國內(nèi)外自動移栽機關(guān)鍵技術(shù)分析,農(nóng)業(yè)機械化論文

國內(nèi)外自動移栽機關(guān)鍵技術(shù)分析,農(nóng)業(yè)機械化論文育苗移栽技術(shù)可充分利用光熱資源，提高作物復種指數(shù)，具有對氣候的補償作用和使作物生長提早的綜合效益，是我們國家將來確保農(nóng)產(chǎn)品供應安全的重要手段。當下，國內(nèi)移栽機械以半自動移栽機為主。半自動移栽由人工取苗，取出的缽苗被放置在相應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，不合適短時間內(nèi)完成大面積移栽，機械化效益不明顯。當下，其僅在種植利潤較高的經(jīng)濟作物(如煙草、油菜)中有一定的推廣。對于蔬菜、玉米和棉花等，由于作物本身種植利潤低，半自動移栽機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，作物移栽期勞動力緊張情況尤為突出，對移栽機的工作效率提出了更高層次層次的要求。全自動移栽機機械自動取苗，工作效率能夠提高至半自動移栽機的2～4倍，極大地降低了操作者的勞動強度，并可很好地解決勞動力缺乏、作業(yè)效率低下等問題，被國內(nèi)外普遍以為是最終的發(fā)展方向。1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)在狀況國外十分是歐美國家的全自動移栽技術(shù)研究較國內(nèi)而言起步早，也相對成熟，部分全自動移栽機已經(jīng)有較好的推廣。美國Ｒenaldo公司于2003年開發(fā)的基于空氣整根苗盤的全自動蔬菜移栽機，針對特制的倒錐形硬質(zhì)組合苗盤所育的苗，采用了負壓取苗方式，將苗從上向下吸出后沿著輸送管道送給栽植器;缺點是苗盤價格高、構(gòu)造復雜，取苗時容易致基質(zhì)松懈，而且只能合適幼小的苗。當下推廣較多的全自動移栽機有意大利Ferrari公司的Futura系列全自動移栽機、英國的Pearson全自動移栽機以及澳大利亞的Williames自動移栽機等。此類移栽機多為排式取苗，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，實現(xiàn)精準取苗、投苗，每組部件取苗效率超過8000株/h。這些機型主要針對基質(zhì)缽苗，融合了先進的多傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)，大幅提高作業(yè)效率、大量節(jié)省勞動力，知足了當代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要;但是價格昂貴，構(gòu)造復雜，維護困難。另外，日本旱地自動移栽技術(shù)也有很好的發(fā)展，如洋馬、井關(guān)和久保田株式會社都有比擬成熟的自動移栽機。以洋馬自動移栽機為例，以原有插秧機技術(shù)為基礎(chǔ)并加以改良，1行只要1個取苗機械手。這種形式的移栽機整機體積小，移動靈敏，十分適用于丘陵小地塊作業(yè);缺點是1次只取1株苗，速度較低，洋馬自動移栽機作業(yè)效率為3000株/行h。當下，國內(nèi)還沒出現(xiàn)成熟的自動移栽機，大部分自動移栽技術(shù)研究多處于部件研究和試驗階段。吉林工業(yè)大學孫廷琮等人發(fā)明了空氣整根營養(yǎng)缽育苗及移栽系統(tǒng)?？諝庹鶢I養(yǎng)缽育苗及移栽系統(tǒng)在原理和技術(shù)上都實現(xiàn)了穴盤育苗移栽自動化，但是多年來一直沒有推廣使用。2國內(nèi)外自動移栽機關(guān)鍵技術(shù)分析自動移栽機主要由3大部件組成:取苗部件、給苗部件和栽植部件。栽植部件在半自動移栽機上已有應用并且發(fā)展較為成熟，因而設(shè)計穩(wěn)定、可靠的取苗部件和給苗部件是實現(xiàn)全自動移栽的關(guān)鍵。2．1國內(nèi)外自動移栽取苗技術(shù)研究現(xiàn)在狀況現(xiàn)有國內(nèi)外自動移栽技術(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排式取苗每個工作單元有多個取苗爪，一次取多株苗。此類構(gòu)造通常融合自動控制技術(shù)和氣動技術(shù)于一體，實現(xiàn)一組取苗爪的精準定位、準確動作，取苗速度較高，能到達8000株/h。排式取苗根據(jù)詳細動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:取苗爪運動至取苗位置后靜止;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至輸送部件上方，完成投苗。