25号 摘要： 穴盘苗移栽技术的发展和不断创新在 旱地移栽领域起到重要作用，提高了作物的产量、起到了气候补偿作用，而且能够大大的降低劳动力。由于现有的移栽机机械中存在着半机械化和工作效率低等问题，所以需要研制穴盘苗自动移栽机，而取苗机构是实现移栽自动化、机械化的核心部件，为了提高旱地穴盘苗移栽的作业效率，本文对自动移栽机的关键部件取苗爪进行了研究 ; 同时，对取苗
2、 机构的两针式取苗爪进行结构与原理分析，确定了工作参数，包括夹持角度、秧针长度、 取苗角度。经过多因素试验，完成了对工作参数的优化，结果表明取苗机构设 满足穴盘苗的移栽要求。 关键词 : 穴盘苗 ;移栽 ;取苗 机构 Abstract: the hole plate seedling transplanting technology development and innovation play an important role in the field of dryland transplanting, improved the yield of crops, have played an
3、 important role climate compensation, but also can greatly reduce the labor force. Because of the existing mechanical transplanting machine in there half mechanization and low working efficiency, so we need to develop hole plate seedling transplanting machine, and taking seedling mechanism is the co
4、re component of to realize the automation and mechanized transplanting, in order to improve the efficiency of dry hole tray seedlings transplanting, the key in this paper, the automatic transplanting machine parts on seedling claw is studied; At the same time, the two pin type of ejection device for
5、 seedling claw structure and the principle of analysis, determine the working parameters, including clamping Angle, length of seedling needle, blade Angle. Through multiple factors experiment, completed the optimization of working parameters, the results show that the design take seedling claw can s
6、atisfy the demands of hole plate seedling transplanting. Keywords: The hole plate seedling;Transplanting;Taking seedlings mechanism 目录 第一章 绪论 . 1 1.1项目的技术背景与研究意义 . 1 1.2 取苗装置的国内外研究现状 . 1 1.2.1 国外取苗装置研究现状 . 1 1.2.2 国内取苗装置的研究现状 . 3 1.2.3 现在的取苗装置存在的问题分析 . 6 1.3取苗装置的研究目标 . 6 1.4取苗装置的研究技术路线 . 7 第二章 穴盘苗的研
7、究特性 . 8 2.1穴盘苗的形态特性研究 . 8 2.1.1 试验仪器 . 8 2.1.2 试验对象与方法 . 8 2.1.3 番茄穴盘苗的形态特性 . 9 2.2番茄穴盘苗的物理特性研究 . 9 2.2.1 穴盘苗基质含水率 . 9 2.2.2 基质的强度 . 10 2.2 3 穴盘苗的摩擦角 . 11 第三章 取苗装置整体方案设计 . 12 3.1 取苗装置的总体设计要求分析 . 12 3.2取苗装置的工作原理分析 . 13 3.3取苗装置的动力源及传动装置设计分析 . 13 3.4利用 UG 建立的整体样机模型 . 14 第四章 穴盘苗自动移栽机取苗装置的结构设计 . 14 4.1取苗
