步行式水稻缽苗膜上開(kāi)孔移栽機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

許春林 呂志軍 辛 亮 王 杰

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻缽苗膜上開(kāi)孔移栽技術(shù)是將水稻缽苗移栽與膜上栽培技術(shù)相結(jié)合，將帶有營(yíng)養(yǎng)土塊的水稻缽體種植于覆膜開(kāi)孔的田中[1-4]。不僅能實(shí)現(xiàn)缽苗移栽的無(wú)緩苗期、提高單產(chǎn)、擴(kuò)大精品糧種植面積，而且達(dá)到增加有效積溫，減輕雜草和病蟲(chóng)害，防止水土流失的目的，為綠色有機(jī)水稻的高質(zhì)、高產(chǎn)及節(jié)水增效提供可靠途徑[5-8]。

目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)未見(jiàn)水稻缽苗膜上開(kāi)孔移栽裝備，對(duì)于水稻膜上栽植機(jī)械的研究大多集中于覆膜插秧機(jī)。國(guó)際上，日本先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所曾提出一種水稻覆紙插秧機(jī)[9]，由于其沒(méi)有配套膜上開(kāi)孔機(jī)構(gòu)，作業(yè)過(guò)程極易傷根；永田雅輝等[9-11]研制一種帶有專用膜上開(kāi)孔機(jī)構(gòu)的覆膜插秧機(jī)，但其設(shè)計(jì)的狹縫型開(kāi)口刀無(wú)法保證地膜的縱向膜孔寬度，影響栽植質(zhì)量。國(guó)內(nèi)很多科研人員對(duì)此也開(kāi)展了研究，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)纖維地膜覆蓋插秧機(jī)提出了“H”形同步開(kāi)孔插秧裝置[12]，保證了膜上開(kāi)孔效果的同時(shí)，具有良好的防堵性能；焦海坤等[13]提出了一種曲柄搖桿打孔機(jī)構(gòu)，配合插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)可依次完成鋪膜、開(kāi)孔和插秧作業(yè)，但開(kāi)孔機(jī)構(gòu)與分插機(jī)構(gòu)的同步性難以保證，整機(jī)靈活性差，影響栽植效果。

步行式水稻栽植裝備在我國(guó)占有較大的市場(chǎng)空間與發(fā)展?jié)摿?。為了結(jié)合我國(guó)水稻生產(chǎn)現(xiàn)狀，本文提出一種步行式水稻缽苗膜上開(kāi)孔移栽機(jī)構(gòu)。通過(guò)理論分析與建模，基于開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)步行機(jī)水稻缽苗移栽與膜上開(kāi)孔復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌跡及姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)用一套回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一次性依次完成取苗、輸送、膜上開(kāi)孔和精準(zhǔn)栽植的4道移栽工序，滿足步行式水稻缽苗膜上開(kāi)孔移栽的技術(shù)要求。

1 機(jī)構(gòu)工作原理與軌跡設(shè)計(jì)要求

1.1 機(jī)構(gòu)工作原理

步行式水稻缽苗膜上開(kāi)孔移栽機(jī)構(gòu)由非圓齒輪行星系和橢圓齒輪行星系復(fù)合配置而成，共同運(yùn)轉(zhuǎn)并分別在相應(yīng)時(shí)刻完成缽苗移栽和膜上開(kāi)孔的移栽軌跡及姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。其主要工作原理為：動(dòng)力傳輸驅(qū)動(dòng)齒輪箱殼體進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)，由于齒輪箱殼體內(nèi)的非圓太陽(yáng)輪和橢圓太陽(yáng)輪相互固接于機(jī)架，因此分別帶動(dòng)齒輪箱殼體內(nèi)相互嚙合的非圓行星系和橢圓行星系進(jìn)行不等速運(yùn)動(dòng)。與非圓行星輪固聯(lián)的栽植臂形成不等速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水稻缽苗移栽“8”字形相對(duì)移栽軌跡與姿態(tài)[14-15]，完成取苗、輸送和栽植3個(gè)工序，而與橢圓行星輪通過(guò)行星輪固接的開(kāi)孔刀實(shí)現(xiàn)“橄欖形”開(kāi)孔相對(duì)軌跡與姿態(tài)，完成開(kāi)孔工序。

圖1 移栽機(jī)構(gòu)傳動(dòng)示意圖Fig.1 Driven diagram of transplanting mechanism1.錐齒輪B 2.動(dòng)力輸入軸 3.橢圓太陽(yáng)輪 4.中間軸 5.橢圓中間輪 6.行星軸 7.橢圓行星輪 8.齒輪箱殼體 9.栽植臂 10.開(kāi)孔刀 11.非圓行星輪 12.非圓中間輪 13.非圓太陽(yáng)輪 14.錐齒輪A 15.主傳動(dòng)軸 16.傳動(dòng)箱

