基于PLC控制的烟草移栽机栽植机构的设计与试验

目目目录摘 英文摘 引 研究的目的与意 国内外研究现 国外研究现 国内研究现 主要研究内容及方 主要研究内 研究方法与技术路 本章小 移栽机构设计要求及其理论分 烟草移栽农艺流程及机构设计要 烟草钵苗移裁的农艺流 移栽机构设计要 移栽机构工作原 移栽轨迹与姿态要 移栽过程的理论分 本章小 移栽试验台结构设 移栽试验台的整体结构设 夹爪机构的设 试验台架的设 移栽试验台虚拟模型建立与装 移栽试验台物理样机的加工制 本章小 移栽试验台的仿真分 虚拟样机仿真流 虚拟样机模型的导入与前期处 基于Adams仿真分 仿真结果后处 仿真其它栽植机构运行轨 本章小 控制系统设 PLC技术概 PLC的基本组 PLC的工作原 控制系统的基本构成和设 控制系统设计基本原 控制系统的硬件设 控制系统的硬件选 控制系统电路连 控制系统的软件设 控制系统流 控制系统控制参数的整 编程软件的介 PLC的程序设 本章小 物理样机的运转试 试验台运转与调 高速摄影与轨迹描 本章小 结论与展 结 主要创新 展 致 参考文 攻读硕士学位期间发表的学术论 Abstractin Thepurposeandsignificanceof Theresearchstatusoftransplantingmechanismathomeand Foreignresearch Domesticresearch Themainresearchcontentsand Themainresearch Researchmethodsandtechnical Thesummaryofthis Designrequirementsandtheoreticalanalysisoftransplanting Agriculturalprocessandmechanismdesignrequirementsoftobacco Agronomicprocessoftobaccoseedling Agronomicprocessoftobaccoseedling Workingprincipleoftransplanting Transplantingtrackandattitude Theoreticalanalysisoftransplanting Thesummaryofthis Structuraldesignoftransplantingtest- Overallstructuredesignoftransplantingtest- Designof Designoftest Virtualmodelestablishmentandassemblyoftransplantingtest- Processingandmanufacturingofphysicalprototypeoftransplantingtest- Thesummaryofthis SimulationAnalysisoftransplantingtest- Virtualprototypesimulation Introductionandpreliminaryworkprocessingofvirtualprototype Simulationanalysisbasedon Post-processingofsimulation Simulatingtherunningtrackofotherplanting Thesummaryofthis Controlsystem PLCtechnology Basiccompositionof WorkingprincipleofPLCWorkingprincipleof Basicstructureanddesignofcontrol Basicprinciplesofcontrolsystem Hardwaredesignofcontrol Hardwareselectionofcontrol Controlsystemcircuit Softwaredesignofcontrol Controlsystem Settingofcontrolparametersofcontrol Introductiontoprogramming PLC Thesummaryofthis Operationtestofphysical Operationandcommissioningoftest- Highspeedphotographyandtrace Thesummaryofthis Conclusionand Maininnovation Paperspublishedintheperiodof 摘摘摘要中国是一个农业大国，许多农作物都需移栽来种植，如水稻、烤烟、辣椒、棉花和番茄等。其中水稻移栽基本实现了全自动机械移栽，其它作物目前还是以人工作业为主，半自动为辅。半自动移栽机受到人工喂苗速率的制约，作业效率较低，投入产出比低，因此其应用受到制约。目前移栽机主要结构形式有：吊篮式、钳夹式、链夹式、挠性圆盘式和非圆齿轮行星轮式等。上述机型都是针对特定作物及移栽农艺要求进行移栽轨迹的设计，当作物或农艺要求发生变化，移栽轨迹与理想轨迹就会产生偏差，使移栽质量受到影响。若调整移栽轨迹，则机具的结构需要重新设计，工作量大、生产制造周期长。本文提出一种极坐标式栽植机构，即直线移动与摆动复合的机构，两运动由步进电机驱动，通过PLC控制机构运动轨。根据作物和移栽农艺的变化，通过修改PLC的控制程序来改变移栽轨迹，不需要对机械结构进行任何修改，适用于不同作物，不同移栽农艺要求。该机构可以完成取苗、送苗、栽植和回程一系列动作，自动化程度高，灵活性高，结构简单。本文以烟草为特定研究对象，对基于PLC的烟草移栽试验台进行设计与试验，主要的研究内容和结论如下：根据中国烟草移栽的农艺要求，设计了一种理想的移栽运行轨迹，确定该轨迹形成的原理与机械结构。应用Solidworks软件对移栽试验台进行设计；根据设计资料，加工出移栽试验台应用Adams软件对移栽试验台进行运动学仿真分析，得到移栽试验台上夹爪指定点的相对运行轨迹、绝对运行轨迹、速度曲线和位移曲线，对其进行分析，验证移栽试验台设计的合理性。通过模拟运行两种已有栽植机构的运行轨迹，验证本文设计的移栽试验台的灵活性。应用PLC的编程软件GXworks2软件对控制程序进行设计和编写，再完成对控制对移栽试验台进行高速摄像，得到实际运行轨迹。与理论运行轨迹和仿真运行轨迹对比，结果表明，三条轨迹基本吻合，物理样机可以实现预期技术要求。综上所述，本文设计了由PLC控制运行轨迹的烟草移栽试验台，通过对栽植机构的工作状态进行高速摄像，获得运行轨迹进行分析，验证了其原理的合理性与结构的可行性。相比于现有移栽机构，本文所设计的试验台能更精准地实现移栽轨迹特殊要求，对提高移栽质量具有重大意义；可根据不同作物和不同农艺要求编写相应的程序对其运行轨迹进行修改，灵活地适应不同的移栽要求。本文为提高移栽自动化发展奠定基础，为全自动移栽机的进一步发展提供参考依据。关键词：烟草移栽；全自动移栽；PLCDesignandExperimentofPlantingMechanismofTobaccoTransplanterBasedonPLCControlChinaisalargeagriculturalcountry.Manycropsneedtobetransplanted,suchasrice,tobacco,pepper,cottonandtomato.Amongthem,ricetransplantinghasbasicallyrealizedthefull-automaticmechanicaltransplanting,andothercropsarestilldominatedbymanualwork,supplementedbysemi-automatic.Thesemi-automatictransplanterisrestrictedbytherateofartificialseedlingfeeding,lowefficiencyandlowinput-outputratio,soitsapplicationisAtpresent,themainstructuralformsoftransplanterare:baskettype,clamptype,chainclamptype,flexibledisctypeandnon-circulargearplanetarywheeltype,etc.Theabovemodelsaredesignedforspecificcropsandtransplantingagronomicrequirements.Whenthecroporagronomicrequirementschange,thetransplantingtrajectoryandidealtrajectorywillhavedeviation,whichwillaffectthetransplantingquality.Ifthetransplantingtrajectoryisadjusted,thestructureofthemachineneedstoberedesigned,withlargeworkloadandlongmanufacturingcycle.Inthispaper,apolarcoordinatetransplantingmechanismisproposed,whichisacompoundmechanismoflinearmovementandswing.Thetwomovementsaredrivenbyasteppingmotor,andthemotiontrajectoryofthemechanismiscontrolledbyPLC.Accordingtothechangesofcropsandtransplantingagronomy,thetransplantingtrajectorycanbechangedbymodifyingthePLCcontrolprogram,withoutanymodificationofthemechanicalstructure,whichisapplicabletodifferentcropsanddifferenttransplantingagronomyrequirements.Themechanismcancompleteaseriesofactions,suchaspicking,sending,plantingandreturning,withhighdegreeofautomation,highflexibilityandsimplestructure.Thispapertakestobaccotransplantingasthespecificresearchobject,designsandteststhetobaccotransplantingtest-bedbasedonPLC.Themainresearchcontentsandresultsareasfollows:AccordingtotheagriculturalrequirementsoftobaccotransplantinginChina,anidealtransplantingtrajectorywasdesigned,andtheprincipleandmechanicalstructureofthetrajectoryformationweredetermined.Solidworkssoftwareisusedtodesignthetransplantingtest-bed,andthephysicalprototypeofthetransplantingtest-bedisprocessedaccordingtothedesigndata.Adamssoftwareisusedtocarryoutkinematicsimulationanalysisofthetransplantingtest-bed,andtherelativeandabsoluterunningtrajectory,velocitycurvesanddisplacementcurvesofthegripperfingerpointsonthetransplantingtest-bedareobtained,whichareanalyzedtoverifytherationalityofthedesignofthetransplantingtest-bed.Bysimulatingthetrajectoriesoftwoexistingtransplantingmechanisms,theflexibilityofthetransplantingtest-beddesignedinthispaperisverified.GXworks2,theprogrammingsoftwareofPLC,isusedtodesignandwritethecontrolprogram,andthentheselection,configurationanddebuggingoftherequiredhardwareinthecontrolsystemarecompletedtodeterminetherationalityofthecontrolsystemdesign.Thetransplantingtest-bedwasphotographedathighspeedtogettheactualrunningtrajectory.Comparedwiththetheoreticaltrajectoryandsimulationtrajectory,theresultsshowthatthethreetracksarebasicallyconsistent,andthephysicalprototypecanachievetheexpectedtechnicalrequirements.Tosumup,thispaperdesignedafull-automatictobaccotransplantingtest-bedcontrolledbyPLC.Throughthehigh-speedcameraoftheworkingstateofthetransplantingmechanism,theobtainedrunningtrajectoryanalysisverifiedtherationalityofitsprincipleandthefeasibilityofitsstructure.Comparedwiththeexistingtransplantingmechanism,thetest-beddesignedinthispapercanrealizethespecialrequirementsoftransplantingtrajectorymoreaccurately,whichisofgreatsignificancetoimprovethetransplantingquality;accordingtodifferentcropsanddifferentagronomicrequirements,correspondingprogramscanbecompiledtomodifyitsrunningtrajectory,andflexiblyadapttodifferenttransplantingrequirements.Thispaperlaysafoundationforimprovingthedevelopmentoftransplantingautomationandprovidesareferenceforthefurtherdevelopmentofautomatictransplanter.Keywords:tobaccotransplanting;automatictransplanting;PLC;simulationanalysis;high-speedcameratestCandidate:LiHongyangSpeciality:AgriculturalEngineeringSupervisor:NaMingjun&Liu我国是一个农业大国，许多农作物通过移栽可有效缩短生长周期、减少缺苗率、增加壮苗率和降低病虫害等风险，如水稻、烤烟、辣椒、棉花和番茄等，都需要通过移栽技术来种植。既解决了我国东北地区和西北地区因气候干旱寒冷而导致的作物生长周期短的问题；又解决了我国长江流域和华北地区因一年种植两茬而导致积温不足的问题。现如今，水稻已经基本实现了全自动机械移栽，但旱地农作物的移栽还是以人工移栽作业为主，半自动移栽机作业为辅[1]。半自动机械移栽机需要人工喂苗，人工喂苗极限频率为60株/min[2]。而且当持续长时间作业时，喂苗手会因高度紧张工作而疲劳，从而可能出现漏苗的情况，因此机具作业速度受到制约，生产率不高。目前广泛应用的半自动移栽机的主要结构形式有：非圆齿轮行星轮式、吊篮式、链夹式、挠性圆盘式和钳夹式等，这些移栽机都是根据特定作物的物理形态和种植农艺要求，确定其移栽所需轨迹，并进行结构设计的[3],因此只适用于特定农作物的栽植，且移栽轨迹受机械结构的制约不能做到最优，机具结构轨原有栽植机构的运行轨迹将不会更好地适应新状态下栽植要求，导致栽植质量降低。而若要修改这些移栽机的栽植轨迹，则需要重新对机具的机械结构进行设计，如此增大了工作量且延长了生产制造周期。针对这个问题，本文将设计一种可以通过修改PLC程序来控制移栽轨迹的移栽试验台，以便捷地调整栽植机构的运行轨迹，从而适应不同作物及不同栽植农艺的要求。植面积、税利总额以及上缴财政总额的情况如图表1-1所示[4-6]。且烟草在旱地移栽作物中，栽植农艺最为复杂、涉及环节多，具有代表性。因此，本文将以烟草移栽为特定研究对象，进行移栽试验台的设计。1-120142018种植面积（万亩税利总额（亿元上缴财政总额（亿元本文设计一种极坐标式栽植机构，即直线移动与摆动复合的机构，两运动由步进电机驱动，通过PLC控制机构运行轨迹。在运动过程中完成取苗、送苗、栽植和回程一系列动作，并且通过修改PLC程序来控制机构的运行轨迹，可以更精准地实现移栽轨迹的特殊要求（取苗轨迹要平行于营养钵轴线、取苗速度逐渐增加，零速投苗且栽植角度可控），对提高移栽质量具有重大意义。该机构自动化程度高，灵活性高，而且结构简单，适用于各种作物，不同移栽农艺的要求。本文为进一步提高移栽机械自动化发展探索了新模式，为全自动移栽机实现通用化发展做了必要的尝试。现如今，移栽机械技术领先的国家主要有欧美和日本。他们从二十世纪二十年代就开始了对移栽机械的研究，主要是半自动移栽机械；二十世纪五十年代时，研究人员设计并且制造出许多不同类型的半自动移栽机械，主要有吊篮式、钳夹式、挠性圆盘式和导苗管式等；二十世纪八十年代至今，半自动的移栽机械在欧洲等地的发达国家已经得到较为普遍的使用[7-9]日本移栽机械在国际上处于领先水平。由于日本用于农业生产的田块面积相对较小，劳动力短缺,因此日本的移栽机主要特点是机型小，精密化自动化程度较高。同时也存机械结构复杂，维修成本和使用的成本高等缺陷。日本的移栽机主要应用于水稻、甜菜、烟草和洋葱等经济作物的栽植，以久保田、井关和洋马公司为代表。日本久保田公司设计并且制造的KN-P6型移栽机，是一种挠性圆盘式的半自动移栽机，主要应用于大葱的移栽，如图1-1所示。其工作过程为：工作时，喂苗手将苗放到运动着的传送带上，传送带将苗输送到处于开启状态的挠性圆盘的中间位置，之后挠性橡胶圆盘会被压盘机构压紧并且旋转，当秧苗旋转到目标栽植区域后，挠性橡胶圆盘就会打开，秧苗则落在被开沟器开好的土壤沟槽里，最后进行覆土作业[10-11]。这种挠性圆盘式的半自动移栽机器，机构结构简单，制造成本比较低，但是生产效率不高，并且挠性圆盘的耐性是比较差的，寿命低。1-1日本久保田挠性圆盘式半自动移栽机图1-2Fig.1-1JapanKubotaflexiblediscsemi-automatictransplantingmachine

