硕士论文-基于慧鱼产品fischertechnik设计与开发.pdf

四川农业大学 硕士学位论文 基于慧鱼产品（fischertechnik）设计与开发的机械化育苗生 产线模型 姓名：漆向军 申请学位级别：硕士 专业：农业推广农村区域与发展 指导教师：李首成 20081201 摘要 育苗移栽的机械化生产是减轻劳动强度、提高劳动生产率和保证温室作业质量的关 键。但是，在我国因传统低水平的育苗方式与迅速发展的设施栽培不相适应，常因育苗 技术不佳导致育苗失败而延误农时，给农业生产造成难以弥补的损失。随着现代工厂化 农业技术的发展，工厂化高效农业对播种育苗的要求越来越高，迫切需要研究设计适合 我国国情的机械化育苗设备。 本文从我国机械化育苗生产实际和课题研究内容出发，通过调查分析、理论分析和 试验研究对机械化育苗生产线的工作原理以及精密播种装置系统的理论进行了研究。同 时通过传感器控制、L L W i n 3 0 程序调整技术参数对机械化育苗设备进行设计，特别基于 德国慧鱼公司的“慧鱼创意组合模型( f is c h e r t e c h n i k ) ”设计并完成了“机械化育苗 生产线 模型。 整个论文的理论分析和试验研究较为细致，最终将传统的人工育苗方式：基质装盘、 基质压穴、播种、覆基质、浇水五部分结合于一体，实现育苗的机械化、智能化。该模 型充分体现了机械化育苗新理念，区别于传统育苗技术，采用了先进的光电技术、液压 技术、单片机应用技术、自动化控制技术以及生物技术。能够较好地满足精细农业的发 展要求，为机械化育苗生产线的进一步理论研究提供了明确的思路以及研究方向，整个 研究过程对机械化育苗具有实际指导意义。最后，对我国机械化育苗的发展态势和热点 领域提出了具体建议。 关键词：机械化育苗；精量播种；慧鱼创意组合模型；程序控制； I n d u s t r i a l i z e ds e e d l i n gl i n ed e s i g n i n gb a s e do n _ 士1s c h e r t e c h n 1 K A b s t r a c t ：I n d u s t r i a l i z e ds e e d l i n gi st h ek e yt oe a s i n gl a b o r ，r a i s i n g p r o d u c t i v i t ya n dg u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t y B u ti no u rc o u n t r y ，t h et r a d i t i o n a l m o d eo fs e e d l i n gi si n c o m m e n s u r a t et ot h ef a c i l i t i e s ，a n dc a u s e st h el o s so n a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nb e c a u s eo fb a dt e c h n o l o g y W i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e w t e c h n o l o g y ，i n d u s t r i a li z e dh i g h e f f i c i e n c ya g r i c u l t u r en e e dt h en e wm o d eo f s e e d l i n g ，n e e dd e s i g nt h ee q u i p m e n ts u i t e dt oo u rs p e c i f i cn e e d su r g e n t l y B a s e do nt h et e s ta n da n a l y z et ot h eL L W i n 3 0p r o g r a m ，t h i sp a p e rd e s c r i p t t h em o d eo fi n d u s t r i a l i z e ds e e d l i n gl i n eu s i n gf i s c h e r t e c h n i k A f t e rc a r e f u l l ys t u d y ，a n a l y s i sa n dt e s t ，w ec o m b i n e dt h et r a d i t i o n a lm a n s e e d li n gm e t h o d st o g e t h e r ，t h a tis ：b a s ed is h e d ，b a s ep r e s s u r e d ，s e e d li n g ，b a s e c o v e r e d ，w a t e r i n g ，a n dr e a l i z e dm e c h a n i z a t i o na n di n t e l l i g e n t T h en e wc o n c e p t o fi n d u s t r i a l i z e ds e e d l i n gi