基于综合性能指标体系的穴盘苗夹持装置创新优化设计方法研究

The project is focused on the new science and technical problems arising in the process of last National Natural Science Foundation, "Innovative design of the array mechanism for the seedlings transplanter ".The key procedure of seedling transplanting is picking up the seedlings from the plastic cell-tray and then transplanting them into a new bigger one with matrix. Various transplanting failures are the main restraining factor to improve the work efficiency. This problem not only arises on the transplanter developed by our research team, but all transplanter products at home and abroad. To solve this problem, the seedlings clamping device is chosen as the main research object and a novel optimal design method will be explored in the project. The correlation analysis model is established through modeling simulation and experimental testing based on the machine rational research for the transplanting failures. The model is composed of some important influencing factors for the transplanting failure,the structure and size of the seedling clamping device, the output characteristics of the pneumatic drive component, the height of the seedling to be transplanted, the adhesive stress of the matrix, and so on. So it is more comprehensive than the one only including the factors about the transplanters mechanism. Based on this model, one Index System of Comprehensive Performance is built to evaluate the performance of the mechanism of the seedling clamping device and decide the object to be optimized and the goal correctly. During the process of the optimal design, the Index System of Comprehensive Performance is combined with the innovative design method，it improve the optimal design efficiency and effectiveness. This project provides a new method for the development of the automatic agriculture machinery.

本项目是在上个自然科学基金"阵列式穴苗移栽机构创新设计"基础上，对新出现的科学技术问题开展研究工作。穴盘苗移栽的关键执行动作是将穴苗从穴盘中拔出，再插入到新的穴盘格（有基质）中。从国内外相关资料，及本课题组完成的移栽机运行情况看，均出现了不同形式的移栽失败，这成为制约提高移栽效率、增加生产成本的主要因素。就此问题，本项目基于对移栽失败开展的机理性研究，通过建模仿真与实验测试相结合的方式建立移栽机构、穴苗、基质之间运动、力学各项参数的关系模型；以此为基础构建为夹持装置结构优化设计明确优化对象和目标的综合性能指标体系，对该体系的构建原则、构建方法、检验方法进行系统性研究；基于综合性能指标体系，结合创新方法，开展集性能分析评价和设计为一体的高效结构创新设计方法的研究。本项目的开展，将为此类自动化农业生产设备的研发提供新的思路和方法。

项目立项出发点是针对移栽作业成功率低等问题开展研究工作，对温室穴盘苗间的移栽工艺及前期课题组研发的移栽夹持装置进行分析，并对取苗失效形式进行了总结，提出了单驱动源下的直导管斜插取苗方案作为机构的优化设计目标。运用TRIZ理论、模糊层次分析法对夹持装置进行性能研究，进行模块划分，并提取关键技术矛盾点。将机构本体和作业对象、工作条件等外部因素综合考虑，以机理研究作为切入点，通过探究移栽过程中各类移栽失败机理，建立包括夹持装置构型与尺度参数、穴苗生长状态（高度、密度等）、穴盘基质粘着力与强度等的关联仿真模型，以此为基础构建优化夹持装置结构设计的定量化综合评价指标体系，并通过实验研究确定综合评价指标的权重排序，根据重要指标及实验结果完成夹持装置结构设计。.采用正交实验法和综合评分计算方法，以拔取力以及拔取后穴苗完整度作为试验指标，确定了所需拔取力最小且完整度最高的种植工艺参数组合。对取苗工作过程进行分析，结合离散元仿真方法(DEM)建立了土基质斜插取离散元仿真模型，确定了插入角度、插入深度以及插入点距离关键工作参数，分析得到了钢针斜插取时基质的一般破损机理以及各工作参数对于抗剪力的影响关系。以提高成功率及移栽效率为目标，搭建试验测试系统，利用响应曲面法(RSM)及方差分析得到移栽夹持装置移栽性能最优工作参数组合。在此基础上对移栽夹持装置的驱动工作参数进行试验研究，确定了移栽夹持装置在工作过程中的下降速度和提升速度。最终实现了夹持装置的机构优化设计，解决了移栽失败问题。.基于穴盘苗夹持装置创新优化设计，总结归纳出一套基于综合性能指标体系的机构创新优化设计方法。并将此高效创新优化设计方法应用于“盆花自动化移栽生产线”进行了实践验证，证明了该研究过程的可行性。.项目进展过程中，所产生的新机构在新移栽机中得以应用，完成了“穴盘苗自动化移栽机”的创新优化，解决了移栽机中的失败现象，提高了移栽成功率和效率，获得了行业认可，并获得中国机械工业科学技术二等奖一项，该机型的批量化生产正在进行中。同时将机构创新优化设计方法应用于“盆花自动化移栽生产线”设计中，完成了样机制作，但项目中出现大花盆空穴四周基质塌陷散落的失败现象。因此，在该项目研究的基础上，2016年申请并获批了国家自然科学基金《盆花移栽机筑模成穴机构多因素作用优化设计方法研究》，将继续深入探索机构创新设计的新途径和新方法。