卓利元穴盤苗機械手畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）</p><p>　　穴盤苗移栽機取苗裝置的設(shè)計</p><p>　　專 業(yè) 11機械設(shè)計與制造 </p><p>　　學(xué)生姓名 卓利元 </p><p>　　班 級

2、 11機制（2）班 </p><p>　　學(xué) 號 201110090228 </p><p>　　指導(dǎo)教師 王艷莉 </p><p>　　完成日期 2014年5月 25號 </p><p>　　摘要：穴盤苗移栽技術(shù)的發(fā)展和不斷創(chuàng)新在旱地移栽領(lǐng)域

3、起到重要作用，提高了作物的產(chǎn)量、起到了氣候補償作用，而且能夠大大的降低勞動力。由于現(xiàn)有的移栽機機械中存在著半機械化和工作效率低等問題，所以需要研制穴盤苗自動移栽機，而取苗機構(gòu)是實現(xiàn)移栽自動化、機械化的核心部件，為了提高旱地穴盤苗移栽的作業(yè)效率，本文對自動移栽機的關(guān)鍵部件取苗爪進行了研究; 同時，對取苗機構(gòu)的兩針式取苗爪進行結(jié)構(gòu)與原理分析，確定了工作參數(shù)，包括夾持角度、秧針長度、取苗角度。經(jīng)過多因素試驗，完成了對工作參數(shù)的優(yōu)化，結(jié)果表明取

4、苗機構(gòu)設(shè)滿足穴盤苗的移栽要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 穴盤苗;移栽;取苗機構(gòu)</p><p>　　Abstract: the hole plate seedling transplanting technology development and innovation play an important role in the field of dryland transplant

5、ing, improved the yield of crops, have played an important role climate compensation, but also can greatly reduce the labor force. Because of the existing mechanical transplanting machine in there half mechanization and

6、low working efficiency, so we need to develop hole plate seedling transplanting machine, and taking seedling mechanism is the core compon</p><p>　　Keywords: The hole plate seedling;Transplanting;Taking seedl

7、ings mechanism</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1項目的技術(shù)背景與研究意義1</p><p>　　1.2 取苗裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1國外取

8、苗裝置研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2國內(nèi)取苗裝置的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.3現(xiàn)在的取苗裝置存在的問題分析6</p><p>　　1.3取苗裝置的研究目標(biāo)6</p><p>　　1.4取苗裝置的研究技術(shù)路線7</p><p>　　第二章 穴盤苗的研究特性8</p>&

9、lt;p>　　2.1穴盤苗的形態(tài)特性研究8</p><p>　　2.1.1 試驗儀器8</p><p>　　2.1.2 試驗對象與方法8</p><p>　　2.1.3 番茄穴盤苗的形態(tài)特性9</p><p>　　2.2番茄穴盤苗的物理特性研究9</p><p>　　2.2.1 穴盤苗基質(zhì)含水率

10、9</p><p>　　2.2.2 基質(zhì)的強度10</p><p>　　2.2．3 穴盤苗的摩擦角11</p><p>　　第三章 取苗裝置整體方案設(shè)計12</p><p>　　3.1 取苗裝置的總體設(shè)計要求分析12</p><p>　　3.2取苗裝置的工作原理分析13</p><p&

11、gt;　　3.3取苗裝置的動力源及傳動裝置設(shè)計分析13</p><p>　　3.4利用UG建立的整體樣機模型14</p><p>　　第四章 穴盤苗自動移栽機取苗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計14</p><p>　　4.1取苗裝置的執(zhí)行機構(gòu)及外形設(shè)計14</p><p>　　4.1.1 機械手臂的設(shè)計15</p><p>

12、　　4.1.2機械手指的設(shè)計15</p><p>　　4.1.3 穴盤定位平臺設(shè)計17</p><p>　　4.2 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)分析19</p><p>　　4.3 機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計分析20</p><p>　　4.3.1 PLC控制電路接線分析20</p><p>　　4.3.2 PLC的程序編制分

13、析22</p><p>　　4.3.3PLC程序23</p><p>　　第五章 穴盤的步進定位控制分析24</p><p>　　5.1步進定位控制精度的要求分析24</p><p>　　5.2步進定位控制下的理論分析25</p><p>　　5.3定位精度的計算分析25</p><p&

14、gt;　　第六章 取苗裝置的實驗研究26</p><p>　　6.1 影響取苗因素分析26</p><p>　　6.2 取苗實驗及其結(jié)果分析26</p><p>　　6.3 實驗小結(jié)28</p><p>　　第七章 總結(jié)與展望29</p><p><b>　　7.1 總結(jié)29</b>&

15、lt;/p><p>　　7.2 研究展望29</p><p><b>　　結(jié)束語29</b></p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　第一章 緒論</

16、b></p><p>　　1.1項目的技術(shù)背景與研究意義</p><p>　　隨著社會進步和人民生活水平的提高，設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為國民經(jīng)濟中的支柱產(chǎn)業(yè)，溫室蔬菜、花卉及棉花生產(chǎn)對發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟，增加農(nóng)民收入，豐富人民的菜籃子，改善人民生活具有舉足輕重的作用。 穴盤苗移栽是近年才興起的種植新技術(shù)，它具有縮短生育期，提早成熟，提高棉花單產(chǎn)，具有廣闊的推廣前景。過去幾年溫室大棚育出成品苗向大田移

17、栽，全部是靠人工移栽。穴盤苗自動移栽技術(shù)是溫室蔬菜或花卉生產(chǎn)實現(xiàn)工廠化和自動化而采用的一種重要的種植方式。目前，國內(nèi)穴盤苗移栽的取苗、喂苗環(huán)節(jié)主要靠手工完成，勞動強度大，作業(yè)效率低，不能滿足規(guī)?；a(chǎn)的需要，從而制約了蔬菜生產(chǎn)的發(fā)展。因此，研制開發(fā)適合我國國情、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、性能穩(wěn)定可靠的中小型穴盤苗自動移栽機迫在眉睫，而移栽機械手是溫室穴盤苗移栽自動化的關(guān)鍵部分，能夠完成“穴盤定位—自動送苗—缽苗抓取—缽苗投放”這一系列連續(xù)動作

18、，其性能直接影響移栽機的移栽質(zhì)量。穴盤苗移栽機械手的研究對實現(xiàn)實現(xiàn)溫室穴盤苗移栽生產(chǎn)過程自動化、減輕穴盤苗移栽作業(yè)的勞動強度、提高作物移栽質(zhì)量，推進我國溫室農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)機械化和自動化進程，特別是我國“十二五”農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的順利實施具有重大意義。</p><p>　　1.2 取苗裝置的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　國外穴盤苗移栽機取苗裝置的技術(shù)較成熟，而且大部分機型開始投入使用，尤其是

19、應(yīng)用于花卉、蔬菜等經(jīng)濟價值高的作物的大面積移栽，具有很好的經(jīng)濟價值。國內(nèi)的研究主要集中在各大高校及科研院所，且大部分的研究成果只是樣機的試制，尚沒有成型的機型投入生產(chǎn)應(yīng)用。</p><p>　　1.2.1國外取苗裝置研究現(xiàn)狀</p><p>　　20 世紀(jì)初期部分國家開始出現(xiàn)移栽機具。三十年代出現(xiàn)移栽裝置或移栽器代替人工取苗。五十年代移栽的生產(chǎn)技術(shù)研究，研制出了不同結(jié)構(gòu)的半自動移栽機。八十

