基于PLC控制的煙草移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

目目目錄摘 英文摘 引 研究的目的與意 國內(nèi)外研究現(xiàn) 國外研究現(xiàn) 國內(nèi)研究現(xiàn) 主要研究?jī)?nèi)容及方 主要研究?jī)?nèi) 研究方法與技術(shù)路 本章小 移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及其理論分 煙草移栽農(nóng)藝流程及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要 煙草缽苗移裁的農(nóng)藝流 移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要 移栽機(jī)構(gòu)工作原 移栽軌跡與姿態(tài)要 移栽過程的理論分 本章小 移栽試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè) 移栽試驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè) 夾爪機(jī)構(gòu)的設(shè) 試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè) 移栽試驗(yàn)臺(tái)虛擬模型建立與裝 移栽試驗(yàn)臺(tái)物理樣機(jī)的加工制 本章小 移栽試驗(yàn)臺(tái)的仿真分 虛擬樣機(jī)仿真流 虛擬樣機(jī)模型的導(dǎo)入與前期處 基于Adams仿真分 仿真結(jié)果后處 仿真其它栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌 本章小 控制系統(tǒng)設(shè) PLC技術(shù)概 PLC的基本組 PLC的工作原 控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成和設(shè) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本原 控制系統(tǒng)的硬件設(shè) 控制系統(tǒng)的硬件選 控制系統(tǒng)電路連 控制系統(tǒng)的軟件設(shè) 控制系統(tǒng)流 控制系統(tǒng)控制參數(shù)的整 編程軟件的介 PLC的程序設(shè) 本章小 物理樣機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)試 試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào) 高速攝影與軌跡描 本章小 結(jié)論與展 結(jié) 主要?jiǎng)?chuàng)新 展 致 參考文 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論 Abstractin Thepurposeandsignificanceof Theresearchstatusoftransplantingmechanismathomeand Foreignresearch Domesticresearch Themainresearchcontentsand Themainresearch Researchmethodsandtechnical Thesummaryofthis Designrequirementsandtheoreticalanalysisoftransplanting Agriculturalprocessandmechanismdesignrequirementsoftobacco Agronomicprocessoftobaccoseedling Agronomicprocessoftobaccoseedling Workingprincipleoftransplanting Transplantingtrackandattitude Theoreticalanalysisoftransplanting Thesummaryofthis Structuraldesignoftransplantingtest- Overallstructuredesignoftransplantingtest- Designof Designoftest Virtualmodelestablishmentandassemblyoftransplantingtest- Processingandmanufacturingofphysicalprototypeoftransplantingtest- Thesummaryofthis SimulationAnalysisoftransplantingtest- Virtualprototypesimulation Introductionandpreliminaryworkprocessingofvirtualprototype Simulationanalysisbasedon Post-processingofsimulation Simulatingtherunningtrackofotherplanting Thesummaryofthis Controlsystem PLCtechnology Basiccompositionof WorkingprincipleofPLCWorkingprincipleof Basicstructureanddesignofcontrol Basicprinciplesofcontrolsystem Hardwaredesignofcontrol Hardwareselectionofcontrol Controlsystemcircuit Softwaredesignofcontrol Controlsystem Settingofcontrolparametersofcontrol Introductiontoprogramming PLC Thesummaryofthis Operationtestofphysical Operationandcommissioningoftest- Highspeedphotographyandtrace Thesummaryofthis Conclusionand Maininnovation Paperspublishedintheperiodof 摘摘摘要中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，許多農(nóng)作物都需移栽來種植，如水稻、烤煙、辣椒、棉花和番茄等。其中水稻移栽基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)機(jī)械移栽，其它作物目前還是以人工作業(yè)為主，半自動(dòng)為輔。半自動(dòng)移栽機(jī)受到人工喂苗速率的制約，作業(yè)效率較低，投入產(chǎn)出比低，因此其應(yīng)用受到制約。目前移栽機(jī)主要結(jié)構(gòu)形式有：吊籃式、鉗夾式、鏈夾式、撓性圓盤式和非圓齒輪行星輪式等。上述機(jī)型都是針對(duì)特定作物及移栽農(nóng)藝要求進(jìn)行移栽軌跡的設(shè)計(jì)，當(dāng)作物或農(nóng)藝要求發(fā)生變化，移栽軌跡與理想軌跡就會(huì)產(chǎn)生偏差，使移栽質(zhì)量受到影響。若調(diào)整移栽軌跡，則機(jī)具的結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)，工作量大、生產(chǎn)制造周期長(zhǎng)。本文提出一種極坐標(biāo)式栽植機(jī)構(gòu)，即直線移動(dòng)與擺動(dòng)復(fù)合的機(jī)構(gòu)，兩運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過PLC控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌。根據(jù)作物和移栽農(nóng)藝的變化，通過修改PLC的控制程序來改變移栽軌跡，不需要對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何修改，適用于不同作物，不同移栽農(nóng)藝要求。該機(jī)構(gòu)可以完成取苗、送苗、栽植和回程一系列動(dòng)作，自動(dòng)化程度高，靈活性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本文以煙草為特定研究對(duì)象，對(duì)基于PLC的煙草移栽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，主要的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：根據(jù)中國煙草移栽的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種理想的移栽運(yùn)行軌跡，確定該軌跡形成的原理與機(jī)械結(jié)構(gòu)。應(yīng)用Solidworks軟件對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)設(shè)計(jì)資料，加工出移栽試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用Adams軟件對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到移栽試驗(yàn)臺(tái)上夾爪指定點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)行軌跡、絕對(duì)運(yùn)行軌跡、速度曲線和位移曲線，對(duì)其進(jìn)行分析，驗(yàn)證移栽試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性。通過模擬運(yùn)行兩種已有栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡，驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的移栽試驗(yàn)臺(tái)的靈活性。應(yīng)用PLC的編程軟件GXworks2軟件對(duì)控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫，再完成對(duì)控制對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行高速攝像，得到實(shí)際運(yùn)行軌跡。與理論運(yùn)行軌跡和仿真運(yùn)行軌跡對(duì)比，結(jié)果表明，三條軌跡基本吻合，物理樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期技術(shù)要求。綜上所述，本文設(shè)計(jì)了由PLC控制運(yùn)行軌跡的煙草移栽試驗(yàn)臺(tái)，通過對(duì)栽植機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)進(jìn)行高速攝像，獲得運(yùn)行軌跡進(jìn)行分析，驗(yàn)證了其原理的合理性與結(jié)構(gòu)的可行性。相比于現(xiàn)有移栽機(jī)構(gòu)，本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)能更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)移栽軌跡特殊要求，對(duì)提高移栽質(zhì)量具有重大意義；可根據(jù)不同作物和不同農(nóng)藝要求編寫相應(yīng)的程序?qū)ζ溥\(yùn)行軌跡進(jìn)行修改，靈活地適應(yīng)不同的移栽要求。本文為提高移栽自動(dòng)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為全自動(dòng)移栽機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：煙草移栽；全自動(dòng)移栽；PLCDesignandExperimentofPlantingMechanismofTobaccoTransplanterBasedonPLCControlChinaisalargeagriculturalcountry.Manycropsneedtobetransplanted,suchasrice,tobacco,pepper,cottonandtomato.Amongthem,ricetransplantinghasbasicallyrealizedthefull-automaticmechanicaltransplanting,andothercropsarestilldominatedbymanualwork,supplementedbysemi-automatic.Thesemi-automatictransplanterisrestrictedbytherateofartificialseedlingfeeding,lowefficiencyandlowinput-outputratio,soitsapplicationisAtpresent,themainstructuralformsoftransplanterare:baskettype,clamptype,chainclamptype,flexibledisctypeandnon-circulargearplanetarywheeltype,etc.Theabovemodelsaredesignedforspecificcropsandtransplantingagronomicrequirements.Whenthecroporagronomicrequirementschange,thetransplantingtrajectoryandidealtrajectorywillhavedeviation,whichwillaffectthetransplantingquality.Ifthetransplantingtrajectoryisadjusted,thestructureofthemachineneedstoberedesigned,withlargeworkloadandlongmanufacturingcycle.Inthispaper,apolarcoordinatetransplantingmechanismisproposed,whichisacompoundmechanismoflinearmovementandswing.Thetwomovementsaredrivenbyasteppingmotor,andthemotiontrajectoryofthemechanismiscontrolledbyPLC.Accordingtothechangesofcropsandtransplantingagronomy,thetransplantingtrajectorycanbechangedbymodifyingthePLCcontrolprogram,withoutanymodificationofthemechanicalstructure,whichisapplicabletodifferentcropsanddifferenttransplantingagronomyrequirements.Themechanismcancompleteaseriesofactions,suchaspicking,sending,plantingandreturning,withhighdegreeofautomation,highflexibilityandsimplestructure.Thispapertakestobaccotransplantingasthespecificresearchobject,designsandteststhetobaccotransplantingtest-bedbasedonPLC.Themainresearchcontentsandresultsareasfollows:AccordingtotheagriculturalrequirementsoftobaccotransplantinginChina,anidealtransplantingtrajectorywasdesigned,andtheprincipleandmechanicalstructureofthetrajectoryformationweredetermined.Solidworkssoftwareisusedtodesignthetransplantingtest-bed,andthephysicalprototypeofthetransplantingtest-bedisprocessedaccordingtothedesigndata.Adamssoftwareisusedtocarryoutkinematicsimulationanalysisofthetransplantingtest-bed,andtherelativeandabsoluterunningtrajectory,velocitycurvesanddisplacementcurvesofthegripperfingerpointsonthetransplantingtest-bedareobtained,whichareanalyzedtoverifytherationalityofthedesignofthetransplantingtest-bed.Bysimulatingthetrajectoriesoftwoexistingtransplantingmechanisms,theflexibilityofthetransplantingtest-beddesignedinthispaperisverified.GXworks2,theprogrammingsoftwareofPLC,isusedtodesignandwritethecontrolprogram,andthentheselection,configurationanddebuggingoftherequiredhardwareinthecontrolsystemarecompletedtodeterminetherationalityofthecontrolsystemdesign.Thetransplantingtest-bedwasphotographedathighspeedtogettheactualrunningtrajectory.Comparedwiththetheoreticaltrajectoryandsimulationtrajectory,theresultsshowthatthethreetracksarebasicallyconsistent,andthephysicalprototypecanachievetheexpectedtechnicalrequirements.Tosumup,thispaperdesignedafull-automatictobaccotransplantingtest-bedcontrolledbyPLC.Throughthehigh-speedcameraoftheworkingstateofthetransplantingmechanism,theobtainedrunningtrajectoryanalysisverifiedtherationalityofitsprincipleandthefeasibilityofitsstructure.Comparedwiththeexistingtransplantingmechanism,thetest-beddesignedinthispapercanrealizethespecialrequirementsoftransplantingtrajectorymoreaccurately,whichisofgreatsignificancetoimprovethetransplantingquality;accordingtodifferentcropsanddifferentagronomicrequirements,correspondingprogramscanbecompiledtomodifyitsrunningtrajectory,andflexiblyadapttodifferenttransplantingrequirements.Thispaperlaysafoundationforimprovingthedevelopmentoftransplantingautomationandprovidesareferenceforthefurtherdevelopmentofautomatictransplanter.Keywords:tobaccotransplanting;automatictransplanting;PLC;simulationanalysis;high-speedcameratestCandidate:LiHongyangSpeciality:AgriculturalEngineeringSupervisor:NaMingjun&Liu我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，許多農(nóng)作物通過移栽可有效縮短生長(zhǎng)周期、減少缺苗率、增加壯苗率和降低病蟲害等風(fēng)險(xiǎn)，如水稻、烤煙、辣椒、棉花和番茄等，都需要通過移栽技術(shù)來種植。既解決了我國東北地區(qū)和西北地區(qū)因氣候干旱寒冷而導(dǎo)致的作物生長(zhǎng)周期短的問題；又解決了我國長(zhǎng)江流域和華北地區(qū)因一年種植兩茬而導(dǎo)致積溫不足的問題?，F(xiàn)如今，水稻已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)機(jī)械移栽，但旱地農(nóng)作物的移栽還是以人工移栽作業(yè)為主，半自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)為輔[1]。半自動(dòng)機(jī)械移栽機(jī)需要人工喂苗，人工喂苗極限頻率為60株/min[2]。而且當(dāng)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)時(shí)，喂苗手會(huì)因高度緊張工作而疲勞，從而可能出現(xiàn)漏苗的情況，因此機(jī)具作業(yè)速度受到制約，生產(chǎn)率不高。目前廣泛應(yīng)用的半自動(dòng)移栽機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式有：非圓齒輪行星輪式、吊籃式、鏈夾式、撓性圓盤式和鉗夾式等，這些移栽機(jī)都是根據(jù)特定作物的物理形態(tài)和種植農(nóng)藝要求，確定其移栽所需軌跡，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的[3],因此只適用于特定農(nóng)作物的栽植，且移栽軌跡受機(jī)械結(jié)構(gòu)的制約不能做到最優(yōu)，機(jī)具結(jié)構(gòu)軌原有栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡將不會(huì)更好地適應(yīng)新狀態(tài)下栽植要求，導(dǎo)致栽植質(zhì)量降低。而若要修改這些移栽機(jī)的栽植軌跡，則需要重新對(duì)機(jī)具的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如此增大了工作量且延長(zhǎng)了生產(chǎn)制造周期。針對(duì)這個(gè)問題，本文將設(shè)計(jì)一種可以通過修改PLC程序來控制移栽軌跡的移栽試驗(yàn)臺(tái)，以便捷地調(diào)整栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡，從而適應(yīng)不同作物及不同栽植農(nóng)藝的要求。植面積、稅利總額以及上繳財(cái)政總額的情況如圖表1-1所示[4-6]。且煙草在旱地移栽作物中，栽植農(nóng)藝最為復(fù)雜、涉及環(huán)節(jié)多，具有代表性。因此，本文將以煙草移栽為特定研究對(duì)象，進(jìn)行移栽試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。1-120142018種植面積（萬畝稅利總額（億元上繳財(cái)政總額（億元本文設(shè)計(jì)一種極坐標(biāo)式栽植機(jī)構(gòu)，即直線移動(dòng)與擺動(dòng)復(fù)合的機(jī)構(gòu)，兩運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過PLC控制機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡。在運(yùn)動(dòng)過程中完成取苗、送苗、栽植和回程一系列動(dòng)作，并且通過修改PLC程序來控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡，可以更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)移栽軌跡的特殊要求（取苗軌跡要平行于營養(yǎng)缽軸線、取苗速度逐漸增加，零速投苗且栽植角度可控），對(duì)提高移栽質(zhì)量具有重大意義。該機(jī)構(gòu)自動(dòng)化程度高，靈活性高，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于各種作物，不同移栽農(nóng)藝的要求。本文為進(jìn)一步提高移栽機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展探索了新模式，為全自動(dòng)移栽機(jī)實(shí)現(xiàn)通用化發(fā)展做了必要的嘗試?，F(xiàn)如今，移栽機(jī)械技術(shù)領(lǐng)先的國家主要有歐美和日本。他們從二十世紀(jì)二十年代就開始了對(duì)移栽機(jī)械的研究，主要是半自動(dòng)移栽機(jī)械；二十世紀(jì)五十年代時(shí)，研究人員設(shè)計(jì)并且制造出許多不同類型的半自動(dòng)移栽機(jī)械，主要有吊籃式、鉗夾式、撓性圓盤式和導(dǎo)苗管式等；二十世紀(jì)八十年代至今，半自動(dòng)的移栽機(jī)械在歐洲等地的發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到較為普遍的使用[7-9]日本移栽機(jī)械在國際上處于領(lǐng)先水平。由于日本用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的田塊面積相對(duì)較小，勞動(dòng)力短缺,因此日本的移栽機(jī)主要特點(diǎn)是機(jī)型小，精密化自動(dòng)化程度較高。同時(shí)也存機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修成本和使用的成本高等缺陷。日本的移栽機(jī)主要應(yīng)用于水稻、甜菜、煙草和洋蔥等經(jīng)濟(jì)作物的栽植，以久保田、井關(guān)和洋馬公司為代表。日本久保田公司設(shè)計(jì)并且制造的KN-P6型移栽機(jī)，是一種撓性圓盤式的半自動(dòng)移栽機(jī)，主要應(yīng)用于大蔥的移栽，如圖1-1所示。其工作過程為：工作時(shí)，喂苗手將苗放到運(yùn)動(dòng)著的傳送帶上，傳送帶將苗輸送到處于開啟狀態(tài)的撓性圓盤的中間位置，之后撓性橡膠圓盤會(huì)被壓盤機(jī)構(gòu)壓緊并且旋轉(zhuǎn)，當(dāng)秧苗旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)栽植區(qū)域后，撓性橡膠圓盤就會(huì)打開，秧苗則落在被開溝器開好的土壤溝槽里，最后進(jìn)行覆土作業(yè)[10-11]。這種撓性圓盤式的半自動(dòng)移栽機(jī)器，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本比較低，但是生產(chǎn)效率不高，并且撓性圓盤的耐性是比較差的，壽命低。1-1日本久保田撓性圓盤式半自動(dòng)移栽機(jī)圖1-2Fig.1-1JapanKubotaflexiblediscsemi-automatictransplantingmachine

