基于PLC控制的煙草移栽機栽植機構的設計與試驗

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) 主要研究內(nèi)容及方 主要研究內(nèi) 研究方法與技術路 本章小 移栽機構設計要求及其理論分 煙草移栽農(nóng)藝流程及機構設計要 煙草缽苗移裁的農(nóng)藝流 移栽機構設計要 移栽機構工作原 移栽軌跡與姿態(tài)要 移栽過程的理論分 本章小 移栽試驗臺結構設 移栽試驗臺的整體結構設 夾爪機構的設 試驗臺架的設 移栽試驗臺虛擬模型建立與裝 移栽試驗臺物理樣機的加工制 本章小 移栽試驗臺的仿真分 虛擬樣機仿真流 虛擬樣機模型的導入與前期處 基于Adams仿真分 仿真結果后處 仿真其它栽植機構運行軌 本章小 控制系統(tǒng)設 PLC技術概 PLC的基本組 PLC的工作原 控制系統(tǒng)的基本構成和設 控制系統(tǒng)設計基本原 控制系統(tǒng)的硬件設 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 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 本章小 物理樣機的運轉(zhuǎn)試 試驗臺運轉(zhuǎn)與調(diào) 高速攝影與軌跡描 本章小 結論與展 結 主要創(chuàng)新 展 致 參考文 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論 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現(xiàn)了全自動機械移栽，其它作物目前還是以人工作業(yè)為主，半自動為輔。半自動移栽機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，因此其應用受到制約。目前移栽機主要結構形式有：吊籃式、鉗夾式、鏈夾式、撓性圓盤式和非圓齒輪行星輪式等。上述機型都是針對特定作物及移栽農(nóng)藝要求進行移栽軌跡的設計，當作物或農(nóng)藝要求發(fā)生變化，移栽軌跡與理想軌跡就會產(chǎn)生偏差，使移栽質(zhì)量受到影響。若調(diào)整移栽軌跡，則機具的結構需要重新設計，工作量大、生產(chǎn)制造周期長。本文提出一種極坐標式栽植機構，即直線移動與擺動復合的機構，兩運動由步進電機驅(qū)動，通過PLC控制機構運動軌。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，不需要對機械結構進行任何修改，適用于不同作物，不同移栽農(nóng)藝要求。該機構可以完成取苗、送苗、栽植和回程一系列動作，自動化程度高，靈活性高，結構簡單。本文以煙草為特定研究對象，對基于PLC的煙草移栽試驗臺進行設計與試驗，主要的研究內(nèi)容和結論如下：根據(jù)中國煙草移栽的農(nóng)藝要求，設計了一種理想的移栽運行軌跡，確定該軌跡形成的原理與機械結構。應用Solidworks軟件對移栽試驗臺進行設計；根據(jù)設計資料，加工出移栽試驗臺應用Adams軟件對移栽試驗臺進行運動學仿真分析，得到移栽試驗臺上夾爪指定點的相對運行軌跡、絕對運行軌跡、速度曲線和位移曲線，對其進行分析，驗證移栽試驗臺設計的合理性。通過模擬運行兩種已有栽植機構的運行軌跡，驗證本文設計的移栽試驗臺的靈活性。應用PLC的編程軟件GXworks2軟件對控制程序進行設計和編寫，再完成對控制對移栽試驗臺進行高速攝像，得到實際運行軌跡。與理論運行軌跡和仿真運行軌跡對比，結果表明，三條軌跡基本吻合，物理樣機可以實現(xiàn)預期技術要求。綜上所述，本文設計了由PLC控制運行軌跡的煙草移栽試驗臺，通過對栽植機構的工作狀態(tài)進行高速攝像，獲得運行軌跡進行分析，驗證了其原理的合理性與結構的可行性。相比于現(xiàn)有移栽機構，本文所設計的試驗臺能更精準地實現(xiàn)移栽軌跡特殊要求，對提高移栽質(zhì)量具有重大意義；可根據(jù)不同作物和不同農(nóng)藝要求編寫相應的程序?qū)ζ溥\行軌跡進行修改，靈活地適應不同的移栽要求。本文為提高移栽自動化發(fā)展奠定基礎，為全自動移栽機的進一步發(fā)展提供參考依據(jù)。關鍵詞：煙草移栽；全自動移栽；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我國是一個農(nóng)業(yè)大國，許多農(nóng)作物通過移栽可有效縮短生長周期、減少缺苗率、增加壯苗率和降低病蟲害等風險，如水稻、烤煙、辣椒、棉花和番茄等，都需要通過移栽技術來種植。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致的作物生長周期短的問題；又解決了我國長江流域和華北地區(qū)因一年種植兩茬而導致積溫不足的問題?，F(xiàn)如今，水稻已經(jīng)基本實現(xiàn)了全自動機械移栽，但旱地農(nóng)作物的移栽還是以人工移栽作業(yè)為主，半自動移栽機作業(yè)為輔[1]。半自動機械移栽機需要人工喂苗，人工喂苗極限頻率為60株/min[2]。而且當持續(xù)長時間作業(yè)時，喂苗手會因高度緊張工作而疲勞，從而可能出現(xiàn)漏苗的情況，因此機具作業(yè)速度受到制約，生產(chǎn)率不高。目前廣泛應用的半自動移栽機的主要結構形式有：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，并進行結構設計的[3],因此只適用于特定農(nóng)作物的栽植，且移栽軌跡受機械結構的制約不能做到最優(yōu)，機具結構軌原有栽植機構的運行軌跡將不會更好地適應新狀態(tài)下栽植要求，導致栽植質(zhì)量降低。而若要修改這些移栽機的栽植軌跡，則需要重新對機具的機械結構進行設計，如此增大了工作量且延長了生產(chǎn)制造周期。針對這個問題，本文將設計一種可以通過修改PLC程序來控制移栽軌跡的移栽試驗臺，以便捷地調(diào)整栽植機構的運行軌跡，從而適應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象，進行移栽試驗臺的設計。