1.2 軌跡和姿態(tài)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)水稻缽苗移栽和膜上栽植兩種農(nóng)藝要求以及步行式移栽裝備的作業(yè)特點(diǎn)，在滿足機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)一周完成取苗、輸送、膜上開(kāi)孔和栽植4個(gè)工序的同時(shí)，需重點(diǎn)考慮機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)取苗階段和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)開(kāi)孔栽植階段取苗機(jī)構(gòu)與開(kāi)孔刀具精準(zhǔn)配合的軌跡與姿態(tài)，如圖2和圖3所示。

圖2 移栽機(jī)構(gòu)相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Relative motion trajectories of transplanting mechanism1.移栽機(jī)構(gòu) 2.“橄欖形”開(kāi)孔軌跡 3.“8”字形移栽軌跡 4.秧箱

圖3 移栽機(jī)構(gòu)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Absolute motion trajectories of transplanting mechanism1.移栽機(jī)構(gòu) 2.絕對(duì)開(kāi)孔軌跡 3.絕對(duì)移栽軌跡 4.地面

首先，非圓齒輪行星系缽苗移栽機(jī)構(gòu)需滿足水稻缽苗移栽要求形成交叉式“8”字形移栽軌跡；機(jī)構(gòu)整體順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，栽植臂夾秧片在CD段軌跡，取苗機(jī)構(gòu)在凸輪和撥叉的作用下，夾秧片逐漸閉合，將靠近秧苗根部的莖稈夾緊；DE段軌跡為拔秧過(guò)程，該段軌跡的直線距離需大于缽盤穴孔的深度以保證使缽苗完全脫離缽盤；ECFG段為秧苗輸送階段，此過(guò)程要避免被夾持的秧苗與秧箱發(fā)生干涉；以上過(guò)程橢圓行星機(jī)構(gòu)同時(shí)帶動(dòng)開(kāi)孔刀隨機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。在準(zhǔn)備進(jìn)行栽植時(shí)，開(kāi)孔刀對(duì)已覆膜進(jìn)行開(kāi)孔，考慮到機(jī)具的前進(jìn)方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，為了開(kāi)出適宜長(zhǎng)度和寬度的穴口，采取“橄欖形”相對(duì)開(kāi)孔軌跡；當(dāng)開(kāi)孔刀開(kāi)孔后準(zhǔn)備離開(kāi)地面時(shí)，移栽臂運(yùn)行到A點(diǎn)，在凸輪和撥叉的作用下夾秧片張開(kāi)，完成推秧栽植動(dòng)作。

通過(guò)兩套行星輪系的配合，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程中的取苗和運(yùn)輸階段，開(kāi)孔刀遠(yuǎn)離秧箱與栽植臂，防止其發(fā)生干涉；在栽植缽苗時(shí)，開(kāi)孔刀在膜上開(kāi)出適當(dāng)?shù)难缀?，栽植臂配合開(kāi)孔刀且不發(fā)生干涉地進(jìn)行推秧，準(zhǔn)確可靠地將缽苗栽植到所開(kāi)的膜孔中，完成膜上植苗，回程準(zhǔn)備下一次作業(yè)。

2 膜上開(kāi)孔移栽機(jī)構(gòu)理論模型的建立

本文以兩太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心O1為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄軸，垂直方向?yàn)閅軸建立坐標(biāo)系，分別建立缽苗移栽機(jī)構(gòu)和膜上開(kāi)孔機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論模型，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 移栽機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structural diagram of transplanting mechanism

2.1 移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

設(shè)定移栽機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正方向，根據(jù)Willis嚙合定理[16-17]，非圓齒輪副的中心距為a，本文采用帕斯卡蝸線構(gòu)造非圓齒輪節(jié)曲線[18]。

非圓太陽(yáng)輪節(jié)曲線參數(shù)方程和極坐標(biāo)方程為

(1)

(2)

式中a1、b1、c1、d1、e1、f1、g1、e2、f2、g2為非圓齒輪節(jié)曲線調(diào)節(jié)參數(shù)。

設(shè)定移栽機(jī)構(gòu)角速度為ω(rad/s),齒輪箱殼體初始安裝角為ψH0(rad)。當(dāng)齒輪箱殼體順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)φ(rad)，各角度和位移分析如下：