Fig.1-2JapanJingguanducksemi-automatictobaccotransplanting引引日本井關(guān)公司設(shè)計(jì)并且制造的2Z-1A型移栽機(jī)，是一種鴨嘴式的半自動(dòng)移栽機(jī)器，主要應(yīng)用于煙草的移栽，如圖1-2所示。其工作過程為：工作時(shí)，需要喂苗手將苗投到栽植器內(nèi)，苗隨著栽植器進(jìn)入土中，栽植器在凸輪機(jī)構(gòu)的作用下開啟，將苗留在開好的苗穴中后回程，最后完成覆土。該機(jī)為自走式半自動(dòng)移栽機(jī)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但是栽植的效率不高，一般3000株/時(shí)[12-16]。日本洋馬公司的PF2R型乘坐式全自動(dòng)移栽機(jī)，如圖1-3所示，其工作過程為：通過回轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)兩個(gè)取苗器定點(diǎn)取苗，將取出的苗投入栽植器內(nèi)，通過栽植器移栽到大田里，最后經(jīng)過覆土滾輪的培土完成移栽工作。該機(jī)型特點(diǎn)是送苗機(jī)構(gòu)，其采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)完成橫向送苗和縱向送苗，通過雙螺旋凸輪軸完成橫向往復(fù)送苗，通過雙螺旋凸輪觸發(fā)棘輪、帶動(dòng)裝有苗盤的鏈條運(yùn)動(dòng)完成縱向送苗。日本井關(guān)公司研制的PZP-80型移栽機(jī)同樣采用這種取苗方式和送苗方式，如圖1-4所示。這種類型的全自動(dòng)移栽機(jī)操作簡(jiǎn)單，移栽質(zhì)量高，自動(dòng)化水平高，但是機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜程度和加工精度都非常高[17-18]圖1-3日本洋馬公司的全自動(dòng)移栽 圖1-4日本井關(guān)PZP-80型全自動(dòng)移栽Fig.1-3JapanYangmafullautomatictransplantingmachine

