盆花移栽机筑模成穴机构多因素作用优化设计方法研究

The project is done on the basis of the completed applicant “Greenhouse Potted Plant Transplanting Production Line”. Hole forming with mould in the flowerpot is the key part of plant seedlings' mechanized transplantation from small flowerpots to big ones. The aim of this project is to solve the common problem soil substrate collapse and the scientific research work is to be carried out from the aspect of mechanism design method. Firstly, the project is based on the analysis of soil substrate collapse's phenomenon during the transplantation of potted plant in the compacted and cavitary soil, with the combination of innovation methods, exploring the theory of the mechanism of hole forming with mould to offer the improved structure design of the mechanism; and then study the key parameters of the operating system constituted by the soil substrate, the mechanism of hole forming with mould and the flowerpot, determining the key system parameters and also their interactions to select the most influential parameter combinations; lastly, combining mechanism design with flower planting demands to set optimal target, building quantitatively relational model of key parameters on hole forming effect in the system, and developing innovative and optimized mechanical design with multiple factors of the operation object, the mechanism and the operating condition to obtain better mechanical design results and search for more efficient mechanical design methods in complex environments. The development of this project will offer new ideas and methods to optimal design of this kind of automated agricultural production equipment.

本项目是申请人在前自然科学基金支持下完成“盆花自动化移栽生产线”研制的基础上，针对国内外同类设备存在的共性问题，即小盆花苗向大盆机械化移栽过程中，盆内土基质筑模成穴环节出现基质塌陷的现象，从机构设计方法层面开展的科学性研究工作。首先开展筑模成穴过程中土基质塌陷问题的原因分析，结合创新方法的应用，探求筑模成穴机构的功能失效机理，对机构本体进行结构优化设计；然后对土基质—筑模成穴机构—花盆形成的筑模成穴工作系统进行关键参数研究，明确系统关键参数及其相互作用，遴选出影响程度最大的参数组；结合机构设计和花卉种植农艺需求的多目标优化评价函数制定，构建系统中关键参数对成穴效果的定量化关系模型，开展作业对象—机构—工作条件多因素作用的机构创新优化设计，获得作业效果更好的机械设计结果，同时探索出更加高效的复杂设计条件下机构设计方法。本项目的开展，将为此类自动化农业生产设备的优化设计提供新的思路和方法。

本项目是前自然科学基金支持下完成“盆花自动化移栽生产线”研制的基础上，针对国内外同类设备存在的共性问题，即小盆花苗向大盆机械化移栽过程中，盆内土基质筑模成穴环节出现基质塌陷的现象，从机构设计方法层面开展的科学性研究工作。.首先开展筑模成穴过程中土基质塌陷问题的原因分析，结合创新方法的应用，探求筑模成穴机构的功能失效机理，对机构本体进行结构优化设计；对温室有机土进行物理及力学参数测试，得到土基质平均密度为0.782g/cm3，泊松比为0.4，剪切模量为1.25×107Pa；通过离散元法模拟筑模成穴过程分析得到孔穴塌陷失效机理，一方面是模芯和花盆之间的空隙较小，阻碍填土阶段土基质顺利落下，另一方面是上层土基质的强度、紧实度和粘聚力较低；运用TRIZ理论针对土基质塌陷问题进行因果链分析以及对筑模成穴系统功能分析明确系统存在的问题，完成筑模成穴关键机构的改进设计，改进设计后筑模成穴机构的成穴完整度较改进设计前提高12%左右；.之后对土基质—筑模成穴机构—花盆形成的筑模成穴工作系统进行关键参数研究，明确系统关键参数及其相互作用，遴选出影响程度最大的参数组。对不同参数组合下的完整度进行分析，得到了成穴完整度最大的最优参数组合。利用离散元仿真软件EDEM分析各因素对成穴效果的影响规律，确定各关键参数的合理取值范围为：下压速度v的取值范围为70～250mm/s，下压深度h的范围为5～15mm，土基质填充量m的范围为420～520g，土基质的含水率w为40%~60%、60%~80%和80%~100%三个区间。优化后的参数组合为：压实速度取88mm/s、压实深度取24mm，土基质填充量取499g、土基质含水率取75%时，土基质成穴完整度可达到最大值99.49%。.除此之外，探索了一种新的自调心筑模成穴工艺流程，根据此工艺流程设计制造了自调心筑模的样机，对土基质-花盆-自调心筑模系统进行了工艺参数研究。结合BP神经网络以及NSGA-Ⅱ多目标优化遗传算法得到了最优参数组合。并设计一套基于机器视觉和网格激光相结合的非接触式孔穴塌陷程度检测系统，对土基质的塌陷程度进行了量化。结合机构设计和花卉种植农艺需求的多目标优化评价函数制定，构建系统中关键参数对成穴效果的定量化关系模型，获得作业效果更好的机械设计结果，同时探索出更加高效的复杂设计条件下机构设计方法。本项目的开展，将为此类自动化农业生产设备