Fig.1-2JapanJingguanducksemi-automatictobaccotransplanting引引日本井关公司设计并且制造的2Z-1A型移栽机，是一种鸭嘴式的半自动移栽机器，主要应用于烟草的移栽，如图1-2所示。其工作过程为：工作时，需要喂苗手将苗投到栽植器内，苗随着栽植器进入土中，栽植器在凸轮机构的作用下开启，将苗留在开好的苗穴中后回程，最后完成覆土。该机为自走式半自动移栽机，机械结构简单，操作方便，但是栽植的效率不高，一般3000株/时[12-16]。日本洋马公司的PF2R型乘坐式全自动移栽机，如图1-3所示，其工作过程为：通过回转臂驱动两个取苗器定点取苗，将取出的苗投入栽植器内，通过栽植器移栽到大田里，最后经过覆土滚轮的培土完成移栽工作。该机型特点是送苗机构，其采用机械驱动完成横向送苗和纵向送苗，通过双螺旋凸轮轴完成横向往复送苗，通过双螺旋凸轮触发棘轮、带动装有苗盘的链条运动完成纵向送苗。日本井关公司研制的PZP-80型移栽机同样采用这种取苗方式和送苗方式，如图1-4所示。这种类型的全自动移栽机操作简单，移栽质量高，自动化水平高，但是机械构造复杂程度和加工精度都非常高[17-18]图1-3日本洋马公司的全自动移栽 图1-4日本井关PZP-80型全自动移栽Fig.1-3JapanYangmafullautomatictransplantingmachine

Fig.1-4JapanJingguanpzp-80fullautomatictransplantingmachine械作业，机型主要特点是大型化和自动化，多种移栽机用于生产中。其全自动移栽机主要有顶出式和取出式两种形式[19-20]，结构相对复杂，效率一般为120次每分钟。移栽机主要应用于蔬菜、烟草和棉花等经济作物[21]，移栽机械生产厂家主要有美国玛驰尼克公司、意大利法拉利公司和意大利的Checchi&magli公司等。美国的玛驰尼克公司设计并且制造的1000-2型钳夹式半自动移栽机移栽机，如图1-5所示。其工作过程为：喂苗手把苗送至处于开启状态的钳夹里，钳夹闭合夹住秧苗并带着秧苗运动到栽植区域，钳夹开启，苗落在已经开好的苗穴内，之后由其它机构完成注水、覆土和镇压的栽植过程[22-24]。这种移栽机整体机械结构相对简单，加工制造成本比较低廉。虽然可以保证株距和栽植深度基本相同，但是要做到改变株距比较困难，由于需要人工喂苗，作业效率较低。意大利的法拉利公司设计并且制造的FA型吊篮式半自动移栽机，如图1-6所示。其工作过程为：人工把苗投入到吊篮中，吊篮安装在由地轮驱动而转动的偏心圆盘上，当吊篮转动到投苗区域时，鸭嘴在导轮外力作用下打开将苗留在苗穴中，最后由镇压轮完成覆土工作[25-26]1-51000-2型钳夹式移栽Fig.1-5Matthnik1000-2clamptransplanting

1-6FPAFig.1-6ItalyFerrariFPAtypetransplanting机和电磁阀等控制元件作用下完成取苗、送苗和栽植三个动作[27]。如图1-7澳大利亚的illiames公司设计并且制造的膜下全自动移栽机，如图1-8程为：钵苗被机械手的顶杆从苗盘中顶出到送苗机构的接苗槽中，接苗槽随传送链运动到导苗管的上方，之后钵苗下落通过导苗管到栽植器中，最后由栽植器完成对钵苗的移栽。这种机型栽植效率高，一般为单行7000株/小时，但是因其采用顶出式的取苗方式，钵苗的根系和钵体容易被破坏[28-30]图1-7意大利法拉利蔬菜全自动移栽 图1-8澳大利亚Williames膜下移栽Fig.1-7ItalyFerrarivegetableautomatictransplantingmachine

Fig.1-8AustraliaWilliamesfilmtransplanting意大利的法拉利公司设计并且制造的FPC型膜上全自动移栽机，如图1-9过程为机械手夹持钵苗送至苗穴。这种型号移栽机需要专用机构进行营养钵体的制备，钵体紧实规则，株距可控[31-33]。VISSESPic-O-MatGR2700型移栽机[34]1-10引引由上位机和PLC组成的控制系统进行控制，采用图像处理技术识别由视觉系统采集的穴盘图像。这种机型的移栽机有较高移栽成功率，但不适于灰尘和振动的田间工作环境内作业。1-9FPC型全自动膜上移Fig.1-9ItalyFerrariFPCtypeautomatictransplantingmachine

1-10Pic-O-MatGR2700型自动化温室穴Fig.1-10Pic-O-MatGR2700automaticgreenhousetraytransplantingmachine我国对移栽机械的研究与发展相比国外起步比较晚，但近年来在我国经济的高速发展和科研人员的不断努力下，我国移栽机械化发展取得了相当大的进步。二十世纪六十年代我国开始对移栽机械进行自主研制和引进国外机型，引进的机型多是适于经济作物的，还存在适应性差、效率低和作业稳定性差等问题，推广受到制约。二十世纪七十年代初，我国自主研制出甜菜裸根苗半自动的移栽机[35-36]。二十世纪八十年代研制出玉米半自动移栽机[19]世纪九十年代初，我国对移栽机的研究和发展进入了高速阶段，成功研制了不同类型的移栽机并投入生产和使用，主要有链夹式、挠性圆盘式、钳夹式、吊篮式和导苗管式半自动移栽机[37]，每种机型的移栽机都有其各自特点和各自适用的作物。目前我国已开展全自动移栽机的研究。我国研制的钳夹式和链夹式半自动移栽机工作原理基本相似。如图1-1所示为由吉林工业大学研制的2ZT型钳夹式甜菜移栽机，如图1-12所示为由南通富来威公司研制的2ZQ型链夹式油菜移栽机，如图1-13所示为链夹式移栽机的结构图，如图1-14所示为链夹式移栽机的移栽轨迹。以链夹式移栽机为例，其主要工作过程为：喂苗手将秧苗送至秧苗夹上，秧苗夹夹着秧苗并在滑道上转动，当转动到栽植盘最低点时，秧苗夹打开，秧苗在重力作用下落入苗沟中，随后进行覆土镇压则完成移栽。这种类型的移栽，栽植秧苗的株距准确、直立度较好，移栽机械结构简单，生产制造成本相对较低，但是栽植效率低，一般30~45株每分钟，容易伤苗和漏苗，并且株距调整困难。在国内市场上出现但并没有大规模生产[38-44] 图1-112ZT型钳夹式甜菜移栽 图1-122ZQ型链夹式油菜移栽Fig.1-112ZT-semi-automaticclamptypetransplantingmachineofbeetroot