Fig.1-4JapanJingguanpzp-80fullautomatictransplantingmachine械作業(yè)，機(jī)型主要特點(diǎn)是大型化和自動(dòng)化，多種移栽機(jī)用于生產(chǎn)中。其全自動(dòng)移栽機(jī)主要有頂出式和取出式兩種形式[19-20]，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，效率一般為120次每分鐘。移栽機(jī)主要應(yīng)用于蔬菜、煙草和棉花等經(jīng)濟(jì)作物[21]，移栽機(jī)械生產(chǎn)廠家主要有美國瑪馳尼克公司、意大利法拉利公司和意大利的Checchi&magli公司等。美國的瑪馳尼克公司設(shè)計(jì)并且制造的1000-2型鉗夾式半自動(dòng)移栽機(jī)移栽機(jī)，如圖1-5所示。其工作過程為：喂苗手把苗送至處于開啟狀態(tài)的鉗夾里，鉗夾閉合夾住秧苗并帶著秧苗運(yùn)動(dòng)到栽植區(qū)域，鉗夾開啟，苗落在已經(jīng)開好的苗穴內(nèi)，之后由其它機(jī)構(gòu)完成注水、覆土和鎮(zhèn)壓的栽植過程[22-24]。這種移栽機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加工制造成本比較低廉。雖然可以保證株距和栽植深度基本相同，但是要做到改變株距比較困難，由于需要人工喂苗，作業(yè)效率較低。意大利的法拉利公司設(shè)計(jì)并且制造的FA型吊籃式半自動(dòng)移栽機(jī)，如圖1-6所示。其工作過程為：人工把苗投入到吊籃中，吊籃安裝在由地輪驅(qū)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的偏心圓盤上，當(dāng)?shù)趸@轉(zhuǎn)動(dòng)到投苗區(qū)域時(shí)，鴨嘴在導(dǎo)輪外力作用下打開將苗留在苗穴中，最后由鎮(zhèn)壓輪完成覆土工作[25-26]1-51000-2型鉗夾式移栽Fig.1-5Matthnik1000-2clamptransplanting

1-6FPAFig.1-6ItalyFerrariFPAtypetransplanting機(jī)和電磁閥等控制元件作用下完成取苗、送苗和栽植三個(gè)動(dòng)作[27]。如圖1-7澳大利亞的illiames公司設(shè)計(jì)并且制造的膜下全自動(dòng)移栽機(jī)，如圖1-8程為：缽苗被機(jī)械手的頂桿從苗盤中頂出到送苗機(jī)構(gòu)的接苗槽中，接苗槽隨傳送鏈運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)苗管的上方，之后缽苗下落通過導(dǎo)苗管到栽植器中，最后由栽植器完成對(duì)缽苗的移栽。這種機(jī)型栽植效率高，一般為單行7000株/小時(shí)，但是因其采用頂出式的取苗方式，缽苗的根系和缽體容易被破壞[28-30]圖1-7意大利法拉利蔬菜全自動(dòng)移栽 圖1-8澳大利亞Williames膜下移栽Fig.1-7ItalyFerrarivegetableautomatictransplantingmachine

Fig.1-8AustraliaWilliamesfilmtransplanting意大利的法拉利公司設(shè)計(jì)并且制造的FPC型膜上全自動(dòng)移栽機(jī)，如圖1-9過程為機(jī)械手夾持缽苗送至苗穴。這種型號(hào)移栽機(jī)需要專用機(jī)構(gòu)進(jìn)行營養(yǎng)缽體的制備，缽體緊實(shí)規(guī)則，株距可控[31-33]。VISSESPic-O-MatGR2700型移栽機(jī)[34]1-10引引由上位機(jī)和PLC組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用圖像處理技術(shù)識(shí)別由視覺系統(tǒng)采集的穴盤圖像。這種機(jī)型的移栽機(jī)有較高移栽成功率，但不適于灰塵和振動(dòng)的田間工作環(huán)境內(nèi)作業(yè)。1-9FPC型全自動(dòng)膜上移Fig.1-9ItalyFerrariFPCtypeautomatictransplantingmachine

1-10Pic-O-MatGR2700型自動(dòng)化溫室穴Fig.1-10Pic-O-MatGR2700automaticgreenhousetraytransplantingmachine我國對(duì)移栽機(jī)械的研究與發(fā)展相比國外起步比較晚，但近年來在我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和科研人員的不斷努力下，我國移栽機(jī)械化發(fā)展取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。二十世紀(jì)六十年代我國開始對(duì)移栽機(jī)械進(jìn)行自主研制和引進(jìn)國外機(jī)型，引進(jìn)的機(jī)型多是適于經(jīng)濟(jì)作物的，還存在適應(yīng)性差、效率低和作業(yè)穩(wěn)定性差等問題，推廣受到制約。二十世紀(jì)七十年代初，我國自主研制出甜菜裸根苗半自動(dòng)的移栽機(jī)[35-36]。二十世紀(jì)八十年代研制出玉米半自動(dòng)移栽機(jī)[19]世紀(jì)九十年代初，我國對(duì)移栽機(jī)的研究和發(fā)展進(jìn)入了高速階段，成功研制了不同類型的移栽機(jī)并投入生產(chǎn)和使用，主要有鏈夾式、撓性圓盤式、鉗夾式、吊籃式和導(dǎo)苗管式半自動(dòng)移栽機(jī)[37]，每種機(jī)型的移栽機(jī)都有其各自特點(diǎn)和各自適用的作物。目前我國已開展全自動(dòng)移栽機(jī)的研究。我國研制的鉗夾式和鏈夾式半自動(dòng)移栽機(jī)工作原理基本相似。如圖1-1所示為由吉林工業(yè)大學(xué)研制的2ZT型鉗夾式甜菜移栽機(jī)，如圖1-12所示為由南通富來威公司研制的2ZQ型鏈夾式油菜移栽機(jī)，如圖1-13所示為鏈夾式移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，如圖1-14所示為鏈夾式移栽機(jī)的移栽軌跡。以鏈夾式移栽機(jī)為例，其主要工作過程為：喂苗手將秧苗送至秧苗夾上，秧苗夾夾著秧苗并在滑道上轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到栽植盤最低點(diǎn)時(shí)，秧苗夾打開，秧苗在重力作用下落入苗溝中，隨后進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓則完成移栽。這種類型的移栽，栽植秧苗的株距準(zhǔn)確、直立度較好，移栽機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造成本相對(duì)較低，但是栽植效率低，一般30~45株每分鐘，容易傷苗和漏苗，并且株距調(diào)整困難。在國內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)但并沒有大規(guī)模生產(chǎn)[38-44] 圖1-112ZT型鉗夾式甜菜移栽 圖1-122ZQ型鏈夾式油菜移栽Fig.1-112ZT-semi-automaticclamptypetransplantingmachineofbeetroot

Fig.1-122ZQ-semi-automaticchaincliptypetransplantingmachineofrape 圖1-13鏈夾式移栽機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖1-14鏈夾式移栽機(jī)的移栽軌Fig.1-13Structuraldiagramofchaincliptransplantingmachine

Fig.1-14Transplantingtrajectoryofchaincliptransplantingmachine我國南通富來威公司所研究和制造的2ZBX-2移栽機(jī)器，如圖1-15所示。該機(jī)的工作原理和工作過程和意大利法拉利公司研制的FA型移栽機(jī)相似。這種機(jī)型的移栽機(jī)能夠在膜上打孔栽植，對(duì)秧苗的傷害小，有穩(wěn)定的栽植深度和良好的直立率，但是機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移栽效率不高，成本高[45-47]。圖1-152ZBX-2型吊籃式移栽 圖1-162ZT-2型撓性圓盤式移栽Fig.1-152ZBX-2hangingbaskettypesemi-automatictransplanting

