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摘要本项目对于适用于穴盘苗移栽的移栽机进行了优化设计，传动由齿轮、气压等方式进行。整体移栽机的动作过程简化之后对于6*12的72孔穴盘只需分3步完成，而末端执行器的结构也是由市面上多见的两指夹取变为三指凸轮传动夹取。整体来说，在结构设计方面做出了很多增效改变。
关键词穴盘苗；移栽；结构设计；末端执行器
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0019-02
随着国家科学技术的飞速发展，农业科技显得越发重要，蔬菜花卉生产自动化及智能化水平的不断提高，智能农业机械成为今后发展的主要趋势。目前来看，花卉和蔬菜一般采用穴盘进行育苗，在其生长到一定程度之后则需要进行移栽。移栽技术在目前看来具有直接播种难以比拟的优势。在初期生长过程当中可以有效避免幼苗在面对自然灾害时的高死亡率以及减轻了农户的劳动强度，除此之外，作物的发育提早也提高了其带来的经济效益。因而移栽技术是生产过程中十分重要的一环。手工作业移栽方式因为劳动强度大、生产效率低，难以实现大面积作业的困难。因此通过移栽自动化技术则可克服手工作业存在的种种问题，解放了劳动力、提高了移栽质量和效率。
1国内外研究背景
1.1 移栽机类型及特点
目前，移栽机的分类主要有以下3种：①棵苗移栽机和钵苗移栽机，两者在栽植上有区别；②手动、半自动、自动化移栽机，从动力上区分；③钳夹式、导苗管式和吊篮式等在结构类型上不一样。
根据第3种分类介绍各机型的特点。
1）钳夹式移栽机。
优缺点：移栽机构简单，深度等易控制，但容易伤苗，喂苗时间不好控制。
2）吊篮式移栽机。
优缺点：能够膜上进行打孔，不易伤苗。但是效率低，结构比较复杂。
3）导苗管式移栽机。
优缺点：克服了回转中的缺点且不伤苗。可以达到很好的深度等效果。但株距不好控制，重栽率较高。
1.2 移栽机研究现状
我国的移栽机发展大多起于20世纪60、70年代，在研究方面虽然有一些创新，但农机和农艺明显脱节，效益跟不上，很多技术难题也没有进行科学系统的分析从而使这一技术搁置一边，这也就难以大面积的推广应用。近几年，由于移栽机械化能够调高产量及降低劳动强度，这一技术的开发再次受到国家的重视。
目前，我国移栽机研究方面还有着如下这些问题：农业生产需求和农机无法配对，无法满足国内农业生产所需要的真正的机型；大量的仿制国外机型，没考虑到无法适应国内生产；已开发的移栽机质量不稳定，无论是自动化还是移栽质量方面都欠佳。
2项目研究内容
本项目的主要目的是开发出一种新型的以工业机器人为主体的穴盘苗自动移栽机，该新型移栽机通过结构的优化设计从而提高生产效率，并且节约生产成本。根据学校开设项目要求，首先是完成移栽机的建模、运动仿真分析，然后对末端执行器的设计进行试验分析。考虑到经费原因，再确定是否做出样机。
2.1 移栽机结构设计
项目设计的穴盘苗自动移栽机主要由以下几个结构组成。
1）移栽机机架：机架由两个气缸来带动末端执行器的上下运动，机架的平移过程由齿轮传动和电机带动，从而完成了上下和纵向的移动。
2）移栽机花盆输送带：花盆输送带由链条、输送带、花盆构成，花盆间距由穴盘制定，对于6*12的72孔30 mm*40 mm*50 mm穴盘则其设定距离为160 mm，刚好为4个穴盘孔，因此可以减少末端执行器的横向移动这一过程。
3）穴盘输送装置：该穴盘的大小为30 mm*40 mm*50 mm，孔数为6*12的72孔。
