全自動移栽機械關鍵部件研究現狀及發展趨勢

發布時間：2019-03-08所屬分類：農業論文瀏覽：1402次

摘 要： 摘要:育苗移栽技術的應用延長了作物生長期，有效避開了春倒寒期間的惡劣氣候環境，具有對氣候的補償作用和使作物生長期提前的綜合效應，經濟效益和社會效益顯著。全自動移栽機械的研發與改進是育苗移栽技術推廣應用的有力保障，目前國內外移栽機械正向著智能

　　摘要:育苗移栽技術的應用延長了作物生長期，有效避開了春倒寒期間的惡劣氣候環境，具有對氣候的補償作用和使作物生長期提前的綜合效應，經濟效益和社會效益顯著。全自動移栽機械的研發與改進是育苗移栽技術推廣應用的有力保障，目前國內外移栽機械正向著智能化、專業化發展。

　　為此，利用文獻分析法和系統歸納法，將全自動移栽機械歸納為栽植系統、供苗系統和電氣控制系統3個主要部分，闡述了各個系統的研究現狀和發展水平，對比了各類典型全自動移栽機關鍵部件的基本原理、工作方式和適用范圍;同時，重點介紹了栽植系統中開溝式、鴨嘴式和鉆入式開穴開穴機構的優缺點和選用原則。

　　供苗系統中自動排苗機構、自動取苗機構和自動投苗機構的運動軌跡和執行方式的優化措施;電氣控制系統中PLC控制系統、單片機控制系統、自適應Fuzzy-PID控制系統的應用局限性;展望了全自動移栽機械的發展方向，為實現自動、高效、準確移栽作業提供參考。

　　關鍵詞:全自動移栽機,栽植系,供苗,電氣控制

　　自20世紀30年代至今，育苗移栽技術在經濟作物種植方面應用日趨廣泛，優勢明顯，相比露地直播、覆膜播種產量分別提高20.8%和16.5%[1]。作物移栽技術可以使秧苗生育期提前15天，避開倒春寒、霜凍等惡劣天氣狀況，有效提高種苗成活率，縮短緩苗期，延長作物生長時間，增加作物復種指數及產量。相比播種種植方式，提前育苗可以減少不確定因素的影響，通過對土壤施肥量、光照補償量、水分含量和溫度的科學調控，提高種子的發芽率，保證種苗幼苗期間的健康生長，確保苗齊、苗全和苗壯，推動精細農業技術的推廣[2]。

　　全自動移栽機械的研發與改進是推動育苗移栽技術發展的有力保障。目前，國內外全自動移栽機械向著智能化、專業化方向發展，針對不同土壤結構、不同作物品種和不同農藝要求的種植方式，對應的移栽機機型都已被研發和應用。

　　本文重點對全自動移栽機械的栽植系統、供苗系統和電氣控制系統方面開展研究。其中，栽植系統是移栽機核心部件，其結構的穩定性和可靠性直接影響秧苗栽植質量;供苗系統是實現移栽機械全自動栽植的關鍵部件，其空間布局的合理性和結構原理的可行性是實現機械投苗替代人工投苗的重要保障;電氣控制系統是保證栽植系統和供苗系統協同工作的重要部分，其控制時序的準確性和控制系統自身的穩定性能夠保證自動移栽機械協調工作，使移栽機實時、高效、可靠運行。

　　1國內外栽植系統關鍵部件研究現狀

　　1.1國內外栽植系統研究現狀

　　國外移栽機械的研發與應用始于20世紀30年代，早期主要以手工栽植工具為主，以實現秧苗入土、固定和覆土等功能為主要目的，結構簡單;50年代，多種形式栽植器相繼問世，采用人工投苗、機械開穴喂苗方式的半自動移栽機械被廣泛應用;80年代以后，半自動移栽機械的結構逐步完善，功能適應性更強。經過多年對作物移栽技術的研究，西方發達國家已形成一套集穴盤制造、培育秧苗和栽植技術于一體的機械化作業系統。