sd i s p l a y e di nt h i sm o d e l T h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e s o fp h o t oe l e c t r i c i t y ，h y d r a u l i cp r e s s u r e ，s i n g l ec h i p ，a u t o m a t i cc o n t r o la n d b i o l o g ye t c ，w e r ea p p l i e di nt h i sm o d e l I tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to fi n t e n s i v e m a n a g e m e n to fa g r i c u l t u r e ，a n dp r o v i d eap o s s i b i li t yo ff u r t h e rr e s e a r c h I nt h e e n do ft h ep a p e r ，t h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a liz e ds e e d li n gi sp r o p o s e d K e yW o r d s ： i n d u s t r i a l i z e ds e e d l i n g ，i n t e n s i v em a n a g e m e n to fs e e d l i n g ， f i s c h e r t e c h n i k ，p r o g r a m m e rc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名： 导师签名： 关于论文使用授权的声明 时间：文一8 - f7 I p 时间：。己帕；f l lp 本人完全了解四川农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意四川农业大学可以用不同方式 在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名 导师签名： 时间：& o h 3 矿p 钞 时间：文p 胃I _ 杪 以 1 绪论 机械化育苗是蔬菜育苗技术的重大改进，是目前最高级的育苗形式。所谓机械化育 苗，就是像工厂生产产品一样，在完全或基本上人工控制的适宜环境条件下，按照一定 的工艺流程和标准化技术来进行秧苗的规模化生产。这种现代化的生产方式具有效率 高、规模大、生产出的秧苗质量及规格程度高等特点。机械化育苗的生产过程，要求具 有完善的育苗设施、设各和仪器，以及现代化水平的测控技术和科学的管理，使蔬菜秧 苗生产达到快速、优质和专业化、商品化。“1 机械化育苗中心效果图见图1 1 昌i ；燃麓燃器。她。， l l 机械化育苗的意义及特点 机械化育苗的意义 ( 1 ) 采用科学的环境控制和管理，提高秧苗质量； ( 2 ) 节约种子，降低育苗风险和生产成本； ( 3 ) 有利于优良品种的推广，提高蔬菜产品质量和产量； ( 4 ) 利于实现蔬菜的规模化、集约化、商品化生产： ( 5 ) 节省劳力，减轻劳动强度； ( 6 ) 推动传统农业走向现代农业。 机械化育苗的特点 ( 1 ) 育苗设旆现代化，设各智能化。蔬菜机械化育苗需要有完善先进的育苗设施 和设备。应用这些现代化的设施、智能化的设备为蔬菜育苗创造良好的生态环境，保证 秧苗的质量和生产的稳定，不断提高蔬菜生产效率，以获得更大经济效益。例如，在保 护地育苗中，必须有保温、采光良好的保护设施及经济而有效的加温设备及控温系统， 否则，温度管理的指标体系再科学，也无法实现。 ( 2 ) 生产技术标准化，工艺流程化。机械化育苗的重要特征之是技术标准化， 不实行标准化生产就不可能按计划成批地生产出符合产品规格的蔬菜秧苗。要实行标准 化生产，对技术环节指标的确定和整个育苗技术体系的建立，以及育苗生产流程的选择， 都必须是建立在对各种主要蔬菜秧苗生长发育规律及生理生态研究之上。 ( 3 ) 生产管理的科学化。机械化育苗的效果要求具有标准化技术实施的设施和设 备，并使设施和设备的先进性符合实现机械化育苗的技术指标，才能获得最佳育苗效果。 机械化育苗生产技术方案2 1 见图1 - 2 所示 图1 2 机械化育苗生产技术方案 F i g1 - 2T h et e c h n o l o g yp r o g r a mo nI n d u s t r i a l i z e ds e e d l i n g 益测定 1 1 1 机械化育苗对种子的要求 要获得纯正、优质的种子，首先必须从种子生产的全过程严格把关，即优良品种的 2 选择、播种、栽培、收获及收获后整理等都必须按科学的方法、严格的规程来操作，才 能达到标准。其次是对种子的加工、贮藏及播种前的处理等，以保持或迸一步提高种子 的质量。