此種取苗方式動作穩(wěn)定可靠，不傷苗體或基質(zhì)，對不同種類秧苗的通用性強;但是取苗經(jīng)過需要不同部件配合完成，對定位、動作控制要求高，構(gòu)造復雜。代表機型有Ferrari(見圖1)全自動移栽機、Williames(見圖2)全自動移栽機及Agitiplanter全自動移栽機等。2)拔出式取苗:取苗爪主動加持苗莖干或插入秧苗土缽內(nèi)，將苗拔出穴盤，而帶苗移動至輸送部件上方，投苗。此種形式取苗動作由單一工作部件完成，構(gòu)造相對簡單，動作快速;但是由于取苗爪要加持莖干或基質(zhì)，對加持部位會有一定的損傷。代表機型有Teaproject(見圖3)全自動移栽機及Pearson全自動移栽機等。國內(nèi)學者研究的取苗機械手以拔出式取苗居多。比擬典型的有北京工業(yè)大學高國華等人、沈陽農(nóng)業(yè)大學邱立春等人，集合氣動技術(shù)和自動控制技術(shù)設(shè)計移栽爪(見圖4)，通過氣缸控制取苗爪的移動1設(shè)計。南京農(nóng)業(yè)大學韓長杰等人設(shè)計了多組氣缸驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)擺位式取苗機械手(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)取苗試驗得出，系統(tǒng)取喂苗總可靠率達98．92%，平均基質(zhì)損失質(zhì)量9．26%，取喂速度達4200株/h，未見明顯傷苗。南京農(nóng)業(yè)大學尹文慶等人設(shè)計的機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。浙江大學任燁等人研究了基于機器視覺的設(shè)施農(nóng)業(yè)移栽機器人，包括視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機器臂等。機器臂由步進電機驅(qū)動，氣缸驅(qū)動末端執(zhí)行器，并對針式、鏟式和錐形3種手指的取苗效果進行了比照試驗，以為鏟式效果最好。江蘇大學毛罕平、胡建平等人設(shè)計了旱地穴盤移栽裝置末端執(zhí)行器(見圖6)，多個取苗執(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動，并在運動中不斷變換姿態(tài)，以知足取苗和投苗要求。單株取苗機械手從取苗、送苗到投苗至栽植器的動作都由單一部件完成，構(gòu)造簡單緊湊，生產(chǎn)成本低;缺點是一次只取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)的全自動移栽機。國內(nèi)浙江理工大學開發(fā)的回轉(zhuǎn)箱式取苗機械手、江蘇大學開發(fā)的凸輪連桿組合式取苗部件、中國農(nóng)機院開發(fā)的齒輪－五桿取苗機械手都是比擬典型的單株取苗機械手。江蘇大學毛罕平等人開發(fā)的自動取苗機械手由取苗爪、回轉(zhuǎn)箱驅(qū)動機構(gòu)及槽形凸輪機構(gòu)組成，機構(gòu)運動時以圖7所示軌跡實現(xiàn)從穴盤中取苗和向植苗機構(gòu)投苗的動作。浙江理工大學俞高紅等人采用回轉(zhuǎn)式取苗機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動軌跡，進而完成取苗和向栽植部件投苗的動作，如此圖8所示。中國農(nóng)機院趙亮等人采用雙曲柄的五桿機構(gòu)控制取苗爪，實現(xiàn)苗爪的取苗和投苗動作，取苗工作效率為4200株/h，如此圖9所示。2．2國內(nèi)外自動移栽機給苗技術(shù)研究現(xiàn)在狀況設(shè)計與取苗裝置動作準確配合的苗盤的進給裝置也是自動移栽機開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。不管排式取苗還是單株取苗，相對應的苗盤進給原理基本一致。整個進給大致可分為橫向進給和縱向進給。橫向進給目的是取同一排苗，進給1次，取1株或多株苗。整排苗取完后縱向進給動作，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，對于一個規(guī)格為mn的苗盤，橫向進給ma－1次，縱向進給n－1次，即可將整盤苗取完。給苗部件要求進給準確、無累積誤差，現(xiàn)有機型詳細實現(xiàn)形式主要有兩種:純機械驅(qū)動進給和機電氣動聯(lián)合控制的間歇進給。