20、年代，半自動移栽機已在歐美國家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛被使用，培育穴盤苗、移栽作物等，實現(xiàn)了制造機械、播種機械、移栽機等各種機械配套使用。到90年代,有關(guān)部門加強從育苗到栽植整個系統(tǒng)的研究,使育苗和栽植有機地結(jié)合,研制出多種全自動移栽機,如日本90年代初將穴盤苗自動移栽機列為農(nóng)業(yè)機械急需開發(fā)的項目,日本農(nóng)機研究所聯(lián)合三家農(nóng)機公司,于1993年至1995年期間開發(fā)出了三種型號的全自動移栽機（圖1-1～1-3）,可移栽穴盤苗或紙缽苗,主要移栽卷心菜

21、!大白菜和葛芭等,完全是由機械自動從穴盤中取苗后種植. 美國Renaldo銷售與服務(wù)公司于2003年開發(fā)出移栽空氣整根缽苗的全自動蔬菜移栽機（實驗樣機圖1-4）。</p><p>　　圖1-1 PR2型全自動移栽機 圖1-2 SK20型自動移栽機</p><p>　　圖1-3 PVR200型自動移栽機 圖1-4全自動蔬菜移栽機

22、</p><p>　　取苗機構(gòu)作為全自動移栽機的關(guān)鍵部件之一，在國外正處于不斷的研究與發(fā)展的階段。國外所研制的全自動移栽機中，日本 Tetsuo Nanbu 等人在移栽機中設(shè)計了帶式取苗系統(tǒng)，采用兩條平行紙帶等間隔包裹苗缽缽體以使其串聯(lián)起來進行培育的獨特方式，作業(yè)時由剝紙帶機構(gòu)和傳輸帶機構(gòu)相互配合來完成取苗、栽植等一系列移栽作業(yè)；日本Takashi Onosaka 等人在移栽機中設(shè)計了機械手式取苗系統(tǒng)，苗盤由傳送

23、帶傳輸至待取苗位置處，經(jīng)秧苗縱向定位裝置固定單個秧苗后，機械手夾取秧苗并將其從苗盤中取出；美國 Errol C.Armstrong 等人在其所研制的移栽機中設(shè)計了推苗桿式取苗系統(tǒng)，苗盤由自動牽引裝置驅(qū)動進行垂直進給供苗，間歇機構(gòu)控制其逐行向下喂入缽苗，取苗推桿在主從凸輪的帶動下作往復(fù)直線運動實現(xiàn)將秧苗從穴苗盤中頂出后再退回的連續(xù)循環(huán)作業(yè)；美國 Frank W. Faulring 等人設(shè)計了真空泵式取苗系統(tǒng)來實現(xiàn)自動移栽，苗盤定位放置之后

24、，將底盤抽出，秧苗在重力以及小電機驅(qū)動壓縮機所產(chǎn)生的吸力作用下吸落至落苗口，隨后進入落苗管完成后續(xù)的栽植作業(yè)。韓國 Ryu 等設(shè)計一種由氣動系統(tǒng)驅(qū)動的夾取裝置。該末端</p><p>　　(1)末端件原型 (2)改進后的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　圖 1-5夾取裝置</b></p>

25、<p>　　綜上所述，國外移栽作業(yè)的穴盤苗移栽機取苗裝置機型比較多，自動化程度很高，適于大面積作業(yè)的自動移栽作業(yè); 但是，由于其通用性比較差，整體結(jié)構(gòu)控制部分復(fù)雜，并且價格昂貴，難以適應(yīng)我國中小規(guī)模農(nóng)戶的需求。</p><p>　　1.2.2國內(nèi)取苗裝置的研究現(xiàn)狀</p><p>　　國內(nèi)于 20 世紀(jì) 60 年代初開始進行移栽機械的試驗研究，起步較早，但由于農(nóng)機和農(nóng)藝明顯脫節(jié)

26、，忽略了綜合經(jīng)濟效益，更沒有對育苗移栽機械化過程的種種技術(shù)難題進行科學(xué)和系統(tǒng)地分析研究，致使這一技術(shù)擱淺，從而一直未能大面積推廣應(yīng)用。取苗裝置研究在國內(nèi)近些年才引起人們的重視，且大部分研究主要集中在各大農(nóng)業(yè)類院校、科研院所等。目前大部分投產(chǎn)的移栽機都是半自動移栽。雖然植苗裝置已基本實現(xiàn)自動化，但是取苗還是人工進行穴盤苗的投放。由于人工的限制，移栽機的整體效率很難提高。而且取苗裝置大部分還處于試驗階段，研究很難達到作業(yè)要求。在實際生產(chǎn)中還

27、沒有使用，沒有成形的機型投入實際生產(chǎn)應(yīng)用。</p><p>　　沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)張詩研制的指針夾緊式穴盤苗移栽機械手處于穴盤苗的上方時指針伸出，移栽機械手下降后，由于氣缸的驅(qū)動，指針向下運動，插入基質(zhì)塊中。當(dāng)氣缸將要滿行程時候，指針向里收縮，夾緊基質(zhì)塊。移栽機械手向上移動，將穴盤苗從穴盤中取出。最后移栽機械手下降，氣缸反行程往回運動，指針再次張開和收縮，穴苗被植入新的生長盤中，以便可以有更好地生長空間繼續(xù)生長 ，如圖

28、 1-8 所示。張麗華研制的穴盤苗移栽取苗裝置的機械手的運動由 PLC 控制，帶動汽缸運動來實現(xiàn)。機械手可以完成“穴盤定位→穴盤苗抓取→缽盆定位→穴盤苗投放”等連續(xù)動作，實現(xiàn)對穴盤苗的自動取苗過程，如圖 1-9 所示。 </p><p>　　圖 1-6 移栽機械手裝置圖 圖 1-7 機械手裝置簡圖</p>&

29、lt;p>　　東北農(nóng)業(yè)大學(xué)韓豹設(shè)計的水稻育苗全自動移栽機械手，該移栽機共有 6 組 12 個機械手組成，一次可完成 6 行缽苗移栽作業(yè)。每組機械說呈 180°對稱布置，并均固定于同一個苗夾臂上。在驅(qū)動臂軸和取秧偏心驅(qū)動軸的作用下，取苗機械手能夠在指定位置準(zhǔn)確地完成插、夾、拔和運苗幾道工序，而且取苗方向垂直于育秧盤盤面，不傷苗。此外當(dāng)一個機械手拔出秧苗的同時，另一個機械手支臂伸長并打開苗夾放苗，如圖 1-10 所示。<

30、;/p><p>　　圖 1-8 水稻育苗全自動移栽機械手</p><p>　　1.秧夾臂 2.驅(qū)動臂軸焊合 3.軸座 4.鏈輪 A 5.夾緊滾輪 6.取秧偏心驅(qū)動軸 7.鏈輪</p><p>　　由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)徐麗明，張鐵中等改進設(shè)計的玉米自動移栽機械手，如下圖所示，其原理為采用平面四連桿機構(gòu)實現(xiàn)取苗動作，隨著曲柄 AB 繞 A 點的轉(zhuǎn)動，固定在四連桿上的苗指插入苗缽中