1-120142018種植面積（萬畝稅利總額（億元上繳財政總額（億元本文設計一種極坐標式栽植機構，即直線移動與擺動復合的機構，兩運動由步進電機驅(qū)動，通過PLC控制機構運行軌跡。在運動過程中完成取苗、送苗、栽植和回程一系列動作，并且通過修改PLC程序來控制機構的運行軌跡，可以更精準地實現(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），對提高移栽質(zhì)量具有重大意義。該機構自動化程度高，靈活性高，而且結構簡單，適用于各種作物，不同移栽農(nóng)藝的要求。本文為進一步提高移栽機械自動化發(fā)展探索了新模式，為全自動移栽機實現(xiàn)通用化發(fā)展做了必要的嘗試?，F(xiàn)如今，移栽機械技術領先的國家主要有歐美和日本。他們從二十世紀二十年代就開始了對移栽機械的研究，主要是半自動移栽機械；二十世紀五十年代時，研究人員設計并且制造出許多不同類型的半自動移栽機械，主要有吊籃式、鉗夾式、撓性圓盤式和導苗管式等；二十世紀八十年代至今，半自動的移栽機械在歐洲等地的發(fā)達國家已經(jīng)得到較為普遍的使用[7-9]日本移栽機械在國際上處于領先水平。由于日本用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的田塊面積相對較小，勞動力短缺,因此日本的移栽機主要特點是機型小，精密化自動化程度較高。同時也存機械結構復雜，維修成本和使用的成本高等缺陷。日本的移栽機主要應用于水稻、甜菜、煙草和洋蔥等經(jīng)濟作物的栽植，以久保田、井關和洋馬公司為代表。日本久保田公司設計并且制造的KN-P6型移栽機，是一種撓性圓盤式的半自動移栽機，主要應用于大蔥的移栽，如圖1-1所示。其工作過程為：工作時，喂苗手將苗放到運動著的傳送帶上，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被壓盤機構壓緊并且旋轉(zhuǎn)，當秧苗旋轉(zhuǎn)到目標栽植區(qū)域后，撓性橡膠圓盤就會打開，秧苗則落在被開溝器開好的土壤溝槽里，最后進行覆土作業(yè)[10-11]。這種撓性圓盤式的半自動移栽機器，機構結構簡單，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移栽機圖1-2Fig.1-1JapanKubotaflexiblediscsemi-automatictransplantingmachine

Fig.1-2JapanJingguanducksemi-automatictobaccotransplanting引引日本井關公司設計并且制造的2Z-1A型移栽機，是一種鴨嘴式的半自動移栽機器，主要應用于煙草的移栽，如圖1-2所示。其工作過程為：工作時，需要喂苗手將苗投到栽植器內(nèi)，苗隨著栽植器進入土中，栽植器在凸輪機構的作用下開啟，將苗留在開好的苗穴中后回程，最后完成覆土。該機為自走式半自動移栽機，機械結構簡單，操作方便，但是栽植的效率不高，一般3000株/時[12-16]。日本洋馬公司的PF2R型乘坐式全自動移栽機，如圖1-3所示，其工作過程為：通過回轉(zhuǎn)臂驅(qū)動兩個取苗器定點取苗，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。該機型特點是送苗機構，其采用機械驅(qū)動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送苗，通過雙螺旋凸輪觸發(fā)棘輪、帶動裝有苗盤的鏈條運動完成縱向送苗。日本井關公司研制的PZP-80型移栽機同樣采用這種取苗方式和送苗方式，如圖1-4所示。這種類型的全自動移栽機操作簡單，移栽質(zhì)量高，自動化水平高，但是機械構造復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移栽 圖1-4日本井關PZP-80型全自動移栽Fig.1-3JapanYangmafullautomatictransplantingmachine

Fig.1-4JapanJingguanpzp-80fullautomatictransplantingmachine械作業(yè)，機型主要特點是大型化和自動化，多種移栽機用于生產(chǎn)中。其全自動移栽機主要有頂出式和取出式兩種形式[19-20]，結構相對復雜，效率一般為120次每分鐘。移栽機主要應用于蔬菜、煙草和棉花等經(jīng)濟作物[21]，移栽機械生產(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計并且制造的1000-2型鉗夾式半自動移栽機移栽機，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動到栽植區(qū)域，鉗夾開啟，苗落在已經(jīng)開好的苗穴內(nèi)，之后由其它機構完成注水、覆土和鎮(zhèn)壓的栽植過程[22-24]。這種移栽機整體機械結構相對簡單，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計并且制造的FA型吊籃式半自動移栽機，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)動而轉(zhuǎn)動的偏心圓盤上，當?shù)趸@轉(zhuǎn)動到投苗區(qū)域時，鴨嘴在導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機和電磁閥等控制元件作用下完成取苗、送苗和栽植三個動作[27]。如圖1-7澳大利亞的illiames公司設計并且制造的膜下全自動移栽機，如圖1-8程為：缽苗被機械手的頂桿從苗盤中頂出到送苗機構的接苗槽中，接苗槽隨傳送鏈運動到導苗管的上方，之后缽苗下落通過導苗管到栽植器中，最后由栽植器完成對缽苗的移栽。這種機型栽植效率高，一般為單行7000株/小時，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計并且制造的FPC型膜上全自動移栽機，如圖1-9過程為機械手夾持缽苗送至苗穴。這種型號移栽機需要專用機構進行營養(yǎng)缽體的制備，缽體緊實規(guī)則，株距可控[31-33]。VISSESPic-O-MatGR2700型移栽機[34]1-10引引由上位機和PLC組成的控制系統(tǒng)進行控制，采用圖像處理技術識別由視覺系統(tǒng)采集的穴盤圖像。這種機型的移栽機有較高移栽成功率，但不適于灰塵和振動的田間工作環(huán)境內(nèi)作業(yè)。1-9FPC型全自動膜上移Fig.1-9ItalyFerrariFPCtypeautomatictransplantingmachine