8、装置的执行机构及外形设计 . 14 4.1.1 机械手臂的设计 . 15 4.1.2 机械手指的设计 . 15 4.1.3 穴盘定位平台设计 . 17 4.2 机械手的驱动系统分析 . 19 4.3 机械手的控制系统设计分析 . 20 4.3.1 PLC控制电路接线分析 . 20 4.3.2 PLC的程序编制分析 . 22 4.3.3PLC 程序 . 23 第五章 穴盘的步进定位控制分析 . 24 5.1步进定位控制精度的要求分析 . 24 5.2步进定位控制下的理论分析 . 25 5.3定位精度的计算分析 . 25 第六章 取苗装置的实验研究 . 26 6.1 影响取苗因素分析 . 26 6
9、.2 取苗实验及其结果分析 . 26 6.3 实验小结 . 28 第七章 总结与展望 . 29 7.1 总结 . 29 7.2 研究展望 . 29 结束语 . 29 参考文献 . 30 致谢 . 31 卓利元：穴盘苗移栽机取苗装置的设计 1 第一章 绪论 1.1 项目的技术背景 与研究 意义 随着社会进步和人民生活水平的提高，设施农业已成为国民经济中的支柱产业，温室蔬菜、花卉及棉花生产对发展农村经济，增加农民收入，丰富人民的菜篮子， 改善人民生活具有举足轻重的作用。 穴盘苗移栽是近年才兴起的种植新技术，它具有缩短生育期，提早成熟，提高棉花单产，具有广阔的推广前景。过去几年温室大棚育出成品苗向大
10、田移栽，全部是靠人工移栽 。 穴盘苗自动移栽技术是温室蔬菜或花卉生产实现工厂化和自动化而采用的一种重要的种植方式。目前，国内穴盘苗移栽的取苗、喂苗环节主要靠手工完成，劳动强度大，作业效率低， 不能满足规模化生产的需要， 从而制约了蔬菜生产的发展 。因此，研制开发适合我国国情、结构简单、价格低廉、性能稳定可靠的中小型穴盘苗自动移栽机迫在眉睫，而移栽机械手是温室 穴盘苗移栽自动化的关键部分， 能够完 成“穴盘定位 自动送苗 钵苗抓取 钵苗投放”这一系列连续动作， 其性能直接影响移栽机的移栽质量。穴盘苗移栽机械手的研究对实现实现温室穴盘苗移栽生产过程自动化、减轻穴 盘苗移栽作业的劳动强度、提高作物移
11、栽质量，推进我国温室农业作物生产机械化和自动化进程，特别是我国“十二五”农业发展规划的顺利实施具有重大意义。 1.2 取苗装置的国内外研究现状 国外穴盘苗移栽机取苗装置的技术较成熟，而且大部分机型开始投入使用，尤其是应用于花卉、蔬菜等经济价值高的作物的大面积移栽，具有很好的经济价值 。国内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样机的试制，尚没有成型的机型投入生产应用 。 1.2.1 国外取苗装置研究现状 20 世纪初期 部分国家开始出现移栽机具。三十年代出现移栽装置或移栽器代替人工取苗。五十年代移栽的生产技术研究，研制出了不同结构的半自动移栽机。八十年代，半自动移栽机已在欧
12、美国家的农业生产中广泛被使用，培育穴盘苗、移栽作物等，实现了制造机械、播种机械、移栽机等各种机械配套使用 。到 90 年代 ,有关部门加强从育苗到栽植整个系统的研究 ,使育苗和栽植有机地结合 ,研制出多种全自动移栽 机 ,如日本 90 年代初将穴盘苗自动移栽机列为农业机械急需开发的项目 ,日本农机研究所联合三家农机公司 ,于1993 年至 1995 年期间开发出了三种型号的全自动移栽机（图 1-1 1-3） ,可移栽穴盘苗或纸钵苗 ,主要移栽卷心菜 !大白菜和葛芭等 ,完全是由机械自动从穴盘中取苗后种植 . 美国 Renaldo 销售与服务公司于 2003 年开发出移栽空气整根钵苗的全自动蔬菜
13、移栽机（实验样机图 1-4）。 江苏农林 职业技术学院毕业设计（论文） 2 图 1-1 PR2 型全自动移栽机 图 1-2 SK20 型自动移栽机 图 1-3 PVR200 型自动 移栽机 图 1-4 全自动蔬菜移栽机 取苗机构作为全自动移栽机的关键部件之一，在国外正处于不断的研究与发展的阶段。国外所研制的全自动移栽机中，日本 Tetsuo Nanbu 等人在移栽机中设计了带式取苗系统，采用两条平行纸带等间隔包裹苗钵钵体以使其串联起来进行培育的独特方式，作业时由剥纸带机构和传输带机构相互配合来完成取苗、栽植等一系列移栽作业；日本 Takashi Onosaka 等人在移栽机中设计了机械手式取苗
14、系统，苗盘由传送带传输至待取苗位置处，经秧苗纵向定位装置固定单个秧苗后 ，机械手夹取秧苗并将其从苗盘中取出；美国 Errol C.Armstrong 等人在其所研制的移栽机中设计了推苗杆式取苗系统，苗盘由自动牵引装置驱动进行垂直进给供苗，间歇机构控制其逐行向下喂入钵苗，取苗推杆在主从凸轮的带动下作往复直线运动实现将秧苗从穴苗盘中顶出后再退回的连续循环作业；美国 Frank W. Faulring 等人设计了真空泵式取苗系统来实现自动移栽，苗盘定位放置之后，将底盘抽出，秧苗在重力以及小电机驱动压缩机所产生的吸力作用下吸落至落苗口，随后进入落苗管完成后续的栽植作业。 韩国 Ryu 等 设计一种由气
