【摘要】：膜上缽苗移栽是將鋪膜種植和缽苗移栽農(nóng)藝結(jié)合,其優(yōu)點在于:(1)可以選擇適宜的時候提前鋪膜,有利于提高地溫、保水保墑,移栽后作物緩苗期短,定根早、發(fā)育早,延長作物生長期;(2)可以提高作物的單產(chǎn),一般比不鋪膜的種植方式提高產(chǎn)量50%,甚至100%;(3)可以提早育苗,有利于獲得壯苗;(4)可以選擇適宜的時候移栽,有利于避開干旱、洪澇、霜凍等惡劣的氣候環(huán)境。膜上缽苗移栽這種農(nóng)藝方式在我國地處歐亞腹地的新疆農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)用非常廣泛。新疆農(nóng)業(yè)區(qū)地處我國的西北部,容易受春旱、霜凍等惡劣氣候的影響,采用膜上移栽可以大幅提高新疆農(nóng)業(yè)區(qū)的產(chǎn)量,增加農(nóng)民的經(jīng)濟效益。雖然膜上缽苗移栽在新疆農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)用廣泛,但少部分采用半自動膜上缽苗移栽機作業(yè)(人工取苗、喂苗,裝備打孔、栽植),大多采用人工移栽方式(人工膜上打孔、膜下扎穴、取苗移栽和覆土鎮(zhèn)壓),勞動強度大,機械化程度低,作業(yè)效率低。目前,我國急需高效、輕簡化的膜上缽苗移栽裝備。歐美等發(fā)達國家對膜上缽苗移栽裝備的研究目前處于國際領(lǐng)先水平,其通過組合單片機、電磁閥、機械手等機電一體化成果,用多套機構(gòu)或裝置完成膜上缽苗移栽,發(fā)明了膜上缽苗移栽機。由于其拼湊了大量的機電一體化成果,導(dǎo)致移栽裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,只能用于經(jīng)濟作物移栽,目前大田作物膜上缽苗移栽裝備仍是空白。該文通過機構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計,解決了回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽裝備的多參數(shù)、多目標、強耦合性的復(fù)雜優(yōu)化問題,提出了一種純機械的回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu),用一個機構(gòu)完成膜上缽苗移栽所需的取苗、輸送、破膜、打孔和栽植等一系列動作。將缽苗移栽機構(gòu)的開發(fā)由桿機構(gòu)轉(zhuǎn)向高效、輕簡化的回轉(zhuǎn)機構(gòu)(非圓齒輪不等速行星輪系),降低了成本,提高了效率,攻克了大田作物回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽裝備開發(fā)這一難題。該文完成的主要工作如下:(1)提出了一種回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu),該機構(gòu)將不等速行星輪系和平面桿機構(gòu)結(jié)合,通過行星輪與行星架間的不等速轉(zhuǎn)動驅(qū)動平面四桿機構(gòu),用一個機構(gòu)完成膜上缽苗移栽所需的取苗、輸送、破膜、打孔和栽植等一系列動作,其中不等速行星輪系完成取苗、輸送和栽植所需的復(fù)雜軌跡和姿態(tài),平面四桿機構(gòu)完成破膜和打孔所需的復(fù)雜軌跡和姿態(tài)。(2)以行星架轉(zhuǎn)角為已知變量(行星架作勻速轉(zhuǎn)動),建立了回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)系統(tǒng)的運動學(xué)理論模型,得到了移栽臂和扎穴鏟軌跡和姿態(tài)的解析公式,為開展回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。(3)以節(jié)曲線上的一系列點集為已知條件,提出了非圓變位齒輪的成型理論與方法,推導(dǎo)了非圓變位齒輪的插齒加工數(shù)值計算模型。該模型模擬插齒范成齒輪的過程,忽略刀具的切削運動和徑向進給運動,只考慮分齒展成運動,由插齒刀的漸開線齒廓包絡(luò)出非圓齒輪的不規(guī)則齒廓。另外,為了避免非圓齒輪出現(xiàn)齒廓失真和根切,該文提出了判斷非圓齒輪出現(xiàn)齒廓失真和根切的條件,并在成型非圓齒輪齒廓時引入變位系數(shù),在齒廓失真和根切的嚙合點采用變位的方式減少或避免其發(fā)生。(4)根據(jù)建立的運動學(xué)理論模型,開發(fā)了回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計軟件。該軟件可以根據(jù)輸入的機構(gòu)參數(shù),快速而精準地求解出移栽機構(gòu)的軌跡和姿態(tài)。該文將“參數(shù)導(dǎo)引”啟發(fā)式優(yōu)化算法融入該軟件中,通過建立各個目標與參數(shù)群間的函數(shù)關(guān)系,將幾何目標數(shù)字化,實現(xiàn)了移栽機構(gòu)參數(shù)的全自動優(yōu)化。使用者只需根據(jù)設(shè)計要求輸入相應(yīng)的目標范圍,本軟件即可自動完成移栽機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化,并將優(yōu)化目標以進度條的方式直觀地顯示在軟件界面上。該軟件已獲得軟件著作權(quán)(登記號:2015SR116782)。(5)該文開發(fā)了非圓變位齒輪的三維自動成型軟件,該軟件可以自動讀取節(jié)曲線的點數(shù)據(jù),并根據(jù)輸入的非圓變位齒輪的參數(shù)(齒數(shù)、壓力角和模數(shù)等)自動成型非圓變位齒輪的三維模型。非圓變位齒輪自動成型軟件已獲得軟件著作權(quán)(登記號:2015SR116782)。該文通過3D打印技術(shù)試制了該軟件生成的非圓變位齒輪,并結(jié)合三維掃描技術(shù)對其進行了逆向檢測,驗證了所成型非圓變位齒輪的不等速傳動比曲線。(6)利用所開發(fā)的優(yōu)化設(shè)計軟件解決了回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)的多參數(shù)、多目標、強耦合性的復(fù)雜優(yōu)化難題,得到了一組滿足膜上缽苗移栽要求的參數(shù),并以一組較優(yōu)的機構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ),分析了各個參數(shù)對目標的影響規(guī)律,為移栽機構(gòu)的開發(fā)和改進提供了理論依據(jù)。(7)建立了回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)的虛擬樣機模型,并在系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件——ADAMS中完成了虛擬樣機仿真試驗。通過虛擬仿真試驗得到了移栽機構(gòu)相對運動和絕對運動的軌跡和姿態(tài),虛擬仿真結(jié)果與優(yōu)化軟件結(jié)果的一致性相互驗證了虛擬仿真和優(yōu)化軟件的正確性。(8)借助3D打印技術(shù),研制了回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)的物理樣機,并結(jié)合高速攝影技術(shù),完成了移栽機構(gòu)軌跡和姿態(tài)的驗證試驗。高速影像分析得到的軌跡和姿態(tài)與優(yōu)化軟件、虛擬仿真結(jié)果基本一致,相互驗證了理論分析、優(yōu)化軟件、虛擬仿真和物理樣機的正確性。(9)開發(fā)了回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)的臺架試驗系統(tǒng),該試驗系統(tǒng)主要由秧箱、送秧機構(gòu)、移栽機構(gòu)和條形土槽組成。該文在所開發(fā)的試驗系統(tǒng)上完成了無膜打孔試驗和破膜試驗。經(jīng)測試,破膜和打孔結(jié)果與設(shè)計值基本一致。用課題組開發(fā)的穴盤培育了辣椒苗,并在試驗臺架上完成了取苗試驗和土槽移栽試驗。試驗表明移栽機構(gòu)可以依次完成取苗、輸送、破膜、打孔和栽植動作,驗證了回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)的可行性。膜上缽苗移栽裝備需完成鋪膜、注水、缽苗移栽和覆土鎮(zhèn)壓等過程,該文只針對缽苗移栽過程開發(fā)了一種回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu),用一個機構(gòu)完成取苗、輸送、破膜、打孔和栽植等動作,未對其他作業(yè)過程的裝備作深入研究。接下來的工作還需對膜上缽苗移栽裝備進行系統(tǒng)地研究,開發(fā)整機并進行田間試驗。另外,該文只對回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)進行了運動學(xué)分析,優(yōu)化設(shè)計也是在運動學(xué)范疇內(nèi)完成的,尚未在動力學(xué)層面分析和優(yōu)化,接下來的工作還需對回轉(zhuǎn)式膜上缽苗移栽機構(gòu)的受力、振動等動力學(xué)特性進行分析和優(yōu)化。
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：S223.9
【圖文】：