4）末端执行器：末端执行器为三指夹取式手爪，该手爪由凸轮机构进行传动，凸轮上开设了三个圆弧槽，角度分别为90°。通过凸轮的旋转来带动手爪的开合，实现抓取和投放过程。72孔穴盘的尺寸为30 mm*40 mm*50 mm，在底盘设计时直径选择为45 mm，手指倾斜角度同穴盘倾斜角度一样为sinθ=[（40-30）/2]/50。手指关节处到手指末端的距离为70 mm（现今一般移栽高度为50 mm-100 mm所以多选择为大于50 mm）。凸轮的旋转角度最大范围为40°，在初始阶段，三根手指之间距离为20 mm，经过40°转角之后三根手指之间距离为13.5 mm经过计算可求得三根手指的末端位移为4.53 mm，能够实现钵苗的抓取与投放。
由上面四个机构组装而成总的三维模型图如图1。
图1整机模型
2.2 移栽机的仿真运动
移栽机的运动主要分为以下3部分。
1）机架通过电机带动齿轮传动，控制纵向的抓苗和投放的运输过程。
2）末端执行器的上下抓取投放通过两个汽缸的推动来实现。
3）末端执行器由电机带动凸轮的转动实现抓取和投放两个过程。
小组在运动仿真方面使用了PROE的机构和动画模块。末端执行器添加伺服电机，施加一个转矩，通过设定转速来控制其转角从而实现开合。在整机的运动过程中通过动画模块抓取来实现仿真运动。
2.3 末端执行器仿真分析
末端执行器的仿真分析通过ansys来实现，ansys在对于有限元的应力分析方面有着独特的优势，而末端执行器的受力分析又是尤为重要的。受力分析不仅关系到末端执行器能否正常工作，同时也对于抓苗的损伤程度有着一定的影响，所以利用ansys进行仿真分析是必不可少的。
中应当注意末端执行器的手指在土壤中进行开合时各部分的受力情况，并分析是否会出现损伤以及如何改进结构或者材料才能使得受力情况良好。首先将Proe中生成的末端执行器模型导入到ansys workbench，进行划分网格，然后定义两种材料steel 1006和sand分别给三根手指和T型块，之后再对T型块进行固定约束和对三个手指施加转矩约束，从而达到手指插入泥土中工作的受力过程。最终对该过程进行求解而得到应力云图，从而对其能否正常工作进行精确的分析。
图2等效应力图
由于计算机条件，只能计算一根手指的抓取过程的应力分析。由图看出在指针插进土壤完成抓取过程中的最大应力为100.33 Pa，对于钢材来说是完全不存在问题的，对于苗的影响也是非常之小的，从理论上来说该抓取过程是可行的。
2.4 试验研究
试验小组在进行了一系列的理论设计以及分析之后，在实验室进行了移栽机机械手移栽穴盘苗的试验。试验机器是由两个PLC控制丝杠进行机械手的X、Y轴的位移，然后由气泵来控制机械手的开合。通过整个试验过程也是能够加深对穴盘苗移栽机械手的工作原理的理解，以便以后能够有更多的设计思维以及新的理念。
3项目总结
总的来说，在项目申请之初是没有考虑到很多的我们自身理论知识的缺陷和外在的许多如经费等因素，因此在项目开展过程中进行了如下修改。
1）由于经费的紧张，原定的组装样机没有办法实现，所有的有关于设计移栽机的研究内容均建立在软件建模、分析上。
2）对于原本应当进行的试验研究进行了简化处理，仅对末端执行器的工作做了试验。
项目基本上达成预期目标，开发出一种新型高效的穴盘苗自动移栽机。末端执行器的简化和整体机械的机构优化使得效率方面有了较大的提升。
基金项目
项目名称：盆栽自动移栽装置的设计及试验研究项目编号：1330A53项目资助：1000
参考文献
[1]肖卫兵，孙松林.我国烟草移栽机械研究发展现状及趋势[J].湖南农机，2009，36（1）：4-8.
[2]李建桥，张国风，陈建能.钵苗有序移栽机构的研究进展及应用展望[J].农机化研究，2008（2）：1-5.
[3]王君玲，高玉芝，李成华.蔬菜移栽生产机械化现状与发展方向[J].农机化研究，2004（2）：42-43.
[4]陈风，陈永成，王维新.旱地移栽机现状和发展趋势[J].农机化研究，2005（3）：24-26
[5]尚书旗，隋爱娜，张子华.国外钵苗栽植机的几种类型及性能分析[J].农机与食品械，1998（1）：30-32.
[6]封俊.国内旱地栽植机械研制的新进展[J].科研动态，2001（2）：28-29.