齒輪箱殼體的絕對(duì)轉(zhuǎn)角為

ψH(φ)=ψH0-φ

(3)

非圓太陽(yáng)輪相對(duì)于齒輪箱殼體的轉(zhuǎn)角和絕對(duì)轉(zhuǎn)角分別為

(4)

非圓太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為

(5)

非圓中間輪相對(duì)于齒輪箱殼體的轉(zhuǎn)角與絕對(duì)轉(zhuǎn)角分別為

(6)

非圓中間輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)為

(7)

為優(yōu)化出滿足移栽要求的復(fù)雜軌跡，增加機(jī)構(gòu)的可調(diào)性，引入箱殼體拐角ε(rad)[19]。

非圓行星輪相對(duì)齒輪箱殼體的轉(zhuǎn)角和絕對(duì)轉(zhuǎn)角分別為

(8)

(9)

式中ψ30——齒輪箱殼體拐角ε所引起的非圓行星輪初始安裝角，rad

非圓行星輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心方程為

(10)

栽植臂尖點(diǎn)B相對(duì)于行星架的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)為

(11)

γ1=α1-φ+?3(φ)

(12)

式中α1——O3B與O2O3的初始安裝相位角

L1——栽植臂第1段長(zhǎng)度

L2——栽植臂第2段長(zhǎng)度

2.2 膜上開(kāi)孔機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

因?yàn)槟ど祥_(kāi)孔作業(yè)軌跡相對(duì)于缽苗移栽要簡(jiǎn)單，所以選用橢圓齒輪行星輪系實(shí)現(xiàn)膜上開(kāi)孔作業(yè)要求，同時(shí)也降低了非圓齒輪加工難度和成本。為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，所設(shè)計(jì)非圓齒輪和橢圓齒輪是同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以橢圓齒輪行星輪系中各齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)與非圓齒輪行星輪系中各齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)一致。根據(jù)非圓齒輪的中心距可知，橢圓齒輪的長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度為a，橢圓太陽(yáng)輪的極坐標(biāo)方程為

(13)

其中

式中b——短半軸長(zhǎng)度

k——短長(zhǎng)軸長(zhǎng)度比

各齒輪角度和位移分析如下：

橢圓太陽(yáng)輪相對(duì)于齒輪箱殼體的轉(zhuǎn)角和絕對(duì)轉(zhuǎn)角分別為

(14)

橢圓中間輪相對(duì)于齒輪箱殼體的轉(zhuǎn)角和絕對(duì)轉(zhuǎn)角分別為

(15)

橢圓行星輪相對(duì)齒輪箱殼體的轉(zhuǎn)角和絕對(duì)轉(zhuǎn)角分別為

(16)

(17)

開(kāi)孔刀尖點(diǎn)C相對(duì)于行星架的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)為

(18)

其中

γ2=α1+α2-φ-π+?3(φ+π)

(19)

式中L3——開(kāi)孔刀O3C的長(zhǎng)度

α2——O3C與O2O3的初始安裝相位角

3 計(jì)算機(jī)輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化目標(biāo)分析與設(shè)立

根據(jù)缽苗移栽和膜上栽植的農(nóng)藝要求及機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，將幾何目標(biāo)數(shù)值化，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)的約束范圍，共有11個(gè)優(yōu)化目標(biāo)[20-21]：缽苗移栽軌跡高度大于235 mm；地膜孔穴長(zhǎng)度在50～70 mm之間；齒輪箱與地面距離高于15 mm；取秧角介于-5°～15°之間；推秧角介于45°～60°之間；角度差介于35°～50°之間；非圓齒輪模數(shù)應(yīng)大于2.1 mm；所開(kāi)穴口中心與所栽缽苗中心距離小于10 mm；開(kāi)孔刀與栽植臂最近距離大于10 mm；取苗動(dòng)作結(jié)束時(shí)，土缽的最低點(diǎn)高于缽盤表面；缽苗在移栽過(guò)程中不與缽盤干涉。

3.2 機(jī)構(gòu)優(yōu)化軟件

水稻缽苗膜上開(kāi)孔移栽機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于兩套非圓齒輪行星系之間的配合。根據(jù)所建立的機(jī)構(gòu)理論模型和數(shù)字化優(yōu)化目標(biāo)，基于Visual Basic 6.0可視化程序語(yǔ)言[22-25]，設(shè)計(jì)了移栽機(jī)構(gòu)輔助分析優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。以顯示條辨別目標(biāo)優(yōu)劣，通過(guò)人機(jī)交互的方式進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，軟件界面如圖5所示。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件主界面Fig.5 Interface of optimization and design software

