水稻抛秧机毕业论文

水稻抛秧机毕业论文摘要本文以鼠笼式有序抛秧机的杠杆顶出机构和导苗管为研究对象。现有鼠笼式有序抛秧机上秧盘不能被有效压紧，会导致钵苗漏顶，从而影响钵苗的利用率和在田间的株距。针对这一问题，本文对鼠笼式有序抛秧机做了结构改进，并对杠杆顶出机构和导苗管的结构参数进行了优化。主要内容和研究结果如下：(1)对现有杠杆顶出机构优化程序实现可视化优化，求得最优参数。(2)以秧盘能被有效压紧为设计目的，对鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机进行结构改进。原有秧盘上列间距为1mm，现改为列间距不均匀的排列方式。相应的对压盘装置做了改进，在压杆上增加滚轮，使得秧盘与压杆之间改为滚动摩擦，减小阻力。(3)以株距均匀性为目标，对钵苗下落过程进行运动学分析，根据抛秧机的总体结构及实际工作环境得出导苗管部分的约束条件，建立优化目标函数，编程得到优化结果，导苗管底圆半径约为169mm，高度为410mm，导苗管半锥角约19.5°。(4)根据优化参数，对鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构和导苗装置进行结构设计。(5)总结全文并提出进一步研究的设想及方法。关键词：水稻钵苗；抛秧机构；导苗管；压盘装置；优化AbstractThisarticlestudiesthecam-leverdetrusionmechanismandseedlingsguide-canalofmouse-cage-cam-leverdetrusiontypeorderedthrowin-gmechanism.Becauseofseedlingsplatecannotbepressedwellonthethrowingmechanism,somericeplotted-seedlingswillnotbepushedout.Iteffectstheutilizationofriceplotted-seedlingsandafterlandinghavinguniformspacingintherows.visualizetheexistingoptimizationprogramofcam-leverdetrusionmechanismandgetthebestresult.2.Improvethethestructureofcam-leverdetrusionmechanismforthegoalofseedlingplatecanbepressedwell.Originalseedling'srowspacingis1mm,nowtherowspacingisuneven.Improvetheplatendeviceforaddingwheelsonthebar.Slidingfrictionwillchangetorollingfrictionbythismethod,andtheresistancebereduced.3.Forthegoalofseedlinghavinguniformspacingintherows,buildthekinematicsmathematicalmodelofseedlingfalling,accordingthrowingmachine'sstructureandactualworkingenvironment,comeofcam-leverdetrusionmechanismoftheconstraintconditions,findconstraintconditionsandgettheresultofoptimization.Theradiusofcone'scircleoftheseedlingsguide-canalis169mm,theheightis410mm,thesemi-coneangleis.4.Accordingtotheoptimizationparameters,themouse-cage-cam-leverdetrusiontypeorderedthrowingmechanismandseedlingsguide-canalaredesigned.5.Intheend,thereisaconclusionforthepaper,andtentativeplansforfurtherresearchareputforward.Keywords：riceplotted-seedlings；throwingmachine；seedlingsguide-canal；platendevice；optimization目录摘要AbstractTOC\t"1,1,2,2,3,3"\h第1章绪论 