國(guó)內(nèi)外自動(dòng)移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文

國(guó)內(nèi)外自動(dòng)移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文育苗移栽技術(shù)可充分利用光熱資源，提高作物復(fù)種指數(shù)，具有對(duì)氣候的補(bǔ)償作用和使作物生長(zhǎng)提早的綜合效益，是我們國(guó)家將來確保農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)安全的重要手段。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)移栽機(jī)械以半自動(dòng)移栽機(jī)為主。半自動(dòng)移栽由人工取苗，取出的缽苗被放置在相應(yīng)的輸送裝置或直接送入栽植裝置，因人工喂苗速度有限、作業(yè)人員數(shù)量較多、作業(yè)效率不高，不合適短時(shí)間內(nèi)完成大面積移栽，機(jī)械化效益不明顯。當(dāng)下，其僅在種植利潤(rùn)較高的經(jīng)濟(jì)作物(如煙草、油菜)中有一定的推廣。對(duì)于蔬菜、玉米和棉花等，由于作物本身種植利潤(rùn)低，半自動(dòng)移栽機(jī)由于效率低下成本回收慢，因而至今還未見大面積推廣。除此之外，新疆、東北等地區(qū)人口少而種植面積廣，作物移栽期勞動(dòng)力緊張情況尤為突出，對(duì)移栽機(jī)的工作效率提出了更高層次層次的要求。全自動(dòng)移栽機(jī)機(jī)械自動(dòng)取苗，工作效率能夠提高至半自動(dòng)移栽機(jī)的2～4倍，極大地降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，并可很好地解決勞動(dòng)力缺乏、作業(yè)效率低下等問題，被國(guó)內(nèi)外普遍以為是最終的發(fā)展方向。1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)在狀況國(guó)外十分是歐美國(guó)家的全自動(dòng)移栽技術(shù)研究較國(guó)內(nèi)而言起步早，也相對(duì)成熟，部分全自動(dòng)移栽機(jī)已經(jīng)有較好的推廣。美國(guó)Ｒenaldo公司于2003年開發(fā)的基于空氣整根苗盤的全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)，針對(duì)特制的倒錐形硬質(zhì)組合苗盤所育的苗，采用了負(fù)壓取苗方式，將苗從上向下吸出后沿著輸送管道送給栽植器;缺點(diǎn)是苗盤價(jià)格高、構(gòu)造復(fù)雜，取苗時(shí)容易致基質(zhì)松懈，而且只能合適幼小的苗。當(dāng)下推廣較多的全自動(dòng)移栽機(jī)有意大利Ferrari公司的Futura系列全自動(dòng)移栽機(jī)、英國(guó)的Pearson全自動(dòng)移栽機(jī)以及澳大利亞的Williames自動(dòng)移栽機(jī)等。此類移栽機(jī)多為排式取苗，通過橫、縱向輸送及定位系統(tǒng)控制苗盤位置，采用頂苗桿將穴盤中的苗成排頂出或通過取苗爪將苗從穴盤中成排取出，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)取苗、投苗，每組部件取苗效率超過8000株/h。這些機(jī)型主要針對(duì)基質(zhì)缽苗，融合了先進(jìn)的多傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，大幅提高作業(yè)效率、大量節(jié)省勞動(dòng)力，知足了當(dāng)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要;但是價(jià)格昂貴，構(gòu)造復(fù)雜，維護(hù)困難。另外，日本旱地自動(dòng)移栽技術(shù)也有很好的發(fā)展，如洋馬、井關(guān)和久保田株式會(huì)社都有比擬成熟的自動(dòng)移栽機(jī)。以洋馬自動(dòng)移栽機(jī)為例，以原有插秧機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)并加以改良，1行只要1個(gè)取苗機(jī)械手。這種形式的移栽機(jī)整機(jī)體積小，移動(dòng)靈敏，十分適用于丘陵小地塊作業(yè);缺點(diǎn)是1次只取1株苗，速度較低，洋馬自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)效率為3000株/行h。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)還沒出現(xiàn)成熟的自動(dòng)移栽機(jī)，大部分自動(dòng)移栽技術(shù)研究多處于部件研究和試驗(yàn)階段。吉林工業(yè)大學(xué)孫廷琮等人發(fā)明了空氣整根營(yíng)養(yǎng)缽育苗及移栽系統(tǒng)?？