Fig.1-162ZT-2flexibledisctypesemi-automatictransplantingmachine引引我國內(nèi)蒙農(nóng)機(jī)研究所研制的2Z-2型半自動(dòng)甜菜移栽機(jī)，是一種撓性圓盤式的半自動(dòng)移栽機(jī)，如圖1-16所示。該工作原理和工作過程和日本久保田公司設(shè)計(jì)并且制造的KN-P6型移栽機(jī)相似。這種移栽機(jī)是通過改變兩個(gè)撓性圓盤或者一個(gè)撓性圓盤和一個(gè)剛性圓盤之間的距離來進(jìn)行夾取和松開秧苗的，所以不容易傷苗，適應(yīng)性強(qiáng)，株距調(diào)節(jié)方便，栽植秧苗的直立率相對(duì)較好，但是圓盤的耐久性不好容易磨損，壽命低[48-49]。因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)方便，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。1-17機(jī)構(gòu)，如圖1-18為齒輪-五桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的示意圖，如1-19所示為取苗軌跡。該齒輪-五桿自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)是為解決鴨嘴栽植器自動(dòng)取苗問題設(shè)計(jì)的，通過多桿多自由度的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的取苗軌跡，其理想軌跡的優(yōu)點(diǎn)在于有直線狀尖點(diǎn)，即拔苗軌跡與插入苗缽軌跡基本重合，取苗時(shí)缽苗損傷小、取苗質(zhì)量好[50]。圖1-17齒輪-五桿式取苗機(jī) 圖1-18結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 圖1-19取苗軌Fig.1-17Gearfivebarseedlingpickingmechanism

Fig.1-18Structural Fig.1-19Trackof1-20所示。此系統(tǒng)由PLC控制，氣動(dòng)缸和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過苗盤移位機(jī)構(gòu)控制苗盤的橫向移動(dòng)和縱向移動(dòng)，集排式頂苗機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)構(gòu)、接苗機(jī)構(gòu)、撥苗機(jī)構(gòu)、輸苗機(jī)構(gòu)、落苗機(jī)構(gòu)和栽植機(jī)構(gòu)依次工作將缽苗栽植至大田中[51]。大田試驗(yàn)結(jié)果表明取送苗合格率高，倒伏率、漏苗率和傷苗率低[52]。金利達(dá)機(jī)械制造有限公司研究設(shè)計(jì)并制造了一種全自動(dòng)移栽機(jī)，如圖1-21所示。此移栽機(jī)采用PLC控制系統(tǒng)，工作時(shí)，多只機(jī)械手同時(shí)取苗，將苗送至投苗杯，再由投苗杯將苗投至栽植機(jī)構(gòu)，最后由栽植機(jī)構(gòu)將苗栽植到土壤中，完成移栽。此移栽機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但漏苗率較高。圖1-20南京農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所全自動(dòng)移栽 圖1-21金利達(dá)全自動(dòng)移栽Fig.1-20TransplantingmachineofNanjingagriculturalmachineryresearchinstitute

Fig.1-21JLD’sautomatictransplanting東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙勻教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研制了一種回轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機(jī)，集取苗、送苗和栽植為一體，其特點(diǎn)是高效、輕量和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖1-22所示。研制的多種水稻插秧機(jī)機(jī)型，經(jīng)大面積田間生產(chǎn)實(shí)踐證明，作業(yè)質(zhì)量?jī)?yōu)良，作業(yè)效率高[53-54]2017集取苗、送苗、破膜、打孔和栽植于一體，其栽植軌跡和打孔軌跡如圖1-23所示。這種移栽機(jī)通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，即非圓齒輪不等速行星輪系機(jī)構(gòu)，對(duì)大田作物進(jìn)行膜上移栽，運(yùn)轉(zhuǎn)高效，成本低，效率高[55]。2018一體，其栽植軌跡如圖1-24所示[27]栽的農(nóng)藝要求所設(shè)計(jì)，形如“8缽苗移栽機(jī)構(gòu)的栽植軌跡，其栽植軌跡如圖1-25所示，這是根據(jù)水稻的生長(zhǎng)特性和水稻移栽的農(nóng)藝要求所設(shè)計(jì)[56]。通過對(duì)兩個(gè)栽植軌跡的對(duì)比可知，雖然兩個(gè)軌跡都是呈“8字”型，但針對(duì)兩種不同作物和不同農(nóng)藝，為更好滿足栽植要求，保證栽植質(zhì)量，則需要對(duì)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡進(jìn)行優(yōu)化，因此必須重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2019年東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的張衛(wèi)星設(shè)計(jì)的一種番茄缽苗移栽機(jī)構(gòu)[57]，其栽植軌跡如圖1-26所示。與其相似的軌跡還有浙江理工大學(xué)的劉炳華設(shè)計(jì)的蔬菜缽苗移栽機(jī)構(gòu)[58]，其栽植軌跡如圖1-27所示。這些純機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的回轉(zhuǎn)式移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，效率高，可以很好的實(shí)現(xiàn)一種軌跡姿態(tài)，但是若想改變移栽軌跡則需要重新設(shè)計(jì)行星輪系，工作量較大，制造周期加長(zhǎng)，所以只適用于一種作物且株距調(diào)節(jié)困難[59]。圖1-22回轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽 圖1-23回轉(zhuǎn)式膜上辣椒缽苗移栽Fig.1-22Rotarytypeseedlingstransplanting

Fig.1-23Rotarytransplanterforpepperseedlingonfilm圖1-24茄子缽苗全自動(dòng)移栽 圖1-25齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)Fig.1-24Automatictransplanterforeggplant

Fig.1-25Gearseedlingtransplantingmachineforrice引引 圖1-26番茄缽苗移栽機(jī) 圖1-27蔬菜缽苗移栽機(jī)Fig.1-26Transplantingmechanismoftomatoseedlinginbowl