11.1概述 11.2国外水稻有序抛秧机的发展状况 11.3国内水稻有序抛秧机的发展状况 21.4研究内容和具体方法 8第2章杠杆顶出机构运动学分析和参数优化 92.1杠杆顶出机构的工作原理 92.2杠杆顶出机构运动学分析 92.3杠杆顶出机构参数优化 112.3.1建立优化数学模型 112.3.2优化计算 122.3.3优化程序界面（GUI）设计 142.3.4优化结果 15第3章抛秧机构结构改进 163.1秧盘结构设计 163.2抛秧装置结构改进 183.3压盘装置结构改进 19第4章钵苗下落过程运动学分析和导苗装置优化 204.1钵苗下落过程描述 204.2钵苗下落过程的运动学分析 204.2.1钵苗在空中下落分析 204.2.2钵苗在导苗管上滑行分析 234.2.3钵苗离开导苗管后在空中下落分析 254.3导苗管参数优化 274.3.1建立优化数学模型 274.3.2优化计算和结果 28第5章导苗管的结构设计 30第6章总结与展望 31参考文献 32致谢 33钵苗有序抛秧机优化设计水稻抛秧机毕业论文PAGE4PAGE5第1章绪论1.1概述稻米是世界上的主要粮食，特别在亚洲起到重要作用。根据联合国粮农组织2000年统计，全世界在水稻总产量为5.99亿吨，超过玉米和小麦。亚洲是水稻主要产区，收获面积占全世界的90%。而在我国，稻谷平均单产6.12吨/公顷，是我国粮食中单产最高的作物，是我国的主要粮食。水稻种植机械化对水稻生产具有非常大的影响，具有关资料显示，与传统人工作业相比每公顷可增产稻谷1000kg，按我国现有水稻种植面积计算，水稻种植机械化程度每增加一个百分点，既可增产稻谷3.7亿kg，具有显著的社会和经济效益。实践表明，水稻种植机械化作业可减少劳动用工量40％，大幅度提高工效；机械栽插比人工手插平均节约成本450元／公顷左右[1]。大力推进水稻种植机械化，是解决水稻生产劳动力短缺问题，稳定水稻生产，实现水稻生产节本增效，提高水稻生产的劳动生产率，增加农民收入的重要途径。目前的水稻机械工艺主要有三种模式：插秧、抛秧和直插。而有序抛秧技术拥有在种植过程中，根部无损伤，返青快、低节位有效分蕖多、穗型整齐、成熟一致等优点和明显的增长效果，成了机械研究人员的热点[2]。1.2国外水稻有序抛秧机的发展状况国外水稻抛秧栽培技术最早始于20世纪60年代的日本。日本学者先是借鉴甜菜纸筒的育苗原理，开始研究采用纸筒培育水稻秧苗的移栽技术。20世纪70年代初，日本北海道国立农业试验场开始了纸盘培育小苗技术的研究。1975年，日本北海道农业试验场试验了塑料软盘抛秧技术的研究，研制出抛秧塑料软盘。特别是自购自营模式，规范化加机械化收益尤为显著，是一条致富的捷径。在培植插秧机经营大户的过程中，在政策、资金和技术等方面予以倾斜，并着力推动机插秧服务市场化和社会化。要总结借鉴联合收割机跨区作业已形成的好经验，利用不同地区季节差异，打机插秧时间差，提高插秧机的利用率，引导插秧机跨区作业，增加机手收入。通过推广插秧机，实现机手致富、农业增效和农民增收。创新经营机制和技术路线，促进插秧机推广进入良性循环。积极鼓励单位、集体和个人投资经营插秧机，允许多种模式并存。同时，对暂时以集体名义购置的插秧机，也应及早明晰产权，以塑料育苗软盘，可承包租赁，也可改制给个人。经过在不同气候、不同地点的抛秧试验，证明了水稻塑盘育苗抛秧栽培是一项使用安全、稳产和省力的水稻栽培方法，值得其他国家和地区借鉴推广。此后，尼日利亚、印度和韩国、中国都相继开始了抛秧技术的试验研究和应用。20世纪70年代初，日本北海道曾经研制出各种形式的插秧机和抛秧机，其中有自动6行播秧机、人工喂入半自动l2行插秧机、自动散播机和人力拖动气力式散抛机等，当时，这些机械作业的速度可以满足要求，但作业质量较差。1980年，日本将钵盘育苗与机插秧技术有机结合起来，研制出树脂钵盘大苗插秧机，由于机器结构十分复杂，加工精度高，投资大，且树脂钵盘价格昂贵，农场主不愿投资，因而选择了盘育苗机插技术。目前，国外水稻抛秧栽培面积不大。虽然日本曾率先研究成功水稻抛秧栽培技术，但该技术在日本未能得到推广。因为日本经济发展水平高和劳动力少，注重农机与农艺配套技术，从育秧到插秧综合考虑，而且研制了可供大、中、小苗配套使用的各种型号的插秧机，以工厂化育秧和机械插秧取代了抛秧栽培。尽管如此，由于抛秧技术具有一些独特的优点，在一些适宜的国家和地区仍有着较为广阔的应用前景[3-5]。1.3国内水稻有序抛秧机的发展状况我国水稻抛秧栽培在生产上的应用经历了试验、示范和推广几个时期。20世纪60～70年代，抛秧栽培主要充分调动各方面的积极性。在机插秧试验中，应从实际出发，通过推广机插秧技术，真正为农民服务。