通過(guò)輔助分析優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，獲得了一組滿足缽苗膜上開(kāi)孔移栽機(jī)構(gòu)要求的優(yōu)化參數(shù)，其中重要參數(shù)為：a1=1,b1=24.6,c1=-12.3,d1=34.1,e1=3.3,e2=0.5,f1=8.8,f2=3.9,g1=1,g2=-1.9,b=20.4,ψH0=42°,ε=54°,α1=-104°, 栽植臂第1段與第2段間夾角δ=90°,α2=-24°,秧箱傾角αQJ=52°,xG=183 mm,yG=87 mm,h=180 mm,L1=71 mm,L2=186 mm,L3=94 mm。

4 虛擬樣機(jī)仿真與物理樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 虛擬樣機(jī)仿真與高速攝像試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)對(duì)移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用NX 8.0軟件完成三維建模與裝配驗(yàn)證，最后在ADAMS 2010軟件中進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，虛擬樣機(jī)仿真軌跡如圖6b所示。為縮短零部件機(jī)械加工周期，加快樣機(jī)研制速度，本文應(yīng)用3D打印技術(shù)完成了機(jī)構(gòu)主要零部件的加工，配合金屬夾片和推秧裝置，完成了物理樣機(jī)的裝配，并將其安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上[26]，最終利用高速攝像試驗(yàn)驗(yàn)證其性能及軌跡和姿態(tài)。

圖6 理論軌跡、虛擬仿真軌跡和物理樣機(jī)軌跡對(duì)比Fig.6 Comparison of theoretical, virtual simulation and physical prototype trajectories

通過(guò)Phantom V5.1高速攝像機(jī)及分析軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得樣機(jī)的實(shí)際工作軌跡和姿態(tài)。將理論軌跡、虛擬仿真軌跡和物理樣機(jī)的高速攝像軌跡進(jìn)行分析對(duì)比可知，三者的運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)基本保持一致，驗(yàn)證了移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性與合理性，如圖6所示。由于虛擬樣機(jī)仿真環(huán)境中電機(jī)初始運(yùn)行瞬間機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)和物理樣機(jī)試驗(yàn)中的機(jī)器振動(dòng)原因，軌跡會(huì)受到影響，但這些因素造成的誤差均在合理范圍內(nèi)。

4.2 物理樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

為了進(jìn)一步探究移栽機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作情況，對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)選用水稻品種為東農(nóng)428；育秧缽盤為常見(jiàn)塑料軟質(zhì)缽盤，其橫向穴孔數(shù)為14，縱向穴孔數(shù)為29，下底面規(guī)格為9 mm×9 mm，上頂面規(guī)格為17 mm×17 mm，穴深為17 mm；育秧基質(zhì)成分為40%鋸末+40%黑土+10%珍珠巖+10%蛭石[27]。在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院兼光型植物工廠實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行育秧，當(dāng)秧齡達(dá)到30 d時(shí)，進(jìn)行取苗試驗(yàn)、膜上開(kāi)孔栽植試驗(yàn)及配合栽植試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化實(shí)驗(yàn)中心，以現(xiàn)有水稻缽苗移栽機(jī)為基礎(chǔ)搭建試驗(yàn)臺(tái)架，設(shè)定移栽機(jī)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為50 r/min；由于軌跡中開(kāi)孔穴口的尺寸直接影響栽植效果，根據(jù)理論與實(shí)際分析，穴口的尺寸與栽植株距呈正相關(guān)的關(guān)系，因此選取機(jī)構(gòu)可栽插最大株距為180 mm，土槽向右直線運(yùn)動(dòng)，速度為0.15 m/s；對(duì)3盤共1 218株水稻缽苗進(jìn)行取苗及膜上栽植試驗(yàn)，其中2盤缽苗用于取苗試驗(yàn)，1盤缽苗用于膜上栽植試驗(yàn)。為衡量移栽機(jī)構(gòu)的取苗與栽植試驗(yàn)的效果，設(shè)定了取苗成功率和膜上栽植成功率兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4.2.1取苗試驗(yàn)