1-10Pic-O-MatGR2700型自動化溫室穴Fig.1-10Pic-O-MatGR2700automaticgreenhousetraytransplantingmachine我國對移栽機械的研究與發(fā)展相比國外起步比較晚，但近年來在我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和科研人員的不斷努力下，我國移栽機械化發(fā)展取得了相當大的進步。二十世紀六十年代我國開始對移栽機械進行自主研制和引進國外機型，引進的機型多是適于經(jīng)濟作物的，還存在適應性差、效率低和作業(yè)穩(wěn)定性差等問題，推廣受到制約。二十世紀七十年代初，我國自主研制出甜菜裸根苗半自動的移栽機[35-36]。二十世紀八十年代研制出玉米半自動移栽機[19]世紀九十年代初，我國對移栽機的研究和發(fā)展進入了高速階段，成功研制了不同類型的移栽機并投入生產(chǎn)和使用，主要有鏈夾式、撓性圓盤式、鉗夾式、吊籃式和導苗管式半自動移栽機[37]，每種機型的移栽機都有其各自特點和各自適用的作物。目前我國已開展全自動移栽機的研究。我國研制的鉗夾式和鏈夾式半自動移栽機工作原理基本相似。如圖1-1所示為由吉林工業(yè)大學研制的2ZT型鉗夾式甜菜移栽機，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，如圖1-13所示為鏈夾式移栽機的結構圖，如圖1-14所示為鏈夾式移栽機的移栽軌跡。以鏈夾式移栽機為例，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，當轉(zhuǎn)動到栽植盤最低點時，秧苗夾打開，秧苗在重力作用下落入苗溝中，隨后進行覆土鎮(zhèn)壓則完成移栽。這種類型的移栽，栽植秧苗的株距準確、直立度較好，移栽機械結構簡單，生產(chǎn)制造成本相對較低，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鏈夾式移栽機的結構 圖1-14鏈夾式移栽機的移栽軌Fig.1-13Structuraldiagramofchaincliptransplantingmachine

Fig.1-14Transplantingtrajectoryofchaincliptransplantingmachine我國南通富來威公司所研究和制造的2ZBX-2移栽機器，如圖1-15所示。該機的工作原理和工作過程和意大利法拉利公司研制的FA型移栽機相似。這種機型的移栽機能夠在膜上打孔栽植，對秧苗的傷害小，有穩(wěn)定的栽植深度和良好的直立率，但是機械結構復雜，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)機研究所研制的2Z-2型半自動甜菜移栽機，是一種撓性圓盤式的半自動移栽機，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計并且制造的KN-P6型移栽機相似。這種移栽機是通過改變兩個撓性圓盤或者一個撓性圓盤和一個剛性圓盤之間的距離來進行夾取和松開秧苗的，所以不容易傷苗，適應性強，株距調(diào)節(jié)方便，栽植秧苗的直立率相對較好，但是圓盤的耐久性不好容易磨損，壽命低[48-49]。因結構簡單調(diào)節(jié)方便，具有一定的競爭力。1-17機構，如圖1-18為齒輪-五桿結構簡圖的示意圖，如1-19所示為取苗軌跡。該齒輪-五桿自動取苗機構是為解決鴨嘴栽植器自動取苗問題設計的，通過多桿多自由度的機構實現(xiàn)了復雜的取苗軌跡，其理想軌跡的優(yōu)點在于有直線狀尖點，即拔苗軌跡與插入苗缽軌跡基本重合，取苗時缽苗損傷小、取苗質(zhì)量好[50]。圖1-17齒輪-五桿式取苗機 圖1-18結構簡 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，氣動缸和液壓馬達驅(qū)動，通過苗盤移位機構控制苗盤的橫向移動和縱向移動，集排式頂苗機構、取苗機構、接苗機構、撥苗機構、輸苗機構、落苗機構和栽植機構依次工作將缽苗栽植至大田中[51]。大田試驗結果表明取送苗合格率高，倒伏率、漏苗率和傷苗率低[52]。金利達機械制造有限公司研究設計并制造了一種全自動移栽機，如圖1-21所示。此移栽機采用PLC控制系統(tǒng)，工作時，多只機械手同時取苗，將苗送至投苗杯，再由投苗杯將苗投至栽植機構，最后由栽植機構將苗栽植到土壤中，完成移栽。此移栽機機構簡單，但漏苗率較高。圖1-20南京農(nóng)業(yè)機械研究所全自動移栽 圖1-21金利達全自動移栽Fig.1-20TransplantingmachineofNanjingagriculturalmachineryresearchinstitute