从目前的试验情况看，影响机插秧的关键因素是育秧成本过高、插后大田管理技术不成熟。所以，要积极探索可行的技术路线，把机插成本降至接近或低于人工栽插成本。盐城市2001年95％的机插秧采用简易双膜育秧方案，使机插成本降至375元/公顷，与人工栽插育秧成本持平[6]。同时，要组织有关技术专家认真研究近几年的试验情况，分析机插水稻全生育过程的生长特性，尽快形成比较完善的机插秧技术路线，特别是育秧和插后大田管理技术规程，以指导今后机插秧技术的大面积示范推广，为早日解决水稻栽插机械化做贡献。20世纪80年代我国引进了日本的抛秧技术，开展了纸筒和塑料软盘育秧抛栽试验，并在生产上进行了示范，这一阶段纸盘及塑料软盘已初步应用于水稻育苗抛秧，加上化学除草剂的推广应用，抛秧技术也具备了进一步发展的条件。90年代以后，我国改进了育苗技术，采用聚氯乙烯(PVC)片材经吸塑制成钵体软盘，降低了秧盘成本，改进了育苗抛秧和水田栽培管理技术，同时成功研制出了水稻抛秧机，开辟了水稻机械化的又一条新路。抛秧栽培技术被列为国家“九五”农业重点推广技术而进入迅速发展阶段，1998年我国水稻抛秧技术应用面积达到了310多万公顷。我国关于水稻钵苗移栽机械的研究是从20世纪80年代末开始的。1990年延边农学院研制出第一台人力水稻钵苗抛插机，但因抛秧机构工作不可靠，碎钵伤苗率与漏播率高，功效低而未能推广。1992年北京市农机研究所研制出PY一3型带辊式抛秧机，该机主要问题是抛秧过程中钵苗受挤压及摩擦作用碎钵伤苗率超过20％，钵苗入土直立性差。1994年中国农业大学研制出2ZPY系列旋转锥盘式抛秧机，该机抛秧部件是一个高速旋转、内侧有导秧片的倒圆锥甩盘，靠锥盘旋转对钵苗产生离心力作用抛秧，抛秧高度仅达到1.5～1.8m，入土直立性差，倒秧漂秧率高，且对钵体含水率要求较高，易粘盘停机[7]。1995年12日，北京市农机研究所研制出的PY—3型扬场式水稻抛秧机正式通过行业专家鉴定，其原理是利用传动带的高速运动将带钵秧苗抛向空中，使秧苗落入水田，完成抛秧作业，工作效率高，入土深度适宜。但秧苗与传动带接触时受冲击力大，易损伤秧苗，同时秧苗均匀度也受到孔穴带土量轻重的影响，抛秧均匀度不易掌握。1996年，沈阳农业大学研制的气力式水稻抛秧机利用气流抛送原理，使得抛秧高度达2.5～3.5m，作业幅宽达到3.5～4.5m，但仍属于无序抛秧。近几年，人们逐步认识到无序抛秧分布不均、后续作业不便的问题，开始了钵苗有序抛秧机的研究工作。如南京市农业机械化研究所研制的2ZU一6型和2ZB—79型水稻摆秧机，黑龙江八一农垦大学研制的2SP-6型水稻抛秧机，但到目前为止还没能够大面积运用。哈尔滨市对该技术也作了大量实验研究，但大部分是由于地块、地势、资金、人员素质等因素，有所突破，也有所局限，但发展趋势仍不太乐观。我国目前的有序抛秧机型有较多种类，如气吸式、气吹式、气流吹送式、分抛轮式、机械手式、振动式，现介绍几种如下：(1)对辊式拔秧机构由中国农业大学工学院研制的2ZPY—H530型水稻钵苗行栽机，采用对辊式拔秧机构，实现了水稻穴盘育苗的自动拔秧。2ZPY—H530型水稻钵苗行栽机输秧拔秧装置主要由输秧辊、压秧板、上下拔秧辊等组成。其工作原理是：带苗钵盘通过人工放在托板上并喂入到输秧辊上。拔秧辊按一定传动比带动输秧辊转动，当上下拔秧辊的夹秧板对接时，靠夹秧板外缘弹性材料变形产生的夹紧力，将位于上下拔秧辊中间的钵苗夹持并带动其一起运动，最后使得钵苗与育秧盘脱离；当上下拔秧辊转过一定角度后夹秧扳松开，钵苗落入导苗管，完成拔秧工作。研究者以取秧时的秧苗倾角为目标函数建立了秧苗拔取过程的数学模型，对此机型的自动输秧拔秧机构进行了结构参数优化。对水稻秧苗抗拉力学特性及穴盘拔秧性能的力学试验研究表明，水稻从育秧穴中拔出来所需承受的力小于水稻的抗拉力，既表明对辊式拔秧机构是可行的。但结果也表明，秧苗营养钵湿度对拔秧力影响较大，试验表明在秧苗营养钵相对湿度为40%-60%，秧苗拔秧力最小[8]。机架2.输送架3.导苗管4.下拔秧架5.上拔秧辊6.输送带轮7.压秧杆8.压秧板9.秧盘图1-1对辊式拔秧机构(2)机械手式抛秧机构黑龙江八一农垦大学设计的机械手式抛秧机构如图2所示。其工作原理为，秧钳的固定套4与滚筒6刚性联接，随筒回转。滚筒内是固定不动的凸轮5，它的最大突变点离秧盘最近，并对应于取秧位置。当挡铁8撞击开闭凸轮7使秧钳闭合夹秧时，伸缩杆3在弹簧2的作用下迅速缩到凸轮的凹处，将秧苗的钵体从秧盘孔中拔出并离开盘面。秧钳在随滚筒6回转过程中，伸缩杆3的端斜面与凸轮5的外轮廓接触并受其作用向外逐渐伸长。当转过180°。时，开闭凸轮7的撞杆受挡铁9的撞击，使其转过90°。