溫室缽苗移栽機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及移栽過(guò)程力學(xué)分析.pdf

1、工廠化育苗技術(shù)因具有生產(chǎn)效率高、成本低、可連續(xù)生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在我國(guó)得到了普遍推廣和應(yīng)用。隨著育苗技術(shù)的發(fā)展，溫室自動(dòng)化移栽設(shè)備的需求也越來(lái)越大。針對(duì)國(guó)內(nèi)溫室缽苗移栽裝備作業(yè)效率低和可靠性差的問題，以浙江大學(xué)原有移栽設(shè)備為基礎(chǔ)，本文首先進(jìn)行了補(bǔ)苗移栽策略的改進(jìn)、苗盤分送裝置的設(shè)計(jì)、機(jī)械間苗裝置的設(shè)計(jì)、末端執(zhí)行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及測(cè)試等研究，從硬件系統(tǒng)方面提高移栽系統(tǒng)的可靠性和效率，接著基于設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器搭建實(shí)時(shí)測(cè)力系統(tǒng)，分析基質(zhì)含水率、基

2、質(zhì)體積配比、單孔基質(zhì)量等育苗農(nóng)藝參數(shù)對(duì)移栽作業(yè)過(guò)程中拉拔力和夾緊力的影響，探討夾緊力和拉拔力與移栽效果之間的關(guān)系，為末端執(zhí)行器的安裝調(diào)試提供理論指導(dǎo)，進(jìn)一步提高移栽作業(yè)的可靠性，最后采用蟻群算法對(duì)末端執(zhí)行器補(bǔ)苗移栽作業(yè)的路徑進(jìn)行規(guī)劃，通過(guò)縮短補(bǔ)苗路徑，在不增加硬件成本的前提下進(jìn)一步提高移栽作業(yè)的效率。
　　主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)提出了新的補(bǔ)苗策略，并且設(shè)計(jì)了一套苗盤分送裝置及控制系統(tǒng)，可以根據(jù)穴盤內(nèi)缺苗數(shù)的多少

3、對(duì)穴盤進(jìn)行歸類，減少了補(bǔ)苗作業(yè)的工作量，提高了補(bǔ)苗作業(yè)的效率。設(shè)計(jì)了一種穴盤機(jī)械分隔裝置及控制系統(tǒng)，裝置的列分隔組件的核心為一組卷曲布簾，解決了原有裝置傷苗的問題，增加了設(shè)備的可靠性。
　　(2)設(shè)計(jì)了一種單氣缸驅(qū)動(dòng)的插拔夾取式末端執(zhí)行器，不僅保證了缽苗的主動(dòng)分離，還可以在氣缸的一個(gè)推程內(nèi)連續(xù)完成插入并夾緊育苗基質(zhì)的動(dòng)作。根據(jù)指針尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，基于編寫的VB程序?qū)δ┒藞?zhí)行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了綜合確定。移栽測(cè)試結(jié)果顯示:設(shè)計(jì)的末

4、端執(zhí)行器對(duì)不同育苗農(nóng)藝條件下Q72穴盤中黃瓜苗的移栽成功率達(dá)到100％，基質(zhì)塊的平均損傷率為17％，且損傷程度均較小;對(duì)Q72穴盤中番茄、辣椒缽苗的移栽成功率同樣達(dá)到100％，基質(zhì)塊的嚴(yán)重?fù)p傷率分別為2.5％和4.5％;對(duì)Q128穴盤中黃瓜苗的移栽成功率也達(dá)到100％，基質(zhì)塊的損傷率為23.8％。該末端執(zhí)行器對(duì)育苗農(nóng)藝、作物品種和穴盤規(guī)格都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且在保證缽苗基質(zhì)塊完整性方面具有較大的突破。與原有第三代末端執(zhí)行器相比，該末端執(zhí)

5、行器的可靠性和效率均有較大提高。
　　(3)基于設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器搭建了一套實(shí)時(shí)測(cè)力系統(tǒng)，其核心部件為兩個(gè)高精度、快速響應(yīng)的力學(xué)傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)量移栽過(guò)程中的拉拔力和夾緊力。通過(guò)力學(xué)分析和幾何關(guān)系分別建立了拉拔力和夾緊力的計(jì)算方式，并采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定。為驗(yàn)證該實(shí)時(shí)測(cè)力系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了移栽試驗(yàn)并分析夾緊力和拉拔力隨育苗基質(zhì)含水率的變化。試驗(yàn)共得到6個(gè)梯度的含水率，且結(jié)果表明，拉拔力隨含水率的降低先增大后降低，夾緊力