Fig.1-21JLD’sautomatictransplanting東北農(nóng)業(yè)大學的趙勻教授帶領的科研團隊研制了一種回轉(zhuǎn)式水稻缽苗移栽機，集取苗、送苗和栽植為一體，其特點是高效、輕量和結構簡單，如圖1-22所示。研制的多種水稻插秧機機型，經(jīng)大面積田間生產(chǎn)實踐證明，作業(yè)質(zhì)量優(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。這種移栽機通過回轉(zhuǎn)機構，即非圓齒輪不等速行星輪系機構，對大田作物進行膜上移栽，運轉(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)藝要求所設計，形如“8缽苗移栽機構的栽植軌跡，其栽植軌跡如圖1-25所示，這是根據(jù)水稻的生長特性和水稻移栽的農(nóng)藝要求所設計[56]。通過對兩個栽植軌跡的對比可知，雖然兩個軌跡都是呈“8字”型，但針對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，則需要對栽植機構運行軌跡進行優(yōu)化，因此必須重新進行結構設計。2019年東北農(nóng)業(yè)大學的張衛(wèi)星設計的一種番茄缽苗移栽機構[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的劉炳華設計的蔬菜缽苗移栽機構[58]，其栽植軌跡如圖1-27所示。這些純機械結構形式的回轉(zhuǎn)式移栽機構結構簡單，成本低，效率高，可以很好的實現(xiàn)一種軌跡姿態(tài)，但是若想改變移栽軌跡則需要重新設計行星輪系，工作量較大，制造周期加長，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茄子缽苗全自動移栽 圖1-25齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機Fig.1-24Automatictransplanterforeggplant

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

Fig.1-27Transplantingmechanismofvegetableseedlinginbowl通過了解和分析國內(nèi)外移栽機器的研究和發(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，設計了一種極坐標運動形式的栽植機構，該機構通過步進電機驅(qū)動執(zhí)行部件PLC的程序可以任意修改栽植機構的運行軌跡，不需要對機械結構進行重新設計與修改，自動化程度高，靈活性高，適應性強，而且結構簡單，可極大程度地提高移栽機的通用性。主要研究內(nèi)容如下：通過對國內(nèi)外現(xiàn)有機型的分析，確定了研制運行軌跡可調(diào)整的全自動移栽機核心工作部件，該部件適應性強、結構簡單、通用化程度高。以煙草為對象研制栽植機構，通過對栽植機構運行軌跡的調(diào)整，驗證栽植機構實現(xiàn)不同已有機型運行軌跡的準確性，驗證實現(xiàn)特殊運行軌跡的獨特性。根據(jù)我國煙草移栽農(nóng)藝和移栽機構的設計要求，設計了一種理想的移栽運行軌跡，并且確定該軌跡形成的原理與機械結構。對預取苗、取苗、送苗、栽植、提苗和回程行程的時間進行分配，確定步進電機和直線模組在每個行程的運行參數(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)。應用Solidworks三維建模軟件對移栽試驗臺進行建模與裝配設計，依據(jù)設計資料，加工出移栽試驗臺的物理樣機。應用Adams仿真軟件對移栽試驗臺進行運行學仿真和分析，得到移栽試驗臺上夾爪指定點的相對運行軌跡和絕對運行軌跡以及速度曲線和位移曲線，驗證移栽試驗臺設計的可行性和正確性。對控制系統(tǒng)進行設計，對控制系統(tǒng)中所需的硬件進行選型和配置，應用GXworks2編程軟件對控制系統(tǒng)進行程序設計和編寫，最后對控制系統(tǒng)進行調(diào)試，確定控制系統(tǒng)設計的正確性。應用高速攝像技術對移栽試驗臺進行拍攝，經(jīng)過后期軟件PCC的處理，得到移栽試驗臺的實際運行軌跡，與理論軌跡和仿真軌跡進行對比，驗證移栽試驗臺設計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)有移栽技術上結合自動化技術，進行移栽運行軌跡和機械結構設計，完成對移栽試驗臺的三維建模和物理樣機加工，再進行仿真分析和控制系統(tǒng)設計，最后用高速攝像機對運行的移栽試驗臺進行拍攝，后處理得到實際運行軌跡，與理論軌跡和仿真軌跡進行對比分析。技術路線如圖1-28所示。1-28Fig.1-28Technical引引國內(nèi)外半自動移栽機的各種機型工作原理相同，結構相近。但國內(nèi)研制的機型相對國外機型功能多，更適于我國移栽生產(chǎn)需要，但一些企業(yè)機具的制造工藝水平和外觀質(zhì)量有待進一步提高。國外全自動移栽機采用機、電、液復合系統(tǒng)，自動化程度高，但機具體積龐大，結構復雜，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)大學趙勻團隊研發(fā)的全自動移栽機，采用一套機械結構，巧妙地解決了取苗、輸運、栽植和回程動作一體化，實現(xiàn)了結構輕簡化，在水田移栽中取得了很好的應用。將該技術移植到旱地移栽中還需做大量深入細致的研究工作，目前已取得可喜的成績。國內(nèi)外研制的所有機型，機型結構確定后栽植部件運行軌跡則不可改變，導致機型適應性差，降低了移栽機的通用性設計一種煙草移栽機構首先需要了解煙草移栽的農(nóng)藝要求和移栽機構的功能，以確定移栽機構的運行軌跡和結構形式，并對其進行理論分析，為虛擬仿真和控制系統(tǒng)設計提供理論依據(jù)。移栽是烤煙生產(chǎn)中最為重要的一個作業(yè)環(huán)節(jié)。目前烤煙移栽主要以人工移栽為主，半自動機械移栽為輔。人工移栽可控性高，栽植過程靈活、對煙苗形態(tài)的一致性要求低，但勞動成穴、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對農(nóng)膜產(chǎn)生撕扯，對栽植質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響，尚待進一步克服。