諝庹鶢I(yíng)養(yǎng)缽育苗及移栽系統(tǒng)在原理和技術(shù)上都實(shí)現(xiàn)了穴盤育苗移栽自動(dòng)化，但是多年來一直沒有推廣使用。2國(guó)內(nèi)外自動(dòng)移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析自動(dòng)移栽機(jī)主要由3大部件組成:取苗部件、給苗部件和栽植部件。栽植部件在半自動(dòng)移栽機(jī)上已有應(yīng)用并且發(fā)展較為成熟，因而設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠的取苗部件和給苗部件是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)移栽的關(guān)鍵。2．1國(guó)內(nèi)外自動(dòng)移栽取苗技術(shù)研究現(xiàn)在狀況現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外自動(dòng)移栽技術(shù)在取苗方式上大致可分為兩類，即排式取苗和單株取苗。2．1．1排式取苗每個(gè)工作單元有多個(gè)取苗爪，一次取多株苗。此類構(gòu)造通常融合自動(dòng)控制技術(shù)和氣動(dòng)技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)一組取苗爪的精準(zhǔn)定位、準(zhǔn)確動(dòng)作，取苗速度較高，能到達(dá)8000株/h。排式取苗根據(jù)詳細(xì)動(dòng)作方式又可分為兩大類:頂出式取苗和拔出式取苗。1)頂出式取苗:取苗爪運(yùn)動(dòng)至取苗位置后靜止;頂針從育苗穴盤后部將苗頂出并推入取苗爪夾持區(qū)域;取苗爪夾緊苗缽，完成取苗;被取出的秧苗隨取苗爪移動(dòng)至輸送部件上方，完成投苗。此種取苗方式動(dòng)作穩(wěn)定可靠，不傷苗體或基質(zhì)，對(duì)不同種類秧苗的通用性強(qiáng);但是取苗經(jīng)過需要不同部件配合完成，對(duì)定位、動(dòng)作控制要求高，構(gòu)造復(fù)雜。代表機(jī)型有Ferrari(見圖1)全自動(dòng)移栽機(jī)、Williames(見圖2)全自動(dòng)移栽機(jī)及Agitiplanter全自動(dòng)移栽機(jī)等。2)拔出式取苗:取苗爪主動(dòng)加持苗莖干或插入秧苗土缽內(nèi)，將苗拔出穴盤，而帶苗移動(dòng)至輸送部件上方，投苗。此種形式取苗動(dòng)作由單一工作部件完成，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，動(dòng)作快速;但是由于取苗爪要加持莖干或基質(zhì)，對(duì)加持部位會(huì)有一定的損傷。代表機(jī)型有Teaproject(見圖3)全自動(dòng)移栽機(jī)及Pearson全自動(dòng)移栽機(jī)等。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的取苗機(jī)械手以拔出式取苗居多。比擬典型的有北京工業(yè)大學(xué)高國(guó)華等人、沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)邱立春等人，集合氣動(dòng)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)移栽爪(見圖4)，通過氣缸控制取苗爪的移動(dòng)1設(shè)計(jì)。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)韓長(zhǎng)杰等人設(shè)計(jì)了多組氣缸驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)擺位式取苗機(jī)械手(見圖5)，利用扎苗、放苗氣缸控制取苗爪的取苗、放苗，翻轉(zhuǎn)氣缸和擺位氣缸控制機(jī)械手在取苗位和投苗位的姿態(tài)變換;通過室內(nèi)取苗試驗(yàn)得出，系統(tǒng)取喂苗總可靠率達(dá)98．92%，平均基質(zhì)損失質(zhì)量9．26%，取喂速度達(dá)4200株/h，未見明顯傷苗。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)尹文慶等人設(shè)計(jì)的機(jī)械手的工作原理為通過滑道(槽形凸輪)控制取苗爪的張開和閉合。浙江大學(xué)任燁等人研究了基于機(jī)器視覺的設(shè)施農(nóng)業(yè)移栽機(jī)器人，包括視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)器臂等。機(jī)器臂由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，氣缸驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器，并對(duì)針式、鏟式和錐形3種手指的取苗效果進(jìn)行了比照試驗(yàn)，以為鏟式效果最好。