用于机械化育苗的种子是否为高质量的种子，应从以下几个方面来衡量： ( 1 ) 种子的外形是否适于精播机械； ( 2 ) 适宜条件下发芽率的高低； ( 3 ) 适宜条件下发芽快慢及整齐度； ( 4 ) 不适宜条件下发芽快慢及整齐度； ( 5 ) 发芽及幼体植株发育状况； ( 6 ) 有无病虫害； ( 7 ) 种子的丸粒化； 蔬菜种子的丸粒化是一项综合性的新技术，是利用有利于萌发的药品、肥料以及对 种子无副作用的辅助填料，经过充分搅拌之后，均匀地包裹在种子表面，使种子成为圆 球形，以利于机械的精量播种。制做的种子丸粒，具有一定的强度，在运输、播种过程 中不会轻易破碎，而且播种后有利于种子吸水、萌发，增强对不良环境的抵抗能力。3 1 1 2 育苗基质的选配 蔬菜育苗基质在功能上应与土壤相似。在选配育苗基质时应注意以下几个原则： 选择使用当地资源丰富、价格低廉的轻基质。在应用蔬菜穴盘育苗技术时，如何 选择育苗基质是关系到育苗成本和育苗质量的首要问题。在通常情况下，应充分挖掘和 利用当地适合穴盘育苗的轻基质资源，降低育苗基质成本，从而降低穴盘苗的销售价格。 根据各地实际情况，选用炭化稻壳、棉籽壳、锯末、蛭石、珍珠岩等价格低廉基质作穴 盘育苗基质。 育苗基质以配制有机、无机复合基质为好。在配制育苗基质时，应注意把有机基 质和无机基质科学合理组配，更好地调节育苗基质的通气、通水分和营养状况。 育苗基质需具有与土壤相似的功能，利用根系缠绕，以便起坨。 从生态环境角度考虑，要求育苗基质基本上不含活的病菌、虫卵，不含或尽量少 含有害物质，以防其随苗进入生长田后污染环境与食物链。 1 1 3 机械化育苗设施 蔬菜机械化育苗的设施，根据育苗流程的要求和作业性质可分为：基质处理车间， 填盘装钵及播种车间，发芽、绿化、驯化、幼苗培育设施和嫁接车间。试管育苗法还需 3 植物组织培养( 室) 设施。 1 1 4 基质处理车间 蔬菜机械化育苗，一般为批量生产，基质用量较大。而且一般是使用复合基质，有 时还需基质混合搅拌机或消毒机等，所以，基质处理车间不但要存放一定量的育苗基质， 而且还要能容纳以上所说机械，并留有作业空间。基质的存放，一般可搭天棚，周围既 能通风，又利于搬运，还不易受雨淋等。最好不要露天存放，风吹日晒，包装袋易破碎， 不利搬运。雨淋易使营养成分损失，而且容易被污染等。基质混合或消毒，视情况可在 天棚或通风良好的车间，尤其是经消毒后的基质存放要避免与未消毒的基质接触，保证 不再被污染。 1 1 5 填盘、装钵及播种车间 混合、消毒后的基质，即可运到装盘、钵车间。具有机械化育苗设备的装盘、装钵 都是机械完成，即使是营养土块的育苗方式也是由机械完成制块过程。只有在普通育苗 或规模化育苗时，才用手工装盘或钵。育苗工厂中，基质混合搅拌机和装盘、装钵机一 般是与播种流程机械连接在一起的，所以，需要的作业场所要宽敞，至少要有1 4 1 8 米6 - - 8 米的作业面积。在车间内完成自基质搅拌、填盘、装钵至播种后覆土、洒水等 全过程。因此，还要求车间的设施要通风良好，有供水来源。 1 2 机械化蔬菜育苗的方法及工艺流程 目前机械化育苗的方法有钵、盘育苗法，营养土块育苗法和试管育苗法。育苗方法 不同，所需要的设施、设备及工艺流程均有差别。 1 2 1 钵、盘育苗法 钵、盘育苗法是将种子直接播入装有营养基质的育苗钵和育苗穴盘内，在钵、盘内 培育半成苗或成龄苗。这是现代蔬菜育苗技术发展到最高层次的一种育苗方法，这是在 人工控制的最佳环境条件下，采用科学化、标准化技术措施，运用机械化、自动化手段， 使蔬菜秧苗达到快速、优质、高效率的大规模生产。因此，采用的设施也要求档次高、 自动化程度高，空间大，适于机械化操作，室内装有自动滴灌、喷水、喷药等设备，并 且从基质消毒至出苗是程序化的自动流水线作业，有自动控温催芽室、幼苗绿化室、自 动嫁接智能机及促进愈合装置等。 1 2 2 营养土块育苗法 营养土块育苗法是将种子播入由机器制作的营养土地的穴内，直接培育成半成苗或 4 成龄苗。这种育苗方法采用的设施及设施的自控程度，通常与钵、盘育苗法基本相同， 不同的是将配合好的育苗基质直接制成育苗营养土块，而不是填钵、装盘；制成的营养 土块内含有种子发芽所需要的水分及幼苗生长的营养，播种覆土后不再立即浇水。营养 土块育苗因为基质块体积较大，同样面积上的育苗数较少，采用机械嫁接有一定的困难， 故多应用于无须嫁接的蔬菜或扦插育苗。( 流程图1 - 4 ) 。 1 2 3 试管育苗法 试管育苗法是先在人工控制条件下，将植物组织如茎、叶或花药等，在试管内的人 工培养基上进行离体培养，形成具有根、茎、叶的幼苗后，再经试管# b 马l l 化成苗。这种 育苗方法不是用种子繁育秧苗，而是利用植物组织的再生能力培养成秧苗，运用营养钵 进行快速繁殖扩大，因此，又称无性繁殖。这种育苗方法对于难以得到种子的植物，或 能结籽而种子量很少的植物以及属于营养体繁殖植物的快速繁殖来说，是一种很好的方 法。 流程 设施、设备及条件 基质混合，消毒车间、机械； 种子处理、包衣车间、机械等 营养土块制成车间、机械 播种、覆土机械，运输机械等 运输到温室或大棚，运输机 械；温度、湿度、二氧化碳等 自动调控 温室或大棚；温度、湿度、 二氧化碳等自动调控 图1 3 营养土块育苗的流程图 F i g1 3t h en u t r i t i o ns o i lb l o c km a k i n gp r o g r a mO ni n d u s t r i a l i z e ds e e d l i n g 1 3 国内外机械化育苗现状及发展 1 3 1 机械化育苗的内涵 5 机械化育苗是目前较为先进的育苗技术，是以草炭、蛙石、椰子皮、珍珠岩等做 育苗基质，穴盘做育苗容器，机械化精量播种，一次成苗的现代化育苗体系。