前者通常與單株取苗機械手配合使用，后者通常與排式取苗配合使用。洋馬自動移栽機送苗機構(gòu)為純機械驅(qū)動，橫向進給利用凸輪軸控制，縱向進給由凸輪軸一側(cè)的邊凸輪觸發(fā)棘輪動作，構(gòu)造簡單、緊湊，如此圖10所示。Ferrari、Williames等自動移栽機的送苗機構(gòu)均為電氣結(jié)合控制，機構(gòu)由氣動元件驅(qū)動，通過傳感器、PLC等電子器件控制其動作的頻率和幅度，進而到達精準送苗的目的，如此圖11所示。國內(nèi)專門進行給苗部件的研究較少，中國農(nóng)機院設(shè)計的給苗部件采用凸輪軸與間歇運動機構(gòu)結(jié)合控制苗盤的橫向間歇進給，采用棘輪構(gòu)造控制其縱向進給。韓長杰基于氣動技術(shù)設(shè)計穴盤步進移位機構(gòu)，通過步進移位氣缸結(jié)合棘輪實現(xiàn)苗盤的橫向進給，通過左右移位氣缸實現(xiàn)苗盤的左右進給。2．3國內(nèi)外全自動移栽機栽植技術(shù)研究現(xiàn)在狀況國內(nèi)外全自動移栽機常見的栽植方式主要有導苗管式、撓性圓盤式及輸送帶式等。2．3．1導苗管式秧苗由輸送裝置送到導苗管上方，順著導苗管在重力作用下落入開溝器開好的土槽中，后在回流土與壓實裝置作用下定植。Ferrari全自動移栽機和Williames全自動移栽機均為此種栽植方式，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。典型機具有Agitiplanter全自動移栽機和FMC全自動移栽機等，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，后在回流土與壓實裝置作用下覆土定植。代表機型是Pearson全自動移栽機，如此圖14所示。以上幾種栽植形式在半自動移栽機中都有應用，但是有個共同的缺點是無法實現(xiàn)膜上移栽，在我們國家大部分地區(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，是當下我們國家半自動移栽機中使用較多的栽植方式。當下，國外自動移栽機使用鴨嘴栽植器(見圖15)的只要洋馬生產(chǎn)的全自動移栽機，但是移栽效率較低，僅為35～50株/min。國內(nèi)中國農(nóng)機院的就是鴨嘴式栽植器。3結(jié)論國外自動移栽機技術(shù)先進、性能可靠，并且已經(jīng)有一定規(guī)模的推廣使用;但是價格非常昂貴，是半自動移栽機的10倍以上，大大超出了國內(nèi)用戶的購買能力，且多數(shù)機型不能知足國內(nèi)移栽農(nóng)藝需求，在國內(nèi)難以推廣。半自動移栽機推廣受阻使國內(nèi)學者越來越重視自動移栽機的研究，最最近幾年有了很大的發(fā)展，但是當下多處于研究試驗階段，還沒有出現(xiàn)性能穩(wěn)定可靠的自動移栽機產(chǎn)品，自動移栽機的開發(fā)任重而道遠。自動移栽機開發(fā)經(jīng)過中應注意下面幾點:1)自動移栽對苗盤規(guī)格、成苗大小、育苗質(zhì)量都有較高要求，因而在研究自動移栽技術(shù)的同時，發(fā)展與之配套的育苗農(nóng)藝。2)國內(nèi)各地的整地條件參差不齊，部分地區(qū)地況較差，限制了移栽機械的使用。自動移栽機構(gòu)造較復雜，對地況的要求會更嚴格，應開發(fā)與其配套的整地機械，盡可能減少影響其正常作業(yè)的不利因素。3)當下國內(nèi)學者對自動移栽技術(shù)的研究重點多放在取苗裝置上，忽略了對給苗裝置的研究，而給苗裝置對整個機具運行速度和可靠性有重要影響。4)在發(fā)展自動移栽技術(shù)的同時，不應過分追求速度，同時也應考慮生產(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?！緢D略】以下為以下為參考文獻:［1］Tsuga，K．Developmentoffullyautomaticvegetabletrans-planter［J］．JapanAgriculturalＲesearchQuarterly，2000，34:21－28．［2］劉存祥，李曉虎，岳修滿，等．我們國家旱地移栽機的現(xiàn)在狀況與發(fā)展趨勢［J］．農(nóng)機化研究，2020，34(11):249－251．［3］尹國洪，陳巧敏，張瑞林．旱地育苗移栽機械現(xiàn)在狀況、發(fā)展趨勢與前景［J］．中國農(nóng)機化，1997(5):9－11．［4］韓長杰，張學軍，楊宛章，等．旱地缽苗自動移栽技術(shù)現(xiàn)在狀況與分析［J］．農(nóng)機化研究，2018，33(11):238－240．［5］