31、將苗取出，當(dāng)苗運到導(dǎo)苗管口上方時，由固定在機組上的排苗桿 EF 將苗拔下，使苗脫離苗指，進入導(dǎo)苗管，完成取苗過程，如圖 1-9所示。</p><p>　　圖 1-9 玉米自動取苗機械手</p><p>　　1.排苗桿 2.苗指 3.缽苗 4.缽苗支架</p><p>　　沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)利用水稻缽苗空氣整根育苗技術(shù)進行缽苗育秧，研制出了氣吸方式取苗和投苗的小型手扶式水稻

32、缽苗有序拋秧機，帶缽苗秧盤大口朝下由移箱機構(gòu)輸送到吸氣口上方，吸氣活門打開，缽苗在負壓作用下脫盤加速下落；到達空氣室時，落苗活門打開，吸氣活門關(guān)閉，缽苗落入水田，完成移栽。齒輪齒條式橫縱向送秧箱機構(gòu)和曲柄擺桿式吸氣活門均由步進電機驅(qū)動與控制，活門的開、關(guān)閉和移箱機構(gòu)的順序動作由單片機控制系統(tǒng)控制，如圖 1-10 所示。</p><p>　　圖 1-10 氣吸式取苗機構(gòu)簡圖</p><p>

33、　　1.空氣室 2.吸苗管 3.吸氣活門 4.吸氣閥座 5.回位彈簧</p><p>　　6.管接頭 7.吸氣活門擺桿 8.吸氣管 9.導(dǎo)苗管 10.投苗活門</p><p>　　江蘇大學(xué)丁文芹研制的取苗裝置是由取苗機械手、驅(qū)動裝置及凸輪裝置等組成，將穴盤苗夾取并最終釋放至植苗裝置的工作部件，實現(xiàn)從穴盤中取苗和向植苗裝置投苗的動作。工作時取苗裝置直接與基質(zhì)接觸進行取投苗，保證取苗裝置以一定

34、的位姿完成定點抓取穴盤苗、帶著穴盤苗返回到投苗位置、準(zhǔn)確投放穴盤苗等基本步驟，完成個取苗過程，如圖 1-11 所示。</p><p>　　圖 1-11 取苗裝置示意圖</p><p>　　1.行星架 2.中心輪3. 行星輪4.行星輪5.靜軌跡6.取苗爪 7.連桿</p><p>　　8.滾子 9.槽型凸輪10. 行星輪軸1.穴盤 12.托架 13.穴盤苗</p

35、><p>　　1.2.3現(xiàn)在的取苗裝置存在的問題分析 </p><p>　　我國移栽機的研究處于不成熟階段，大多是仿制國外的產(chǎn)品，不太適應(yīng)我國作物移栽模式。又由于農(nóng)民購買力制約，半自動化機型較多，機器使用中需要的輔助人員較多，栽植速度受到限制?，F(xiàn)有的自動移栽機的機構(gòu)尚不完善，依然存在諸多缺陷，如價格昂貴，不利于推廣、移栽效率低、機構(gòu)復(fù)雜，對操作人員的技術(shù)要求較高、移

36、栽機的適應(yīng)性差，通用性差、機構(gòu)取苗的動作對缽苗的傷害較大，降低秧苗的成活率、分苗的的效果不好，容易出現(xiàn)漏分，多分的現(xiàn)象,且所研究的溫室智能化機具都處于實驗階段，其控制系統(tǒng)總體上存在：定位精度不高，柔性和可靠性差；控制性能不穩(wěn)定，智能化程度較低；作業(yè)效率不高等問題。</p><p>　　1.3取苗裝置的研究目標(biāo)</p><p>　　隨著農(nóng)業(yè)溫室大棚的快速發(fā)展，研制開發(fā)適合我國國情、結(jié)構(gòu)簡單、

37、價格低廉、性能穩(wěn)定可靠的中小型穴盤苗自動移栽機迫在眉睫，而移栽機械手是溫室穴盤苗移栽自動化的關(guān)鍵部分，能夠完成“穴盤定位—自動送苗—缽苗抓取—缽苗投放”這一系列連續(xù)動作，通過對取苗機械手、穴盤定位平臺、喂苗機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用PLC控制技術(shù)自動完成取苗、喂苗，實現(xiàn)穴盤苗的自動化移栽，取苗裝置的性能直接影響移栽機的移栽質(zhì)量移栽機的取苗、喂苗部分機械化是本項目擬解決的關(guān)鍵技術(shù)，主要在以下幾個方面：</p><p>

38、　?。?）移栽機械手的設(shè)計要基于苗坨的物理和生理特性，在保證成功提起和放置苗坨的情況下，使其具有一定的柔性，以減少穴苗損傷率和苗坨破碎率。</p><p>　?。?）設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、通用性強的自動取苗機械手，實現(xiàn)穴盤苗自動移栽。</p><p>　?。?）從機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩個方面提高移栽作業(yè)效率。</p><p>　?。?）加強育苗技術(shù)、溫室設(shè)備與移栽機的配套技術(shù)

39、研究。</p><p>　　通過對移栽機取苗裝置的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)取苗、喂苗的自動化，大大提高穴盤苗移栽的生產(chǎn)效率，促進穴盤移栽機全自動化的發(fā)展。</p><p>　　1.4取苗裝置的研究技術(shù)路線</p><p>　　第二章 穴盤苗的研究特性</p><p>　　針對農(nóng)作物的種植特點和實際的農(nóng)藝要求，為設(shè)計出機構(gòu)合理的取苗裝置，對穴盤苗的形態(tài)和

40、物理特性進行了研究。</p><p>　　2.1穴盤苗的形態(tài)特性研究 </p><p>　　穴盤苗的株高、葉面展幅、莖粗等是評價壯苗標(biāo)準(zhǔn)的重要形態(tài)參數(shù)。因此測量自然環(huán)境下穴盤苗自身形態(tài)特性，是設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理的取苗裝置的關(guān)鍵之一。這里我們選擇番茄作為研究對象。</p><p>　　2.1.1 試驗儀器 </p><p>　　刻度尺，精度為 1

41、 mm；游標(biāo)卡尺，精度為 0.1 mm；電子天平，型號為 JJ3000，最大承重 3 kg，精度為 0.1 g；水分測試儀，型號為 MA45C-000230V1，精度值為 0.001 g。 </p><p>　　2.1.2 試驗對象與方法 </p><p>　　試驗選取 30 天苗齡、128 穴的番茄穴盤苗為試驗對象，試驗用苗如圖2-1 所示。對穴盤苗的基本形態(tài)特征株高、葉面展幅和莖粗等

42、使用游標(biāo)卡尺測量；用電子天平測得穴盤苗的重量。</p><p>　　2.1.2番茄穴盤苗 </p><p>　　其中，莖粗是指靠近基質(zhì)上部 20~40 mm 的莖稈的平均直徑；株高是指基質(zhì)和露出的苗的整體高度葉面展幅是指真葉中最外兩點的水平距離。測量過程如圖 2-2 所示。</p><p>　　2-2番茄穴盤苗莖粗測量</p><p>　　