这项技术 的主要优点是省工、省力、成本低、效率高，便于优良品种的推广和育苗管理的规范； 成苗便于远距离运输和机械化移栽，定植后根系活力好，缓苗快；同时又充分发挥了现 代化温室设备的优势，缩短了育苗时间，因此对实施蔬菜种苗生产的机械化、规模化及 持续高效发展具有特别重要意义。1 1 3 2 国外机械化育苗现状 机械化育苗技术源于7 0 年代的美国，历经近3 0 余年发展，现己日臻完善，并推广普 及到世界各地，尤其在欧、美等农业现代化程度比较高的国家推广普及更为迅速。目前， 从全世界范围看，商品苗生产量第一位的是美国，其次是意大利、法国、西班牙、荷兰， 进入9 0 年代澳大利亚、日本、韩国、以色列等国家穴盘育苗也形成了一定的规模。机械 化育苗技术问世以来，蔬菜育苗移栽面积迅速增加。以美国为例，蔬菜商品苗大约7 0 采用了机械化育苗技术。9 0 年代初，机械化育苗技术生产规模最大的是S p e e d l i n g T r a n s p l a n t i n g 和G r e e n h e a r tF a r m s ，包括花卉在内商品苗年产量都在5 6 亿株，现今， 这两座育苗公司商品苗年产量都扩增了一倍，产量突破了1 0 亿株( 其中蔬菜苗的量占8 0 以上) 。美国主要育苗的蔬菜有芹菜、甜椒、番茄、花椰菜、绿菜花以及生菜、抱子甘 蓝等。采用了机械化育苗技术育苗移栽。虽然购买商品苗费用比露地直播成本加大2 0 ， 但采用移栽苗，种植密度有保证，产量可增2 H 2 0 ，更主要的是移栽比直播作物长势整 齐，有利于机械化收获。 美国等发达国家注重农业的规模化经营，实施规模化经营的前提是建立起一整套社 会化服务体系，而蔬菜商品苗的专业化生产恰恰适应了现代化大农业发展的需要。其育 苗场大部分为专业育苗场，这种育苗场周年生产商品苗，所以形成较大规模育苗量，育 苗场的职能是严格按客户要求的品种、数量、质量和定植期履行合同条款，同时，育苗 公司备有田间移栽作业机械，对就近2 0 0 k m 范围内的用户由育苗公司承担移栽作业，移 植苗随苗盘一起运到作业田间。如果用户与育苗场距离超过2 0 0 k m 供苗半径，则育苗公 司负责把苗在育苗场取出，然后码放进防潮的纸箱里，用大的集装箱车送至用户处。 机械化育苗技术最大优点是成苗时根蛇的根系与基质缠绕在一起，具有很好的保水 能力，如果温度保持较为适宜，穴盘苗从苗盘中取出后4 5 ( 天) 之内再移栽，不会影响 缓苗和生长。还有一部分育苗场是属于那些农场主自己配备的育苗生产系统，不以销售 苗为目的，这类育苗场生产规模不大，育苗作物品种也较为单一。 6 在美国提供商品苗的育苗公司与用户之间从订货到资金结算，通常是电话里或计算 机网上运作，比如G r e e n h e a r tF a r m s ，虽然每年销售商品苗数量1 0 亿株以上，其主要 育苗蔬菜只有5 - 6 种，固定客户也不超过2 0 个农场，但固定客户用苗量约占育苗场全部 商品苗生产量的7 0 一8 0 0 ，固定客户常是通过电话把本年度用苗品种、数量、时间的 订单一次敲定，育苗场把它输入计算机里，双方资金结算是通过银行结转。整个育苗过 程采用机械化育苗，精量播种，一次成苗。从基质混拌、装盘、压穴到播种、覆盖、喷 水等一整套作业在一条作业线上完成，并实现了自动控制。 1 3 3 国内机械化育苗现状 我国自2 0 世纪8 0 年代中期开始引进机械化育苗技术，北京、哈尔滨、天津等城市先 后从国外引进机械化育苗机械化生产线，建立起机械化育苗体系，是我国的蔬菜育苗技 术向现代化的方向迈开的一大步。1 9 8 7 年，京郊花乡建起的我国第一座机械化育苗场正 式投产。目前，全国大部分省市都着手了机械化育苗的试验示范和推广工作。特别是“九 五”以来，各地都在积极调整种植结构，发展适度规模种植，农业现代化、产业化步伐 明显加快，这给机械化育苗带来了新的契机和发展机遇。 值得一提的是，我国已经开始异地育苗远距离运输的尝试，例如黑龙江省大庆市为 解决冬春育苗能耗大、成本高的问题，把育苗场地放在了辽宁省大连市。从气候条件来 说，我国是一个大陆性、季风性极强的国家，冬季严寒，夏季酷热，如果采用异地育苗， 远距离解决用苗，很可能是未来发展的方向。除蔬菜外，林业和花卉穴盘育苗也开始启 动，育苗量正在上升。 “九五 期间，机械化育苗成为“工厂化农业示范工程 项目的重要组成部分， 机械化育苗技术的创新与集成使种苗产业化有了依托和可能。北京、上海、广州、沈阳、 杭州等地先后建立了工厂化农业高效示范园区，发展机械化育苗成为工厂化农业的重中 之重。据不完全统计，目前我国引进和自己设计制造的种苗生产工厂己有7 0 余座，北京 花乡、上海马桥和孙桥、江苏苏州、山东寿光等地在农业部和地方政府的支持下建成了 育苗工厂。 国外发达国家普遍采用温室营养钵育苗，然后进行田间移栽的作用方法。这是当前 提高农业作物产量的主要方法之一。发达国家由于劳力紧缺而昂贵，不可能采用人工移 栽作业。国外本世纪3 0 年代就出现了手工喂苗的移栽机具，5 0 年代研制出多种不同结构 形式的半自动移栽机和简易制钵机。到8 0 年代，半自动移栽机已在生产中广泛使用，制 钵机己形成系列。