6、隨含水率的降低而增大。含水率76％左右時(shí)，同試驗(yàn)組內(nèi)拉拔力的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小;含水率74％左右時(shí)，同試驗(yàn)組內(nèi)夾緊力的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。
　　(4)通過(guò)三因素三水平的全面交互試驗(yàn)研究3個(gè)主要農(nóng)藝育苗參數(shù)（基質(zhì)含水率、基質(zhì)體積配比和單孔基質(zhì)量）對(duì)移栽作業(yè)過(guò)程中夾緊力和拉拔力的影響，并探討了夾緊力、拉拔力與移栽效果之間的關(guān)系。試驗(yàn)中共有9盤缽苗，每盤缽苗被分為3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)?個(gè)試驗(yàn)組，一共27組。每個(gè)試驗(yàn)組隨機(jī)選取10株缽苗進(jìn)行重復(fù)移栽試

7、驗(yàn)。
　　采用多因素方差分析法研究了3個(gè)主要農(nóng)藝育苗參數(shù)對(duì)夾緊力和拉拔力影響的顯著性。對(duì)夾緊力的分析表明，基質(zhì)含水率、基質(zhì)體積配比和單孔基質(zhì)量對(duì)夾緊力的影響均十分顯著(P＜0.05)，且影響的顯著性依次為:基質(zhì)含水率＞單孔基質(zhì)量＞基質(zhì)體積配比。3個(gè)育苗參數(shù)兩兩之間的交互作用以及3個(gè)參數(shù)之間的交互作用對(duì)夾緊力的影響均十分顯著(P＜0.05)。其中，基質(zhì)含水率與基質(zhì)體積配比、基質(zhì)含水率與單孔基質(zhì)量之間的交互作用最為顯著。對(duì)拉拔力的分析

8、表明，基質(zhì)含水率、基質(zhì)體積配比和單孔基質(zhì)量對(duì)拉拔力的影響均十分顯著(P＜0.05)，且影響的顯著性依次為:單孔基質(zhì)量＞基質(zhì)含水率＞基質(zhì)體積配比。只有基質(zhì)體積配比與單孔基質(zhì)量之間的交互作用對(duì)拉拔力有顯著影響(P＜0.05)，其余參數(shù)之間的交互作用均不顯著。進(jìn)一步分析表明，基質(zhì)含水率在82.5％-78.5％范圍內(nèi)逐漸下降時(shí)，夾緊力和拉拔力的均值呈線性增長(zhǎng)?；|(zhì)體積配比為7∶2∶1水平時(shí)，夾緊力的均值最大;基質(zhì)體積配比為6∶2∶2水平時(shí)，拉拔

9、力的均值最大。夾緊力均值隨著單孔基質(zhì)量的增加先增大后減小，拉拔力均值隨著單孔基質(zhì)量的增加而增大，但是增大的趨勢(shì)變緩。
　　結(jié)合移栽效果分析發(fā)現(xiàn)，移栽效果的好壞并不直接與夾緊力或者拉拔力相關(guān)。進(jìn)一步分析夾緊力與拉拔力的和、差、乘積、比值，發(fā)現(xiàn)移栽效果與夾緊力和拉拔力的比值之間存在一定的關(guān)系。當(dāng)夾緊力與拉拔力的比值在5.99～8.67的范圍內(nèi)時(shí)，移栽效果相比會(huì)更好。該試驗(yàn)結(jié)果可以為末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)節(jié)提供指導(dǎo)，提高末端執(zhí)行器移

10、栽的可靠性和效率。
　　(5)基于蟻群算法實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器補(bǔ)苗移栽作業(yè)的路徑規(guī)劃。根據(jù)輸出路徑的長(zhǎng)度，通過(guò)交互試驗(yàn)確定算法的關(guān)鍵參數(shù)取值，遺傳算法中取pc=0.8、pm=0.3，蟻群算法中取α=1，β=20，ρ=0.1。與遺傳算法相比，蟻群算法輸出結(jié)果的收斂速度較慢，且波動(dòng)較大，但蟻群算法第一次迭代運(yùn)行后的輸出結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于遺傳算法。對(duì)10種隨機(jī)的穴盤狀態(tài)進(jìn)行路徑規(guī)劃，遺傳算法和蟻群算法的平均運(yùn)行時(shí)間分別為0.32 s和0.94

11、s。相比于傳統(tǒng)的CSM(Common SequenceMethod，固定順序掃描法)方法，遺傳算法和蟻群算法都可以顯著縮短補(bǔ)苗路徑的長(zhǎng)度。然而遺傳算法由于算法本身的局限性，不能處理只有1個(gè)空穴的情況。通常情況下，蟻群算法輸出結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差要小于遺傳算法。待補(bǔ)穴盤中空穴數(shù)量和供苗穴盤中健康缽苗的數(shù)量之和（p+q）對(duì)遺傳算法和蟻群算法優(yōu)化效果的相對(duì)優(yōu)劣影響顯著，其和越大，蟻群算法的優(yōu)勢(shì)越明顯。使用20×10穴盤進(jìn)行優(yōu)化效果對(duì)比，蟻群算法完成4