草莓是世界上栽培最多且经济价值和营养价值均较高的小浆果,具有易繁殖、生长周期短、管理方便等优点。目前我国已成为世界上最大的草莓生产国,但我国草莓生产仍停留在手工作业上,其中裸苗移栽是草莓生产作业中占用劳动力较多的一项工序,劳动强度大、移栽效率低、成活率和产量得不到保障。依据农艺专家提出的“草莓钵苗移栽”种植模式,不仅能培育壮苗、提高移栽后秧苗成活率和产量,还有利于实现草莓机械化移栽、提高移栽作业效率。目前国内外对于露地或大棚草莓钵苗移栽装备的研究报道较少或仍处于研发状态,市场上仅有少数的半自动旱田作物钵苗移栽机经改良后可用于草莓钵苗移栽,需由人工完成取苗喂苗动作,栽植机构完成栽植,机械化程度不高、结构复杂、价格昂贵,在国内推广应用较为困难。综上,为促进符合我国国情的高效、轻简化、成本低的全自动草莓钵苗移栽装备研制,根据草莓移栽农艺要求,本文通过机构创新和优化设计,提出一种基于Hermite插值齿轮的草莓钵苗移栽机构,采用回转式非圆齿轮行星轮系机构与凸轮多连杆机构组合的一体式纯机械移栽机构,以解决欧美和日本移栽机存在多套机构或装置配合作业时取栽分离的衔接失误、结构复杂等问题,实现一套机构依次完成取苗、输送、挖穴与栽植4个关键移栽工序。论文围绕该移栽机构开展了机理分析与试验研究,主要研究内容和结论如下:(1)草莓钵苗移栽农艺要求及物理特性测定草莓钵苗机械化移栽研究是综合土壤基质、草莓秧苗、机械结构等多因素的系统工程。为了更加科学的设计草莓钵苗移栽机构,基于农机与农艺相结合的思想,对草莓钵苗移栽基本物理特性和力学特性进行试验和测定研究。以育苗钵盘规格、钵土基质配比和钵土含水率为试验因素,利用WDZ-200抗拉强度试验机、YZC拉压力传感器和多通道拉压测量仪等精密仪器对钵苗取出方式(夹取茎秆和夹取钵土)进行单因素试验,确定采用夹取钵土的方式,有利于提高取苗成功率且对茎秆和根系损伤较小。上述基础试验将为后续草莓或其他旱田作物钵苗移栽机构优化设计奠定坚实的理论研究基础。(2)草莓钵苗移栽机构理论建模与机理分析为解决国外现有移栽机存在多套机构或装置配合作业时取栽分离的衔接失误、结构复杂等问题,结合草莓钵苗移栽农艺要求及物理特性试验得出采用夹取钵土方式取苗的结论,提出一种基于Hermite插值齿轮的草莓钵苗移栽机构,该机构将回转式非圆齿轮行星轮系机构与凸轮多连杆机构相组合,用一套纯机械机构依次完成取苗、输送、挖穴与栽植4个移栽工序,其中回转式非圆齿轮行星轮系机构完成取苗、输送与栽植所需的复杂“鹰嘴形”轨迹和姿态,凸轮多连杆机构完成挖穴所需的复杂“心形”轨迹和姿态,实现节曲线调节范围更大的精准配合,并分别对取苗栽植机构和挖穴机构进行数学模型建立和运动学分析。将Hermite插值法运用到非圆齿轮的节曲线构造中,并基于Visual Basic 6.0编程语言平台开发Hermite插值非圆齿轮齿廓成型设计软件,解决非圆齿轮高精度齿廓成型难点。(3)草莓钵苗移栽机构优化目标制定与目标函数建立基于草莓钵苗移栽机构的数学模型建立和运动学分析,详述移栽机构轨迹优化存在的多目标、多参数、强耦合性,分析基于Hermite插值齿轮的草莓钵苗移栽机构设计要求,将草莓钵苗移栽机构的优化目标分为5大类,共制定21个优化目标,利用数学和机构学间的学科交叉,分析移栽机构参数与优化目标的数学关系,并建立相应目标函数,为移栽机构优化软件的开发奠定理论基础。(4)草莓钵苗移栽机构优化设计软件开发及参数分析根据草莓钵苗移栽机构运动学理论模型分析及建立的优化目标函数,基于Visual Basic6.0编程语言平台开发针对草莓钵苗移栽机构的计算机动态显示辅助分析优化设计软件,同时对所开发的优化设计软件功能进行详述,此优化设计软件可对机构的结构尺寸、位置和运动状态进行实时运动模拟。采用人机交互辅助分析,通过移栽机构参数的正负步进调节,观察动画显示区轨迹、优化目标进度条、重要数据与软件原始数据和图形界面的变化情况,得出移栽机构参数调节对轨迹和优化目标的影响规律,最终优化出一组满足优化目标和结构设计要求的移栽机构参数,为多目标、多参数、强耦合性优化问题的解决提供了研究基础。(5)草莓钵苗移栽机构结构设计与仿真根据草莓钵苗移栽机构优化设计软件所获得的移栽机构参数,完成所有零部件的结构设计,结合NX 10.0软件完成所有零部件的三维模型建立,并进行虚拟装配与干涉检查。同时将三维模型与ADAMS进行联合仿真,分别完成虚拟样机相对运动和绝对运动仿真试验,并将虚拟样机仿真所得的取苗轨迹、挖穴轨迹以及秧针尖点和挖穴铲尖点对应的相对运动速度曲线、绝对运动速度曲线与优化软件所得的理论轨迹和理论速度曲线相对比,其分析结果与理论轨迹和理论速度曲线相一致,初步验证移栽机构设计的正确性、合理性与准确性,将为物理样机的加工、装配及台架试验提供坚实的理论基础。(6)草莓钵苗移栽机构物理样机研制通过将高性能、工业级、快速成型的3D打印技术与移栽机构三维数字模型文件相结合的手段,以SLA固体激光快速成型设备和光敏树脂材料为基础,完成移栽机构物理样机核心零部件的快速成型,降低了复杂零件模具开发的费用和风险,缩短了研发周期,并进行移栽机构物理样机的实物装配,对栽植臂部件和凸轮轴的设计进行了修改和完善,针对易断裂、强度要求高的零件将采用金属制造加工。(7)草莓钵苗移栽机构物理样机性能试验以草莓钵苗物理特性测定试验得出的适宜草莓钵苗移栽的钵盘规格、钵土基质配比、钵土含水率较优值为基础,在兼光型植物工厂实验室完成草莓钵苗的育苗工作,以所育秧苗为移栽试验材料,将装配后的物理样机安装在自主搭建的移栽机构性能测定试验台上。基于高速摄影技术对草莓钵苗移栽机构的轨迹与姿态进行验证,分析得出理论轨迹、虚拟仿真轨迹和台架试验轨迹基本一致,验证了机构设计的正确性。最后进行了移栽机构的性能验证试验,试验结果为:取苗成功率为92%,栽植成功率为85%,平均栽植株距为172.9mm,且所挖穴口深度、长度和宽度效果良好,试验表明所设计的草莓钵苗移栽机构满足草莓钵苗移栽要求,具有可行性与实用性。