15、动系统驱动的夹取装置。该末端器由步进电机、气缸、气动卡盘和夹取指等组成，如图 1-5（ 1）所示。其末端执行件由步进电机带动旋转，并根据植株的方位确定针状夹取指的位置，避免抓取时对植株叶片的伤害。气缸可以推动夹取指插入苗盘的基质中，然后通过气动卡盘的开关来实现对穴盘苗的抓卓利元：穴盘苗移栽机取苗装置的设计 3 取、保持和释放。但在土壤湿度较低的时候，这种末端执行件就会体现出它的局限性。为了克服这个局限性， Ryu 等人又对此进行了改进，图 1-5（ 2）是改进后的夹取器的运动部分的结构图，两个手指成 15，每个手指各装有一个气缸，增强了灵 活性和可靠性。 (1)末端件原型 (2)改进后的结构
16、图 1-5 夹取装置 综上所述，国外移栽作业的穴盘苗移栽机 取苗装置机 型比较多，自动化程度很高，适于大面积作业的自动移栽作业 ; 但是，由于其通用性比较差，整体结构控制部分复杂，并且价格昂贵，难以适应我国中小规模农户的需求 。 1.2.2 国内取苗装置的研究现状 国内于 20 世纪 60 年代初开始进行移栽机械的试验研究，起步较早，但由于农机和农艺明显脱节，忽略了综合 经济效益，更没有对育苗移栽机械化过程的种种技术难题进行科学和系统地分析研究，致使这一技术搁浅，从而一直未能大面积推广应用 。 取苗装置研究在国内近些年才引起人们的重视，且大部分研究主要集中在各大农业类院校、科研院所等。目前大部
17、分投产的移栽机都是半自动移栽。虽然植苗装置已基本实现自动化，但是取苗还是人工进行穴盘苗的投放。由于人工的限制，移栽机的整体效率很难提高。而且取苗装置大部分还处于试验阶段，研究很难达到作业要求。在实际生产中还没有使用，没有成形的机型投入实际生产应用。 沈阳农业大学张诗研制的指针夹紧式穴盘苗移 栽机械手处于穴盘苗的上方时指针伸出，移栽机械手下降后，由于气缸的驱动，指针向下运动，插入基质块中。当气缸将要满行程时候，指针向里收缩，夹紧基质块。移栽机械手向上移动，将穴盘苗从穴盘中取出。最后移栽机械手下降，气缸反行程往回运动，指针再次张开和收缩，穴苗被植入新的生长盘中，以便可以有更好地生长空间继续生长 ，
18、如图 1-8 所示。张丽华研制的穴盘苗移栽取苗装置的机械手的运动由 PLC 控制，带动汽缸运动来实现。机械手可以完成“穴盘定位穴盘苗抓取钵盆定位穴盘苗投放”等连续动作，实现对穴盘苗的自动取苗过程，江苏农林 职业技术学院毕业设计（论文） 4 如 图 1-9 所示。 图 1-6 移栽机械手装置图 图 1-7 机械手装置简图 东北农业大学韩豹设计的水稻育苗全自动移栽机械手，该移栽机共有 6 组 12 个机械手组成，一次可完成 6 行钵苗移栽作业。每组机械说呈 180对称布置，并均固定于同一个苗夹臂上。在驱动臂轴和取秧偏心驱动轴的作用下，取苗机械手能够在指定位置准确地完成插、夹、拔和运苗几道工序，而且
19、取苗方向垂直于育秧盘盘 面，不伤苗。此外当一个机械手拔出秧苗的同时，另一个机械手支臂伸长并打开苗夹放苗，如图 1-10 所示。 图 1-8 水稻育苗全自动移栽机械手 1.秧夹臂 2.驱动臂轴焊合 3.轴座 4.链轮 A 5.夹紧滚轮 6.取秧偏心驱动轴 7.链轮 由中国农业大学徐丽明，张铁中等改进设计的玉米自动移栽机械手，如下图所示，其原理为采用平面四连杆机构实现取苗动作，随着曲柄 AB 绕 A 点的转动，固定在四连杆上的苗指插入苗钵中将苗取出，当苗运到导苗管口上方时，由固定在机组上的排苗杆 EF 将苗拔下，使苗脱离苗指，进入 导苗管，完成取苗过程，如图 1-9 所示 。 卓利元：穴盘苗移栽机
20、取苗装置的设计 5 图 1-9 玉米自动取苗机械手 1.排苗杆 2.苗指 3.钵苗 4.钵苗支架 沈阳农业大学利用水稻钵苗空气整根育苗技术进行钵苗育秧，研制出了气吸方式取苗和投苗的小型手扶式水稻钵苗有序抛秧机，带钵苗秧盘大口朝下由移箱机构输送到吸气口上方，吸气活门打开，钵苗在负压作用下脱盘加速下落；到达空气室时，落苗活门打开，吸气活门关闭，钵苗落入水田，完成移栽。齿轮齿条式横纵 向送秧箱机构和曲柄摆杆式吸气活门均由步进电机驱动与控制，活门的开 、关闭和移箱机构的顺序动作由单片机控制系统 控制，如图 1-10 所示。 图 1-10 气吸式取苗机构简图 1.空气室 2.吸苗管 3.吸气活门 4.吸气阀座 5.回位弹簧 6.管接头 7.吸气活门摆杆 8.吸气管 9.导苗管 10.投苗活门 江苏大学丁文芹研制的取苗装置是由取苗机械手、驱动装置及凸轮装置等组成，将穴盘苗夹取并最终释放至植苗装置的工作部件，实现从穴盘中取苗和向植苗装置投苗的动作。工作时取苗装置直接与基质接触进行取投苗，保证取苗装置以一定的位姿完成定点抓取穴盘苗、带着穴盘苗返回到投苗位置、准确投放穴盘 苗等基本步骤，完成个 取苗过程，