江蘇大學(xué)毛罕平、胡建平等人設(shè)計(jì)了旱地穴盤移栽裝置末端執(zhí)行器(見圖6)，多個(gè)取苗執(zhí)行器并聯(lián)安裝，通過凸輪控制開合。2．1．2單株取苗單株取苗即1次取1株秧苗，每行只要1個(gè)取苗爪工作，大多采取拔出式取苗方式。取苗爪從育苗盤中將苗取出，直接加持至栽植部件上方，投入栽植器。此類取苗方式要求取苗爪以特殊軌跡運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)中不斷變換姿態(tài)，以知足取苗和投苗要求。單株取苗機(jī)械手從取苗、送苗到投苗至栽植器的動(dòng)作都由單一部件完成，構(gòu)造簡(jiǎn)單緊湊，生產(chǎn)成本低;缺點(diǎn)是一次只取1株苗，速度較低，通常不高于4500株/h。單株取苗形式多見于日本洋馬、井關(guān)、久保田等公司開發(fā)的全自動(dòng)移栽機(jī)。國(guó)內(nèi)浙江理工大學(xué)開發(fā)的回轉(zhuǎn)箱式取苗機(jī)械手、江蘇大學(xué)開發(fā)的凸輪連桿組合式取苗部件、中國(guó)農(nóng)機(jī)院開發(fā)的齒輪－五桿取苗機(jī)械手都是比擬典型的單株取苗機(jī)械手。江蘇大學(xué)毛罕平等人開發(fā)的自動(dòng)取苗機(jī)械手由取苗爪、回轉(zhuǎn)箱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及槽形凸輪機(jī)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)以圖7所示軌跡實(shí)現(xiàn)從穴盤中取苗和向植苗機(jī)構(gòu)投苗的動(dòng)作。浙江理工大學(xué)俞高紅等人采用回轉(zhuǎn)式取苗機(jī)械手在行星減速箱內(nèi)配置非圓齒輪和不完全齒輪，構(gòu)成插值臂末端特定的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而完成取苗和向栽植部件投苗的動(dòng)作，如此圖8所示。中國(guó)農(nóng)機(jī)院趙亮等人采用雙曲柄的五桿機(jī)構(gòu)控制取苗爪，實(shí)現(xiàn)苗爪的取苗和投苗動(dòng)作，取苗工作效率為4200株/h，如此圖9所示。2．2國(guó)內(nèi)外自動(dòng)移栽機(jī)給苗技術(shù)研究現(xiàn)在狀況設(shè)計(jì)與取苗裝置動(dòng)作準(zhǔn)確配合的苗盤的進(jìn)給裝置也是自動(dòng)移栽機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。不管排式取苗還是單株取苗，相對(duì)應(yīng)的苗盤進(jìn)給原理基本一致。整個(gè)進(jìn)給大致可分為橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給。橫向進(jìn)給目的是取同一排苗，進(jìn)給1次，取1株或多株苗。整排苗取完后縱向進(jìn)給動(dòng)作，將下一排苗送至待取行，繼續(xù)取下一排苗。假定取苗部件1次取a株苗，對(duì)于一個(gè)規(guī)格為mn的苗盤，橫向進(jìn)給ma－1次，縱向進(jìn)給n－1次，即可將整盤苗取完。給苗部件要求進(jìn)給準(zhǔn)確、無累積誤差，現(xiàn)有機(jī)型詳細(xì)實(shí)現(xiàn)形式主要有兩種:純機(jī)械驅(qū)動(dòng)進(jìn)給和機(jī)電氣動(dòng)聯(lián)合控制的間歇進(jìn)給。前者通常與單株取苗機(jī)械手配合使用，后者通常與排式取苗配合使用。洋馬自動(dòng)移栽機(jī)送苗機(jī)構(gòu)為純機(jī)械驅(qū)動(dòng)，橫向進(jìn)給利用凸輪軸控制，縱向進(jìn)給由凸輪軸一側(cè)的邊凸輪觸發(fā)棘輪動(dòng)作，構(gòu)造簡(jiǎn)單、緊湊，如此圖10所示。Ferrari、Williames等自動(dòng)移栽機(jī)的送苗機(jī)構(gòu)均為電氣結(jié)合控制，機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)，通過傳感器、PLC等電子器件控制其動(dòng)作的頻率和幅度，進(jìn)而到達(dá)精準(zhǔn)送苗的目的，如此圖11所示。國(guó)內(nèi)專門進(jìn)行給苗部件的研究較少，中國(guó)農(nóng)機(jī)院設(shè)計(jì)的給苗部件采用凸輪軸與間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合控制苗盤的橫向間歇進(jìn)給，采用棘輪構(gòu)造控制其縱向進(jìn)給。韓長(zhǎng)杰基于氣動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)穴盤步進(jìn)移位機(jī)構(gòu)，通過步進(jìn)移位氣缸結(jié)合棘輪實(shí)現(xiàn)苗盤的橫向進(jìn)給，通過左右移位氣缸實(shí)現(xiàn)苗盤的左右進(jìn)給。2．