近1 0 年来，有关部门加强从育苗到移栽整个系统的研究，使育苗和移 7 栽有机结合，研制出多种全自动移栽机，使育苗过程实现机械化、工厂化和设施化。我 国蔬菜育苗机械化移栽与发达国家的差距主要反映在以下几个方面： ( 1 ) 我国蔬菜育苗在铺土、播种、摆盘、浇水的播种过程没有实现全智能化作业。 育苗机具设备与移栽机具发展不同步。发达国家育苗配套化、育苗作业全面智能化，使 用精量播种全自动化，能提高播种精度。 ( 2 ) 我国蔬菜、花卉育苗过程的光、温、水、肥的控制主要在简易的棚内或露天 条件下人工管理。国外工厂化育苗已实现了全自动控制，一系列作业可在联合作业流水 线上完成。n 1 4 机械化育苗主要设备及特征 1 4 1精良播种生产线 在机械化育苗中依据其栽培作物的品种与栽培方式不同，所采取的育苗播种手段也 不同，有些是采用机械化育苗精量播种生产线来完成作业。 该生产线的主要工艺过程包括：基质筛选一混拌一提升装料一穴盘装料一刷平一压 穴一精量播种一刷平一喷水等。流水线全长4 1 m ，宽0 7 m 高1 4 5 m ，运输带表面高度 0 7 8 m ，机器总质量0 5 0 5 t ，功率消耗0 5 k w 。该生产线可实现对7 2 孔、1 2 8 孑L 、2 8 8 孑L 和 3 9 2 孑L 穴盘进行精良播种，播种准确性高于9 5 ，对丸粒种子粒径的要求分别是：大粒 种子为4 - 4 5 m m ，小粒种子或圆形自然种子为2 m m 左右。可播种除瓜类作物外的各种蔬 菜、花卉和某些经济作物。纯工作时间生产率为8 8 盘m i n 。 工作时，操作人员把穴盘接连不断地送到机器的传送带上，播种机就能自动填充基 质材料、刷平，在穴盘的每个穴中央压出一个浅坑，同时把基质压实。播种器精确地在 每个穴中央播一粒种子，接着再覆盖薄薄一层轻基质( 如蛭石) ，以盖住种子并遮挡日 光直射，最后把穴盘表面多余的基质刮平并喷水。n 1 4 2 育苗播种机 ( 1 ) 吸附式育苗播种机 吸附式育苗播种机又分为吸嘴式、板式和磁盘转动式三种形式，比较常见的是前两 种。 图卜5 所示为吸嘴式育苗播种机工作过程：该机由吸嘴、压板、排种板、盛种管及吸 气装置等部分组成，适用于营养钵育苗点播。吸嘴内有孔道与吸气口，用以吸附种子， 里面还装有一顶针，当压板下压顶针时，顶针由吸气口伸出使种子排出。其工作原理过 8 程如下：当吸嘴I 和I I 直立时，压板下压，顶针由吸气口伸出，吸嘴I 吸附的种子落到 电木板上，吸嘴I I 吸附的种子落入电木板的孔内。压板上抬，吸嘴I 下转，此时电木板 右移，当种子孔与输种管相对时，落入电木板孔内的种子依自重落入营养钵的种穴内。 在电木板右移时吸嘴I I 将电木板上种子吸附，转入下方的吸嘴I 自盛种管内又吸附一粒 种子。当再转到上方直立位置时，又重复上述工作过程。该播种装置与制钵机配合使用， 可实现边制钵边联合作业。已播种的营养钵块由输送带送出机外，并装入育苗盘最后送 到催芽室进行催芽。n 7 1 6 图1 4 吸嘴式育苗播种装置工作过程示意图 1 种子2 吸气管3 盛种管4 吸嘴5 吸气口6 压板7 顶针8 带孔铁板9 斜槽 板1 0 电木板11 下挡板1 2 输种管1 3 营养钵块1 4 吸气道1 5 输送带 F i g1 - 4t h es k e t c ho fs u c t i o ns t y l ed e v i c ew o r k i n gp r o g r a m 板式育苗播种机： 如图卜6 所示，板式育苗播种机由带孔的吸种板、吸气装置、漏种板、输种管、育苗 盘和输送机等组成。工作时，种子被快速地撒在吸种板上，使板上每个孔眼都吸附1 粒 种子，多余的种子流回板的下面。将吸种板转动到漏种板处，此时通过控制装置，去掉 真空吸力，种子自吸种板孔落下并通过漏种板孔和下方的输种管，落入育苗盘对应的营 养钵块上，然后覆土和灌水将盘送入催芽室。2 这种类型的播种机可配置各种尺寸的 吸种板，以适应不同类型的种子和育苗方式的需要。该育种方式劳动强度大，效率低， 难以大面积推广。 9 5 图l - - 5 板式育苗播种机 1 、吸孔2 吸种板3 吸气管4 漏种板5 种子6 育苗盘 F i g1 - 5t h ep l a t e - t y p es e e d l i n gg r o wm a c h i n e 还有一种结构简单、操作方便的板式育苗播种机。主要用于水耕栽培。播种器由两 层漏种板交叉而成。先将种子撒在上层板上，一孔一粒，多余的仍流到板子边缘，将漏 种板与育苗箱对齐。因为播种前育苗海绵块己灌满了水，所以不需要再灌水。播种结 束后，一盘一盘地叠放到催芽室，最顶层地一盘要加上盖子以遮光。上述播种机，适 用于营养钵和育苗穴盘的单位播种，有利于机械化作业，生产效率高。但要求种子饱满、 清洁和发芽率高，不能进行一穴多粒播种。 ( 2 ) 磁性播种机 该机是与纸钵育苗配套的机具，一穴内可播数粒种子，有利于选取壮苗。它由播种 设备和电气系统两部分组成。乜n 它的工作原理是利用磁铁原理而制成的，在种子上附着带磁性的粉末，用磁极吸引， 然后再用消磁的方法使被吸上的种子播下。工作时，使用l O O W 的交流电，由整流器转成 直流电，通过电闸盒通过线圈上，此时，磁极的端部就被磁化，吸引住几粒附着磁性粉 末的种子，当电闸闭闸后电流消失，磁性也随即消失，被吸住的种子靠自重下落，播入 钵内，播种结束。