作者简介
肖祥（1993-），男，汉族，湖北荆州公安县人，南京农业大学，本科，研究方向：穴盘苗自动移栽机。
关键词穴盘苗；移栽；结构设计；末端执行器
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0019-02
随着国家科学技术的飞速发展，农业科技显得越发重要，蔬菜花卉生产自动化及智能化水平的不断提高，智能农业机械成为今后发展的主要趋势。目前来看，花卉和蔬菜一般采用穴盘进行育苗，在其生长到一定程度之后则需要进行移栽。移栽技术在目前看来具有直接播种难以比拟的优势。在初期生长过程当中可以有效避免幼苗在面对自然灾害时的高死亡率以及减轻了农户的劳动强度，除此之外，作物的发育提早也提高了其带来的经济效益。因而移栽技术是生产过程中十分重要的一环。手工作业移栽方式因为劳动强度大、生产效率低，难以实现大面积作业的困难。因此通过移栽自动化技术则可克服手工作业存在的种种问题，解放了劳动力、提高了移栽质量和效率。
1国内外研究背景
1.1 移栽机类型及特点
目前，移栽机的分类主要有以下3种：①棵苗移栽机和钵苗移栽机，两者在栽植上有区别；②手动、半自动、自动化移栽机，从动力上区分；③钳夹式、导苗管式和吊篮式等在结构类型上不一样。
根据第3种分类介绍各机型的特点。
1）钳夹式移栽机。
优缺点：移栽机构简单，深度等易控制，但容易伤苗，喂苗时间不好控制。
2）吊篮式移栽机。
优缺点：能够膜上进行打孔，不易伤苗。但是效率低，结构比较复杂。
3）导苗管式移栽机。
优缺点：克服了回转中的缺点且不伤苗。可以达到很好的深度等效果。但株距不好控制，重栽率较高。
1.2 移栽机研究现状
我国的移栽机发展大多起于20世纪60、70年代，在研究方面虽然有一些创新，但农机和农艺明显脱节，效益跟不上，很多技术难题也没有进行科学系统的分析从而使这一技术搁置一边，这也就难以大面积的推广应用。近几年，由于移栽机械化能够调高产量及降低劳动强度，这一技术的开发再次受到国家的重视。
目前，我国移栽机研究方面还有着如下这些问题：农业生产需求和农机无法配对，无法满足国内农业生产所需要的真正的机型；大量的仿制国外机型，没考虑到无法适应国内生产；已开发的移栽机质量不稳定，无论是自动化还是移栽质量方面都欠佳。
2项目研究内容
本项目的主要目的是开发出一种新型的以工业机器人为主体的穴盘苗自动移栽机，该新型移栽机通过结构的优化设计从而提高生产效率，并且节约生产成本。根据学校开设项目要求，首先是完成移栽机的建模、运动仿真分析，然后对末端执行器的设计进行试验分析。考虑到经费原因，再确定是否做出样机。
2.1 移栽机结构设计
项目设计的穴盘苗自动移栽机主要由以下几个结构组成。
1）移栽机机架：机架由两个气缸来带动末端执行器的上下运动，机架的平移过程由齿轮传动和电机带动，从而完成了上下和纵向的移动。
2）移栽机花盆输送带：花盆输送带由链条、输送带、花盆构成，花盆间距由穴盘制定，对于6*12的72孔30 mm*40 mm*50 mm穴盘则其设定距离为160 mm，刚好为4个穴盘孔，因此可以减少末端执行器的横向移动这一过程。
3）穴盘输送装置：该穴盘的大小为30 mm*40 mm*50 mm，孔数为6*12的72孔。
4）末端执行器：末端执行器为三指夹取式手爪，该手爪由凸轮机构进行传动，凸轮上开设了三个圆弧槽，角度分别为90°。通过凸轮的旋转来带动手爪的开合，实现抓取和投放过程。72孔穴盘的尺寸为30 mm*40 mm*50 mm，在底盘设计时直径选择为45 mm，手指倾斜角度同穴盘倾斜角度一样为sinθ=[（40-30）/2]/50。手指关节处到手指末端的距离为70 mm（现今一般移栽高度为50 mm-100 mm所以多选择为大于50 mm）。凸轮的旋转角度最大范围为40°，在初始阶段，三根手指之间距离为20 mm，经过40°转角之后三根手指之间距离为13.5 mm经过计算可求得三根手指的末端位移为4.53 mm，能够实现钵苗的抓取与投放。