将秧钳撑开，秧苗在秧钳回转惯性力及重力作用下抛向地面。秧钳抛出秧苗后一直保持张开状态，直至取苗位置后又开始重复上面所述的动作。机械手抓取秧苗的准确度和伤秧是该机构要解决的关键问题。水稻植株的大小、高矮、粗壮程度，秧钳抓力的大小等都会影响实际效果。这都对机械手的机构设计和制造精度提出了较高的要求[9]。秧钳2.压缩弹簧3.压缩杆4.秧钳固定套5.固定凸轮6.滚筒7.开闭凸轮8.取秧挡铁10秧盘图1-2机械手式抛秧机构(3)气吸式抛秧机构黄国彦教授利用空气整根营养钵育苗，研发了自动移栽机。投苗单体为该移栽机的关键部件，其工作原理如图3。当秧盘上某个钵腔对准投苗单体的投苗口时，由于投苗活门8是关闭的，在风机的作用下，投苗单体腔内为120mbar的负压。在此负压的作用下，钵苗及由供水管1自由流出的水一起被吸下，并沿投苗管4被加速。钵苗在经过负压气动开关传感器3时，传感器产生一电信号进入微机系统，并指令执行机构适时将投苗活门打开，将钵苗连同一定量的水(约50ml)投射至所开出的沟底上，然后复土镇压，完成一株秧苗的移栽作业。该装置不伤秧、不碎钵、落秧率和成活率较高。但投苗单体少，且送秧、吸秧、落苗三个过程均为间歇运动，限制了整机的作业速度。水管2.秧苗盘3.空气开关4.投苗管5.风管6.活门7.壳体8.投苗活门水管2.秧苗盘3.空气开关4.投苗管5.风管6.活门7.壳体8.投苗活门图1-3气吸式投苗装置示意图(4)气力有序抛秧机构图4为气力有序抛秧机构，其主要工作是将塑盘钵苗以步进的形式、顺畅地喂入到抛秧位置，再利用压缩气流吹出秧盘内的秧苗，并有导苗管落入到田里。塑盘钵苗的步进式喂入是由曲柄摇杆机构的摇杆拨动带齿盘的输秧滚筒完成的。盘2.塑盘钵苗3.摇杆4.连杆5.支架6.曲柄轴7.阀8.导苗管9.抛秧位置10.气流喷嘴11.蓄气罐12.输秧滚筒图1-4气力有序抛秧机构研究者对气力有序抛秧气流场进行了有限元分析，得出0.65MPa和0.5MPa时的抛秧效果比0.8MPa要好，且在射流区域始端和末端的气流速度将达到超音速。(5)钵苗输送排序式抛秧机这类插秧机有一特点，田中抛秧时，人工将秧苗从抛秧盘中拔出，放到输送板上。以黑龙江八一农大开发的钵苗输送排序式抛秧机进行研究。人工将秧苗放在输送齿板上，通过曲柄摇杆机构使输送齿板产生往复摆动或振动，这对散乱的秧苗有排序作用，再由拨秧装置将钵苗拨入导苗管中。这种抛秧机对育秧工艺要求不高，但是由于要求配备喂秧手，浪费了劳动力，且排序均匀性难以得到保证。图1-5钵苗输送排序式抛秧机(6)鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机图1-6是由我校教师研究的鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机。该抛秧机利用凸轮杠杆机构推动顶杆，通过顶杆的运动把钵苗从育秧盘中推出，秧苗经过导苗管落入田中。这种抛秧机结构简单，制造方便，成行性好，植株均匀，但是由于秧盘不能有效地被压紧，会出现钵苗不能被顶出的状况，影响实际使用。图1-6鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机图1-6鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机1.4研究内容和具体方法鼠笼式顶出有序抛秧机压紧装置设计不合理等原因，机器作业完后有钵苗遗留在秧盘上，致使秧苗不能被有效利用且株距不均匀。鉴于以上缺点，本文的研究目的是对这种有序抛秧机构进行结构优化设计，使得钵苗能被有效顶出，而且株距均匀。钵苗能否被有效顶出取决于秧盘是否被压紧，株距均匀性取决于秧苗的顶出率和导苗管形状、位置。本文研究思路为：首先对杠杆顶出机构进行优化，确定凸轮转轴与杠杆转轴的相对位置，为结构改进奠定基础；其次，根据杠杆顶出机构优化结果，以秧盘能被有效压紧为目标，进行结构设计；最后，根据所设计的抛秧机构，对导苗管进行优化，使得株距均匀。研究具体内容如下：(1)对现有杠杆顶出机构优化程序实现可视化优化，求得最优参数。(2)以秧盘能被有效压紧为设计目的，对鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机进行结构改进。(3)以株距均匀性为目标，对钵苗下落过程进行运动学分析，根据抛秧机的总体结构及实际工作环境得出导苗管部分的约束条件，建立优化目标函数，编程得到优化结果。(4)根据优化参数，对鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构和导苗装置进行结构设计。(5)总结全文并提出进一步研究的设想及方法。