　　目前，歐、美、日等發達國家已相繼將PLC、單片機和Fuzzy-PID復合控制等技術應用于移栽機械，實現自動供苗系統替代人工投苗的供苗方式，有效降低了人工勞動強度，經濟效益顯著[3-4]。國內移栽機械研制起步較晚，早期主要是以水稻的育苗移栽技術研究為重點。20世紀50年代后期，南京農機化所、浙江農科院和浙江大學機械系聯合，對裸根苗移栽機及拔秧裝備開展研究[5]，并形成了批量的推廣應用。

　　改革開放后，國外移栽機大量進口到國內，受其影響，國內針對水田移栽和旱地移栽的機型都投入大量的研究，并推廣應用了幾種代表移栽機機型:富來威農機公司自主研發的“富來威”2Z-455型手扶式機動插秧機;中國農業大學宋建農等人設計的2ZPY-H530水稻缽苗行栽機，取投苗機構性能穩定，傷苗率低，結構簡單;東北農業大學與鑫華裕農機裝備有限公司聯合研制的雙曲柄五桿機構缽苗移栽機，取苗路徑優化，作業效率高;東北農業大學和浙江理工大學聯合研制的回轉式缽苗移栽機等[6-10]。

　　國內移栽機械的發展存在問題較多:農機和農藝有效結合程度不高，結構功能單一、通用性較差;缺乏完善、科學的標準和評價的方法;移栽成本較高，作業穩定性、可靠性等性能與發達農業國家相比仍然存在差距。至21世紀初，國內半自動移栽機械已廣泛應用，但全自動移栽機械研發應用尚未實現。

　　1.2栽植系統的關鍵部件

　　移栽機械栽植系統主要包括覆土機構、開穴機構、地輪及傳動系統等。其中，開穴機構是栽植系統的關鍵部件。開穴機構按成穴的工作方式可分為開溝式開穴機構、鴨嘴式開穴機構及鉆入式開穴機構。

　　1.2.1開溝式開穴機構

　　開溝式開穴機構是指在移栽作業過程中利用鏟形構件開出一條溝壑，然后將秧苗輸送或投放到溝壑內，最后利用覆土機構對秧苗進行掩埋固定。開溝移栽作業方式適用范圍較廣，可在水田、不覆膜旱地移栽作業中使用，其結構簡單、制作成本較低且移栽效率較高;但開溝式開穴機構開出的溝形不易控制，在開溝形狀較寬的位置，投放的秧苗周側固定不完全，容易造成秧苗的直立率低，出現埋苗現象。

　　由于自身結構限制，覆土過程中也會出現秧苗窩根現象，影響秧苗后期生長。目前，開溝式開穴機構在國內外移栽機械中廣泛應用，在意大利Ferrari公司生產的FASTBLOCK自動移栽機、澳大利亞Williames自動移栽機及日本久保田半自動大蔥移栽機等移栽機上都有使用。

　　1.2.2鴨嘴式開穴機構

　　鴨嘴式開穴機構由兩片形如鴨嘴顎片的鐵皮對合構成。開穴過程中，鴨嘴顎片閉合沖入地表內部，到達指定深度后，鴨嘴顎片打開并向上移動，仿形機構將兩顎片打開，秧苗受自身重力作用，沿開口自由下落進穴坑，鴨嘴回位后閉合，完成1次開穴周期。鴨嘴式開穴機構廣泛應用膜上移栽和旱地移栽作業中。這種開穴方式可以使種苗沿鴨嘴顎片完全進入到穴坑中，同時在機構回位過程中，覆土自動將秧苗扶正，直立度好，但這種機構對種苗高度和新鮮度的要求較高。秧苗的高度不能過高、不能打蔫，否則就容易出現掛苗現象，堵塞漏苗口，造成傷苗、漏苗、重苗等現象。

　　目前，鴨嘴式開穴機構在移栽機械上的應用最為廣泛，如日本洋馬株式會社自動移栽機栽植器和美國雷納多RTME1100半自動移栽機等多桿機構栽植器和吊籃式栽植器都是采用的鴨嘴式開穴機構。