上述兩種移栽機因涉及流程多，因此機具功能多、結構相對復雜；歐美和日韓研制的烤煙移栽機功能相對單一。機械移栽機的栽植環(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，許多機型是由不同部件完成相應動作，導致機具結構復雜。起壟：壟形為梯形，土壤要細碎飽滿緊實，壟間距為10～12cm，壟的高為20～30cm，壟頂寬為40cm[61-62]。煙苗：適于機械移栽的煙苗要求挺拔健壯，苗高12～16cm，營養(yǎng)缽緊實[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]移栽時在煙苗周圍8cm移栽時每株煙苗注水量≥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]。本文所設計的移栽機構是要與成穴、施肥、注水和覆膜機構融為一體，構成煙草移栽復式作業(yè)機。所設計的移栽機構要求能獨立完成從秧盤中取出煙苗，并將煙苗平穩(wěn)運送到挖好的穴坑內(nèi)，最后回到初始位置的栽植循環(huán)。移栽機構的設計要求在滿足移栽的農(nóng)藝要求的基礎上，除了要滿足其要實現(xiàn)的功能外，還要滿足其可靠性要求，考慮其制造成本和實際工作功能要求。移栽機構可以獨立完成取苗、送苗、栽植和回程的一系列環(huán)節(jié)。取苗時夾爪運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煙苗造可靠性要求：對移栽機構有可能出現(xiàn)的失效情況或者故障進行預判，分析原因，以此指導部件的合理結構設計與選材，確保設計質(zhì)量。對能滿足功能要求的設計方案并盡可能避免不必要的制造成本。工作環(huán)境：移栽機構的設計需要考慮不受振動和灰塵的影響[66]本文設計的煙草移栽試驗臺的整體結構如圖2-1所示。步進電機321466757夾爪機構8固裝在直線模組的滑臺上。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)動帶輪，另一端為從動帶輪，滑臺固定在兩帶輪間的同步帶上[67]。1.試驗臺架2.減速器3.步進電機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試驗臺工作時步進電機3在控制系統(tǒng)作用下轉(zhuǎn)動，通過傳動機構驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸6定在旋轉(zhuǎn)軸另一端的直線模組5隨之進行相應的擺動；固定在直線模組滑臺上的夾爪機構隨滑臺直線移動。夾爪機構8隨直線模組上的滑臺按不同運動速度與方向運動，合成不同運植和回程等動作，下面是對其工作周期的說明，如圖2-2所示：初始位置設定為取苗初始點，直線模組與缽盤呈垂直狀態(tài),相位角設定為155°。工作時，直線模組驅(qū)動滑臺拖動夾爪機構向后上方運動，完成取苗過程；夾爪機構隨直線模組繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動60°，完成送苗過程；夾爪機構隨直線模組繼續(xù)再逆時針轉(zhuǎn)動4°，完成栽植過程；夾爪機構隨直線模組繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動1°，完成提苗過程；此時夾爪松開煙苗，煙苗落入苗穴中，步進電機驅(qū)動直線模組由當前位置再順時針轉(zhuǎn)動65°回到初始位置，完成回程過程。在上述運動區(qū)間,滑臺拖動夾爪機構以不同的速度，不同的位移完成相應的運動，完成一個周期的栽植，準備下一個周期的移栽。2-2Fig.2-2Descriptionofwork根據(jù)煙草缽苗移栽的農(nóng)藝要求，設計了如圖2-3所示的移栽軌跡。設計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、取苗段的相對軌跡是一段與秧盤垂直的直線段、長度以營養(yǎng)缽完全脫離缽盤為原則，以避免取苗時發(fā)生干涉，軌跡如圖2-3（c）所示；栽植階段，要求栽植時“有效零速投苗”且煙苗的直立度要好，投苗之后栽植的絕對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在機具前進過程中，在投苗時的水平速度近似為零，也就是在投苗時使每株煙苗與地面垂直且有瞬間的相對靜止狀態(tài)，這是有利于煙苗的定植。具體軌跡要求如下：預取苗時夾爪盡量與煙苗垂直，最大偏角在15°以內(nèi)；煙苗夾持點距離營養(yǎng)缽上表面30mm。取苗時的軌跡長度應該大于缽盤深度，并且取苗段軌跡應該是直線段，以保證可以順利將缽苗拔出，取苗的速度應該相對慢一些以保證拔苗時不傷苗[68]。因為使用的缽盤深度一般為40mm，所以取苗段的長度設置為50mm。栽植時的相對軌跡與地面有一段平行且劃過足夠長的距離，移動方向與機具前進方向相反，當移動速度與移栽機前進的速度相同時，即完成“有效零速投苗”，以保證栽植質(zhì)量。此時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。松開煙苗后進行回程過程?；爻虝r速度要盡量快以縮短栽植一個周期的時間。并且回程時要避開剛剛移栽好的煙苗，以避免刮傷煙苗。（a）初始狀 （b）預取苗軌 （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本文設計的移栽機構運行一個周期即可完成一次移栽，根據(jù)選定直線模組的極限運動參數(shù)，預計本機構運行30次/min，則完成一個周期需要2秒。根據(jù)移栽過程各階段所完成的任務對每一個運行過程進行時間分配，以保證核心段運動參數(shù)，縮短送苗和回程時間，提高栽植效率和質(zhì)量為目標，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）栽植段時間要相對充足，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預取苗段和回程段的速度要盡可能的快，因為這兩個階段機構不帶苗，如此可以提高移栽頻率。