第2章杠杆顶出机构运动学分析和参数优化杠杆顶出机构是鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机的核心传动部件，其运动性能对整个抛秧机构有着重要影响。只有确定了凸轮和杠杆的相对位置，才能对整个抛秧机构进行结构改进。本章以顶杆行程一定时的凸轮转角最小为目标函数建立优化模型，基于MATLAB语言编程用遗传算法对杠杆顶出机构参数进行优化。2.1杠杆顶出机构的工作原理1.主轴2.凸轮3.杠杆轴4.杠杆5.限位杠6.顶杆7.侧板一8.弹簧9.侧板二10.秧盘11.栅条滚筒图2-1旋转式有序抛秧机构图2-1是杠杆顶出机构工作原理图。鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构主要由转笼、顶杆组件、杠杆组件、凸轮、主轴等组成。其工作原理如下：外部动力通过一个差速齿轮将动力同时传动给主轴和转笼，使他们按一定的速度比同向转动。秧盘卷绕在笼上，随转笼一起转动送进，主轴带动凸轮转动，凸轮在转动过程中接触到杠杆的段臂端（即输入力端），推动杠杆摆动，其长臂端（即输出力臂端）推动顶杆克服弹簧阻力向鼠笼滚筒上的秧盘方向作加速直线运动，顶杆将秧盘内的钵体苗顶出，秧苗脱离秧盘后依靠初速度和重力经导苗管落入田中。当凸轮与杠杆输入力臂端脱离接触后，顶杆在弹簧力作用下复位，等待下一次顶出动作。这样就完成了一个钵苗的顶出过程。主轴轴向共安装有若干个凸轮，分为两组，对应顶出的钵苗分别落入不同的导苗管。每组内的吐露在圆周方向按一定得相位角排开。与凸轮对应的是安装载杠杆上的若干个输出力臂长度略不等的杠杆，每个杠杆对应一个顶杆，每组内的顶杆在圆周方向依次有一微小相位差，以保证顶杆从秧盘钵碗底部的中心顶出钵苗，提高顶出钵苗的可靠性。主轴转一周，秧盘中同一行的钵苗依次被顶出，分别落入田中的两个栽植行中1.主轴2.凸轮3.杠杆轴4.杠杆5.限位杠6.顶杆7.侧板一8.弹簧9.侧板二10.秧盘11.栅条滚筒图2-1旋转式有序抛秧机构2.2杠杆顶出机构运动学分析凸轮最高点的圆曲线轨迹2.杠杆输入力臂端点的圆曲线轨迹3.杠杆输出端初始接触点的圆曲线轨迹图2-2杠杆顶出机构运动示意图图2-2是杠杆顶出机构的机构示意图，O为主轴，A为杠杆支承轴，1为凸轮大径的轨迹圆，2为输入力臂最大极径端点处的轨迹圆。点B为凸轮与杠杆输入力臂的最初接触点，点C为凸轮与杠杆输入力臂最终脱离点。即OB为凸轮最大极径，为杠杆输入力臂的长度，为凸轮角位移，为杠杆角位移。以主轴O为原点，水平放向为X轴，竖直方向为Y轴，建立坐标系。则凸轮最大极径处端点圆1方程为：(2-1)杠杆输入力臂最大极径处端点的轨迹圆2方程为：(2-2)杠杆输入力臂端点与支撑轴A的连线AB方程为：(2-3)令，联立方程（2-1）和（2-3），可得点B轨迹：(2-4)(2-5)联立方程（2-1）和（2-2），可得B点轨迹：(2-6)(2-7)2.3杠杆顶出机构参数优化2.3.1建立优化数学模型为了确保秧苗能被正常顶出且在田间株距均匀，顶杆的顶出速度越快、顶出时间越短越好。顶杆的运动速度则与凸轮的作用时间、杠杆的位置及其结构参数有关。课题组通过作图法设计发现，杠杆支撑轴位置、输入力臂长度、输入力臂初始位置角度等参数的微小变化，都会引起凸轮摆动角和凸轮转角相对较大的变化，较难满足杠杆行程。显然，要找到一个合适的参数，要对设计参数进行多次修改。因此，本文对顶出机构建立运动学模型并进行参数优化。(1)选择变量凸轮杠杆顶出出机构需要确定的参数主要有：杠杆轴心位置和初始安装角、杠杆输入端力臂长度。其他几个参数如凸轮最大极径由整体结构来选取。所以该问题的设计变量为:(2)建立目标函数使顶杆顶出时间最短，其实即是要求凸轮转角即凸轮在与杠杆接触的时间里凸轮转过的角度最小。设凸轮转过角为。则目标函数为：其中分别由(2-4)(2-5)(2-7)(2-6)求得。(3)约束条件的确定以下确定的约束条件为初步估计，可能根据实际需要进行相应变动。受滚筒径向尺寸和顶杆长度的限制，杠杆轴心位置在如下范围变动：杠杆输入力臂长度越小，凸轮转角也越小，但受力增大；、越大，凸轮转角增大。经初步分析、的取值范围如下：最后要保证凸轮与杠杆的接触有一定长度，使其相关部位得到足够强度，故有：2.3.2优化计算根据上述建立方程，本文采用遗传算法优化方法，并通过MATLAB语言编程求解。(1)遗传算法简介遗传算法（GeneticAlgorithm）是一类借鉴生物界的进化规律（适者生存，优胜劣汰遗传机制）演化而来的随机化搜索方法。