Fig.1-27Transplantingmechanismofvegetableseedlinginbowl通過了解和分析國內(nèi)外移栽機(jī)器的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)我國煙草移栽的農(nóng)藝要求以及現(xiàn)有移栽技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)形式的栽植機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件PLC的程序可以任意修改栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡，不需要對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與修改，自動(dòng)化程度高，靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可極大程度地提高移栽機(jī)的通用性。主要研究?jī)?nèi)容如下：通過對(duì)國內(nèi)外現(xiàn)有機(jī)型的分析，確定了研制運(yùn)行軌跡可調(diào)整的全自動(dòng)移栽機(jī)核心工作部件，該部件適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用化程度高。以煙草為對(duì)象研制栽植機(jī)構(gòu)，通過對(duì)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡的調(diào)整，驗(yàn)證栽植機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同已有機(jī)型運(yùn)行軌跡的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)特殊運(yùn)行軌跡的獨(dú)特性。根據(jù)我國煙草移栽農(nóng)藝和移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種理想的移栽運(yùn)行軌跡，并且確定該軌跡形成的原理與機(jī)械結(jié)構(gòu)。對(duì)預(yù)取苗、取苗、送苗、栽植、提苗和回程行程的時(shí)間進(jìn)行分配，確定步進(jìn)電機(jī)和直線模組在每個(gè)行程的運(yùn)行參數(shù)，為虛擬仿真和控制系統(tǒng)參數(shù)的確定提供參考依據(jù)。應(yīng)用Solidworks三維建模軟件對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行建模與裝配設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)資料，加工出移栽試驗(yàn)臺(tái)的物理樣機(jī)。應(yīng)用Adams仿真軟件對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)行學(xué)仿真和分析，得到移栽試驗(yàn)臺(tái)上夾爪指定點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)行軌跡和絕對(duì)運(yùn)行軌跡以及速度曲線和位移曲線，驗(yàn)證移栽試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性和正確性。對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)控制系統(tǒng)中所需的硬件進(jìn)行選型和配置，應(yīng)用GXworks2編程軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和編寫，最后對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。應(yīng)用高速攝像技術(shù)對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行拍攝，經(jīng)過后期軟件PCC的處理，得到移栽試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行軌跡，與理論軌跡和仿真軌跡進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證移栽試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性和本課題的研究方法為：通過了解和分析國內(nèi)外移栽機(jī)器的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，再根據(jù)我國煙草移栽的農(nóng)藝要求，在現(xiàn)有移栽技術(shù)上結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)，進(jìn)行移栽運(yùn)行軌跡和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)的三維建模和物理樣機(jī)加工，再進(jìn)行仿真分析和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最后用高速攝像機(jī)對(duì)運(yùn)行的移栽試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行拍攝，后處理得到實(shí)際運(yùn)行軌跡，與理論軌跡和仿真軌跡進(jìn)行對(duì)比分析。技術(shù)路線如圖1-28所示。1-28Fig.1-28Technical引引國內(nèi)外半自動(dòng)移栽機(jī)的各種機(jī)型工作原理相同，結(jié)構(gòu)相近。但國內(nèi)研制的機(jī)型相對(duì)國外機(jī)型功能多，更適于我國移栽生產(chǎn)需要，但一些企業(yè)機(jī)具的制造工藝水平和外觀質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。國外全自動(dòng)移栽機(jī)采用機(jī)、電、液復(fù)合系統(tǒng)，自動(dòng)化程度高，但機(jī)具體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且與我國育苗、栽植農(nóng)藝要求存在一定差異，難以被國內(nèi)用戶接受。國內(nèi)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)趙勻團(tuán)隊(duì)研發(fā)的全自動(dòng)移栽機(jī)，采用一套機(jī)械結(jié)構(gòu)，巧妙地解決了取苗、輸運(yùn)、栽植和回程動(dòng)作一體化，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕簡(jiǎn)化，在水田移栽中取得了很好的應(yīng)用。將該技術(shù)移植到旱地移栽中還需做大量深入細(xì)致的研究工作，目前已取得可喜的成績(jī)。國內(nèi)外研制的所有機(jī)型，機(jī)型結(jié)構(gòu)確定后栽植部件運(yùn)行軌跡則不可改變，導(dǎo)致機(jī)型適應(yīng)性差，降低了移栽機(jī)的通用性設(shè)計(jì)一種煙草移栽機(jī)構(gòu)首先需要了解煙草移栽的農(nóng)藝要求和移栽機(jī)構(gòu)的功能，以確定移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡和結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)其進(jìn)行理論分析，為虛擬仿真和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。移栽是烤煙生產(chǎn)中最為重要的一個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)。目前烤煙移栽主要以人工移栽為主，半自動(dòng)機(jī)械移栽為輔。人工移栽可控性高，栽植過程靈活、對(duì)煙苗形態(tài)的一致性要求低，但勞動(dòng)成穴、施肥、澆水、覆土和覆膜，統(tǒng)稱膜下移栽。云南、福建等煙區(qū)也采用覆膜、成穴、移栽、施口肥和注水覆土的農(nóng)藝流程，統(tǒng)稱膜上移栽[60]；我國研制的烤煙移栽機(jī)模仿了人工移栽的農(nóng)藝流程，普遍采用膜下移栽的工藝流程；膜上移栽成穴過程中栽植器會(huì)對(duì)農(nóng)膜產(chǎn)生撕扯，對(duì)栽植質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響，尚待進(jìn)一步克服。上述兩種移栽機(jī)因涉及流程多，因此機(jī)具功能多、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；歐美和日韓研制的烤煙移栽機(jī)功能相對(duì)單一。機(jī)械移栽機(jī)的栽植環(huán)節(jié)包括取苗、送苗、栽植和回程，在完成上述工作環(huán)節(jié)中，許多機(jī)型是由不同部件完成相應(yīng)動(dòng)作，導(dǎo)致機(jī)具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。起壟：壟形為梯形，土壤要細(xì)碎飽滿緊實(shí)，壟間距為10～12cm，壟的高為20～30cm，壟頂寬為40cm[61-62]。煙苗：適于機(jī)械移栽的煙苗要求挺拔健壯，苗高12～16cm，營養(yǎng)缽緊實(shí)[63]移栽后：煙苗的株距為45～60cm、均勻一致，要求煙苗莖稈與地面的夾角的直立狀態(tài)，避免倒伏狀態(tài)[64]移栽時(shí)在煙苗周圍8cm移栽時(shí)每株煙苗注水量≥1.5kg（視土壤墑情調(diào)整）以上就是煙苗移栽的農(nóng)藝流程及要求，總體來說就是保證煙苗在移栽后具有良好的生長(zhǎng)質(zhì)量、較高的成活率、較高的直立度、較低漏苗率和倒伏率[65]。本文所設(shè)計(jì)的移栽機(jī)構(gòu)是要與成穴、施肥、注水和覆膜機(jī)構(gòu)融為一體，構(gòu)成煙草移栽復(fù)式作業(yè)機(jī)。所設(shè)計(jì)的移栽機(jī)構(gòu)要求能獨(dú)立完成從秧盤中取出煙苗，并將煙苗平穩(wěn)運(yùn)送到挖好的穴坑內(nèi)，最后回到初始位置的栽植循環(huán)。移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求在滿足移栽的農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)上，除了要滿足其要實(shí)現(xiàn)的功能外，還要滿足其可靠性要求，考慮其制造成本和實(shí)際工作功能要求。移栽機(jī)構(gòu)可以獨(dú)立完成取苗、送苗、栽植和回程的一系列環(huán)節(jié)。取苗時(shí)夾爪運(yùn)行軌跡要平行于煙苗莖稈軸線，速度要由慢逐漸加快，避免因初始速度過快對(duì)煙苗造可靠性要求：對(duì)移栽機(jī)構(gòu)有可能出現(xiàn)的失效情況或者故障進(jìn)行預(yù)判，分析原因，以此指導(dǎo)部件的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。對(duì)能滿足功能要求的設(shè)計(jì)方案并盡可能避免不必要的制造成本。工作環(huán)境：移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮不受振動(dòng)和灰塵的影響[66]本文設(shè)計(jì)的煙草移栽試驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。步進(jìn)電機(jī)321466757夾爪機(jī)構(gòu)8固裝在直線模組的滑臺(tái)上。同步帶式直線模組的原理為：同步皮帶套裝在直線模組內(nèi)兩端的同步帶輪上，一端為驅(qū)動(dòng)帶輪，另一端為從動(dòng)帶輪，滑臺(tái)固定在兩帶輪間的同步帶上[67]。1.試驗(yàn)臺(tái)架2.減速器3.步進(jìn)電機(jī)4.減速齒輪組5.直線模組6.旋轉(zhuǎn)軸7.直線模組托板8.2-1Fig.2-1Overallstructureoftransplantingtest試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)步進(jìn)電機(jī)3在控制系統(tǒng)作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸6定在旋轉(zhuǎn)軸另一端的直線模組5隨之進(jìn)行相應(yīng)的擺動(dòng)；固定在直線模組滑臺(tái)上的夾爪機(jī)構(gòu)隨滑臺(tái)直線移動(dòng)。夾爪機(jī)構(gòu)8隨直線模組上的滑臺(tái)按不同運(yùn)動(dòng)速度與方向運(yùn)動(dòng)，合成不同運(yùn)植和回程等動(dòng)作，下面是對(duì)其工作周期的說明，如圖2-2所示：初始位置設(shè)定為取苗初始點(diǎn)，直線模組與缽盤呈垂直狀態(tài),相位角設(shè)定為155°。工作時(shí)，直線模組驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)拖動(dòng)夾爪機(jī)構(gòu)向后上方運(yùn)動(dòng)，完成取苗過程；夾爪機(jī)構(gòu)隨直線模組繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)60°，完成送苗過程；夾爪機(jī)構(gòu)隨直線模組繼續(xù)再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)4°，完成栽植過程；夾爪機(jī)構(gòu)隨直線模組繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1°，完成提苗過程；此時(shí)夾爪松開煙苗，煙苗落入苗穴中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線模組由當(dāng)前位置再順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)65°回到初始位置，完成回程過程。在上述運(yùn)動(dòng)區(qū)間,滑臺(tái)拖動(dòng)夾爪機(jī)構(gòu)以不同的速度，不同的位移完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)周期的栽植，準(zhǔn)備下一個(gè)周期的移栽。2-2Fig.2-2Descriptionofwork根據(jù)煙草缽苗移栽的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了如圖2-3所示的移栽軌跡。設(shè)計(jì)該移栽軌跡的核心分兩部分：一部分是取苗階段；另一部分是栽植階段。在取苗階段，要求取苗速度先慢后快、取苗段的相對(duì)軌跡是一段與秧盤垂直的直線段、長(zhǎng)度以營養(yǎng)缽?fù)耆撾x缽盤為原則，以避免取苗時(shí)發(fā)生干涉，軌跡如圖2-3（c）所示；栽植階段，要求栽植時(shí)“有效零速投苗”且煙苗的直立度要好，投苗之后栽植的絕對(duì)軌跡向前讓開煙苗一段距離而避開煙苗，以保證栽植的質(zhì)量，軌跡如圖2-3（e）所示?！坝行Я闼偻睹纭本褪潜ＷC在機(jī)具前進(jìn)過程中，在投苗時(shí)的水平速度近似為零，也就是在投苗時(shí)使每株煙苗與地面垂直且有瞬間的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這是有利于煙苗的定植。具體軌跡要求如下：預(yù)取苗時(shí)夾爪盡量與煙苗垂直，最大偏角在15°以內(nèi)；煙苗夾持點(diǎn)距離營養(yǎng)缽上表面30mm。取苗時(shí)的軌跡長(zhǎng)度應(yīng)該大于缽盤深度，并且取苗段軌跡應(yīng)該是直線段，以保證可以順利將缽苗拔出，取苗的速度應(yīng)該相對(duì)慢一些以保證拔苗時(shí)不傷苗[68]。因?yàn)槭褂玫睦彵P深度一般為40mm，所以取苗段的長(zhǎng)度設(shè)置為50mm。栽植時(shí)的相對(duì)軌跡與地面有一段平行且劃過足夠長(zhǎng)的距離，移動(dòng)方向與機(jī)具前進(jìn)方向相反，當(dāng)移動(dòng)速度與移栽機(jī)前進(jìn)的速度相同時(shí)，即完成“有效零速投苗”，以保證栽植質(zhì)量。此時(shí)夾爪的夾片末端在壟面下約10cm根據(jù)我國的煙草移栽農(nóng)藝要求，在完成栽植過程后需要一個(gè)提苗的過程，提苗后夾爪再松開煙苗，這樣在夾持狀態(tài)下覆土可以保證煙苗的直立度，又可避免產(chǎn)生窩根現(xiàn)象的產(chǎn)生。松開煙苗后進(jìn)行回程過程?；爻虝r(shí)速度要盡量快以縮短栽植一個(gè)周期的時(shí)間。并且回程時(shí)要避開剛剛移栽好的煙苗，以避免刮傷煙苗。（a）初始狀 （b）預(yù)取苗軌 （c）取苗軌 （d）送苗軌（e）栽植軌 （f）提苗軌 （g）回程軌 （h）總軌2-3Fig.2-3Schematicdiagramoftransplanting本文設(shè)計(jì)的移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)行一個(gè)周期即可完成一次移栽，根據(jù)選定直線模組的極限運(yùn)動(dòng)參數(shù)，預(yù)計(jì)本機(jī)構(gòu)運(yùn)行30次/min，則完成一個(gè)周期需要2秒。根據(jù)移栽過程各階段所完成的任務(wù)對(duì)每一個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行時(shí)間分配，以保證核心段運(yùn)動(dòng)參數(shù)，縮短送苗和回程時(shí)間，提高栽植效率和質(zhì)量為目標(biāo)，具體分配原則如下：（1取苗段的速度要前慢后快，以避免因速度過（2）栽植段時(shí)間要相對(duì)充足，以保證煙苗的直立度；（3）送苗段速度在保證不脫苗的前提（4預(yù)取苗段和回程段的速度要盡可能的快，因?yàn)檫@兩個(gè)階段機(jī)構(gòu)不帶苗，如此可以提高移栽頻率。為了實(shí)現(xiàn)“零速移栽”需要栽植段的運(yùn)行軌跡為一段直線段，如此則需要步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度及角速度與直線模組的運(yùn)動(dòng)行程及運(yùn)行速度相配合，使移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)行栽植段時(shí)夾爪末端夾片與地面呈平行狀態(tài)運(yùn)動(dòng)。如圖2-4所示為栽植段各符號(hào)意義示意圖，通過以下理論分析對(duì)步進(jìn)電機(jī)與直線模組在栽植段的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2-4Fig.2-4Schematicdiagramofthemeaningofeach對(duì)移栽機(jī)構(gòu)栽植段建立坐標(biāo)系，取夾爪的夾片上一點(diǎn)為指定點(diǎn)，設(shè)在初始位置時(shí)的該指定點(diǎn)為原點(diǎn)，L代表指定點(diǎn)相對(duì)于直線模組的運(yùn)行距離，也是直線模組驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)行距離。φ表示指定點(diǎn)到原點(diǎn)的線段旋轉(zhuǎn)的角度，也是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線模組擺動(dòng)的角度。機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)下，直線模組的位置與水平正方向的角度為155°。yiLisin(155900i)式中：Li0iC