　　1.2.3鉆入式開穴機構

　　鉆入式開穴機構是利用鉆削方式，將旋轉鉆頭鉆入地表以下，使其開穴成型孔，然后退出并清理鉆頭上的余土。鉆入式開穴機構工作時，機械振動小，穴坑形狀成形穩定，且可以確保穴坑形狀與基質形狀相似，使秧苗根部基質能夠準確、完全放進穴坑中，保證栽植土壤狀況穩定，提高移栽質量;但該機構作業必須與投苗機構作業分開，并且兩者準確、協同配合精度要求較高，對電氣控制程序的識別、補償運算要求也高，結構復雜。典型機型有以色列的履帶式主動鉆孔移栽機。該移栽機的開穴機構的設計理念新穎，開穴后的穴坑大小、形狀穩定，但其開穴機構結構復雜，供苗系統穩定性較差，所以未在市場上推廣和應用。

　　2國內外供苗系統研究現狀

　　供苗系統是全自動移栽機械研究的關鍵部件[11]。目前，國外發達國家的全程機械化栽培技術已基本完善，從工廠化育苗的配套設備到田間移栽機械已經形成了農藝與農機相結合的配套體系。例如，日、韓、美等國的全自動移栽機供苗機構的自動化程度較高，且工作性能穩定，替代了移栽過程中大部分繁重的體力勞動。國內移栽機的供苗機構研究尚不成熟，用于田間作業的主要是半自動移栽機械，即可以實現自動打穴(開溝)、投苗、輸送秧苗和覆土等功能，但投取苗、分苗等部分需要人工輔助作業。

　　半自動移栽機的明顯缺點如下:移栽質量不高，效率低，人工勞動強度大;若投苗手較長時間工作，會產生視覺疲勞、手臂酸痛等問題，影響投苗質量，導致重苗、漏苗和掛苗等現象[12-13]。全自動移栽機械的供苗系統按結構功能可分為自動排苗機構、自動取苗機構和自動喂苗機構。

　　2.1自動排苗機構

　　自動排苗機構可以使苗盤中秧苗順次排布在預備取苗位置，為自動取苗做好準備。供苗過程中，自動排苗機構將苗盤排布到預備取苗的位置，自動取苗機構運動到秧苗附近取出秧苗;然后，自動排苗機構繼續移動，將苗盤位置移動到下次取苗的位置，準備再次取苗[14]。自動排苗系統的運行是一個動態的運動過程，對于運動時序控制、種苗位移精度和苗盤空間干涉的實時性控制要求較高，結構復雜。

　　日本洋馬自動移栽機的自動排苗機構是純機械驅動，橫、縱向進給均采用凸輪軸控制，其縱向進給附加棘輪機構實現苗盤的間歇進給，結構簡單、緊湊。新疆農業大學韓長杰等[15]設計的基于氣動技術穴盤步進移位機構，利用步進移位氣缸結合棘輪驅動苗盤的縱向進給，左右移位氣缸推動苗盤的橫向移動，實現有序排苗供苗。

　　3電氣控制系統研究現狀

　　目前，全自動移栽機供苗系統的控制方式主要有PLC程序控制、單片機程序控制和Fuzzy-PID控制。其中，PLC具有操作靈活性較好、可靠性高、擴展接口豐富和便于改進與修正等特點，已被廣泛應用于移栽機械供苗系統的排苗機構、取苗機構和投苗機構的協同作業中。單片機控制系統具有可靠性高、非易失性存儲、功耗低、價格低廉和無法解密等特點，主要應用于智能儀表、實時工控、通訊設備及導航系統等方面。

　　隨著移栽機控制逐漸向智能化、模塊化發展，單片機的開發應用也開始被人們所重視。Fuzzy-PID模糊控制算法是一種利用模糊數學的基本思想和理論的控制方法，可以實現對步進驅動元件、液壓驅動元件和氣動驅動元件的實時控制，進而提高系統的定位精度，減少外部環境干擾，使執行部件的作業更加穩定[26-28]。