n 刀 播种机磁性具有与纸钵规格相同的数目盒尺寸。用于装种用的盛种盘上盛种孔的配 置也与播种机磁极的排列间隙盒数目相一致。播种时选用发芽率高而且饱满种子，把选 1 0 出的种子和磁性粉末装在一小筒里，并加以摇晃一两分钟即可，未黏附的粉末筛出。每 一个纸钵的播种量为3 4 粒种子，待幼苗长出后从中选优。磁性播种机的播量( 即每穴 粒数) 可以调节，其方法是根据输出功率来控制，输出功率越大，则磁极吸附的种子粒 数越多。 1 4 3 我国机械化育苗设备研制现状 随着农村经济结构及种植业结构的调整，我国设施栽培已步人了快速发展的阶段。 目前，我国设施栽培面积已跃居世界之首川。因适应设施栽培的需要，机械化育苗的重 要性已日渐凸显，并逐渐提到日程上来。因此，与机械化育苗相配套的育苗设备的研究 与应用成为了整个环节中的重中之重。目前我国所用的机械化育苗设备多数为简塑秧盘 育苗设备，或采用单独制钵之后再经播种机播种的方式完成制钵播种。很少有采用全自 动流水线作业的机型。伽1 整个育苗的多个环节由人工操作完成，机械的自动化水平相 当低。 据相关文献介绍，机械化育苗生产线是大规模集中培育各种树木、花卉、蔬菜及其 它多种农作物苗木的设备，是适应于现代化农业要求，实现农业产业化的常用设备。目 前我国许多地区都耗费巨资从国外引进了这种设备。在我国农业产业化高速发展的今 天，这种成套设备具有很大的市场潜力。而从国外进口这种设备价格昂贵，一般每套价 格在1 0 0 0 万元以上。伽1 2 0 0 2 年初，平凉普业印刷机械有限责任公司投资2 0 0 0 多万元，开发研制了国内第一 套机械化育苗设备。经过1 0 个多月的安装调试，终于试车成功：试车结果表明，这套国 产设备比国外的同类设备更加先进，每分钟可埋种子1 5 0 0 个。同时，盛种子所用的杯子 用纸筒替代了塑料杯，种子可以连同纸筒一起直接埋进土壤，特制的纸筒在土壤中慢慢 化为肥料，这样，它不仅比国外的同类设备减少了工序，而且更有利于苗木成活。据研 究人员介绍，这套国产设备价格不到进口设备的一半，仅4 0 0 多万元。( 中国乡镇企业 报杨革) 1 4 4 我国机械化育苗设备存在的问题 通过以上对我国工厂化育苗成套设备中精量播种装置的介绍并对应用于实际工作 中的各种类型加以分析，可知我国机械化育苗设备存在的问题大致如下： ( 1 ) 播种装置与育苗成套设备一般为独立工作，所以整个流水线的自动化程度较低， 劳动强度相对较大。 ( 2 ) 多数精量播种装置对裸种的适应性差，一般一种形式的精量播种机只能播种单 一品种或少数几个品种的种子。 ( 3 ) 农机与农艺相脱节主要表现在我国还未实施种子的分级标准未实现“五化”， 给精量播种机的研制带来难题。 ( 4 ) 农机与园艺相脱节。主要表现在多数的精量播种机不能播种催芽种子，这对 秧苗的生长势必会产生一定的影响。 1 5 关于本题研究的立题 1 5 1 立题背景的研究目的 随着农业机械化的发展，农业播种操作也实现了机械化，有国产播种器，也有进口 播种器。据调查，适用于苗盘育秧的精播装置主要由型孔轮式、抽板式、气吸式及气吹 式。其中型孔轮式适用于连续进行的操作，原理虽简单，但结构较复杂。目前，国产播 种器多采用外型孔轮式播种器，只能一次播种一排，不能一次性整盘播种，播种效率低 且种子破碎率高，工作可靠性差。气吸式、气吹式精播装置，其设备复杂，结构庞大， 成本高。而进口制钵生产线上采用的气吸式排种器，虽能实现一次性整盘播种，但存在 结构复杂，操作空间大且成本高的缺点。 目前总体来看，我国在蔬菜工厂化嫁接育苗系统方面还没有相应的配套产品。现有 少数与蔬菜嫁接相关联的设备基本都是直接从国外引进的，国外的嫁接育苗生产线和设 备不仅投资大而且很多方面不适合我国现有蔬菜生产。因此，迫切需要开发和研究适合 我国国情的蔬菜工厂化嫁接育苗设备。 1 5 2 研究的目标和假设 鉴于国外产品价格昂贵，我国设计的产品标准化程度不高，售后服务又跟不上，其 推广效益无法保证。故笔者在四I l 农业大学信息与工程技术学院创新实验室基于德国慧 鱼公司的专利产品“f i s c h e r t e c h n i k 创意组合模型组装了“机械化育苗生产线 模型。 该模型在L L W i n 3 0 软件的控制下根据所输入的参数，能够实现基质装盘、压穴、播种、 覆基质、浇水等全自动化工艺流程。 将模型设计技术引入到农业设备机械设计中，在假设环境下对机械育苗工作过程的 关键部件进行了模拟仿真，可以直观地了解到机械化育苗生产线运行过程中育苗盘的运 动情况。且通过程序控制进行了各种参数下的仿真分析，为物理样机的设计提供了详尽 的参考数据。实践证明。模型设计技术是一种行之有效的新产品开发方法，大大提高了 1 2 设计成功率，有助于降低设计成本，缩短产品开发周期。 本模型体现了农业机械化与自动化相结合的先进思想，展现了机电一体化的先进设 计理念，反映了现代农业高度智能化的发展趋势，能够较好地满足精细农业的发展要求， 为机械化育苗生产线的进一步理论研究提供了明确的思路以及研究方向。 1 5 3 研究的内容和研究方法 研究设计中采用理论和试验相结合的方法确定机械化育苗生产线装置的相关参数 及控制程序。重点研究内容如下： ( 1 ) 根据作业工位的要求以及对现有机械化育苗生产线类型的研究分析确定了整 体方案。