43、2.1.3 番茄穴盤苗的形態(tài)特性 </p><p>　　根據(jù)測量所得的番茄穴盤苗的形態(tài)參數(shù)，培育的番茄穴盤與大棚移栽的穴盤苗實際情況吻合，滿足穴盤苗的移栽標(biāo)準(zhǔn)，可作為后續(xù)取苗裝置試驗臺的試驗對象。穴盤苗個體之間存在著差異較大，設(shè)計取苗裝置時需要考慮穴盤苗間個體差異。穴盤苗的苗高、株高、葉面展幅、莖粗等因素會直接影響取苗裝置的實際作業(yè)效果。</p><p>　　表2-1番茄穴盤苗的形態(tài)參數(shù)

44、</p><p>　　2.2番茄穴盤苗的物理特性研究 </p><p>　　為保證取苗成功率，針對穴盤苗的物理特性進行有性的分析研究。番茄穴盤苗的物理特性研究包括穴盤苗最佳含水率、穴盤苗不同含水率的翻轉(zhuǎn)比、摩擦角以及穴盤苗的基質(zhì)頂出力和抗壓力的測定。 </p><p>　　2.2.1 穴盤苗基質(zhì)含水率 </p><p>　　基質(zhì)含水率是指穴

45、盤苗基質(zhì)含有水分的比例，即基質(zhì)中含有水的質(zhì)量與基質(zhì)不含水時兩者的比值，即：C = M1/M2 X 100%</p><p>　　式中：C——含水率； </p><p>　　M1——常態(tài)的基質(zhì)塊的質(zhì)量； </p><p>　　M2——烘干后的基質(zhì)塊的質(zhì)量</p><p>　　表 2-2 基質(zhì)含水率的測定</p><p>

46、;　　通過表 2-2 看出，該狀態(tài)的穴盤苗的含水率的范圍為27.5 %~33. 8 %。該狀態(tài)下的穴盤苗的平均基質(zhì)含水率為 31.5 %。然而當(dāng)含水率低25%，由于基質(zhì)過于干燥、易碎，很難被主針拉出；當(dāng)基質(zhì)含水率高35%時，基質(zhì)濕度太大，基質(zhì)強度比較低，也很難被主針拉出。其原因是含水率太低或者太高時基質(zhì)與苗盤間的粘滯性降低，不利于移栽的作業(yè)。經(jīng)過反復(fù)試驗，得出適宜取苗的基質(zhì)含水率的范圍為 25 %~35 %</p><

47、;p>　　2.2.2 基質(zhì)的強度 </p><p>　　基質(zhì)強度是土壤力學(xué)中最基本的部分。基質(zhì)的抗壓強度既受限于基質(zhì)本身的配比的影響，又受限于生長環(huán)境的影響。在穴盤苗基質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的研究中，對不同組成的育苗基質(zhì)進行強度實驗，將含沙的基質(zhì)與草炭以 2:3 比例混合，再以 5~7 kgf/cm2的壓力進行壓實的基質(zhì)塊為硬土，及以1~2 kgf/cm2的壓力進行壓實的基質(zhì)塊為軟土基質(zhì)的強度測定是對穴盤苗基質(zhì)拉出

48、力與抗壓力的測量，為最終取苗取苗成功率的試驗研究作理論依據(jù)。 </p><p><b>　?。?）基質(zhì)拉出力 </b></p><p>　　基質(zhì)拉出力是指主針把基質(zhì)從穴盤中拉出來需要的力，主要包括穴盤苗自身的重力、穴盤苗基質(zhì)與穴盤的粘滯力以及穴盤苗與周圍的穴盤苗相互之間的干涉力等組成?；|(zhì)拉出力的測定步驟是用彈簧秤直接從上面拉取穴盤苗，在拉出的瞬間記錄彈簧稱的讀數(shù)，即

49、近似為基質(zhì)的拉出力。</p><p>　　圖2-3含水率與基質(zhì)頂出力的關(guān)系</p><p>　　通過圖 2-3 所示對穴盤苗進行基質(zhì)頂出力的測定，基質(zhì)含水率為25 %時，基質(zhì)拉出力約為1.2 N；基質(zhì)含水率30%時，基質(zhì)拉出力約為2.5 N；基質(zhì)含水率為 35 %時，基質(zhì)頂出力約3.0N。由此可以看出基質(zhì)的頂出力隨著含水率的增大而增大，且受穴盤苗自身重量的影響比較大。</p>

50、<p><b>　　（2）基質(zhì)抗壓力 </b></p><p>　　基質(zhì)抗壓力是指一定含水率的基質(zhì)塊可以承受主針最大的壓力。基質(zhì)抗壓力的測定是從穴盤中取出一定含水率的穴盤苗，用剪刀剪去苗以上的部分，只留基質(zhì)部分做后續(xù)試驗；打開電子天平，放上基質(zhì)大頭朝下倒置在天平表面，對電子天平進行調(diào)零操作，即放上基質(zhì)后電子天平顯示為零；用取苗裝置設(shè)計的主針從基質(zhì)上部傾斜向下壓迫基質(zhì)，直至基質(zhì)出現(xiàn)

51、破裂為止，記錄電子天平的顯示數(shù)值；用所測數(shù)值乘以當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋℅=mg），得到基質(zhì)抗壓力的大小。</p><p>　　圖2-4含水率與基質(zhì)抗壓力的關(guān)系</p><p>　　通過圖 2-4 所示對穴盤苗進行基質(zhì)抗壓力的測定，基質(zhì)含水率為 25 %時，基質(zhì)抗壓力約為 1.5 N；基質(zhì)含水率為 30 %時，基質(zhì)抗壓力約為 6.0 N；基質(zhì)含水率為 35 %時，基質(zhì)抗壓力約為 3.1 N。 由

52、此可以看出基質(zhì)抗壓力隨著含水率的增大先增大后減小，且受穴盤苗自身重的影響比較大。在穴盤苗完整的情況下，含水率在 20 %~35 %之間，由于有根系的影響。在軟土的強度試驗中澆水量對于基質(zhì)強度并無明顯的影響，但是在有根系的硬土塊實驗中，基質(zhì)含水率對基質(zhì)抗壓力影響比較大。其原因在于含水率太低或者太高時基質(zhì)與苗盤間的粘滯性降低，不有利于移栽的作業(yè)。</p><p>　　2.2．3 穴盤苗的摩擦角 </p>

53、<p>　　穴盤苗的摩擦角是制約拉出成功率的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)穴盤苗處于滑動的臨界狀態(tài)時，靜摩擦力達到最大值，此時外力與拉力的夾角也最大，此時的角度稱為穴盤苗的摩擦角。</p><p>　　摩擦角測量是通過隨機選擇 32 株穴盤苗，要求表面濕度近似于移栽含水率，置于和穴盤的 PS 塑料板上，將塑料板一段升高，逐漸增大傾斜角直至穴苗盤基質(zhì)開始下滑，記錄下此時塑料板與水平面之間的夾角(角度測量儀)，分別測量