它是由美国的J.Holland教授1975年首先提出，其主要特点是直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性的限定；具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力；采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的规则。遗传算法的这些性质，已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。我们习惯上把Holland在1975年提出的GA称为传统的GA，主要步骤如下：编码：GA在进行搜索之前先将解空间的解数据表示成遗传空间的基因型串结构数据，这些串结构数据的不同组合便构成了不同的点。初始群体的生成：随机产生N个初始串结构数据，每个串结构数据称为一个个体，N个个体构成了一个群体。GA以这N个串结构数据作为初始点开始迭代。适应性值评估检测：适应性函数表明个体或解的优劣性。不同的问题，适应性函数的定义方式也不同。选择：选择的目的是为了从当前群体中选出优良的个体，使它们有机会作为父代为下一代繁殖子孙。遗传算法通过选择过程体现这一思想，进行选择的原则是适应性强的个体为下一代贡献一个或多个后代的概率大。选择实现了达尔文的适者生存原则。交换：交换操作是遗传算法中最主要的遗传操作。通过交换操作可以得到新一代个体，新个体组合了其父辈个体的特性。交换体现了信息交换的思想。变异：变异首先在群体中随机选择一个个体，对于选中的个体以一定的概率随机地改变串结构数据中某个串的值。同生物界一样，GA中变异发生的概率很低，通常取值在0.001～0.01之间。变异为新个体的产生提供了机会[11-12]。(2)优化流程图和代码图2-3优化流程图2.3.3优化程序界面（GUI）设计由上节描述可知，对杠杆顶出机构进行优化时，由于约束条件取值是估计值，且优化程序中的种群数、遗传代数也是可以任意人为设定的，所以此程序中有些参数需要经常改动。若直接在源程序中改动数据，不仅非常不方便，而且容易出错。所以，本文对上述程序进行了界面设计，并生成了一个可执行文件[13]。GUI设计过程如下：设计一界面，主要包括输入数据和输出数据，界面的合理布局可以使得使用更加方便，所设计的界面如下：图2-4优化程序界面图在相应的单元格中完成编程。一方面使输入数据框和程序中相应字母产生关联，即采集数据；另一方面使计算数据与输出数据框关联，即输出数据。程序见附录。2.3.4优化结果在上述所编好的程序中输入数据，运行得到如下结果：图2-5杠杆顶出机构优化结果图由上述运行结果得：表2-1杠杆顶出机构优化结果（mm）（mm）（mm）（rad）-63.8976.2924.064.94第3章抛秧机构结构改进现有鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机所用秧盘列与列之间间隙为1mm，压杆对秧盘的有效压紧面积小，不能很好的压紧秧盘。这会导致钵苗顶出率下降，影响钵苗使用率和株距的均匀性。为了提高钵苗使用率和保证株距的均匀性，本章对抛秧机结构进行改进。3.1秧盘结构设计本文根据秧盘的尺寸和育秧盘上钵苗位的相对位置来设计抛秧机构的总体结构。所以在确定抛秧机结构前应确定秧盘结构和尺寸。原有的育秧盘形式如图3-1。图3-1原有秧盘图3-1原有秧盘原秧盘每行有16个钵苗位，每列间距只有1mm，这样秧盘就很难压紧，勉强压紧效果也不理想，会出现秧苗没被顶出的现象。为了使钵苗位间有足够间隙来容纳压杆，本文设计了以下三种秧盘形式。样式1保留原有的16个钵苗位，每两列间加宽10mm。样式2亦保留原有的16个钵苗位，3列与4列，6列与7列，8列与9列，10列与11列，13与14列之间各加宽10mm。样式3把钵苗位减为14列。2列与3列，5列与6列，7列与8列，3列与4列，9列与10列，12列与13列之间各加宽10mm。通过比较发现，方案一使得秧盘尺寸扩大了许多。这样会使整个抛秧机尺寸变大，变得比较笨重。方案二也使得秧盘尺寸变大，但尚在许可范围之内。方案三减少了钵苗位，虽增加了空隙，只使得整个尺寸略有增加，符合要求。为了方便压紧和传动，育秧盘两边打孔，栅板做成类似齿轮的形状（图3-5），育秧盘与齿轮做类似链轮链条链条的传动。若在方案二的育秧盘边上加宽打孔，则尺寸过大，在方案三的育秧盘上加宽打孔，尺寸只增加不大。图3-2改进秧盘1图3-3改进秧盘2图3-4改进秧盘3图3-5栅板综上所述，本文选取第三种秧盘改进方案，虽然每行钵苗数目有所减少，但是压紧更方便。图3-6最终选取的秧盘方案3.2抛秧装置结构改进由第二章的优化结果可知，凸轮和杠杆的相对位置及轮廓如下：图3-7凸轮杠杆顶出部分（一组）根据2.1所述原理，秧盘上14个钵苗位应分为两组，每组都有与其对应的7个凸轮杠杆顶出组件和一个导苗管。