Fig.1-122ZQ-semi-automaticchaincliptypetransplantingmachineofrape 图1-13链夹式移栽机的结构 图1-14链夹式移栽机的移栽轨Fig.1-13Structuraldiagramofchaincliptransplantingmachine

Fig.1-14Transplantingtrajectoryofchaincliptransplantingmachine我国南通富来威公司所研究和制造的2ZBX-2移栽机器，如图1-15所示。该机的工作原理和工作过程和意大利法拉利公司研制的FA型移栽机相似。这种机型的移栽机能够在膜上打孔栽植，对秧苗的伤害小，有稳定的栽植深度和良好的直立率，但是机械结构复杂，移栽效率不高，成本高[45-47]。图1-152ZBX-2型吊篮式移栽 图1-162ZT-2型挠性圆盘式移栽Fig.1-152ZBX-2hangingbaskettypesemi-automatictransplanting

Fig.1-162ZT-2flexibledisctypesemi-automatictransplantingmachine引引我国内蒙农机研究所研制的2Z-2型半自动甜菜移栽机，是一种挠性圆盘式的半自动移栽机，如图1-16所示。该工作原理和工作过程和日本久保田公司设计并且制造的KN-P6型移栽机相似。这种移栽机是通过改变两个挠性圆盘或者一个挠性圆盘和一个刚性圆盘之间的距离来进行夹取和松开秧苗的，所以不容易伤苗，适应性强，株距调节方便，栽植秧苗的直立率相对较好，但是圆盘的耐久性不好容易磨损，寿命低[48-49]。因结构简单调节方便，具有一定的竞争力。1-17机构，如图1-18为齿轮-五杆结构简图的示意图，如1-19所示为取苗轨迹。该齿轮-五杆自动取苗机构是为解决鸭嘴栽植器自动取苗问题设计的，通过多杆多自由度的机构实现了复杂的取苗轨迹，其理想轨迹的优点在于有直线状尖点，即拔苗轨迹与插入苗钵轨迹基本重合，取苗时钵苗损伤小、取苗质量好[50]。图1-17齿轮-五杆式取苗机 图1-18结构简 图1-19取苗轨Fig.1-17Gearfivebarseedlingpickingmechanism

Fig.1-18Structural Fig.1-19Trackof1-20所示。此系统由PLC控制，气动缸和液压马达驱动，通过苗盘移位机构控制苗盘的横向移动和纵向移动，集排式顶苗机构、取苗机构、接苗机构、拨苗机构、输苗机构、落苗机构和栽植机构依次工作将钵苗栽植至大田中[51]。大田试验结果表明取送苗合格率高，倒伏率、漏苗率和伤苗率低[52]。金利达机械制造有限公司研究设计并制造了一种全自动移栽机，如图1-21所示。此移栽机采用PLC控制系统，工作时，多只机械手同时取苗，将苗送至投苗杯，再由投苗杯将苗投至栽植机构，最后由栽植机构将苗栽植到土壤中，完成移栽。此移栽机机构简单，但漏苗率较高。图1-20南京农业机械研究所全自动移栽 图1-21金利达全自动移栽Fig.1-20TransplantingmachineofNanjingagriculturalmachineryresearchinstitute

Fig.1-21JLD’sautomatictransplanting东北农业大学的赵匀教授带领的科研团队研制了一种回转式水稻钵苗移栽机，集取苗、送苗和栽植为一体，其特点是高效、轻量和结构简单，如图1-22所示。研制的多种水稻插秧机机型，经大面积田间生产实践证明，作业质量优良，作业效率高[53-54]2017集取苗、送苗、破膜、打孔和栽植于一体，其栽植轨迹和打孔轨迹如图1-23所示。这种移栽机通过回转机构，即非圆齿轮不等速行星轮系机构，对大田作物进行膜上移栽，运转高效，成本低，效率高[55]。2018一体，其栽植轨迹如图1-24所示[27]栽的农艺要求所设计，形如“8钵苗移栽机构的栽植轨迹，其栽植轨迹如图1-25所示，这是根据水稻的生长特性和水稻移栽的农艺要求所设计[56]。通过对两个栽植轨迹的对比可知，虽然两个轨迹都是呈“8字”型，但针对两种不同作物和不同农艺，为更好满足栽植要求，保证栽植质量，则需要对栽植机构运行轨迹进行优化，因此必须重新进行结构设计。2019年东北农业大学的张卫星设计的一种番茄钵苗移栽机构[57]，其栽植轨迹如图1-26所示。与其相似的轨迹还有浙江理工大学的刘炳华设计的蔬菜钵苗移栽机构[58]，其栽植轨迹如图1-27所示。这些纯机械结构形式的回转式移栽机构结构简单，成本低，效率高，可以很好的实现一种轨迹姿态，但是若想改变移栽轨迹则需要重新设计行星轮系，工作量较大，制造周期加长，所以只适用于一种作物且株距调节困难[59]。图1-22回转式水稻钵苗移栽 图1-23回转式膜上辣椒钵苗移栽Fig.1-22Rotarytypeseedlingstransplanting

Fig.1-23Rotarytransplanterforpepperseedlingonfilm图1-24茄子钵苗全自动移栽 图1-25齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机Fig.1-24Automatictransplanterforeggplant

Fig.1-25Gearseedlingtransplantingmachineforrice引引 图1-26番茄钵苗移栽机 图1-27蔬菜钵苗移栽机Fig.1-26Transplantingmechanismoftomatoseedlinginbowl