田移栽裝備（主要指水稻移栽機）和旱田移栽裝熟的缽苗移栽裝備，國內(nèi)外都曾掀起過對缽苗移歐美等發(fā)達國家的移栽技術(shù)與裝備比較發(fā)達，處我國對膜上缽苗移栽機械的研究起步晚，與西方際市場，目前應(yīng)用較多的膜上移栽裝備為半自動從育苗盤中取出，放到機械栽植器中），機械完點就是移栽效率低，基本不超過 70 株/min·行-1，。，自動化程度高，技術(shù)處于領(lǐng)先水平。育苗、灌的結(jié)合緊密。國外目前在生產(chǎn)使用的移栽機按栽圓盤式移栽機、鏈夾式移栽機、鉗夾式移栽機、機等，由于栽植方式和結(jié)構(gòu)不同只有水輪式移栽上移栽[44]。國外研究的膜上移栽機多為半自動移在 30-60 株/min·行-1。下面對部分典型機型進行

引 言苗或者缽苗），可以實現(xiàn)大株距的膜上移栽，但株距植深度無法調(diào)節(jié)。在整個作業(yè)過程中，移栽機僅完成由人工完成，且人需要接觸地面完成覆土鎮(zhèn)壓過程，20 株/min·行-1）。另外，水輪依靠與地面間的摩擦力墑作用。該公司在另外一種機型上還增加了液化罐，燒出一個孔，避免了刮破地膜的現(xiàn)象。但依靠人工完效率低，沒能解決，不適宜我國大田塊種植的國情。大的 Plasti Tech 公司也研制過類似的水輪式膜上移栽

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