在取苗試驗(yàn)中，移栽機(jī)構(gòu)能夠在運(yùn)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)栽植臂夾片夾緊秧苗莖稈，并將缽苗單體全部拔出即為取苗成功。因此，通過(guò)取苗試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：2盤總計(jì)812株水稻秧苗的取苗試驗(yàn)中，成功取出的秧苗有734株，取苗成功率為90.4%。分析影響機(jī)構(gòu)取苗成功率的主要因素有：秧苗在生長(zhǎng)后期出現(xiàn)連根粘連現(xiàn)象，導(dǎo)致拔取阻力的增大；秧根從秧盤底部竄出過(guò)多以及秧盤本身空穴；冬季育苗導(dǎo)致秧苗長(zhǎng)勢(shì)不佳，出現(xiàn)少量死苗。整體來(lái)說(shuō)，該機(jī)構(gòu)取苗效果良好，能夠滿足缽苗移栽取苗要求，機(jī)構(gòu)取苗作業(yè)如圖7所示。

圖7 取苗試驗(yàn)Fig.7 Seedling pick-up experiment

4.2.2膜上開(kāi)孔栽植試驗(yàn)

膜上開(kāi)孔栽植的關(guān)鍵在于所開(kāi)膜孔長(zhǎng)度和寬度能否滿足缽苗栽植要求。針對(duì)所設(shè)計(jì)的開(kāi)孔刀，分別選用了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的聚乙烯塑料地膜和可降解秸稈纖維地膜，將兩種地膜先后鋪設(shè)在可移動(dòng)土槽中。機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)移動(dòng)土槽模擬動(dòng)態(tài)開(kāi)孔栽植過(guò)程，對(duì)兩種材質(zhì)的地膜各重復(fù)20組試驗(yàn)，每組進(jìn)行4次試驗(yàn)，試驗(yàn)如圖8所示。對(duì)膜孔長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1和表2所示。

圖8 兩種類型地膜開(kāi)孔試驗(yàn)Fig.8 Film breaking test of two types of mulching films

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，開(kāi)孔刀對(duì)于塑料地膜和秸稈纖維地膜均能做到有效的開(kāi)孔，所開(kāi)膜孔的長(zhǎng)度與寬度基本達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，且開(kāi)孔刀更容易在纖維地膜上形成適合水稻缽苗的穴孔。

在膜上開(kāi)孔栽植試驗(yàn)中，移栽機(jī)構(gòu)能夠成功夾取秧苗并將缽苗栽植到所開(kāi)膜孔中即為栽植成功。當(dāng)?shù)啬榻斩捓w維材料時(shí)，總?cè)∶绱螖?shù)為80次，成功取出76株水稻，成功栽入所開(kāi)秸稈纖維膜孔中的秧苗總數(shù)為70株，膜上栽植成功率為87.5%；當(dāng)?shù)啬榫垡蚁┧芰喜牧蠒r(shí)，總?cè)∶绱螖?shù)為80次，成功取出74株水稻，成功栽入所開(kāi)聚乙烯塑料膜孔中的秧苗總數(shù)為66株，膜上栽植成功率為82.5%。影響栽植成功率的主要原因包括缽苗或土缽本身原因?qū)е碌娜∶缁蛲蒲硎∫约?D打印材料的單臂作業(yè)機(jī)構(gòu)未配置平衡塊引起振動(dòng)等，最終導(dǎo)致部分水稻秧苗無(wú)法栽入所開(kāi)穴口中。

表1 膜孔縱向長(zhǎng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of longitudinal length of film holes

表2 膜孔橫向?qū)挾仍囼?yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of transverse length of film holes

5 結(jié)論

(1)提出了一種步行式水稻缽苗膜上開(kāi)孔移栽機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可一次性完成取苗、輸送、膜上開(kāi)孔和移栽一系列移栽工序。

(2)建立了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并基于Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)了移栽機(jī)構(gòu)輔助分析優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合膜上栽植和缽苗移栽兩種農(nóng)藝要求，確立了優(yōu)化目標(biāo)，利用人機(jī)交互式的方法，最終得到了一組能夠滿足缽苗膜上移栽要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)。

(3)進(jìn)行了虛擬仿真驗(yàn)證，完成了物理樣機(jī)試制，開(kāi)展高速攝像臺(tái)架試驗(yàn)，得到了樣機(jī)的實(shí)際工作軌跡，通過(guò)對(duì)比分析得到理論軌跡、虛擬仿真軌跡和物理樣機(jī)軌跡基本一致，驗(yàn)證了移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

(4)完成了試驗(yàn)所需水稻秧苗的培育工作，進(jìn)行了取苗試驗(yàn)、膜上開(kāi)孔試驗(yàn)以及配合栽植試驗(yàn)，其中取苗成功率為90.4%，秸稈纖維地膜和塑料地膜栽植成功率分別為87.5%和82.5%，所開(kāi)膜孔的長(zhǎng)度與寬度效果良好，試驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)移栽機(jī)構(gòu)的實(shí)用性。