Fig.1-27Transplantingmechanismofvegetableseedlinginbowl通过了解和分析国内外移栽机器的研究和发展现状，根据我国烟草移栽的农艺要求以及现有移栽技术，设计了一种极坐标运动形式的栽植机构，该机构通过步进电机驱动执行部件PLC的程序可以任意修改栽植机构的运行轨迹，不需要对机械结构进行重新设计与修改，自动化程度高，灵活性高，适应性强，而且结构简单，可极大程度地提高移栽机的通用性。主要研究内容如下：通过对国内外现有机型的分析，确定了研制运行轨迹可调整的全自动移栽机核心工作部件，该部件适应性强、结构简单、通用化程度高。以烟草为对象研制栽植机构，通过对栽植机构运行轨迹的调整，验证栽植机构实现不同已有机型运行轨迹的准确性，验证实现特殊运行轨迹的独特性。根据我国烟草移栽农艺和移栽机构的设计要求，设计了一种理想的移栽运行轨迹，并且确定该轨迹形成的原理与机械结构。对预取苗、取苗、送苗、栽植、提苗和回程行程的时间进行分配，确定步进电机和直线模组在每个行程的运行参数，为虚拟仿真和控制系统参数的确定提供参考依据。应用Solidworks三维建模软件对移栽试验台进行建模与装配设计，依据设计资料，加工出移栽试验台的物理样机。应用Adams仿真软件对移栽试验台进行运行学仿真和分析，得到移栽试验台上夹爪指定点的相对运行轨迹和绝对运行轨迹以及速度曲线和位移曲线，验证移栽试验台设计的可行性和正确性。对控制系统进行设计，对控制系统中所需的硬件进行选型和配置，应用GXworks2编程软件对控制系统进行程序设计和编写，最后对控制系统进行调试，确定控制系统设计的正确性。应用高速摄像技术对移栽试验台进行拍摄，经过后期软件PCC的处理，得到移栽试验台的实际运行轨迹，与理论轨迹和仿真轨迹进行对比，验证移栽试验台设计的可行性和本课题的研究方法为：通过了解和分析国内外移栽机器的研究和发展现状，再根据我国烟草移栽的农艺要求，在现有移栽技术上结合自动化技术，进行移栽运行轨迹和机械结构设计，完成对移栽试验台的三维建模和物理样机加工，再进行仿真分析和控制系统设计，最后用高速摄像机对运行的移栽试验台进行拍摄，后处理得到实际运行轨迹，与理论轨迹和仿真轨迹进行对比分析。技术路线如图1-28所示。1-28Fig.1-28Technical引引国内外半自动移栽机的各种机型工作原理相同，结构相近。但国内研制的机型相对国外机型功能多，更适于我国移栽生产需要，但一些企业机具的制造工艺水平和外观质量有待进一步提高。国外全自动移栽机采用机、电、液复合系统，自动化程度高，但机具体积庞大，结构复杂，成本高，且与我国育苗、栽植农艺要求存在一定差异，难以被国内用户接受。国内东北农业大学赵匀团队研发的全自动移栽机，采用一套机械结构，巧妙地解决了取苗、输运、栽植和回程动作一体化，实现了结构轻简化，在水田移栽中取得了很好的应用。将该技术移植到旱地移栽中还需做大量深入细致的研究工作，目前已取得可喜的成绩。国内外研制的所有机型，机型结构确定后栽植部件运行轨迹则不可改变，导致机型适应性差，降低了移栽机的通用性设计一种烟草移栽机构首先需要了解烟草移栽的农艺要求和移栽机构的功能，以确定移栽机构的运行轨迹和结构形式，并对其进行理论分析，为虚拟仿真和控制系统设计提供理论依据。移栽是烤烟生产中最为重要的一个作业环节。目前烤烟移栽主要以人工移栽为主，半自动机械移栽为辅。人工移栽可控性高，栽植过程灵活、对烟苗形态的一致性要求低，但劳动成穴、施肥、浇水、覆土和覆膜，统称膜下移栽。云南、福建等烟区也采用覆膜、成穴、移栽、施口肥和注水覆土的农艺流程，统称膜上移栽[60]；我国研制的烤烟移栽机模仿了人工移栽的农艺流程，普遍采用膜下移栽的工艺流程；膜上移栽成穴过程中栽植器会对农膜产生撕扯，对栽植质量产生不利的影响，尚待进一步克服。上述两种移栽机因涉及流程多，因此机具功能多、结构相对复杂；欧美和日韩研制的烤烟移栽机功能相对单一。机械移栽机的栽植环节包括取苗、送苗、栽植和回程，在完成上述工作环节中，许多机型是由不同部件完成相应动作，导致机具结构复杂。起垄：垄形为梯形，土壤要细碎饱满紧实，垄间距为10～12cm，垄的高为20～30cm，垄顶宽为40cm[61-62]。烟苗：适于机械移栽的烟苗要求挺拔健壮，苗高12～16cm，营养钵紧实[63]移栽后：烟苗的株距为45～60cm、均匀一致，要求烟苗茎秆与地面的夹角的直立状态，避免倒伏状态[64]移栽时在烟苗周围8cm移栽时每株烟苗注水量≥1.5kg（视土壤墒情调整）以上就是烟苗移栽的农艺流程及要求，总体来说就是保证烟苗在移栽后具有良好的生长质量、较高的成活率、较高的直立度、较低漏苗率和倒伏率[65]。本文所设计的移栽机构是要与成穴、施肥、注水和覆膜机构融为一体，构成烟草移栽复式作业机。所设计的移栽机构要求能独立完成从秧盘中取出烟苗，并将烟苗平稳运送到挖好的穴坑内，最后回到初始位置的栽植循环。移栽机构的设计要求在满足移栽的农艺要求的基础上，除了要满足其要实现的功能外，还要满足其可靠性要求，考虑其制造成本和实际工作功能要求。移栽机构可以独立完成取苗、送苗、栽植和回程的一系列环节。