為了實現(xiàn)“零速移栽”需要栽植段的運行軌跡為一段直線段，如此則需要步進電機的轉(zhuǎn)動角度及角速度與直線模組的運動行程及運行速度相配合，使移栽機構運行栽植段時夾爪末端夾片與地面呈平行狀態(tài)運動。如圖2-4所示為栽植段各符號意義示意圖，通過以下理論分析對步進電機與直線模組在栽植段的運行參數(shù)進行設計。2-4Fig.2-4Schematicdiagramofthemeaningofeach對移栽機構栽植段建立坐標系，取夾爪的夾片上一點為指定點，設在初始位置時的該指定點為原點，L代表指定點相對于直線模組的運行距離，也是直線模組驅(qū)動滑臺的運行距離。φ表示指定點到原點的線段旋轉(zhuǎn)的角度，也是步進電機驅(qū)動直線模組擺動的角度。機構初始狀態(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--剛開始進入栽植行程時，指定點相對于直線模組的運行距離，mm。由此可以得到，栽植行程過程中，指定點相對于直線模組的運行距離為：LL0sin(155900

（2- sin(15590經(jīng)過計算可以得到在栽植行程時，與步進電機驅(qū)動直線模組擺動的角度相配合的直線模組驅(qū)動滑塊的運行距離。如此可以對每個行程的步進電機驅(qū)動直線模組擺動的角度和直線模組驅(qū)動滑塊的運行距離進行設計，再對每個行程的運行時間進行分配后，由此便可得到步進電機和直線模組在每個行程運行速度，根據(jù)農(nóng)藝要求、速度要求進行調(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)設定提供理論依據(jù)。如表2-1所示為步進電機在各個行程的運行參數(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)藝要求和對取苗、栽植運動姿態(tài)的分析，確定了移栽試驗臺的運行軌跡并對其說明。根據(jù)已確定的軌跡姿態(tài)及其速度要求，對步進電機和直線模組在各個行程中的參數(shù)進行設計。依據(jù)栽植機構所要實現(xiàn)的功能和相關理論分析，應用Solidworks2015三維建模軟件完成移栽試驗臺的建模、裝配與工程圖的繪制，依據(jù)設計資料對物理樣機進行加工制造。為第四章移栽試驗臺的仿真分析和第六章物理樣機的試驗做準備。該移栽試驗臺由試驗臺架、步進電機、直線模組、夾爪機構和減速齒輪組五部分組成，如圖3-1所示。其設計遵循了機械結構簡單、合理、加工方便、裝配調(diào)整便捷的準則，并且確保機構運轉(zhuǎn)順暢。1.試驗臺架2.步進電機3.直線模組4.夾爪機構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12.13.小齒輪14.3-1Fig.3-1Overallstructureoftransplantingtest結合該移栽試驗臺的整體結構圖詳細介紹其工作原理：PLC控制步進電機2工作，步進電機經(jīng)減速器輸出軸上的小齒輪13將動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，在步進電機2的驅(qū)動下做相應的擺動；直線模組3為外購件，在其上的直線模組電機1的驅(qū)動下，模組上的滑臺7做直線移動；夾爪機構4安裝在滑臺7PLC控制系統(tǒng)控制下的往復直線運動，與直線模組的擺動構成的復合運動形成各種運行軌跡，該軌跡即為滑臺上夾爪機構的運行軌跡；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作。編制PLC程序控制步進電機、直線模組和電磁鐵相配合工作，即可完成預取苗、取苗、送苗、栽植、提苗和回程的一系列預期動作。夾爪機構安裝在滑臺上，受PLC控制開合，對煙苗進行夾取、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，所以在設計夾爪時需要考慮到煙苗的生長形態(tài)特征、位置分布等因素。因此夾爪機構結構設計的合理性非常重要。夾爪機構的結構設計需達到的要求如下：夾爪機構的夾緊力適當，即不能夾傷煙苗又能可靠夾取，并保證在輸運過程中煙苗不易脫落；考慮到整體結構和以上的設計要求，首先夾爪機構一定要選擇一個適當?shù)拈_度，即夾爪張開時左右夾片之間的距離適當。這個距離應該保證既可以夾取一顆煙苗又不會碰觸到相鄰的兩顆煙苗。目前烤煙育苗秧盤橫向穴距為45mm，所以夾爪張開時左右夾片之間的距離可設計為45mm的影響，經(jīng)模擬分析確定夾爪開度為30mm。夾爪機構長度在滿足栽植要求條件下盡可能要短，以提高機構的結構強度，根據(jù)對整體結構的測量，夾爪長度暫定在180mm-230mm。最后與煙苗直接接觸的夾片應該有適當?shù)慕佑|面積，保證不會對煙苗造成傷害和可靠的夾取。根據(jù)對煙苗的測量，夾指臂末端安裝長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)對夾爪機構的結構設計進行說明，其結構簡圖如圖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為左右對稱結構，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，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成一體。當電磁鐵得電時，推桿帶動滑板推出，夾爪閉合。當電磁鐵失電時，在拉簧3的作用下滑板縮回，夾爪張開。夾爪機構的設計采用斜楔杠桿原理，其中滑板的作用相當于斜楔，直接決定夾爪開合的速度與開度，所以滑板的廓形設計至關重要。滑板具體設計要求如下：保證夾指臂張開到最大限度時夾爪末端夾片距離為30mm圖3-3Fig.3-3Stressanalysisdiagramoffingerswhenclampingtobaccoseedlingswith如圖3-3所示是夾爪機構夾緊煙苗時夾片的受力分析圖。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，應是電磁鐵推桿對斜楔的推力P與斜楔對杠桿的作用力F的比值和斜楔對杠桿的作用力F與夾緊力N的比值的乘積。斜楔對杠桿的作用力F可由公式（3-1）計算。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，且為滾動摩擦、摩擦系數(shù)不大，則電磁鐵推桿對斜楔的推力P與斜楔對杠桿的作用力F的關系由公式表示如式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f0.15，即tan0.15時，可得=3.3°。得到電磁鐵推桿對斜楔的推力PNPP