54、30株穴盤機制的摩擦角求其平均值作為實驗的參數(shù)。</p><p>　　圖2-5含水率與摩擦角的關(guān)系</p><p>　　通過圖 2-5 看出對穴盤苗進行穴盤苗的摩擦角的測定，基質(zhì)含水率為 25 %時，穴盤苗的摩擦角約30°；基質(zhì)含水率為 30 %時穴盤苗的摩擦角約為 35°；基質(zhì)含水率為35 %時，穴盤苗的摩擦角約為 40°。 </p><

55、p>　　由此可以看出穴盤苗的摩擦角隨著含水率的增大先增大，且受穴盤苗自身重量的影響比較大。</p><p>　　第三章 取苗裝置整體方案設(shè)計 </p><p>　　3.1 取苗裝置的總體設(shè)計要求分析</p><p>　　旨在開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單、取苗質(zhì)量可靠、經(jīng)濟適用的移栽機取苗機械手。通過對取苗機械手、穴盤定位平臺、喂苗機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)用PLC控制技術(shù)自

56、動完成取苗、喂苗，實現(xiàn)穴盤苗的自動化移栽。此外，該移栽機體積相對較小，抓取穴盤苗模擬手指的動作，運動軌跡靈活可靠，適應(yīng)不同根系結(jié)構(gòu)的蔬菜缽苗的抓取，能夠滿足不同穴盤結(jié)構(gòu)、穴格的間距、取苗效率和并排取苗的要求，可靠性和靈活性較高，對中小型農(nóng)戶均適用。移栽過程中取苗、喂苗部分自動化是全自動移栽機擬解決的關(guān)鍵技術(shù)，主要在以下幾個方面：</p><p>　?。?）采用基于PLC控制的針扎式取苗機械手，取苗穩(wěn)定、作業(yè)效率高

57、、不易傷根；</p><p>　?。?）穴盤的送苗由兩個一維線性模組構(gòu)成二維定位平臺，在步進電機驅(qū)動下定位平臺帶動穴盤沿XY兩個方向精確定位，保證穴盤苗的準(zhǔn)確送苗，定位速度快，系統(tǒng)重復(fù)性好。</p><p>　?。?）基于PLC控制的針扎式取苗機械手，與穴盤精密定位平臺相結(jié)合，完成“穴盤定位—自動送苗—缽苗抓取—缽苗投放”，實現(xiàn)取苗、喂苗的自動化，大大提高穴盤苗移栽的生產(chǎn)效率。 </

58、p><p>　　3.2取苗裝置的工作原理分析</p><p>　　機械手的工作過程，如圖1所示。首先機械手進給運動，即由初始點運動到取苗點，運動過程包括升降運動和水平運動，根據(jù)穴盤苗的大小，控制升降運動和水平運動的距離。機械手運動到取苗點后保持合適的取苗姿態(tài)；然后機械手的兩根針在氣缸的推動下伸出并以30~45°的方向插入缽苗，接著機械手轉(zhuǎn)動90°，即機械手由取苗點運動到投苗

59、點，在投苗點機械手兩根手指退回，缽苗被機械手外罩殼的擋板結(jié)構(gòu)與手指分離并在穴盤苗的重力作用下進入導(dǎo)苗管，完成一次取苗循環(huán)。當(dāng)機械手再次運動到取苗點時，穴盤在二維定位平臺的控制下穴盤苗向前移動一個穴位，機械手完成又一次取苗回到起點。機械手和穴盤定位平臺相配合依次完成整個穴盤的取苗、投苗動作?？紤]到穴盤的結(jié)構(gòu)、相鄰穴格的間距，以及穴盤苗的大小不同，針扎式取苗機械手指部分可以根據(jù)缽苗的大小及時調(diào)節(jié)更換，取苗穩(wěn)定，不易傷根。</p>

60、<p>　　穴盤苗移栽機械手主要由機械手指、手指安裝定位元件、穴盤定位平臺、旋轉(zhuǎn)升降機構(gòu)、動力裝置（包括水平氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸），其中機械手指和定位平臺是機械手的核心部件。機械手的運動由可編程邏輯控制器控制電磁閥帶動氣缸來實現(xiàn)。機械手工作時，可編程邏輯控制器發(fā)出控制指令控制電磁閥及升降、水平氣缸帶動機械手做升降和水平位移，通過行程開關(guān)實現(xiàn)機械手在苗盤上的準(zhǔn)確定位；在90°旋轉(zhuǎn)氣缸的作用下，機械手完成從取苗點

61、到投苗點的旋轉(zhuǎn)定位動作。為了提高穴盤定位平臺運動精度和系統(tǒng)數(shù)字控制的要求，此處選用體積小、重量輕的步進電機作為動力源。傳動鏈?zhǔn)前褎恿υ膭恿D(zhuǎn)換成滑塊的移動機構(gòu)，電機輸出通過行星齒輪減速后驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)運動變成了滾珠絲桿上螺母的直線運動。穴盤的送苗由兩個一維線性模組構(gòu)成二維定位平臺，在步進電機驅(qū)動下定位平臺帶動穴盤沿XY兩個方向精確定位，保證穴盤苗的準(zhǔn)確送苗，定位速度快，系統(tǒng)重復(fù)性好。</p><p>

62、　　3.3取苗裝置的動力源及傳動裝置設(shè)計分析</p><p>　　自動移栽機的取苗裝置是以空氣壓縮機為動力來源進行實現(xiàn)取苗過程的。采用氣動的主要有點是，空氣容易獲取、且工作壓力低，用過的空氣可就地排放，無需回收管道。 .氣的粘性小、流動阻力損失小，便于集中供氣和遠距離輸送。氣動執(zhí)行元件運動速度高，氣動系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力強，能在溫度范圍很寬，潮濕和有灰塵的環(huán)境下可靠工作，稍有漏泄不會污染環(huán)境，無火災(zāi)爆炸危險，使用

63、安全。.結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、成本低廉。氣動元件壽命長，氣動元件的執(zhí)行輸出比液壓小、運動較快、適應(yīng)性強、可在易然、易爆、多沉、潮濕、沖擊的惡劣環(huán)境中工作，不污染環(huán)境，工作壽命長，構(gòu)造簡單，便于維護，價格低廉。根據(jù)需求，此處所采用的空氣壓縮機技術(shù)參數(shù)如下：</p><p>　　型號：OTS750 外形尺寸：56x24x57cm</p><p>　　重量：19KG

64、 儲氣容積：18L</p><p>　　轉(zhuǎn)速：1380r/min 匹配功率：750W</p><p>　　公稱容積流量：60L/min 額定排氣壓力：0.7Mpa</p><p>　　傳動裝置主要包括伸縮氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸、垂直氣缸，其中，水平氣缸帶動取苗裝置的水平伸縮運動，旋轉(zhuǎn)氣缸主要實現(xiàn)機械手臂的旋轉(zhuǎn)運動以達到實現(xiàn)從取苗點到投

65、苗點的運動，而垂直氣缸實現(xiàn)機械手臂的上下運動。水平氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸，垂直氣缸作何運動則是由可編程控制器控制繼電器，繼電器再控制三位五通的電磁閥來實現(xiàn)的氣流的通斷。</p><p>　　3.4利用UG建立的整體樣機模型</p><p>　　整個取苗裝置有執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)，PLC控制機構(gòu)，其整體樣機建模如圖3-1示所示。</p><p>　　圖3-1取苗機械手整體結(jié)構(gòu)圖