取苗时夹爪运行轨迹要平行于烟苗茎秆轴线，速度要由慢逐渐加快，避免因初始速度过快对烟苗造可靠性要求：对移栽机构有可能出现的失效情况或者故障进行预判，分析原因，以此指导部件的合理结构设计与选材，确保设计质量。对能满足功能要求的设计方案并尽可能避免不必要的制造成本。工作环境：移栽机构的设计需要考虑不受振动和灰尘的影响[66]本文设计的烟草移栽试验台的整体结构如图2-1所示。步进电机321466757夹爪机构8固装在直线模组的滑台上。同步带式直线模组的原理为：同步皮带套装在直线模组内两端的同步带轮上，一端为驱动带轮，另一端为从动带轮，滑台固定在两带轮间的同步带上[67]。1.试验台架2.减速器3.步进电机4.减速齿轮组5.直线模组6.旋转轴7.直线模组托板8.2-1Fig.2-1Overallstructureoftransplantingtest试验台工作时步进电机3在控制系统作用下转动，通过传动机构驱动旋转轴6定在旋转轴另一端的直线模组5随之进行相应的摆动；固定在直线模组滑台上的夹爪机构随滑台直线移动。夹爪机构8随直线模组上的滑台按不同运动速度与方向运动，合成不同运植和回程等动作，下面是对其工作周期的说明，如图2-2所示：初始位置设定为取苗初始点，直线模组与钵盘呈垂直状态,相位角设定为155°。工作时，直线模组驱动滑台拖动夹爪机构向后上方运动，完成取苗过程；夹爪机构随直线模组继续逆时针转动60°，完成送苗过程；夹爪机构随直线模组继续再逆时针转动4°，完成栽植过程；夹爪机构随直线模组继续逆时针转动1°，完成提苗过程；此时夹爪松开烟苗，烟苗落入苗穴中，步进电机驱动直线模组由当前位置再顺时针转动65°回到初始位置，完成回程过程。在上述运动区间,滑台拖动夹爪机构以不同的速度，不同的位移完成相应的运动，完成一个周期的栽植，准备下一个周期的移栽。2-2Fig.2-2Descriptionofwork根据烟草钵苗移栽的农艺要求，设计了如图2-3所示的移栽轨迹。设计该移栽轨迹的核心分两部分：一部分是取苗阶段；另一部分是栽植阶段。在取苗阶段，要求取苗速度先慢后快、取苗段的相对轨迹是一段与秧盘垂直的直线段、长度以营养钵完全脱离钵盘为原则，以避免取苗时发生干涉，轨迹如图2-3（c）所示；栽植阶段，要求栽植时“有效零速投苗”且烟苗的直立度要好，投苗之后栽植的绝对轨迹向前让开烟苗一段距离而避开烟苗，以保证栽植的质量，轨迹如图2-3（e）所示。“有效零速投苗”就是保证在机具前进过程中，在投苗时的水平速度近似为零，也就是在投苗时使每株烟苗与地面垂直且有瞬间的相对静止状态，这是有利于烟苗的定植。具体轨迹要求如下：预取苗时夹爪尽量与烟苗垂直，最大偏角在15°以内；烟苗夹持点距离营养钵上表面30mm。取苗时的轨迹长度应该大于钵盘深度，并且取苗段轨迹应该是直线段，以保证可以顺利将钵苗拔出，取苗的速度应该相对慢一些以保证拔苗时不伤苗[68]。因为使用的钵盘深度一般为40mm，所以取苗段的长度设置为50mm。栽植时的相对轨迹与地面有一段平行且划过足够长的距离，移动方向与机具前进方向相反，当移动速度与移栽机前进的速度相同时，即完成“有效零速投苗”，以保证栽植质量。此时夹爪的夹片末端在垄面下约10cm根据我国的烟草移栽农艺要求，在完成栽植过程后需要一个提苗的过程，提苗后夹爪再松开烟苗，这样在夹持状态下覆土可以保证烟苗的直立度，又可避免产生窝根现象的产生。松开烟苗后进行回程过程。回程时速度要尽量快以缩短栽植一个周期的时间。并且回程时要避开刚刚移栽好的烟苗，以避免刮伤烟苗。（a）初始状 （b）预取苗轨 （c）取苗轨 （d）送苗轨（e）栽植轨 （f）提苗轨 （g）回程轨 （h）总轨2-3Fig.2-3Schematicdiagramoftransplanting本文设计的移栽机构运行一个周期即可完成一次移栽，根据选定直线模组的极限运动参数，预计本机构运行30次/min，则完成一个周期需要2秒。根据移栽过程各阶段所完成的任务对每一个运行过程进行时间分配，以保证核心段运动参数，缩短送苗和回程时间，提高栽植效率和质量为目标，具体分配原则如下：（1取苗段的速度要前慢后快，以避免因速度过（2）栽植段时间要相对充足，以保证烟苗的直立度；（3）送苗段速度在保证不脱苗的前提（4预取苗段和回程段的速度要尽可能的快，因为这两个阶段机构不带苗，如此可以提高移栽频率。为了实现“零速移栽”需要栽植段的运行轨迹为一段直线段，如此则需要步进电机的转动角度及角速度与直线模组的运动行程及运行速度相配合，使移栽机构运行栽植段时夹爪末端夹片与地面呈平行状态运动。如图2-4所示为栽植段各符号意义示意图，通过以下理论分析对步进电机与直线模组在栽植段的运行参数进行设计。2-4Fig.2-4Schematicdiagramofthemeaningofeach对移栽机构栽植段建立坐标系，取夹爪的夹片上一点为指定点，设在初始位置时的该指定点为原点，L代表指定点相对于直线模组的运行距离，也是直线模组驱动滑台的运行距离。φ表示指定点到原点的线段旋转的角度，也是步进电机驱动直线模组摆动的角度。机构初始状态下，直线模组的位置与水平正方向的角度为155°。yiLisin(155900i)式中：Li0iC