（2-（2-（2-式中：0--剛開始進(jìn)入栽植行程時(shí)，指定點(diǎn)相對(duì)于直線模組的運(yùn)行距離，mm。由此可以得到，栽植行程過程中，指定點(diǎn)相對(duì)于直線模組的運(yùn)行距離為：LL0sin(155900

（2- sin(15590經(jīng)過計(jì)算可以得到在栽植行程時(shí)，與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線模組擺動(dòng)的角度相配合的直線模組驅(qū)動(dòng)滑塊的運(yùn)行距離。如此可以對(duì)每個(gè)行程的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線模組擺動(dòng)的角度和直線模組驅(qū)動(dòng)滑塊的運(yùn)行距離進(jìn)行設(shè)計(jì)，再對(duì)每個(gè)行程的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行分配后，由此便可得到步進(jìn)電機(jī)和直線模組在每個(gè)行程運(yùn)行速度，根據(jù)農(nóng)藝要求、速度要求進(jìn)行調(diào)整，直到得到最滿意的參數(shù)，為虛擬仿真和控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定提供理論依據(jù)。如表2-1所示為步進(jìn)電機(jī)在各個(gè)行程的運(yùn)行參數(shù)，如表2-2表2-1Tab.2-1Operationparametersofsteppingmotorineacht角度n表2-2Tab.2-2Operationparametersoflinearmoduleineachtlv2.5根據(jù)煙草栽植農(nóng)藝要求和對(duì)取苗、栽植運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的分析，確定了移栽試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行軌跡并對(duì)其說明。根據(jù)已確定的軌跡姿態(tài)及其速度要求，對(duì)步進(jìn)電機(jī)和直線模組在各個(gè)行程中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)栽植機(jī)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)的功能和相關(guān)理論分析，應(yīng)用Solidworks2015三維建模軟件完成移栽試驗(yàn)臺(tái)的建模、裝配與工程圖的繪制，依據(jù)設(shè)計(jì)資料對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行加工制造。為第四章移栽試驗(yàn)臺(tái)的仿真分析和第六章物理樣機(jī)的試驗(yàn)做準(zhǔn)備。該移栽試驗(yàn)臺(tái)由試驗(yàn)臺(tái)架、步進(jìn)電機(jī)、直線模組、夾爪機(jī)構(gòu)和減速齒輪組五部分組成，如圖3-1所示。其設(shè)計(jì)遵循了機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、加工方便、裝配調(diào)整便捷的準(zhǔn)則，并且確保機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢。1.試驗(yàn)臺(tái)架2.步進(jìn)電機(jī)3.直線模組4.夾爪機(jī)構(gòu)5.減速齒輪組6.電磁鐵7.8.夾爪底板9.旋轉(zhuǎn)軸10.直線模組托板11.直線模組電機(jī)12.13.小齒輪14.3-1Fig.3-1Overallstructureoftransplantingtest結(jié)合該移栽試驗(yàn)臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖詳細(xì)介紹其工作原理：PLC控制步進(jìn)電機(jī)2工作，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器輸出軸上的小齒輪13將動(dòng)力傳遞給與其嚙合的大齒輪12；旋轉(zhuǎn)軸9的一端配裝大齒輪12，另一端固定直線模組托板10，直線模組3配裝在直線模組托板10上，在步進(jìn)電機(jī)2的驅(qū)動(dòng)下做相應(yīng)的擺動(dòng)；直線模組3為外購件，在其上的直線模組電機(jī)1的驅(qū)動(dòng)下，模組上的滑臺(tái)7做直線移動(dòng)；夾爪機(jī)構(gòu)4安裝在滑臺(tái)7PLC控制系統(tǒng)控制下的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，與直線模組的擺動(dòng)構(gòu)成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成各種運(yùn)行軌跡，該軌跡即為滑臺(tái)上夾爪機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡；PLC控制夾爪上的電磁鐵6得電與否來控制夾爪的開合，以完成夾取煙苗和投放煙苗的動(dòng)作。編制PLC程序控制步進(jìn)電機(jī)、直線模組和電磁鐵相配合工作，即可完成預(yù)取苗、取苗、送苗、栽植、提苗和回程的一系列預(yù)期動(dòng)作。夾爪機(jī)構(gòu)安裝在滑臺(tái)上，受PLC控制開合，對(duì)煙苗進(jìn)行夾取、輸送和投放的執(zhí)行部件。因其需要夾取的是容易受到傷害且形態(tài)不規(guī)則的煙苗，所以在設(shè)計(jì)夾爪時(shí)需要考慮到煙苗的生長(zhǎng)形態(tài)特征、位置分布等因素。因此夾爪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性非常重要。夾爪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需達(dá)到的要求如下：夾爪機(jī)構(gòu)的夾緊力適當(dāng)，即不能夾傷煙苗又能可靠夾取，并保證在輸運(yùn)過程中煙苗不易脫落；考慮到整體結(jié)構(gòu)和以上的設(shè)計(jì)要求，首先夾爪機(jī)構(gòu)一定要選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)拈_度，即夾爪張開時(shí)左右夾片之間的距離適當(dāng)。這個(gè)距離應(yīng)該保證既可以夾取一顆煙苗又不會(huì)碰觸到相鄰的兩顆煙苗。目前烤煙育苗秧盤橫向穴距為45mm，所以夾爪張開時(shí)左右夾片之間的距離可設(shè)計(jì)為45mm的影響，經(jīng)模擬分析確定夾爪開度為30mm。夾爪機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度在滿足栽植要求條件下盡可能要短，以提高機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，根據(jù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的測(cè)量，夾爪長(zhǎng)度暫定在180mm-230mm。最后與煙苗直接接觸的夾片應(yīng)該有適當(dāng)?shù)慕佑|面積，保證不會(huì)對(duì)煙苗造成傷害和可靠的夾取。根據(jù)對(duì)煙苗的測(cè)量，夾指臂末端安裝長(zhǎng)25mm,高15mm2mm的夾片，夾片與煙苗接觸面粘貼橡膠材料。1.底板2.滑板3.拉簧4.夾指臂5.夾片6.電磁鐵7.軸承座8.支撐軸9.10.628/811.軸承蓋12.619/513.轉(zhuǎn)軸14.3-2Fig.3-2Structuraldiagramof現(xiàn)對(duì)夾爪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行說明，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-2所示。底板1件，支撐軸8焊裝在底板上，電磁鐵6通過螺栓固定到底板上，夾指臂4為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，前端焊裝夾片5，臂中后部焊裝軸承座7，座內(nèi)裝有軸承10，該軸承內(nèi)環(huán)與支撐軸8相配合，使兩臂繞該軸擺動(dòng)，后端通過拉簧3將兩臂連接，在拉簧作用下使夾爪處于開啟狀態(tài)，底端焊裝的轉(zhuǎn)軸13上鑲有軸承14；在兩軸承14間夾裝滑板2，滑板2與電磁鐵6的推桿末端通過螺紋連接構(gòu)成一體。當(dāng)電磁鐵得電時(shí)，推桿帶動(dòng)滑板推出，夾爪閉合。當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，在拉簧3的作用下滑板縮回，夾爪張開。夾爪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用斜楔杠桿原理，其中滑板的作用相當(dāng)于斜楔，直接決定夾爪開合的速度與開度，所以滑板的廓形設(shè)計(jì)至關(guān)重要。滑板具體設(shè)計(jì)要求如下：保證夾指臂張開到最大限度時(shí)夾爪末端夾片距離為30mm圖3-3Fig.3-3Stressanalysisdiagramoffingerswhenclampingtobaccoseedlingswith如圖3-3所示是夾爪機(jī)構(gòu)夾緊煙苗時(shí)夾片的受力分析圖。根據(jù)煙苗的拔苗所需力為(2.091.28)N[69]N=2NP與夾緊力N的比值，應(yīng)是電磁鐵推桿對(duì)斜楔的推力P與斜楔對(duì)杠桿的作用力F的比值和斜楔對(duì)杠桿的作用力F與夾緊力N的比值的乘積。斜楔對(duì)杠桿的作用力F可由公式（3-1）計(jì)算。由于與斜楔接觸的軸承選用的是深溝球軸承619/5，其滾子外徑為13mm，并且其表面光滑，且為滾動(dòng)摩擦、摩擦系數(shù)不大，則電磁鐵推桿對(duì)斜楔的推力P與斜楔對(duì)杠桿的作用力F的關(guān)系由公式表示如式3-4所示。F 式中：P--斜楔面和滾子與之間的當(dāng)量摩擦角，°。根據(jù)力矩平衡，可以得到：