　　國內作物移栽機械在栽植機構設計方面已有較多研究成果，而電氣控制系統在全自動移栽作業方面的應用仍處于實驗室研發階段。中國農業機械化科學研究院楊傳華等[29]設計了一種基于PLC的蔬菜缽苗移栽機自動輸送裝置，該裝置以日本松下FP-XC40T(NPN)型可編程控制器為控制核心，選用HT7700T型液晶屏為顯示終端，對送盤機構、取苗機構、送苗機構及投苗機構進行協調控制，實現了缽苗的精準定位和輸送。吳儉敏等[30]人設計了苗盤缽苗自動識別及控制裝置，以PLC為控制核心，利用光電傳感器識別缽苗參數，并處理反饋信息，進而控制步進電機驅動缽苗盤縱向和橫向移動。

　　此外，該系統還可以判別缺苗的缽苗格并快速跳過取苗爪，有效地提高取苗爪的抓取效率和降低漏栽率。河北農業大學邵琰等[31]提出一種基于STC89C52RC單片機的移栽機控制系統，該系統以STC單片機為控制單元，以液壓馬達和氣壓泵為執行機構，完成移栽機械的打孔、取苗、放苗協同工作過程，且可以實現20～99cm范圍內調節株距，調節精度為1cm。

　　石河子大學王僑[26]等人提出以自適應Fuzzy-PID控制算法控制供苗系統的構想，可以實現在PID算法的基礎上對PID控制參數的在線自整定，有效提高穴盤苗移栽機控制系統定位精度及智能化程度。江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室魏新華等[32]設計的穴盤苗全自動移栽機運動協調控制系統，利用圖像采集和處理系統識別苗情，PLC讀取識別結果并控制氣動執行機構進行選擇性取、放苗動作，最終實現供苗系統的同步、協調工作。

　　4結論

　　栽植系統是移栽機械的核心部件。從育苗移栽技術開始推廣至今，已投入大量的科研經費用于栽植系統的研究，各種樣式的栽植器相繼問世，大大降低了人工移栽的勞動強度，提高了生產效率;但現階段栽植系統仍存在一些問題亟待解決，如開穴形狀不穩定、秧苗栽植深度不夠、秧苗直立度不高及窩根等現象。

　　供苗系統是實現自動移栽的關鍵突破點，國內外自動移栽機械的供苗系統的穩定性普遍較低，受機構運動方式不合理、秧苗形狀大小存在差異和作物種植生長特性不同的影響，移栽過程中容易出現供苗過程中漏苗、傷苗、喂苗不準等缺陷。進一步完善栽植系統的運動結構，優化供苗系統的排苗、取苗、供苗的運動軌跡和執行策略，實現自動、高效、準確移栽作業，將成為未來全自動移栽機械發展的方向。

　　5展望

　　1)設計穩定、可靠的栽植系統，為供苗系統協同供苗提供良好的入土空間。

　　2)減少秧苗在供苗系統中的傳遞次數，減少供苗過程中對種苗和種苗基質的損壞，實現供苗系統全程持苗，降低投苗方式下秧苗靠重力自由下落的不確定性。

　　3)研究秧苗的力學特性，設計合理的持苗方式，規劃最優化供苗系統運動路徑。

　　4)開發基于電、氣、液控制系統，調試參數補償，使栽植系統和供苗系統更加穩定、協調地工作。

　　參考文獻:

　　[1]崔巍.旱地缽體苗自動移栽機理論與試驗研究[D].北京:中國農業大學，2015.

　　[2]韓長杰，張學軍，楊宛章，等.旱地缽苗自動移栽技術現狀與分析[J].農機化研究，2011，33(11):238-240.

　　[3]耿端陽.我國北方地區機械化育苗移栽技術應用與發展[J].農機化研究，2001(3):23-24.

　　[4]盧勇濤，李亞雄，劉洋，等.國內外移栽機及移栽技術現狀分析[J].新疆農機化，2011(3):29-32.

　　[5]于曉旭，趙勻，陳寶成，等.移栽機械發展現狀與展望[J].農業機械學報，2014，45(8):44-52.

　　[6]陳寶成，尹大慶，呂程，等.移栽農機具概況與發展思考[J].農機化研究，2015，37(3):258-263.

　　[7]孫建生.傅里葉齒輪步行式水稻缽苗移栽機構分析與優化設計[D].杭州:浙江理工大學，2014.

　　[8]劉安.蔬菜缽苗移栽機取苗機構的動力學分析與試驗研究[D].杭州:浙江理工大學，2014.

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