3國(guó)內(nèi)外全自動(dòng)移栽機(jī)栽植技術(shù)研究現(xiàn)在狀況國(guó)內(nèi)外全自動(dòng)移栽機(jī)常見的栽植方式主要有導(dǎo)苗管式、撓性圓盤式及輸送帶式等。2．3．1導(dǎo)苗管式秧苗由輸送裝置送到導(dǎo)苗管上方，順著導(dǎo)苗管在重力作用下落入開溝器開好的土槽中，后在回流土與壓實(shí)裝置作用下定植。Ferrari全自動(dòng)移栽機(jī)和Williames全自動(dòng)移栽機(jī)均為此種栽植方式，如此圖12所示。2．3．2撓性圓盤式通常撓性圓盤式移栽機(jī)的輸送裝置是全程輸送帶式，秧苗在輸送帶末端被交接至撓性圓盤，再隨撓性圓盤栽入土中。典型機(jī)具有Agitiplanter全自動(dòng)移栽機(jī)和FMC全自動(dòng)移栽機(jī)等，如此圖13所示。2．3．3輸送帶式此種形式是指由輸送帶直接將秧苗送入開好的土槽中，后在回流土與壓實(shí)裝置作用下覆土定植。代表機(jī)型是Pearson全自動(dòng)移栽機(jī)，如此圖14所示。以上幾種栽植形式在半自動(dòng)移栽機(jī)中都有應(yīng)用，但是有個(gè)共同的缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)膜上移栽，在我們國(guó)家大部分地區(qū)(如東北、西北甚至部分南方地區(qū))推廣使用都遭到限制。2．3．4鴨嘴式栽植部件鴨嘴式栽植部件能夠?qū)崿F(xiàn)膜上移栽，是當(dāng)下我們國(guó)家半自動(dòng)移栽機(jī)中使用較多的栽植方式。當(dāng)下，國(guó)外自動(dòng)移栽機(jī)使用鴨嘴栽植器(見圖15)的只要洋馬生產(chǎn)的全自動(dòng)移栽機(jī)，但是移栽效率較低，僅為35～50株/min。國(guó)內(nèi)中國(guó)農(nóng)機(jī)院的就是鴨嘴式栽植器。3結(jié)論國(guó)外自動(dòng)移栽機(jī)技術(shù)先進(jìn)、性能可靠，并且已經(jīng)有一定規(guī)模的推廣使用;但是價(jià)格非常昂貴，是半自動(dòng)移栽機(jī)的10倍以上，大大超出了國(guó)內(nèi)用戶的購(gòu)買能力，且多數(shù)機(jī)型不能知足國(guó)內(nèi)移栽農(nóng)藝需求，在國(guó)內(nèi)難以推廣。半自動(dòng)移栽機(jī)推廣受阻使國(guó)內(nèi)學(xué)者越來越重視自動(dòng)移栽機(jī)的研究，最最近幾年有了很大的發(fā)展，但是當(dāng)下多處于研究試驗(yàn)階段，還沒有出現(xiàn)性能穩(wěn)定可靠的自動(dòng)移栽機(jī)產(chǎn)品，自動(dòng)移栽機(jī)的開發(fā)任重而道遠(yuǎn)。自動(dòng)移栽機(jī)開發(fā)經(jīng)過中應(yīng)注意下面幾點(diǎn):1)自動(dòng)移栽對(duì)苗盤規(guī)格、成苗大小、育苗質(zhì)量都有較高要求，因而在研究自動(dòng)移栽技術(shù)的同時(shí)，發(fā)展與之配套的育苗農(nóng)藝。2)國(guó)內(nèi)各地的整地條件參差不齊，部分地區(qū)地況較差，限制了移栽機(jī)械的使用。自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)造較復(fù)雜，對(duì)地況的要求會(huì)更嚴(yán)格，應(yīng)開發(fā)與其配套的整地機(jī)械，盡可能減少影響其正常作業(yè)的不利因素。3)當(dāng)下國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)自動(dòng)移栽技術(shù)的研究重點(diǎn)多放在取苗裝置上，忽略了對(duì)給苗裝置的研究，而給苗裝置對(duì)整個(gè)機(jī)具運(yùn)行速度和可靠性有重要影響。4)在發(fā)展自動(dòng)移栽技術(shù)的同時(shí)，不應(yīng)過分追求速度，同時(shí)也應(yīng)考慮生產(chǎn)成本和性能可靠性問題，尋求高效率和低成本的最佳契合點(diǎn)?！緢D略】以下為以下為參考文獻(xiàn):［1］Tsuga，K．Developmentoffullyautomaticvegetabletrans-planter［J］．JapanAgriculturalＲesearchQuarterly，2000，34:21－28．［2］劉存祥，李曉虎，岳修滿，等．我們國(guó)家旱地移栽機(jī)的現(xiàn)在狀況與發(fā)展趨勢(shì)［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2020，34(11):249－251．［3］尹國(guó)洪，陳巧敏，張瑞林．旱地育苗移栽機(jī)械現(xiàn)在狀況、發(fā)展趨勢(shì)與前景［J］．中國(guó)農(nóng)機(jī)化，1997(5):9－11．［4］韓長(zhǎng)杰，張學(xué)軍，楊宛章，等．旱地缽苗自動(dòng)移栽技術(shù)現(xiàn)在狀況與分析［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2018，33(11):238－240．［5］