由上面四个机构组装而成总的三维模型图如图1。
图1整机模型
2.2 移栽机的仿真运动
移栽机的运动主要分为以下3部分。
1）机架通过电机带动齿轮传动，控制纵向的抓苗和投放的运输过程。
2）末端执行器的上下抓取投放通过两个汽缸的推动来实现。
3）末端执行器由电机带动凸轮的转动实现抓取和投放两个过程。
小组在运动仿真方面使用了PROE的机构和动画模块。末端执行器添加伺服电机，施加一个转矩，通过设定转速来控制其转角从而实现开合。在整机的运动过程中通过动画模块抓取来实现仿真运动。
2.3 末端执行器仿真分析
末端执行器的仿真分析通过ansys来实现，ansys在对于有限元的应力分析方面有着独特的优势，而末端执行器的受力分析又是尤为重要的。受力分析不仅关系到末端执行器能否正常工作，同时也对于抓苗的损伤程度有着一定的影响，所以利用ansys进行仿真分析是必不可少的。
中应当注意末端执行器的手指在土壤中进行开合时各部分的受力情况，并分析是否会出现损伤以及如何改进结构或者材料才能使得受力情况良好。首先将Proe中生成的末端执行器模型导入到ansys workbench，进行划分网格，然后定义两种材料steel 1006和sand分别给三根手指和T型块，之后再对T型块进行固定约束和对三个手指施加转矩约束，从而达到手指插入泥土中工作的受力过程。最终对该过程进行求解而得到应力云图，从而对其能否正常工作进行精确的分析。
图2等效应力图
由于计算机条件，只能计算一根手指的抓取过程的应力分析。由图看出在指针插进土壤完成抓取过程中的最大应力为100.33 Pa，对于钢材来说是完全不存在问题的，对于苗的影响也是非常之小的，从理论上来说该抓取过程是可行的。
2.4 试验研究
试验小组在进行了一系列的理论设计以及分析之后，在实验室进行了移栽机机械手移栽穴盘苗的试验。试验机器是由两个PLC控制丝杠进行机械手的X、Y轴的位移，然后由气泵来控制机械手的开合。通过整个试验过程也是能够加深对穴盘苗移栽机械手的工作原理的理解，以便以后能够有更多的设计思维以及新的理念。
3项目总结
总的来说，在项目申请之初是没有考虑到很多的我们自身理论知识的缺陷和外在的许多如经费等因素，因此在项目开展过程中进行了如下修改。
1）由于经费的紧张，原定的组装样机没有办法实现，所有的有关于设计移栽机的研究内容均建立在软件建模、分析上。
2）对于原本应当进行的试验研究进行了简化处理，仅对末端执行器的工作做了试验。
项目基本上达成预期目标，开发出一种新型高效的穴盘苗自动移栽机。末端执行器的简化和整体机械的机构优化使得效率方面有了较大的提升。
基金项目
项目名称：盆栽自动移栽装置的设计及试验研究项目编号：1330A53项目资助：1000
参考文献
[1]肖卫兵，孙松林.我国烟草移栽机械研究发展现状及趋势[J].湖南农机，2009，36（1）：4-8.
[2]李建桥，张国风，陈建能.钵苗有序移栽机构的研究进展及应用展望[J].农机化研究，2008（2）：1-5.
[3]王君玲，高玉芝，李成华.蔬菜移栽生产机械化现状与发展方向[J].农机化研究，2004（2）：42-43.
[4]陈风，陈永成，王维新.旱地移栽机现状和发展趋势[J].农机化研究，2005（3）：24-26
[5]尚书旗，隋爱娜，张子华.国外钵苗栽植机的几种类型及性能分析[J].农机与食品械，1998（1）：30-32.
[6]封俊.国内旱地栽植机械研制的新进展[J].科研动态，2001（2）：28-29.
作者简介
肖祥（1993-），男，汉族，湖北荆州公安县人，南京农业大学，本科，研究方向：穴盘苗自动移栽机。