溫室缽苗移栽機的優(yōu)化設(shè)計及移栽過程力學(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，已在我國得到了普遍推廣和應(yīng)用。隨著育苗技術(shù)的發(fā)展，溫室自動化移栽設(shè)備的需求也越來越大。針對國內(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)，本文首先進行了補苗移栽策略的改進、苗盤分送裝置的設(shè)計、機械間苗裝置的設(shè)計、末端執(zhí)行器的優(yōu)化設(shè)計及測試等研究，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)計的末端執(zhí)行器搭建實時測力系統(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)對移栽作業(yè)過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)，進一步提高移栽作業(yè)的可靠性，最后采用蟻群算法對末端執(zhí)行器補苗移栽作業(yè)的路徑進行規(guī)劃，通過縮短補苗路徑，在不增加硬件成本的前提下進一步提高移栽作業(yè)的效率。
　　主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　(1)提出了新的補苗策略，并且設(shè)計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、對穴盤進行歸類，減少了補苗作業(yè)的工作量，提高了補苗作業(yè)的效率。設(shè)計了一種穴盤機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)計了一種單氣缸驅(qū)動的插拔夾取式末端執(zhí)行器，不僅保證了缽苗的主動分離，還可以在氣缸的一個推程內(nèi)連續(xù)完成插入并夾緊育苗基質(zhì)的動作。根據(jù)指針尖點的運動軌跡，基于編寫的VB程序?qū)δ┒藞?zhí)行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進行了綜合確定。移栽測試結(jié)果顯示:設(shè)計的末

4、端執(zhí)行器對不同育苗農(nóng)藝條件下Q72穴盤中黃瓜苗的移栽成功率達到100％，基質(zhì)塊的平均損傷率為17％，且損傷程度均較小;對Q72穴盤中番茄、辣椒缽苗的移栽成功率同樣達到100％，基質(zhì)塊的嚴(yán)重損傷率分別為2.5％和4.5％;對Q128穴盤中黃瓜苗的移栽成功率也達到100％，基質(zhì)塊的損傷率為23.8％。該末端執(zhí)行器對育苗農(nóng)藝、作物品種和穴盤規(guī)格都具有較強的適應(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)計的末端執(zhí)行器搭建了一套實時測力系統(tǒng)，其核心部件為兩個高精度、快速響應(yīng)的力學(xué)傳感器，可實時測量移栽過程中的拉拔力和夾緊力。通過力學(xué)分析和幾何關(guān)系分別建立了拉拔力和夾緊力的計算方式，并采用萬能試驗機對傳感器進行了標(biāo)定。為驗證該實時測力系統(tǒng)的有效性，進行了移栽試驗并分析夾緊力和拉拔力隨育苗基質(zhì)含水率的變化。試驗共得到6個梯度的含水率，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，同試驗組內(nèi)拉拔力的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小;含水率74％左右時，同試驗組內(nèi)夾緊力的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小。
　　(4)通過三因素三水平的全面交互試驗研究3個主要農(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）對移栽作業(yè)過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。試驗中共有9盤缽苗，每盤缽苗被分為3個區(qū)域，每個區(qū)域為1個試驗組，一共27組。每個試驗組隨機選取10株缽苗進行重復(fù)移栽試

7、驗。
　　采用多因素方差分析法研究了3個主要農(nóng)藝育苗參數(shù)對夾緊力和拉拔力影響的顯著性。對夾緊力的分析表明，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個育苗參數(shù)兩兩之間的交互作用以及3個參數(shù)之間的交互作用對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，夾緊力和拉拔力的均值呈線性增長?；|(zhì)體積配比為7∶2∶1水平時，夾緊力的均值最大;基質(zhì)體積配比為6∶2∶2水平時，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，移栽效果相比會更好。該試驗結(jié)果可以為末端執(zhí)行器的設(shè)計、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)基于蟻群算法實現(xiàn)了末端執(zhí)行器補苗移栽作業(yè)的路徑規(guī)劃。根據(jù)輸出路徑的長度，通過交互試驗確定算法的關(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，且波動較大，但蟻群算法第一次迭代運行后的輸出結(jié)果要遠遠優(yōu)于遺傳算法。對10種隨機的穴盤狀態(tài)進行路徑規(guī)劃，遺傳算法和蟻群算法的平均運行時間分別為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苗路徑的長度。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）對遺傳算法和蟻群算法優(yōu)化效果的相對優(yōu)劣影響顯著，其和越大，蟻群算法的優(yōu)勢越明顯。使用20×10穴盤進行優(yōu)化效果對比，蟻群算法完成4