(3-式中：D--滾子外徑，d--轉(zhuǎn)軸直徑，

(3---斜楔面和滾子之間的摩擦角，°。tan

(3-斜楔接觸的軸承選用的是深溝球軸承619/5，其滾子外徑為13mm，內(nèi)徑為5mm，則D=13mm，d=5mm,當(dāng)f0.15，即tan0.15時(shí)，可得=3.3°。得到電磁鐵推桿對(duì)斜楔的推力PNPP

2sinlsin()

(3- F

lsin()PNF--斜楔對(duì)杠桿的作用力，ll--杠桿機(jī)械傳動(dòng)效率，一般取值為=0.95[70]設(shè)夾爪在夾緊煙苗時(shí)夾指臂處于垂直狀態(tài)，則90，將其代入公式（3-4）P2tan()l

(3- ll=120mml=30mm=3.3°，N=2N,=0.95代入公式（3-5），當(dāng)預(yù)定=10°時(shí)，P=4N；當(dāng)預(yù)定=15°時(shí)，P=5.5N；當(dāng)預(yù)定=20°時(shí)，P=7.3N。參考電磁鐵的驅(qū)動(dòng)力為5N，則定=15°。3-4Fig.3-4Schematicdiagramofwedgedriving斜楔在驅(qū)動(dòng)過程的示意圖如圖3-4所示，夾指臂末端夾片在水平方向上的位移為S

(3-式中：12--夾爪閉合時(shí)，杠桿的支點(diǎn)到斜楔斜面延長(zhǎng)線的垂線與杠桿的夾角，°。電磁鐵驅(qū)動(dòng)斜楔運(yùn)動(dòng)行程L為：S=15mmL=10mm