66、</p><p>　　第四章 穴盤苗自動移栽機取苗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　4.1取苗裝置的執(zhí)行機構(gòu)及外形設(shè)計</p><p>　　取苗裝置的執(zhí)行機構(gòu)主要有穴盤定位平臺、機械手臂，機械手指及機械手的底座，其中最關(guān)鍵的部位是機械手指的設(shè)計。</p><p>　　4.1.1 機械手臂的設(shè)計</p><p>　　機

67、械手臂是支承缽苗、機械手指的重要部件。手臂的作用是帶動機械手指去抓取缽苗，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。機械手臂由驅(qū)動手臂運動的部件(水平氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸)與驅(qū)動源(氣壓)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。圖3-4所示是機械手的三維建模結(jié)構(gòu)示意圖。該手臂由水平臂、升降臂、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)三部分組成。水平臂負責(zé)手指的水平推進動作，完成缽苗的抓?。簧当墼谏禋飧椎耐苿酉峦瓿蓹C械手垂直方向的升降動作；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在旋轉(zhuǎn)氣缸的作用下完成從取苗點到

68、投苗點的旋轉(zhuǎn)定位動作，旋轉(zhuǎn)角度90°。</p><p>　　1-水平氣缸 2- 機械手指 3-直角件 4-連接元件1 5-連接元件2 6-旋轉(zhuǎn)氣缸 7-升降氣缸</p><p>　　圖4-4機械手三維結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　4.1.2機械手指的設(shè)計</p><p>　　機械手指由兩根取苗針、安裝連接元件

69、和機械手退苗機構(gòu)組成，圖3-5為機械手指部分的三維結(jié)構(gòu)示意圖。兩根針在氣缸的推動下伸出并以30~45°的方向插入苗缽這樣的角度將缽苗夾持可以保證缽苗不滑落，這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單緊湊，提高了機械手抓取的適應(yīng)性，針對不同的缽苗抓取效率高，不傷苗。</p><p>　　機械手退苗機構(gòu)是由四塊鋁合金板連接而成的矩形殼體，該罩殼水平軸相連接組成機械手的水平臂，主要起固定機械手手指、退苗及投苗作用。機械手罩殼下放的矩

70、形孔保證缽苗能夠順利落下，完成投苗動作。</p><p>　　1-水平氣缸 2- 擋苗機構(gòu) 3-機械手指</p><p>　　圖4-5 機械手指三維結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　機械手指的最關(guān)鍵部位是手指前端的兩根主針，主針插入苗缽，既要能輕松便捷的插入苗缽能順利把幼苗取出穴盤，以及還要做到不傷幼苗，盡量做到不傷到幼苗的根和葉，保證幼苗的完整，使得幼苗的移栽

71、成活率大大提高，所以把手指的取苗機構(gòu)做成針的形式，由于穴盤苗基質(zhì)的深度大約有8cm，根據(jù)針斜插入基質(zhì)的方式，并以30~45°角度插入基質(zhì)，針只需插入基質(zhì)4到5厘米深處，所以針的長度設(shè)計成6至8厘米即可，針的三維建模如圖4-6所示。</p><p>　　4-6機械手指的主針三維圖</p><p>　　圖4-7所示是穴盤苗移栽機械手底座的三維建模結(jié)構(gòu)示意圖。由于考慮到機械手臂在旋轉(zhuǎn)氣

72、缸的帶動下，會有一個很大的沖擊力，使得機械手臂在運動過程中會晃動，所以經(jīng)過反復(fù)試驗研究，該底座設(shè)計成由一塊連接板和兩個氣缸支柱組成，底座與移栽機相連接用螺母固定，兩根支柱與旋轉(zhuǎn)氣缸相連接，起到固定和支撐整個機械臂的作用，這樣就減少了機械手臂的晃動，從而使得取苗時手臂運動的更加平穩(wěn)，同時一板兩支柱的結(jié)構(gòu)保證了機械手旋轉(zhuǎn)時的剛度和穩(wěn)定性，起到很好的止轉(zhuǎn)作用，極大地增加了取苗的成功率，和很好的防止了運動過程中因為抖動而造成的缽苗脫落，傷到幼苗

73、。</p><p>　　圖4-7機械手底座三維結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.1.3 穴盤定位平臺設(shè)計</p><p>　　穴盤的送苗由兩個一維線性模組構(gòu)成二維定位平臺，在步進電機驅(qū)動下定位平臺帶動穴盤沿XY兩個方向精確定位，保證穴盤苗的準(zhǔn)確送苗，定位速度快，系統(tǒng)重復(fù)性好。穴盤定位平臺是用來帶動穴盤的移動，從而實現(xiàn)為取苗裝置送苗的動作，穴盤苗定位平臺三維建模如圖3-

74、1所示。穴盤定位平臺由動力元件、傳動鏈、十字交叉導(dǎo)軌和滾珠絲杠平臺等組成二維定位系統(tǒng)，穴盤固定在錐形托盤內(nèi)，托盤與交叉導(dǎo)軌上的連接接法蘭固定。動力元件就是驅(qū)動滑塊的動力源，為了提高平臺運動精度和系統(tǒng)數(shù)字控制的要求，此處選用體積小、重量輕并帶有伺服電機作為動力源。傳動鏈?zhǔn)前褎恿υ膭恿D(zhuǎn)換成滑塊的移動機構(gòu)，電機輸出通過行星齒輪減速后驅(qū)動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)運動變成了滾珠絲桿上螺母的直線運動。驅(qū)動塊直接和螺母固聯(lián)在一起，實現(xiàn)直線運動，從而驅(qū)

75、動十字交叉導(dǎo)軌上的滑塊移動，帶動滑塊上固定板移動。十字交叉導(dǎo)軌是用來實現(xiàn)給定滑塊直線運動軌跡的導(dǎo)向裝置，有較高的傳動精度和可靠性。</p><p>　　1-滾珠絲杠； 2-線性模組；3-連接法蘭</p><p>　　圖4-1定位平臺三維結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　托盤用來支撐穴盤，并隨著定位平臺一起移動，材料采用不繡鋼，厚度為1mm,托盤根據(jù)育苗穴盤的大小及外形設(shè)計

76、如圖3-2所示：</p><p>　　圖4-2托盤的工程圖</p><p>　　根據(jù)定位平臺以及托盤的設(shè)計分析，定位平臺與托盤組成為機械手送苗的送苗機構(gòu)，通過PLC控制實現(xiàn)穴盤自動定位，為機械手自動送苗，從而實現(xiàn)取苗、送苗的全自動。穴盤定位平臺的總裝圖如圖3-3所示：</p><p>　　1-托盤；2 -連接法蘭 3絲桿 4線性模組</p><p

77、>　　圖4-3穴盤定位平臺總裝圖</p><p>　　綜上述，取苗裝置的執(zhí)行機構(gòu)如圖4-8所示：</p><p>　　圖4-8取苗裝置與定位總裝圖平臺的</p><p>　　4.2 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)分析</p><p>　　動力裝置是驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的驅(qū)動系統(tǒng)，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。氣壓傳動的優(yōu)點:不用增速機構(gòu)