其七组的机构如图3-8所示：图3-8凸轮杠杆顶出部分再根据所设计的秧盘，确定鼠笼长度，凸轮、杠杆杆和顶杆的排列位置。再进一步设计抛秧机构的总体形式。图3-9所示为所设计的抛秧机的结构图，差速齿轮箱直接将主轴作为输入轴，最后由通过轴承支撑于主轴上的齿轮A一侧的伸出端通过键实现与转轮的的连接和动力传递。此时，主轴和秧盘转笼按照一定的速比转动，实现凸轮对顶杆杆的推动。按照常规设计思路，在主轴上需要由四个轴承支撑，两个用于支撑整个滚筒，两个用于支撑差速齿轮箱。图3-9鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构3.3压盘装置结构改进为了压紧秧盘，设计如图3-10所示的压紧杆组件，此压杆能够方便的转动。A部件能左右移动，往两边移时，可以固定压杆，往中间移时，压杆能转动。在压杆上还装有滚轮，可以把秧盘与压杆之间的滑动动摩擦变为滚动摩擦，减小秧盘所受阻力。图3-10压紧杆组件第4章钵苗下落过程运动学分析和导苗装置优化鼠笼式杠杆式顶出有序抛秧，采用导苗管式移栽机构实现钵苗的有序成行性。本章选取倒圆锥形状的导苗管，倒圆锥形状的导苗管具有较好的导向作用和成行性[14-15]。对倒圆锥形状的导苗管结构参数进行优化，可以更好的发挥其导向和成行性的作用，使得钵苗在田间的株距更加均匀。4.1钵苗下落过程描述钵苗被杠杆顶出机构顶出秧盘后，运动可分为三个阶段：第一阶段，钵苗离开秧盘在空中下落。第二阶段，钵苗碰到导苗管后沿着导苗管下滑。第三阶段，钵苗离开导苗管后在空中下落，以一定速度落入地面。三段运动时间决定了秧苗从秧盘顶出到落入地面的时间。4.2钵苗下落过程的运动学分析4.2.1钵苗在空中下落分析由2.1的介绍可知，课题组设计的鼠笼杠杆顶出式有序抛秧机构在工作时，主轴转一周，秧盘中同一行的钵苗依次被顶出，分别落入田中的两个栽植行中。而由于鼠笼和转轴是差速转动，为保证顶杆从秧盘钵碗底部中心顶出钵体苗，不至顶偏，一组8个杠杆在圆周方向依次有一微小相位差，根据所选具体参数，相邻杠杆相位差为。所以水稻钵苗从育秧盘中快速顶出后，在空中作平抛运动或向下斜抛运动。以顶杆顶出端点为原点，竖直方向为z轴，机器前进方向为y轴，以笛卡尔法则建立如，如图4-2坐标系。图4-1钵体苗运动坐标系图4-2是钵苗在空中受力图，v是钵苗的绝对速度，β为v与x轴夹角（，j表示第几个弹射孔，已在图4-2中表示）为钵苗受到的空气阻力。，其中为漂浮系数，，为漂浮速度。漂浮速度可通过实验的方法测定，跟钵苗长度、抛出角度、土钵湿度等有关，通过实验钵苗的漂浮速度在15—20m/s，本文取。记G、、分别为钵苗的重力、竖直方向空气阻力、水平方向空气阻力，则钵苗在x，y方向的分速度为：，，钵苗在x，y方向所受的空气阻力为：，。图4-2钵苗在空中受力图由牛顿第二定律得：(4-1)(4-2)由于式子（4-1）（4-2）中β是随时间变化的变量，因此不能直接用积分求解速度，可采取数值解法。钵苗的初始速度为：，，取微小时间间隔，设、为的初始速度二维分量，则可得，，，则时间后钵苗速度为：用改进的欧拉方法提高速度计算值的精度：在微小的时间内，其间速度可由平均速度表示，则钵苗的位移量为：则钵苗的总位移为：(4-3)(4-4)设钵苗从秧盘顶出后在空中下落运动的时间为T1，为了求得T1，应确定钵苗在导苗管上的落点。而为了保证钵苗下落有良好的有序成行性，本文采用的导苗管为圆锥的一部分。记Φ为倒圆锥体半锥角，为倒锥体上底面的圆心坐标。贼导苗管曲面的方程为：(4-5)钵苗的坐标在x，z轴上是不停变化的，而在轴上由钵苗在秧盘上的列位置决定，为:(4-6)把秧苗所处的坐标（4-3）（4-4）（4-6）代入倒（4-5）中，若等式满足，则该点为钵苗在导苗管上的落点。若不满足，则需重复上述数值解法步骤，直到寻求到满足（4-5）的点，记钵苗在导苗管上的落点为。此时，可知，为经过微小时间的次数，也可以求出碰撞时的初速度。4.2.2钵苗在导苗管上滑行分析钵苗与导苗管的碰撞，是土壤与导苗管的接触。根据土壤性质。此碰撞为塑性碰撞，碰撞后钵苗只剩下沿管壁方向的速度，如图4-3所示。图4-3钵苗碰撞导苗管时候的速度则钵苗在导苗管上的初速度为：图4-4钵苗在导苗管上的受力图图4-4表示钵苗在导苗管上的受力。表示钵苗对管壁的正压力，表示钵苗所受到的摩擦力，表示钵苗所受到的空气阻力，其中，，，为土钵与导苗管摩擦角[16]。由牛顿第二定律得，钵苗在导苗管上的加速度为：(4-7)因为中有变量,所以不能直接用积分求解。此处也采用数值解法求解。