其概念设计为：机械化育苗生产线模型工作时，育苗盘接连不断地送到生产线 的传送带上，当光电传感器感应到育苗盘后，基质箱的开关在程序的控制下自动打开， 向育苗盘填充一定量的基质。随着传送带的继续传动，压穴器在育苗盘的每个盘穴里压 出一个浅坑。传送带继续传动，播种器在电脑程序的控制下，精确、精量地在每个穴的 浅坑中播一粒种子，接着再覆盖一定量的基质盖住种子，防止日光直射，并对其进行精 量地浇水。 ( 2 ) 模型搭接并试验验证机械化育苗生产线模型的控制程序。用智能接口板自带 微处理器和E P R O M 存储器，能自动进行数模转换，同时程序可直接下载入接口板中，这 样接口板可独立于P C 机执行控制程序。从模型最终要实现的功能来看，对模型的控制主 要分为4 个方面的控制：检测控制、定位控制、进程控制、计数控制。 ( 3 ) 针对机械化育苗生产线模型的运行流程，以A T 8 9 S 5 2 单片机为核心，将8 2 5 5 A 接口芯片作为单片机的扩展I O 口设计了它的硬件控制电路。该硬件用来控制模型生产 线上各个部位的执行电机。其功能与智能接口板相同，可以替换使用。 ( 4 ) 依据我国蔬菜种植面积大，消费量高，花色品种多，复种指数高等特点分析 了我国蔬菜育苗业潜在的市场。从当前蔬菜育苗发展态势，取决于未来蔬菜生产的总体 趋向，要实现蔬菜生产的现代化，必须改革传统的育苗技术。进而得出设计研究机械化 育苗生产线模型的现实意义。 其主要研究方法为利用德国慧鱼公司的专利产品“f i s c h e r t e c h n i k 创意组合模型， 依据钵、盘育苗法理论基础，组装基质育苗盘，设计自动化育苗生产线模型。该模型是 应用L L W i n 3 O 程序控制装基质、压穴、播种、覆基质和浇水等工艺流程。实现全自动化 育苗，精确、精量地在每个穴的浅坑中播一粒种子的新育苗装置模型。以下简介研究方 法： ( 1 ) 模型技术设计在农业机械开发中的应用 传统的农业机械设备开发过程要经过样机设计、样机试制、田间试验、改进设计、 再试制、试验等多个步骤，这种设计研发过程存在一些致命的缺陷，由于农业机械设备 使用的季节性很强，所以每个实验周期的实际试验时间很短，而农业机械设备的试验性 又很强，试验比重在设计中占有很大。很多参数出自试验。这就造成设计成本高、周期 长、设计难度大、精度低等缺陷，从而严重制约了设计产品质量的提高。其设计过程为： 先进性概念设计，而后绘制图纸，根据图纸生产物理样机，对物理样机进行试验，发现 问题后改进图纸，再生产第二台物理样机，至达到设计要求为止，其流程图为1 - 8 所示。 运用模型技术设计来进行农业机械设备的开发就可以显著的改善这种状况。如图1 - 9 所 示。 N 图1 6 传统设计方案流程图 F i g1 - 6t h ef l o wc h a r to f t r a d i t i o n a ld e s i g n N 图1 7 模型技术设计流程图 F 蟾1 7t h ef l o wc h a to fm o d e ld e s i g n 慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电 子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准 的基本构件( 机械元件电气元件气动元件) ，辅以传感器、控制器、执行器和软件的 配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产 和大型机械设备操作的模拟，从而为实验、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可 1 4 能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国I B M 等一大批著名公司都采用慧鱼模型来 论证生产流水线。 本模型设计主要应用了“慧鱼”中的机械构件、电气构件和智能接口板等。 ( 2 ) 设计机械化育苗生产线模型方案 在机械化育苗生产线模型中应用了大量的传感器技术来实现模型的智能化、自动化 以及精确定位。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的 信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处 理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。也是 设计产品的主要依据。 ( 3 ) 机械化育苗生产线模型控制 机械化育苗生产线模型用慧鱼专利产品中的智能接口板和扩展板作为控制载体， 智能接口板自带的L L W i n 3 0 软件编程，通过程序可以实现模型的自动化控制。并在程 序中修改相关参数，达到生产线运转正常。因输入i i 个，输出8 个，需要使用两块智 能接口板和一块扩展板，这样才能满足控制需求。 ( 4 ) 实验基质的选择为小米或油菜籽，此为模拟基质。主要考虑是取材方便，不形成 真实的育苗效果。也不影响设计机械化育苗生产线的整机效果。种子用铁钢球模拟，也 是考虑到长期实验，不会变质等特点。见图卜7 所示。 ( 5 ) 实验基质盘用慧鱼零部件制作，尺寸依据措接的传送带所限。因机械化育苗生产 线模型为实验室设计，整个模型至浇水后就没有继续设计，故无催芽室等后续过程。 