78、就能獲得較高的運動速度，這正是簡易型機械手的一項主要性能；氣源方便，空氣泄漏無害，因此對管路要求低，適應(yīng)易爆、易燃等惡劣環(huán)境；結(jié)構(gòu)簡單，保養(yǎng)成本低；可將水平氣缸和升降氣缸做成手臂的一部分，結(jié)構(gòu)簡單，剛性好。</p><p>　　穴盤苗機械手的動力裝置由水平氣缸、升降氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸三部分組成，水平氣缸帶動水平軸為取苗針的推進取苗提供動力；升降氣缸帶動升降軸負責(zé)完成手臂豎直方向的升降動作；旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸完成從取苗

79、點到投苗點的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度90°。氣壓 驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)氣缸只需承受水平氣缸及連接件重力，伸縮氣缸只需推動主針和承受基質(zhì)的重力，由于旋轉(zhuǎn)氣缸和伸縮氣缸所需的力都不大，所以旋轉(zhuǎn)氣缸采用常用的小型號的MGA20x90°、M=0.6kg,伸縮氣缸采用MA16x50、M=0.7kg。連接件的質(zhì)量為0.3kg,主針及擋苗機構(gòu)的質(zhì)量為0.1kg,一個穴盤

80、苗的基質(zhì)質(zhì)量大約為0.3kg至0.4kg左右。但垂直氣缸所需向上的推力包括旋轉(zhuǎn)氣缸、伸縮氣缸、連接件以及穴盤苗的總重力。為了不使垂直氣缸的推力過大，或者拉力過小，而造成機械手臂的運動，所以需要對垂直氣缸需要多大的推力計算。</p><p>　　垂直氣缸所需向上的推力：</p><p><b>　　G=mg </b></p><p>　　= (0

81、.6+0.7+0.3++0.1+0.35)x9.8kg/N</p><p><b>　　=20.09N.</b></p><p>　　由氣缸的理論推力公式可知，</p><p>　　F=0.25πD2P D―氣缸活塞直徑（mm）</p><p>　　D=F/0.25π2P P―氣缸的

82、工作壓力（kgf/mm ²）</p><p>　　=20.09/0.25π2P F―氣缸的理論推力(N)</p><p><b>　　=18.3mm</b></p><p>　　因氣缸的推力應(yīng)大于所需客服的重力，結(jié)合氣缸的標(biāo)準(zhǔn)型號，采用內(nèi)徑為20mm的氣缸，則選型的氣缸理論推力為：</p><p>

83、　　F=0.25πD2P</p><p><b>　　=21.98N</b></p><p>　　因氣缸的理論推力21.98N大于20.09N,所以垂直氣缸選型合理。根據(jù)機械手上升的高度為4至5厘米，所以采用氣缸行程為50mm.綜上所述，垂直氣缸采用的型號為TDA20x50的雙氣缸，旋轉(zhuǎn)氣缸采用MGA20x90°的型號，伸縮氣缸采用MA16x50的型號。&l

84、t;/p><p>　　4.3 機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計分析</p><p>　　控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。穴盤苗移栽機取苗機械手采用PLC 控制氣動執(zhí)行機構(gòu)完成動作, 同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，通過行程開關(guān)實現(xiàn)機械手的定位。自動控制裝置保證穴盤苗機械手取苗器能準(zhǔn)確的投入穴盤的種穴中，保證種苗的準(zhǔn)確夾持。</p><p>　　該機械手采

85、用氣動控制裝置，所有動作由氣動完成，它的上升和下降、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)均采用三位五通電磁閥分別控制升降氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸運動完成。機械手的取苗/投苗采用電磁閥控制水平氣缸運動完成。機械手各動作的轉(zhuǎn)換靠限位開關(guān)來控制，限位開關(guān)對機械手進行下降、上升、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)等動作的限位，并給出動作到位的信號。而機械手指部分的取苗、投苗動作的轉(zhuǎn)換由時間繼電器來控制。</p><p>　　4.3.1 PLC控制電路接線分析</p>

86、<p>　　該機械手選用西門子S7-200型可編程邏輯控制器，如圖3-9所示。這種PLC功能強、體積小、性能價格比高。選用該PLC來完成“穴盤定位—缽苗抓取—缽苗定位—缽苗投放”這一系列動作的準(zhǔn)確定位和過程控制。以下是PLC控制電路圖。</p><p>　　PLC電路圖如圖10、11所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)打到手動狀態(tài)時，通過開關(guān)SA來控制相應(yīng)的繼電器從而控制相應(yīng)的氣缸達到要求的動作。SA1為控制1號垂直缸的

87、開關(guān)，SA2為控制2號旋轉(zhuǎn)缸的開關(guān)，SA3為控制3號水平缸的開關(guān)。按下開關(guān)SA1,1號垂直缸下降，按下開關(guān)SA2,2號旋轉(zhuǎn)缸左旋90°，按下開關(guān)SA3,3號水平缸伸出。</p><p>　　當(dāng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)打到自動狀態(tài)時，按下啟動按鈕SB1,程序啟動，由PLC內(nèi)部程序控制繼電器動作；按下停止按鈕SB2，機械手停止在當(dāng)前工作狀態(tài)；按下復(fù)位按鈕SB3，機械手回復(fù)到設(shè)定的初始工作位置。</p><

88、;p>　　圖4-9 PLC控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4-10 PLC控制電路接線圖</p><p>　　圖4-11 主電路接線圖</p><p>　　控制面板根據(jù)線路及接線的要求設(shè)計制作如圖4-12所示：</p><p>　　圖4-12控制面板的設(shè)計工程圖</p><p>　　4.3.2 PLC的程序編制分

89、析</p><p>　　機械手完成取苗的動作，需用可編程控制程序來控制機械手的動作，根據(jù)動作要求，對程序的編程有以下幾點分析：</p><p>　　動作順序：左轉(zhuǎn)（90°）—下降—取苗—上升—右轉(zhuǎn)（90°）—投苗；左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)動作由90°旋轉(zhuǎn)氣缸完成，上升/下降由升降氣缸完成，取苗/投苗由水平氣缸完成</p><p>　　時間間隔：時間間

90、隔先長一點，調(diào)試以后再縮短</p><p>　　機械手各動作的轉(zhuǎn)換靠限位開關(guān)來控制</p><p>　　停止與復(fù)位 a.停止：程序開始以后是無限循環(huán)，按停止以后，程序繼續(xù)走完一個循環(huán)才能結(jié)束 b.急停：按急停以后，立刻停止，再按復(fù)位完成循環(huán)。</p><p>　　4.3.3PLC程序</p><p>　　LD start

91、 （start地址I0.0）</p><p>　　O M0.0</p><p><b>　　LPS</b></p><p>　　AN stop_s (stop_s地址I0.1)</p><p>　　= M0.0

92、</p><p><b>　　LPP</b></p><p>　　CALL 自動控制子程序 (自動控制子程序地址SBR1)</p><p>　　LD re_start (re_start地址I1.0)</p><p>　　O

93、M0.1</p><p><b>　　LPS</b></p><p>　　AN M0.2</p><p>　　= M0.1</p><p><b>　　LPP</b></p><p>　　CALL 復(fù)位子程序 (復(fù)