钵苗在导苗管上的初始速度为，取微小时间间隔，设为的初始速度，则时间后钵苗速度为：(4-8)用改进的欧拉算法提高速度计算值的精度：(4-9)在微小的时间内，其间速度可由平均速度表示，则钵苗的位移量为：(4-10)设h为导苗管圆锥底面到顶点的距离，则导苗管倒圆锥体的顶点坐标为，过钵苗落点的圆锥素线方程为:(4-11)钵苗在导苗管下锥口处脱离点的z坐标，H1为导苗管高度，把z带入（4-11），可求得秧苗脱离点的坐标，记作,则钵苗在导苗管上的滑行位移为：(4-12)把(4-10)所求的经过i个时间的与（4-12）中所求得的进行比较，若满足（为人为定的精度），则认为钵苗脱离导苗管。记T2为钵苗在导苗管上的滑行时间，为秧苗脱离导苗管时的速度。,,i为经过微小时间的次数。4.2.3钵苗离开导苗管后在空中下落分析钵苗离开导苗管后，作初速度为的斜抛运动，沿用图4-2所示坐标系，图4-5表示钵苗下落时的速度。设钵苗的绝对速度为v，秧苗从离开导苗管到落地需要时间为T3，导苗管出苗口距离地面的高度为，钵苗速度与轴夹角为。钵苗在，的初始速度为：，。图4-6为钵苗在空中的受力图。图4-5钵苗空中初始运动速度图4-6钵苗在空中的受力图由牛顿第二定律得：(4-13)(4-14)在（4-13）（4-14）中都有随时间变化的变量，因此也可以用数值方法求解钵苗在z方向上的位移，方法同4.2.1中叙述，不再重复说明。若满足（为人为定的精度），则说明钵苗刚入土，可求得，i为经过微小时间的次数。4.3导苗管参数优化4.3.1建立优化数学模型对于顶出式有序抛秧，植株均匀性主要由钵苗被顶出的时间间隔及钵苗下落时间的均匀性决定。钵苗被顶出的时间间隔可以通过调节凸轮间的相位差实现。现假定凸轮在轴上均匀排列，则同一列上钵苗被顶出的时间间隔基本一致。钵苗的下落时间则与导苗管的参数有关，比如导苗管的安装位置、锥角、导苗管高度等。为了使育秧盘上落入同一排不同列位置的钵苗下落时间间隔比较均匀，需要对导苗管的安装位置、锥角和高度等有关参数进行优化。选择变量倒锥体式导苗管中影响钵苗下落时间的参数有：导苗管安装位置即倒锥体上底面圆心坐标，圆锥底面半径为，导苗管圆锥体锥顶到底面距离为h，圆锥体半锥角为，倒圆锥体安装角为，导苗管高度，导苗管出口距土壤高度为。其中，由行距确定，本实列中行距为300mm，按图4-2所示坐标系，，，。所以可以取如下独立变量：建立目标函数由4.1节分析可知，秧苗下落时间由T1,T2,T3组成，设秧苗下落总时间为为T，则T=T1+T2+T3。如图3-2，把落入同一导苗管的秧苗进行编号，分别为1——8，各列秧苗下落总时间记为，j=1，2，...，7，8，相邻两列下落总时间差为：。要使植株间距均匀，应使得的方差最小，所以目标函数为(3)约束条件的确定导苗管要保证半列秧苗落入其中，所以底面圆半径不能小于秧盘宽度的一半，约为165mm。而底面圆半径过大，倒锥角、导苗管高度都会受限制。初步取r为：。底面圆心坐标决定着导苗管与秧苗顶出位置的相对位置关系。如果过小，则秧苗落点在导苗管的较上方，一方面秧苗可能未翻转掉头就接触到导苗管，碰伤秧苗，另一方面由于钵苗触及导苗管时速度较大，容易造成钵苗反弹形成“之”字形滑落轨迹，不利于形成均匀的株距。如果过大，则秧苗可能落不到导苗管上，导苗管起不到导向作用，不利于成行性与植株均匀性。根据钵苗顶出速度估算钵苗大致下落轨迹和钵苗的转体速度，确定的约束条件如下：导苗管高度和导苗管出口距离土地高度的约束条件如下：倒锥体的半锥角越小，钵苗下滑速度越大，下落时间越短，有利于钵苗株距的均匀性，但由于导苗管高度H1和底面圆半径r的限制，不能过大，约束条件如下：为了保证秧盘上1-7列都能落到导苗管上，应保证第一列和第七列与导苗管曲线方程存在交线。因此，必须满足如下等式：4.3.2优化计算和结果由上述分析可知，该优化问题是一个六维强非线性优化问题，可采用遗传算法。由于该问题目标函数计算复杂，本文先编三个子程序，分别用来求取T1、T2、T3，使得程序变的简洁，修改起来更方便。三个子程序分别命名为time1、time2、time3。time1简单流程图如下：图4-8time1简单流程图time2与time1流程图相似，在此不再重复叙述。在对time3实际编程过程中发现，漂浮速度对这一阶段的影响比较小，而总的程序量又很大，运行起来比较复杂，为了简化计算，在编time3过程中忽略漂浮速度。程序代码见附录。有些数据因为条件所限不能精确获得，比如秧苗从顶杆顶出的初速度，土钵与导苗管摩擦角，我们在优化时采用估计值。取=1m/s，，种群数20，遗传代数50，优化结果如下：表4-1导苗管优化结果表x0（mm）z0(mm)r(mm)H1(mm)H2(mm)(rad)233.75-90.59169.12410.65262.300.340第5章导苗管的结构设计导苗管在前文确