(3-滑板的設(shè)計(jì)圖如圖3-5所示。為減輕重量，在不影響工作的情況下，在滑板上開了一個(gè)孔。3-5Fig.3-5Designdrawingof夾片安裝在夾指臂的末端，通過夾指臂的開合以實(shí)現(xiàn)夾片對(duì)煙苗的夾取與釋放，直接與煙苗接觸，因此其形狀尺寸也會(huì)直接影響到夾爪取苗的成功率。夾片上會(huì)安裝有橡膠或海綿等起到緩沖作用的裝置，其作用有兩點(diǎn)，一是可以增加摩擦力，減少了在夾取煙苗時(shí)煙苗與夾片之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)的情況，增加了取苗的成功率和運(yùn)送過程中的穩(wěn)定性。二是可以減小夾片對(duì)煙苗的接觸力，有效防止夾片對(duì)煙苗在夾取和運(yùn)送過程中造成傷害。試驗(yàn)臺(tái)架的功能是支撐直線模組和驅(qū)動(dòng)直線模組擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)。本試驗(yàn)臺(tái)架由步進(jìn)電機(jī)支架、步進(jìn)電機(jī)支架連接板、步進(jìn)電機(jī)軸套、底板、固定支撐板、試驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)支架、旋轉(zhuǎn)軸、直線模組托板、軸承蓋、軸承和軸套組成。本設(shè)計(jì)中旋轉(zhuǎn)軸上的軸承采用套筒定位，這種定[71]。軸承蓋用螺釘與步進(jìn)電機(jī)軸套相連使?jié)L動(dòng)軸承外圈得到軸向定位。試驗(yàn)臺(tái)架的剖視圖3-（a）所示，試驗(yàn)臺(tái)架的整體三維視圖如圖3-6（b）所示。（a）試驗(yàn)臺(tái)架的半剖視 （b）試驗(yàn)臺(tái)架的三維視1.底板2.試驗(yàn)臺(tái)支架3.固定支撐板4.步進(jìn)電機(jī)托板5.步進(jìn)電機(jī)支架連接板67.62068.軸套9.步進(jìn)電機(jī)軸套10.后軸承蓋11.旋轉(zhuǎn)軸123-6Fig.3-6Test步進(jìn)電機(jī)的輸出軸與臺(tái)架的旋轉(zhuǎn)軸之間通過減速齒輪組配合，由于通過齒輪傳動(dòng)會(huì)存在傳動(dòng)間隙，導(dǎo)致臺(tái)架的旋轉(zhuǎn)軸的反向轉(zhuǎn)動(dòng)滯后于PLC給步進(jìn)電機(jī)的反向指令信號(hào)，造成移栽試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)精度下降。為了保證移栽試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，本試驗(yàn)臺(tái)采用一種可以消除齒輪副傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)，以提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡的精準(zhǔn)性。消除直齒圓柱齒輪副傳動(dòng)間隙一般采用三種方法：偏心套調(diào)整法，墊片調(diào)整法和雙齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法。其中第一種和第二種方法雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且傳動(dòng)剛度較好，但是當(dāng)齒輪有磨損后齒輪的傳動(dòng)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償。第三種方法雖然比前兩種方法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可以傳動(dòng)的剛度低，但是這種方法可以保持小齒輪與兩個(gè)薄片大齒輪中的至少一個(gè)無間隙嚙合，消除齒輪傳動(dòng)間隙的效果較好[72]。因此，本文選用雙齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法來消除齒輪傳動(dòng)間隙。用此法消除齒輪傳動(dòng)間隙的結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示。1.小齒輪2.A3.B4.拉簧5.銷釘6.卡簧7.圖3-7Fig.3-7Structurediagramofeliminationgear利用Solidworks2015軟件完成對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)的建模與裝配，完成移栽試驗(yàn)臺(tái)三維虛擬模型的建立。其流程圖如圖3-8所示。通過對(duì)各零部件之間間隙檢查，判斷有沒有干涉現(xiàn)象，以消除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理之處，以提高物理樣機(jī)的加工質(zhì)量。移栽試驗(yàn)臺(tái)整體裝配如圖3-9所示。3-8Fig.3-8Flow3-9Fig.3-9Thewholeassemblyoftransplantingtest-在Solidworks中將各零部件的三維圖轉(zhuǎn)化為二維工程圖紙，依據(jù)設(shè)計(jì)文件，完成移栽試驗(yàn)臺(tái)的加工與裝配。調(diào)試該物理樣機(jī)，驗(yàn)證了其可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求并且滿足試驗(yàn)要求。該移栽試驗(yàn)臺(tái)的物理樣如圖3-10所示。（a）正視 （b）側(cè)視3-10Fig.3-10Physicalprototypeoftransplantingtest-根據(jù)我國煙草移栽的農(nóng)藝要求與移栽試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了煙草移栽試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了移栽試驗(yàn)臺(tái)的工作原理。確定移栽試驗(yàn)臺(tái)中的夾爪機(jī)構(gòu)的工作原理，進(jìn)行了相應(yīng)力學(xué)分析，依據(jù)分析完成了其總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。利用Solidworks2015軟件，完成了試驗(yàn)臺(tái)的建模、裝配、干涉檢查和工程圖的繪制，形成了完整的設(shè)計(jì)資料。依據(jù)設(shè)計(jì)資料完成了試驗(yàn)臺(tái)的制造與裝配，經(jīng)調(diào)試可以滿足試驗(yàn)要求。為了檢驗(yàn)移栽試驗(yàn)臺(tái)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本章應(yīng)用Adams仿真軟件對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)的樣機(jī)模型仿真，得到試驗(yàn)臺(tái)的仿真運(yùn)行軌跡，通過與第二章理論分析得到的理論軌跡進(jìn)行對(duì)比，初步驗(yàn)證移栽試驗(yàn)臺(tái)的正確性和可行性。虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的干涉問題以及速度和加速度后處理問題有精確的分析4-1Solidworks軟件中建立的樣機(jī)模型保存為Parasolid（.x_t）文件格式，在Adams中將其導(dǎo)入，給各零件之間添加對(duì)應(yīng)的約束、載荷并驅(qū)動(dòng)，之后進(jìn)行虛擬樣機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)仿真，并且運(yùn)用Adams的后處理模塊對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)的仿真結(jié)果分析處理。4-1Fig.4-1Simulationflow應(yīng)用Adams軟件中配有的建模功能完成移栽試驗(yàn)臺(tái)的建模是繁雜的，但Adams具有Parasolid模塊，使其可以方便地與Solidworks軟件進(jìn)行對(duì)接，并且相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也變得簡(jiǎn)潔方便。可以通過Solidworks軟件把移栽試驗(yàn)臺(tái)的虛擬樣機(jī)模型以Parasolid（.x_t）的格式Adams軟件中處理。導(dǎo)入方式如圖4-2Adams軟件啟動(dòng)后，在菜單欄中點(diǎn)擊“File”，在出現(xiàn)的選項(xiàng)中點(diǎn)擊“Import”，隨即出現(xiàn)文件導(dǎo)入窗口，在窗口中的“Filetype”欄選擇“Parasoli（.x_t”文件類型，在“Filetoread”欄點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在出現(xiàn)的選項(xiàng)中選擇“browseParasoli（.x_t類型的文件，在“ModeName”欄處填寫移栽試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)模型的名稱,需英文命名，填寫“transplant”，最后點(diǎn)擊“OK”即導(dǎo)入成功，如圖4-3所示。4-2AdamsFig.4-2HowtoimportvirtualmodelprototypeofAdams本文導(dǎo)入的模型是做過簡(jiǎn)化處理的移栽試驗(yàn)臺(tái)模型，文件名為transplant.x_t。在不影響仿真結(jié)果的情況下簡(jiǎn)化移栽試驗(yàn)臺(tái)模型可以減少很多運(yùn)算和操作的工作量并且在一定程度上可以提高仿真效率，也利于觀察。4-3Fig.4-3Importofvirtual導(dǎo)入成功的文件在Adams所有屬性都將變成Adams軟件的默認(rèn)值，需要重新修改名稱等屬性，并且零部件之間的裝配關(guān)系失效，需要重新添加約束關(guān)系。為了方便對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)模型中的零部件查找和觀察，需要對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)模型中的零部件進(jìn)行重新命名以及更改顏色，如圖4-4所示。之后應(yīng)用布爾和命令將本來是固定件的構(gòu)件合并成一個(gè)構(gòu)件。最后驗(yàn)證模型中構(gòu)件是否都修改過信息。 （a）重命 （b）顏色更4-4Fig.4-4Componentproperty修改過移栽試驗(yàn)臺(tái)模型中各零部件的基本屬性之后，則需要根據(jù)移栽試驗(yàn)臺(tái)的真實(shí)配合Adams軟件中的約束命令對(duì)虛擬模型進(jìn)行約束，根據(jù)移栽試驗(yàn)臺(tái)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)方式，為Adams中的樣機(jī)模型添加運(yùn)動(dòng)副，使其符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況。之后還需要根據(jù)移栽試驗(yàn)臺(tái)的4-1所示。4-1Tab.4-1Theconstraintrelationofeach約束關(guān) 零部件名試驗(yàn)臺(tái)架的底板與大地（相對(duì)運(yùn)動(dòng)）；底板與固定支撐板；底板與鏡像固定支撐板；移栽試驗(yàn)臺(tái)支架與固定支撐板；移栽試驗(yàn)臺(tái)支架與鏡像固定支撐板；移栽試驗(yàn)臺(tái)支架與步進(jìn)電機(jī)軸套；步進(jìn)電機(jī)軸套與前軸承蓋；步進(jìn)電機(jī)軸套與后軸承蓋；直線模組托板與旋轉(zhuǎn)軸；

步進(jìn)電機(jī)支架連接板與移栽試驗(yàn)臺(tái)架；步進(jìn)電機(jī)托板與步進(jìn)電機(jī)；夾爪的底板與直線模組的滑臺(tái)；夾爪的底板與電磁鐵；夾爪的底板與夾爪的支撐軸；夾爪上的軸承座與支撐軸；夾爪上的軸承座與夾指臂；夾爪上的軸承座與軸承蓋；夾爪上的轉(zhuǎn)軸與軸承619/5；夾爪上的支撐軸與軸承628/8；電磁鐵上的推桿與夾爪上的滑板旋轉(zhuǎn) 步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)輸出接觸 夾爪上滑板與左側(cè)軸承619/5；夾爪上滑板與右側(cè)軸承齒輪 小齒輪與薄片大齒移動(dòng) 試驗(yàn)臺(tái)架的底板與大地（絕對(duì)運(yùn)動(dòng)）；直線模組上的滑臺(tái)與直線模組機(jī)身約束之后，需要給虛擬樣機(jī)模型添加載荷。本移栽試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)模型只需給個(gè)零部件添加重力和表4-1中的接觸副添加接觸力即可。載荷添加完畢后，則是添加驅(qū)動(dòng)，在對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)模型做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的仿真分析時(shí)，在步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)副上添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)；并且在直線模組上的滑臺(tái)與直線模組機(jī)身的移動(dòng)副上添加一個(gè)平移電機(jī)。在對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)模型做絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的仿真分析時(shí)，除了在步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)副上添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)外，還要在試驗(yàn)臺(tái)架的底板與大地的移動(dòng)副和直線模組上的滑臺(tái)與直線模組機(jī)身之間的移動(dòng)副上各添加一個(gè)平移電機(jī)。4-5Fig.4-5Virtualmodelaftercompletionof對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)模型添加約束、載荷和驅(qū)動(dòng)之后，最后需要對(duì)樣機(jī)模型的約束信息進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)無誤后，則完成了移栽試驗(yàn)臺(tái)模型的前期處理工作，如圖4-5所示。Adams完成對(duì)移栽試驗(yàn)臺(tái)虛擬樣機(jī)模型添加約束、載荷和驅(qū)動(dòng)之后，調(diào)整好仿真的視角，接下來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在Adams中點(diǎn)擊菜單欄中的“simulation,再出現(xiàn)的選項(xiàng)中，點(diǎn)擊“RunanInteractiveSimulationEndtimeSteps本虛擬樣機(jī)模型運(yùn)行一個(gè)周期所需的仿真時(shí)間為2秒，所以在“Endtime”處輸入的為2秒，為了方便觀察模型運(yùn)行過程，在“Steps”欄填寫合適的步數(shù)，本文填入2000。接著點(diǎn)擊“?”即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。想要得到模型夾苗處的運(yùn)行軌跡，則需要在夾爪的夾片上創(chuàng)建一個(gè)Marker片的質(zhì)心處創(chuàng)建MarkerResultraceapointsrelativepositionfromlastsimulation”命令，點(diǎn)擊在夾爪的夾片上創(chuàng)建的Marker點(diǎn)，再選擇大（Ground。這樣就會(huì)出現(xiàn)虛擬樣機(jī)模型上一次仿真運(yùn)行的運(yùn)行軌跡曲線，如圖4-6所示。4-6Fig.4-6Simulationrelativemotiontrajectoryoftransplanting為了得到樣機(jī)模型絕對(duì)運(yùn)行的軌跡，將Adams文件transplant.bin另存為transplant-ground.bin。打開文件transplant-ground.bin后，將底板與大地的固定約束刪除，添加一個(gè)移動(dòng)副，并在此移動(dòng)副上加驅(qū)動(dòng)。給與一定的前進(jìn)速度后，再進(jìn)行仿真，如此得到樣機(jī)模型的絕對(duì)運(yùn)行軌跡，如圖4-7所示。4-7Fig.4-7Simulationabsolutemotiontrajectoryoftransplanting由Adams軟件仿真出的相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)行軌跡，可以驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的合理性和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。為接下來的PLC程序編寫和物理樣機(jī)的加工制造打下基礎(chǔ)。對(duì)樣