（2-（2-（2-式中：0--刚开始进入栽植行程时，指定点相对于直线模组的运行距离，mm。由此可以得到，栽植行程过程中，指定点相对于直线模组的运行距离为：LL0sin(155900

（2- sin(15590经过计算可以得到在栽植行程时，与步进电机驱动直线模组摆动的角度相配合的直线模组驱动滑块的运行距离。如此可以对每个行程的步进电机驱动直线模组摆动的角度和直线模组驱动滑块的运行距离进行设计，再对每个行程的运行时间进行分配后，由此便可得到步进电机和直线模组在每个行程运行速度，根据农艺要求、速度要求进行调整，直到得到最满意的参数，为虚拟仿真和控制系统参数设定提供理论依据。如表2-1所示为步进电机在各个行程的运行参数，如表2-2表2-1Tab.2-1Operationparametersofsteppingmotorineacht角度n表2-2Tab.2-2Operationparametersoflinearmoduleineachtlv2.5根据烟草栽植农艺要求和对取苗、栽植运动姿态的分析，确定了移栽试验台的运行轨迹并对其说明。根据已确定的轨迹姿态及其速度要求，对步进电机和直线模组在各个行程中的参数进行设计。依据栽植机构所要实现的功能和相关理论分析，应用Solidworks2015三维建模软件完成移栽试验台的建模、装配与工程图的绘制，依据设计资料对物理样机进行加工制造。为第四章移栽试验台的仿真分析和第六章物理样机的试验做准备。该移栽试验台由试验台架、步进电机、直线模组、夹爪机构和减速齿轮组五部分组成，如图3-1所示。其设计遵循了机械结构简单、合理、加工方便、装配调整便捷的准则，并且确保机构运转顺畅。1.试验台架2.步进电机3.直线模组4.夹爪机构5.减速齿轮组6.电磁铁7.8.夹爪底板9.旋转轴10.直线模组托板11.直线模组电机12.13.小齿轮14.3-1Fig.3-1Overallstructureoftransplantingtest结合该移栽试验台的整体结构图详细介绍其工作原理：PLC控制步进电机2工作，步进电机经减速器输出轴上的小齿轮13将动力传递给与其啮合的大齿轮12；旋转轴9的一端配装大齿轮12，另一端固定直线模组托板10，直线模组3配装在直线模组托板10上，在步进电机2的驱动下做相应的摆动；直线模组3为外购件，在其上的直线模组电机1的驱动下，模组上的滑台7做直线移动；夹爪机构4安装在滑台7PLC控制系统控制下的往复直线运动，与直线模组的摆动构成的复合运动形成各种运行轨迹，该轨迹即为滑台上夹爪机构的运行轨迹；PLC控制夹爪上的电磁铁6得电与否来控制夹爪的开合，以完成夹取烟苗和投放烟苗的动作。编制PLC程序控制步进电机、直线模组和电磁铁相配合工作，即可完成预取苗、取苗、送苗、栽植、提苗和回程的一系列预期动作。夹爪机构安装在滑台上，受PLC控制开合，对烟苗进行夹取、输送和投放的执行部件。因其需要夹取的是容易受到伤害且形态不规则的烟苗，所以在设计夹爪时需要考虑到烟苗的生长形态特征、位置分布等因素。因此夹爪机构结构设计的合理性非常重要。夹爪机构的结构设计需达到的要求如下：夹爪机构的夹紧力适当，即不能夹伤烟苗又能可靠夹取，并保证在输运过程中烟苗不易脱落；考虑到整体结构和以上的设计要求，首先夹爪机构一定要选择一个适当的开度，即夹爪张开时左右夹片之间的距离适当。这个距离应该保证既可以夹取一颗烟苗又不会碰触到相邻的两颗烟苗。目前烤烟育苗秧盘横向穴距为45mm，所以夹爪张开时左右夹片之间的距离可设计为45mm的影响，经模拟分析确定夹爪开度为30mm。夹爪机构长度在满足栽植要求条件下尽可能要短，以提高机构的结构强度，根据对整体结构的测量，夹爪长度暂定在180mm-230mm。最后与烟苗直接接触的夹片应该有适当的接触面积，保证不会对烟苗造成伤害和可靠的夹取。根据对烟苗的测量，夹指臂末端安装长25mm,高15mm2mm的夹片，夹片与烟苗接触面粘贴橡胶材料。1.底板2.滑板3.拉簧4.夹指臂5.夹片6.电磁铁7.轴承座8.支撑轴9.10.628/811.轴承盖12.619/513.转轴14.3-2Fig.3-2Structuraldiagramof现对夹爪机构的结构设计进行说明，其结构简图如图3-2所示。底板1件，支撑轴8焊装在底板上，电磁铁6通过螺栓固定到底板上，夹指臂4为左右对称结构，前端焊装夹片5，臂中后部焊装轴承座7，座内装有轴承10，该轴承内环与支撑轴8相配合，使两臂绕该轴摆动，后端通过拉簧3将两臂连接，在拉簧作用下使夹爪处于开启状态，底端焊装的转轴13上镶有轴承14；在两轴承14间夹装滑板2，滑板2与电磁铁6的推杆末端通过螺纹连接构成一体。当电磁铁得电时，推杆带动滑板推出，夹爪闭合。当电磁铁失电时，在拉簧3的作用下滑板缩回，夹爪张开。夹爪机构的设计采用斜楔杠杆原理，其中滑板的作用相当于斜楔，直接决定夹爪开合的速度与开度，所以滑板的廓形设计至关重要。滑板具体设计要求如下：保证夹指臂张开到最大限度时夹爪末端夹片距离为30mm图3-3Fig.3-3Stressanalysisdiagramoffingerswhenclampingtobaccoseedlingswith如图3-3所示是夹爪机构夹紧烟苗时夹片的受力分析图。根据烟苗的拔苗所需力为(2.091.28)N[69]N=2NP与夹紧力N的比值，应是电磁铁推杆对斜楔的推力P与斜楔对杠杆的作用力F的比值和斜楔对杠杆的作用力F与夹紧力N的比值的乘积。斜楔对杠杆的作用力F可由公式（3-1）计算。由于与斜楔接触的轴承选用的是深沟球轴承619/5，其滚子外径为13mm，并且其表面光滑，且为滚动摩擦、摩擦系数不大，则电磁铁推杆对斜楔的推力P与斜楔对杠杆的作用力F的关系由公式表示如式3-4所示。F 式中：P--斜楔面和滚子与之间的当量摩擦角，°。根据力矩平衡，可以得到：