2sinlsin()

(3- F

lsin()PNF--斜楔對杠桿的作用力，ll--杠桿機械傳動效率，一般取值為=0.95[70]設夾爪在夾緊煙苗時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），當預定=10°時，P=4N；當預定=15°時，P=5.5N；當預定=20°時，P=7.3N。參考電磁鐵的驅(qū)動力為5N，則定=15°。3-4Fig.3-4Schematicdiagramofwedgedriving斜楔在驅(qū)動過程的示意圖如圖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，杠桿的支點到斜楔斜面延長線的垂線與杠桿的夾角，°。電磁鐵驅(qū)動斜楔運動行程L為：S=15mmL=10mm

(3-滑板的設計圖如圖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現(xiàn)夾片對煙苗的夾取與釋放，直接與煙苗接觸，因此其形狀尺寸也會直接影響到夾爪取苗的成功率。夾片上會安裝有橡膠或海綿等起到緩沖作用的裝置，其作用有兩點，一是可以增加摩擦力，減少了在夾取煙苗時煙苗與夾片之間發(fā)生相對移動的情況，增加了取苗的成功率和運送過程中的穩(wěn)定性。二是可以減小夾片對煙苗的接觸力，有效防止夾片對煙苗在夾取和運送過程中造成傷害。試驗臺架的功能是支撐直線模組和驅(qū)動直線模組擺動的機構。本試驗臺架由步進電機支架、步進電機支架連接板、步進電機軸套、底板、固定支撐板、試驗試驗臺支架、旋轉(zhuǎn)軸、直線模組托板、軸承蓋、軸承和軸套組成。本設計中旋轉(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電機軸套相連使?jié)L動軸承外圈得到軸向定位。試驗臺架的剖視圖3-（a）所示，試驗臺架的整體三維視圖如圖3-6（b）所示。（a）試驗臺架的半剖視 （b）試驗臺架的三維視1.底板2.試驗臺支架3.固定支撐板4.步進電機托板5.步進電機支架連接板67.62068.軸套9.步進電機軸套10.后軸承蓋11.旋轉(zhuǎn)軸123-6Fig.3-6Test步進電機的輸出軸與臺架的旋轉(zhuǎn)軸之間通過減速齒輪組配合，由于通過齒輪傳動會存在傳動間隙，導致臺架的旋轉(zhuǎn)軸的反向轉(zhuǎn)動滯后于PLC給步進電機的反向指令信號，造成移栽試驗臺的傳動精度下降。為了保證移栽試驗臺的傳動精度和平穩(wěn)性，本試驗臺采用一種可以消除齒輪副傳動間隙的機構，以提高執(zhí)行機構運行軌跡的精準性。消除直齒圓柱齒輪副傳動間隙一般采用三種方法：偏心套調(diào)整法，墊片調(diào)整法和雙齒輪錯齒調(diào)整法。其中第一種和第二種方法雖然結構相對簡單，并且傳動剛度較好，但是當齒輪有磨損后齒輪的傳動間隙不能自動補償。第三種方法雖然比前兩種方法的結構復雜且可以傳動的剛度低，但是這種方法可以保持小齒輪與兩個薄片大齒輪中的至少一個無間隙嚙合，消除齒輪傳動間隙的效果較好[72]。因此，本文選用雙齒輪錯齒調(diào)整法來消除齒輪傳動間隙。用此法消除齒輪傳動間隙的結構圖如圖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軟件完成對移栽試驗臺的建模與裝配，完成移栽試驗臺三維虛擬模型的建立。其流程圖如圖3-8所示。通過對各零部件之間間隙檢查，判斷有沒有干涉現(xiàn)象，以消除結構設計不合理之處，以提高物理樣機的加工質(zhì)量。移栽試驗臺整體裝配如圖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)設計文件，完成移栽試驗臺的加工與裝配。調(diào)試該物理樣機，驗證了其可以正常運轉(zhuǎn)，能夠達到設計要求并且滿足試驗要求。該移栽試驗臺的物理樣如圖3-10所示。（a）正視 （b）側視3-10Fig.3-10Physicalprototypeoftransplantingtest-根據(jù)我國煙草移栽的農(nóng)藝要求與移栽試驗臺的設計要求，進行了煙草移栽試驗臺整體結構的設計，詳細闡述了移栽試驗臺的工作原理。確定移栽試驗臺中的夾爪機構的工作原理，進行了相應力學分析，依據(jù)分析完成了其總體結構的設計。利用Solidworks2015軟件，完成了試驗臺的建模、裝配、干涉檢查和工程圖的繪制，形成了完整的設計資料。依據(jù)設計資料完成了試驗臺的制造與裝配，經(jīng)調(diào)試可以滿足試驗要求。為了檢驗移栽試驗臺能否達到設計要求，本章應用Adams仿真軟件對移栽試驗臺的樣機模型仿真，得到試驗臺的仿真運行軌跡，通過與第二章理論分析得到的理論軌跡進行對比，初步驗證移栽試驗臺的正確性和可行性。虛擬樣機仿真技術對機械運動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軟件中建立的樣機模型保存為Parasolid（.x_t）文件格式，在Adams中將其導入，給各零件之間添加對應的約束、載荷并驅(qū)動，之后進行虛擬樣機模型的運動仿真，并且運用Adams的后處理模塊對移栽試驗臺的仿真結果分析處理。