酗】8 模拟基质和种子 F i g l 8a n a l o g u eb a s e d a n ds e c d l l n g ( 6 ) 机械化育苗生产线模型控制用于品牌计算机 创新实验室2 0 0 5 年购置1 0 台戴尔O r t i P l e x3 3 0M T 基本类型台式机，机械化育苗 生产线模型在戴尔O p t i P l e x3 3 0M T 台式机上编写L L W i n 3 0 程序。计算机配置完全能 满足其模型编程要求。戴尔O p ti P l e x3 3 0M T 基本技术参数： C P U 类型I n t e lC o r e2D u o ( 酷睿2 ) 标称频率2 4 0 0 M H z 戴尔O p t i P l e x3 3 0M T 主板内存主板芯片英特尔G 3 1E x p r e s s 芯片组 内存类型D D R I I、内存大小1 0 2 4M B 戴尔O p t i P l e x3 3 0M T 存储性能硬盘容量1 6 0 G B 硬盘描述1 6 0 G BS A T A ( 7 2 0 0 R P M 一8 M B 缓存) 硬盘戴尔O p t i P l e x3 3 0M T 视 频音频显卡类型集成 显卡芯片集成英特尔图形介质加速器3 1 0 0 声卡描述集成A D I - 1 9 8 4 高画质音讯 显示器为1 9 寸宽屏液晶 戴尔O p t i P l e x3 3 0M T 软件系统操作系统M i c r o s o f t W i n d o w s X P 2 、机械化育苗生产线设计平台 2 1 慧鱼创意组合模型( fis c h e r l ：e c h nik ) 系统 1 9 6 4 年，慧鱼创意组合模型( f i s c h e r t e c h n i k ) 诞生于德国，是技术含量很高的工 程技术类智趣拼装模型。慧鱼技术创意组合模型能形象的“在现”设计者的构思，也能 将多学科、多领域的概念，特别是在计算机、机械、电子等领域的综合知识融会贯通于 工程技术实践中。该模型是工程技术模型能够展示科学原理和技术过程，为工厂研究设 计工业自动化机器提供模拟、示范作用。 慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，辅料采用不锈钢芯铝合金架。 尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业 燕尾槽专利设计使六面都可拼接，满足构件多自由度定位的要求，同时可多次拆装。独 特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。“慧鱼”创意组合模型是由机械构件、电气 构件和气动构件组成的。 ( 1 ) 机械构件 机械构件主要包括：齿轮、连杆、链条、履带、齿轮( 普通齿轮、锥齿轮、斜齿轮、 内咬合齿轮、外咬合齿轮) 、齿轴、齿条、蜗轮、凸轮、弹簧、曲轴、万向节、差速器、 齿轮箱、铰链等。 1 6 ( 2 ) 电气构件 电气构件主要包括：直流电机( 9 V 双向) 、红外线发射接受装置、传感器( 光敏、 热敏、磁敏、触敏) 、发光器件、电磁气阀、接口电路板、可调直流变压器( 9 V ，i h ， 带短路保护功能) 、接口电路扳含计算机接口板、P L C 接口板。可控制所有电动模型的 红外线遥控装置，由一个强大的红外线发射器和一个微处理器控制的接收器组成，有效 控制范围为l O m 可分别控制3 个电动机。 ( 3 ) 气动构件 气动构件主要包括：储气罐、气缸、活塞、气弯头、手动气阀、电磁气阀、气管等。 慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、 控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基 本构件( 机械元件电气元件气动元件) ，辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合， 运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型 机械设备操作的模拟，从而为实验、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世 界知名的德国西门子、德国宝马、美国I B M 等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生 产流水线。现在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就 是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。 慧鱼创意组合模型的使用有三个阶段，第一，是根据安装操作手册中的示范，简单 模仿，从而获取技术知识；第二，是根据现有的模型做出合理科学的改进，从而发挥想 象力和创造力；第三，是根据实际应用和知识的扩展，创造出新的模型，从而实现前所 未有的创新。本文研究就是根据机械化育苗的实际要求设计出生产线模型。图2 一i 为慧 鱼创意组合模型搭接的机器人模型 图2 - I 慧鱼产品搭接的机器人模型 2 2L L w i n 30 模块化编程语言