94、位子程序地址SBR0)</p><p>　　LD back (back地址I0.6 )</p><p>　　A up (up地址I0.2)</p><p>　　= M0.2</p><p><b&g

95、t;　　復(fù)位子程序</b></p><p>　　LD SM0.0</p><p>　　R Q0.1, 1</p><p>　　TON T37, +60</p><p>　　LD T37</p><p>　　R Q0.2, 1</p><p>

96、　　TON T38, +60</p><p>　　LD T38</p><p>　　= Q0.0</p><p><b>　　自動控制子程序</b></p><p>　　LD M0.0</p><p>　　R Q0.0, 1</p><

97、p>　　AN T40</p><p>　　AN Q0.1</p><p>　　AN Q0.2</p><p>　　TON T40, 30</p><p>　　LD T40</p><p>　　O Q0.1</p><p>　　AN M

98、1.0</p><p>　　= Q0.1</p><p>　　LD down (down地址I0.5)</p><p>　　TON T41, 10</p><p>　　LD T41</p><p>　　O Q0.2</p>

99、<p>　　AN M1.1</p><p>　　= Q0.2</p><p>　　LD front (front地址I0.4)</p><p>　　TON T42, 10</p><p>　　LD T42</p><p>　　=

100、 M1.0</p><p>　　LD up (up地址I0.2)</p><p>　　TON T43, 10</p><p>　　LD T43</p><p>　　S Q0.0, 1</p><p>　　TON T44, 15

101、</p><p>　　LD T44</p><p>　　= M1.1</p><p>　　LD back ( back地址I0.6)</p><p>　　TON T45, 15</p><p>　　LD T45</p>&

102、lt;p>　　R Q0.0, 1</p><p>　　第五章 穴盤的步進定位控制分析</p><p>　　5.1步進定位控制精度的要求分析</p><p>　　該取苗機構(gòu)采取從穴盤基質(zhì)上部插入的方式來實現(xiàn)取苗過程，因此對取苗系統(tǒng)中苗盤輸送定位控制的精度提出了要求。該取苗機構(gòu)用來移取穴盤型號為 3×4穴格的穴盤苗，每一錐形穴孔上截面尺寸為：

103、32mm×32mm，下截面尺寸為：13mm×13m，參考《新機械設(shè)計手冊》中關(guān)于優(yōu)先、常用配合極限間隙的相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),最終確定苗盤輸送定位所允許的最大位置誤差為：s = ±0.8mm，若定位偏差超過該距離，則取苗主針很可能不能順利地插入基質(zhì)中將秧苗取出。</p><p>　　5.2步進定位控制下的理論分析</p><p>　　在穴盤苗自動取苗機構(gòu)中，步進電機常

104、被用作典型的驅(qū)動裝置來帶動線性模組運行,并結(jié)合行程開關(guān)、限位開關(guān)或位置傳感器來構(gòu)成簡單的閉環(huán)定位控制系統(tǒng)，該取苗機構(gòu)中苗盤的間歇式輸送定位采用步進電機來驅(qū)動。采用PLC系統(tǒng)來對該穴盤苗自動取苗機構(gòu)進行控制，該步進輸送定位控制系統(tǒng)主要由PLC控制器、步進電機及其驅(qū)動器、減速器、苗盤輸送機構(gòu)以及位置傳感器這六部分組成，簡單閉環(huán)步進定位控制下控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 5-1 所示，下面將具體計算該控制方式下的理論定位精度。</p>

105、;<p>　　圖 5-1 控制系統(tǒng)框圖 </p><p>　　5.3定位精度的計算分析</p><p>　　取苗機構(gòu)中苗盤輸送由步進電機驅(qū)動線性來帶動,并通過位置傳感器將苗盤位移信息反饋給控制器，位置傳感器選取測量行程為 100mm, 線性精度為 0.01%(即 0.01mm)的直線編碼器。苗盤輸送時放置 1個穴苗盤，針對每個苗盤進行取苗時,每移取完一個秧苗，步進電機就驅(qū)

106、動線性模組帶動苗盤向下移動 1 個穴孔的距離 L（32mm），直至移取完整個苗盤的 3排秧苗。由于前一個苗盤與后一個苗盤之間的距離為 L，因此在前一個苗盤的最后一排秧苗移取完之后以及后一個苗盤的第一排秧苗移取之前，即在兩個苗盤進行轉(zhuǎn)換期間，步進電機需要驅(qū)動線性模組向下移動 2 個穴孔的距離 2L（64mm），此后再重復(fù)前一個苗盤秧苗的移取過程，直至完成下一個苗盤的秧苗移取工作。其中,線性模組向下移動 L 的距離，步進電機需要運轉(zhuǎn)的步距角

107、數(shù)為：</p><p>　　N =L/πd2×360°/﹙θ1／n0﹚ (5-1)</p><p>　　式中，d2為電機直徑,為 32mm；θ1為步進電機的步距角,為 1.8°；n0為減速器的減速比,為 10，故減速之后的單步角為：θ2=θ1／n0=0.18°。將各值代入（5-1）式得：n=2000/π ，由于n為整數(shù)量，計算并取整得：n =

108、637,其中誤差為:Δn= 0.620,故步進電機運轉(zhuǎn)的角度為：θ=n×θ1。</p><p>　　由于步進電機只有周期性誤差而無累積誤差,且步進電機的精度一般為步距角的3-5%,故整個工作過程中步進電機運轉(zhuǎn)的最大角度誤差為：Δθ=（Δn+5%）θ1 ,則最大相對角度誤差為：</p><p>　　σ0＝Δθ／θ×100% (5-2)</p><

109、;p>　　將Δθ、θ 以及 n 的值代入（5-2）式得：σ0 =0.105%。而苗盤輸送定位控制所允許的最大相對位置誤差為：</p><p>　　σ1＝|s|／2L×100%</p><p>　　式中，s 為苗盤輸送定位所允許的最大位置誤差，2L 為苗盤轉(zhuǎn)換過程中輸送帶向下移動的距離，代入數(shù)值得：σ1=1.25%。由于苗盤輸送的距離與步進電機所運轉(zhuǎn)的角度θ呈正比例關(guān)系,所以

110、步進電機運轉(zhuǎn)所允許的最大相對角度誤差為：σ2=σ1＝1.25%.</p><p>　　由于σ0＜σ2,故經(jīng)過以上計算和分析可知,簡單的帶位置負反饋的步進定位控制系統(tǒng)的定位精度理論上能夠滿足苗盤輸送的定位精度要求。</p><p>　　第六章 取苗裝置的實驗研究</p><p>　　6.1 影響取苗因素分析</p><p>　　取苗裝置的取苗效

111、果受到很多因素的影響，例如穴盤苗基質(zhì)的含水率、基質(zhì)的強度，氣體壓力、穴盤摩擦角度、主針的寬度以及手臂的角度等等。下面就通過實驗具體分析取苗裝置的取苗成功率，選取重要的具有代表性的因素進行實驗分析，通過試驗驗證對理論和實際的分析，了解其影響效果，為參數(shù)的選擇和機構(gòu)的改進提供參考。</p><p>　　6.2 取苗實驗及其結(jié)果分析</p><p>　　本文的主要研究指標(biāo)是秧苗取苗成功率，秧苗取