4-1Fig.4-1Simulationflow應用Adams軟件中配有的建模功能完成移栽試驗臺的建模是繁雜的，但Adams具有Parasolid模塊，使其可以方便地與Solidworks軟件進行對接，并且相應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換也變得簡潔方便?？梢酝ㄟ^Solidworks軟件把移栽試驗臺的虛擬樣機模型以Parasolid（.x_t）的格式Adams軟件中處理。導入方式如圖4-2Adams軟件啟動后，在菜單欄中點擊“File”，在出現(xiàn)的選項中點擊“Import”，隨即出現(xiàn)文件導入窗口，在窗口中的“Filetype”欄選擇“Parasoli（.x_t”文件類型，在“Filetoread”欄點擊鼠標右鍵，在出現(xiàn)的選項中選擇“browseParasoli（.x_t類型的文件，在“ModeName”欄處填寫移栽試驗臺虛擬樣機模型的名稱,需英文命名，填寫“transplant”，最后點擊“OK”即導入成功，如圖4-3所示。4-2AdamsFig.4-2HowtoimportvirtualmodelprototypeofAdams本文導入的模型是做過簡化處理的移栽試驗臺模型，文件名為transplant.x_t。在不影響仿真結果的情況下簡化移栽試驗臺模型可以減少很多運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導入成功的文件在Adams所有屬性都將變成Adams軟件的默認值，需要重新修改名稱等屬性，并且零部件之間的裝配關系失效，需要重新添加約束關系。為了方便對移栽試驗臺模型中的零部件查找和觀察，需要對移栽試驗臺模型中的零部件進行重新命名以及更改顏色，如圖4-4所示。之后應用布爾和命令將本來是固定件的構件合并成一個構件。最后驗證模型中構件是否都修改過信息。 （a）重命 （b）顏色更4-4Fig.4-4Componentproperty修改過移栽試驗臺模型中各零部件的基本屬性之后，則需要根據(jù)移栽試驗臺的真實配合Adams軟件中的約束命令對虛擬模型進行約束，根據(jù)移栽試驗臺的真實運動方式，為Adams中的樣機模型添加運動副，使其符合實際運動情況。之后還需要根據(jù)移栽試驗臺的4-1所示。4-1Tab.4-1Theconstraintrelationofeach約束關 零部件名試驗臺架的底板與大地（相對運動）；底板與固定支撐板；底板與鏡像固定支撐板；移栽試驗臺支架與固定支撐板；移栽試驗臺支架與鏡像固定支撐板；移栽試驗臺支架與步進電機軸套；步進電機軸套與前軸承蓋；步進電機軸套與后軸承蓋；直線模組托板與旋轉(zhuǎn)軸；

步進電機支架連接板與移栽試驗臺架；步進電機托板與步進電機；夾爪的底板與直線模組的滑臺；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) 步進電機與步進電機輸出接觸 夾爪上滑板與左側軸承619/5；夾爪上滑板與右側軸承齒輪 小齒輪與薄片大齒移動 試驗臺架的底板與大地（絕對運動）；直線模組上的滑臺與直線模組機身約束之后，需要給虛擬樣機模型添加載荷。本移栽試驗臺虛擬樣機模型只需給個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，在對移栽試驗臺虛擬樣機模型做相對運動的仿真分析時，在步進電機與步進電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)副上添加一個旋轉(zhuǎn)電機；并且在直線模組上的滑臺與直線模組機身的移動副上添加一個平移電機。在對移栽試驗臺虛擬樣機模型做絕對運動的仿真分析時，除了在步進電機與步進電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)副上添加一個旋轉(zhuǎn)電機外，還要在試驗臺架的底板與大地的移動副和直線模組上的滑臺與直線模組機身之間的移動副上各添加一個平移電機。4-5Fig.4-5Virtualmodelaftercompletionof對移栽試驗臺虛擬樣機模型添加約束、載荷和驅(qū)動之后，最后需要對樣機模型的約束信息進行檢測，檢測無誤后，則完成了移栽試驗臺模型的前期處理工作，如圖4-5所示。Adams完成對移栽試驗臺虛擬樣機模型添加約束、載荷和驅(qū)動之后，調(diào)整好仿真的視角，接下來進行運動學仿真。在Adams中點擊菜單欄中的“simulation,再出現(xiàn)的選項中，點擊“RunanInteractiveSimulationEndtimeSteps本虛擬樣機模型運行一個周期所需的仿真時間為2秒，所以在“Endtime”處輸入的為2秒，為了方便觀察模型運行過程，在“Steps”欄填寫合適的步數(shù)，本文填入2000。接著點擊“?”即可進行運動學仿真。想要得到模型夾苗處的運行軌跡，則需要在夾爪的夾片上創(chuàng)建一個Marker片的質(zhì)心處創(chuàng)建MarkerResultraceapointsrelativepositionfromlastsimulation”命令，點擊在夾爪的夾片上創(chuàng)建的Marker點，再選擇大（Ground。這樣就會出現(xiàn)虛擬樣機模型上一次仿真運行的運行軌跡曲線，如圖4-6所示。4-6Fig.4-6Simulationrelativemotiontrajectoryoftransplanting為了得到樣機模型絕對運行的軌跡，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，添加一個移動副，并在此移動副上加驅(qū)動。給與一定的前進速度后，再進行仿真，如此得到樣機模型的絕對運行軌跡，如圖4-7所示。4-7Fig.4-7Simulationabsolutemotiontrajectoryoftransplanting由Adams軟件仿真出的相對和絕對運行軌跡，可以驗證方案設計的合理性和機械結構設計的正確性。為接下來的PLC程序編寫和物理樣機的加工制造打下基礎。對樣