(3-式中：D--滚子外径，d--转轴直径，

(3---斜楔面和滚子之间的摩擦角，°。tan

(3-斜楔接触的轴承选用的是深沟球轴承619/5，其滚子外径为13mm，内径为5mm，则D=13mm，d=5mm,当f0.15，即tan0.15时，可得=3.3°。得到电磁铁推杆对斜楔的推力PNPP

2sinlsin()

(3- F

lsin()PNF--斜楔对杠杆的作用力，ll--杠杆机械传动效率，一般取值为=0.95[70]设夹爪在夹紧烟苗时夹指臂处于垂直状态，则90，将其代入公式（3-4）P2tan()l

(3- ll=120mml=30mm=3.3°，N=2N,=0.95代入公式（3-5），当预定=10°时，P=4N；当预定=15°时，P=5.5N；当预定=20°时，P=7.3N。参考电磁铁的驱动力为5N，则定=15°。3-4Fig.3-4Schematicdiagramofwedgedriving斜楔在驱动过程的示意图如图3-4所示，夹指臂末端夹片在水平方向上的位移为S

(3-式中：12--夹爪闭合时，杠杆的支点到斜楔斜面延长线的垂线与杠杆的夹角，°。电磁铁驱动斜楔运动行程L为：S=15mmL=10mm

(3-滑板的设计图如图3-5所示。为减轻重量，在不影响工作的情况下，在滑板上开了一个孔。3-5Fig.3-5Designdrawingof夹片安装在夹指臂的末端，通过夹指臂的开合以实现夹片对烟苗的夹取与释放，直接与烟苗接触，因此其形状尺寸也会直接影响到夹爪取苗的成功率。夹片上会安装有橡胶或海绵等起到缓冲作用的装置，其作用有两点，一是可以增加摩擦力，减少了在夹取烟苗时烟苗与夹片之间发生相对移动的情况，增加了取苗的成功率和运送过程中的稳定性。二是可以减小夹片对烟苗的接触力，有效防止夹片对烟苗在夹取和运送过程中造成伤害。试验台架的功能是支撑直线模组和驱动直线模组摆动的机构。本试验台架由步进电机支架、步进电机支架连接板、步进电机轴套、底板、固定支撑板、试验试验台支架、旋转轴、直线模组托板、轴承盖、轴承和轴套组成。本设计中旋转轴上的轴承采用套筒定位，这种定[71]。轴承盖用螺钉与步进电机轴套相连使滚动轴承外圈得到轴向定位。试验台架的剖视图3-（a）所示，试验台架的整体三维视图如图3-6（b）所示。（a）试验台架的半剖视 （b）试验台架的三维视1.底板2.试验台支架3.固定支撑板4.步进电机托板5.步进电机支架连接板67.62068.轴套9.步进电机轴套10.后轴承盖11.旋转轴123-6Fig.3-6Test步进电机的输出轴与台架的旋转轴之间通过减速齿轮组配合，由于通过齿轮传动会存在传动间隙，导致台架的旋转轴的反向转动滞后于PLC给步进电机的反向指令信号，造成移栽试验台的传动精度下降。为了保证移栽试验台的传动精度和平稳性，本试验台采用一种可以消除齿轮副传动间隙的机构，以提高执行机构运行轨迹的精准性。消除直齿圆柱齿轮副传动间隙一般采用三种方法：偏心套调整法，垫片调整法和双齿轮错齿调整法。其中第一种和第二种方法虽然结构相对简单，并且传动刚度较好，但是当齿轮有磨损后齿轮的传动间隙不能自动补偿。第三种方法虽然比前两种方法的结构复杂且可以传动的刚度低，但是这种方法可以保持小齿轮与两个薄片大齿轮中的至少一个无间隙啮合，消除齿轮传动间隙的效果较好[72]。因此，本文选用双齿轮错齿调整法来消除齿轮传动间隙。用此法消除齿轮传动间隙的结构图如图3-7所示。1.小齿轮2.A3.B4.拉簧5.销钉6.卡簧7.图3-7Fig.3-7Structurediagramofeliminationgear利用Solidworks2015软件完成对移栽试验台的建模与装配，完成移栽试验台三维虚拟模型的建立。其流程图如图3-8所示。通过对各零部件之间间隙检查，判断有没有干涉现象，以消除结构设计不合理之处，以提高物理样机的加工质量。移栽试验台整体装配如图3-9所示。3-8Fig.3-8Flow3-9Fig.3-9Thewholeassemblyoftransplantingtest-在Solidworks中将各零部件的三维图转化为二维工程图纸，依据设计文件，完成移栽试验台的加工与装配。调试该物理样机，验证了其可以正常运转，能够达到设计要求并且满足试验要求。该移栽试验台的物理样如图3-10所示。（a）正视 （b）侧视3-10Fig.3-10Physicalprototypeoftransplantingtest-根据我国烟草移栽的农艺要求与移栽试验台的设计要求，进行了烟草移栽试验台整体结构的设计，详细阐述了移栽试验台的工作原理。确定移栽试验台中的夹爪机构的工作原理，进行了相应力学分析，依据分析完成了其总体结构的设计。利用Solidworks2015软件，完成了试验台的建模、装配、干涉检查和工程图的绘制，形成了完整的设计资料。依据设计资料完成了试验台的制造与装配，经调试可以满足试验要求。为了检验移栽试验台能否达到设计要求，本章应用Adams仿真软件对移栽试验台的样机模型仿真，得到试验台的仿真运行轨迹，通过与第二章理论分析得到的理论轨迹进行对比，初步验证移栽试验台的正确性和可行性。虚拟样机仿真技术对机械运动中的干涉问题以及速度和加速度后处理问题有精确的分析4-1Solidworks软件中建立的样机模型保存为Parasolid（.x_t）文件格式，在Adams中将其导入，给各零件之间添加对应的约束、载荷并驱动，之后进行虚拟样机模型的运动仿真，并且运用Adams的后处理模块对移栽试验台的仿真结果分析处理。4-1Fig.4-1Simulationflow应用Adams软件中配有的建模功能完成移栽试验台的建模是繁杂的，但Adams具有Parasolid模块，使其可以方便地与Solidworks软件进行对接，并且相应的数据转换也变得简洁方便。可以通过Solidworks软件把移栽试验台的虚拟样机模型以Parasolid（.x_t）的格式Adams软件中处理。导入方式如图4-2Adams软件启动后，在菜单栏中点击“File”，在出现的选项中点击“Import”，随即出现文件导入窗口，在窗口中的“Filetype”栏选择“Parasoli（.x_t”文件类型，在“Filetoread”栏点击鼠标右键，在出现的选项中选择“browseParasoli（.x_t类型的文件，在“ModeName”栏处填写移栽试验台虚拟样机模型的名称,需英文命名，填写“transplant”，最后点击“OK”即导入成功，如图4-3所示。4-2AdamsFig.4-2HowtoimportvirtualmodelprototypeofAdams本文导入的模型是做过简化处理的移栽试验台模型，文件名为transplant.x_t。在不影响仿真结果的情况下简化移栽试验台模型可以减少很多运算和操作的工作量并且在一定程度上可以提高仿真效率，也利于观察。4-3Fig.4-3Importofvirtual导入成功的文件在Adams所有属性都将变成Adams软件的默认值，需要重新修改名称等属性，并且零部件之间的装配关系失效，需要重新添加约束关系。为了方便对移栽试验台模型中的零部件查找和观察，需要对移栽试验台模型中的零部件进行重新命名以及更改颜色，如图4-4所示。之后应用布尔和命令将本来是固定件的构件合并成一个构件。最后验证模型中构件是否都修改过信息。 （a）重命 （b）颜色更4-4Fig.4-4Componentproperty修改过移栽试验台模型中各零部件的基本属性之后，则需要根据移栽试验台的真实配合Adams软件中的约束命令对虚拟模型进行约束，根据移栽试验台的真实运动方式，为Adams中的样机模型添加运动副，使其符合实际运动情况。之后还需要根据移栽试验台的4-1所示。4-1Tab.4-1Theconstraintrelationofeach约束关 零部件名试验台架的底板与大地（相对运动）；底板与固定支撑板；底板与镜像固定支撑板；移栽试验台支架与固定支撑板；移栽试验台支架与镜像固定支撑板；移栽试验台支架与步进电机轴套；步进电机轴套与前轴承盖；步进电机轴套与后轴承盖；直线模组托板与旋转轴；

步进电机支架连接板与移栽试验台架；步进电机托板与步进电机；夹爪的底板与直线模组的滑台；夹爪的底板与电磁铁；夹爪的底板与夹爪的支撑轴；夹爪上的轴承座与支撑轴；夹爪上的轴承座与夹指臂；夹爪上的轴承座与轴承盖；夹爪上的转轴与轴承619/5；夹爪上的支撑轴与轴承628/8；电磁铁上的推杆与夹爪上的滑板旋转 步进电机与步进电机输出接触 夹爪上滑板与左侧轴承619/5；夹爪上滑板与右侧轴承齿轮 小齿轮与薄片大齿移动 试验台架的底板与大地（绝对运动）；直线模组上的滑台与直线模组机身约束之后，需要给虚拟样机模型添加载荷。本移栽试验台虚拟样机模型只需给个零部件添加重力和表4-1中的接触副添加接触力即可。载荷添加完毕后，则是添加驱动，在对移栽试验台虚拟样机模型做相对运动的仿真分析时，在步进电机与步进电机输出轴的旋转副上添加一个旋转电机；并且在直线模组上的滑台与直线模组机身的移动副上添加一个平移电机。在对移栽试验台虚拟样机模型做绝对运动的仿真分析时，除了在步进电机与步进电机输出轴的旋转副上添加一个旋转电机外，还要在试验台架的底板与大地的移动副和直线模组上的滑台与直线模组机身之间的移动副上各添加一个平移电机。4-5Fig.4-5Virtualmodelaftercompletionof对移栽试验台虚拟样机模型添加约束、载荷和驱动之后，最后需要对样机模型的约束信息进行检测，检测无误后，则完成了移栽试验台模型的前期处理工作，如图4-5所示。Adams完成对移栽试验台虚拟样机模型添加约束、载荷和驱动之后，调整好仿真的视角，接下来进行运动学仿真。在Adams中点击菜单栏中的“simulation,再出现的选项中，点击“RunanInteractiveSimulationEndtimeSteps本虚拟样机模型运行一个周期所需的仿真时间为2秒，所以在“Endtime”处输入的为2秒，为了方便观察模型运行过程，在“Steps”栏填写合适的步数，本文填入2000。接着点击“▶”即可进行运动学仿真。想要得到模型夹苗处的运行轨迹，则需要在夹爪的夹片上创建一个Marker片的质心处创建MarkerResultraceapointsrelativepositionfromlastsimulation”命令，点击在夹爪的夹片上创建的Marker点，再选择大（Ground。这样就会出现虚拟样机模型上一次仿真运行的运行轨迹曲线，如图4-6所示。4-6Fig.4-6Simulationrelativemotiontrajectoryoftransplanting为了得到样机模型绝对运行的轨迹，将Adams文件transplant.bin另存为transplant-ground.bin。打开文件transplant-ground.bin后，将底板与大地的固定约束删除，添加一个移动副，并在此移动副上加驱动。给与一定的前进速度后，再进行仿真，如此得到样机模型的绝对运行轨迹，如图4-7所示。4-7Fig.4-7Simulationabsolutemotiontrajectoryoftransplanting由Adams软件仿真出的相对和绝对运行轨迹，可以验证方案设计的合理性和机械结构设计的正确性。为接下来的PLC程序编写和物理样机的加工制造打下基础。对样