膜上钵苗移栽是将铺膜种植和钵苗移栽农艺结合,其优点在于:(1)可以选择适宜的时候提前铺膜,有利于提高地温、保水保墒,移栽后作物缓苗期短,定根早、发育早,延长作物生长期;(2)可以提高作物的单产,一般比不铺膜的种植方式提高产量50%,甚至100%;(3)可以提早育苗,有利于获得壮苗;(4)可以选择适宜的时候移栽,有利于避开干旱、洪涝、霜冻等恶劣的气候环境。膜上钵苗移栽这种农艺方式在我国地处欧亚腹地的新疆农业区应用非常广泛。新疆农业区地处我国的西北部,容易受春旱、霜冻等恶劣气候的影响,采用膜上移栽可以大幅提高新疆农业区的产量,增加农民的经济效益。虽然膜上钵苗移栽在新疆农业区应用广泛,但少部分采用半自动膜上钵苗移栽机作业(人工取苗、喂苗,装备打孔、栽植),大多采用人工移栽方式(人工膜上打孔、膜下扎穴、取苗移栽和覆土镇压),劳动强度大,机械化程度低,作业效率低。目前,我国急需高效、轻简化的膜上钵苗移栽装备。欧美等发达国家对膜上钵苗移栽装备的研究目前处于国际领先水平,其通过组合单片机、电磁阀、机械手等机电一体化成果,用多套机构或装置完成膜上钵苗移栽,发明了膜上钵苗移栽机。由于其拼凑了大量的机电一体化成果,导致移栽装备结构复杂、成本高,只能用于经济作物移栽,目前大田作物膜上钵苗移栽装备仍是空白。该文通过机构创新和优化设计,解决了回转式膜上钵苗移栽装备的多参数、多目标、强耦合性的复杂优化问题,提出了一种纯机械的回转式膜上钵苗移栽机构,用一个机构完成膜上钵苗移栽所需的取苗、输送、破膜、打孔和栽植等一系列动作。将钵苗移栽机构的开发由杆机构转向高效、轻简化的回转机构(非圆齿轮不等速行星轮系),降低了成本,提高了效率,攻克了大田作物回转式膜上钵苗移栽装备开发这一难题。该文完成的主要工作如下:(1)提出了一种回转式膜上钵苗移栽机构,该机构将不等速行星轮系和平面杆机构结合,通过行星轮与行星架间的不等速转动驱动平面四杆机构,用一个机构完成膜上钵苗移栽所需的取苗、输送、破膜、打孔和栽植等一系列动作,其中不等速行星轮系完成取苗、输送和栽植所需的复杂轨迹和姿态,平面四杆机构完成破膜和打孔所需的复杂轨迹和姿态。(2)以行星架转角为已知变量(行星架作匀速转动),建立了回转式膜上钵苗移栽机构系统的运动学理论模型,得到了移栽臂和扎穴铲轨迹和姿态的解析公式,为开展回转式膜上钵苗移栽机构的研究奠定了理论基础。(3)以节曲线上的一系列点集为已知条件,提出了非圆变位齿轮的成型理论与方法,推导了非圆变位齿轮的插齿加工数值计算模型。该模型模拟插齿范成齿轮的过程,忽略刀具的切削运动和径向进给运动,只考虑分齿展成运动,由插齿刀的渐开线齿廓包络出非圆齿轮的不规则齿廓。另外,为了避免非圆齿轮出现齿廓失真和根切,该文提出了判断非圆齿轮出现齿廓失真和根切的条件,并在成型非圆齿轮齿廓时引入变位系数,在齿廓失真和根切的啮合点采用变位的方式减少或避免其发生。(4)根据建立的运动学理论模型,开发了回转式膜上钵苗移栽机构的优化设计软件。该软件可以根据输入的机构参数,快速而精准地求解出移栽机构的轨迹和姿态。该文将“参数导引”启发式优化算法融入该软件中,通过建立各个目标与参数群间的函数关系,将几何目标数字化,实现了移栽机构参数的全自动优化。使用者只需根据设计要求输入相应的目标范围,本软件即可自动完成移栽机构的参数优化,并将优化目标以进度条的方式直观地显示在软件界面上。该软件已获得软件著作权(登记号:2015SR116782)。(5)该文开发了非圆变位齿轮的三维自动成型软件,该软件可以自动读取节曲线的点数据,并根据输入的非圆变位齿轮的参数(齿数、压力角和模数等)自动成型非圆变位齿轮的三维模型。非圆变位齿轮自动成型软件已获得软件著作权(登记号:2015SR116782)。该文通过3D打印技术试制了该软件生成的非圆变位齿轮,并结合三维扫描技术对其进行了逆向检测,验证了所成型非圆变位齿轮的不等速传动比曲线。(6)利用所开发的优化设计软件解决了回转式膜上钵苗移栽机构的多参数、多目标、强耦合性的复杂优化难题,得到了一组满足膜上钵苗移栽要求的参数,并以一组较优的机构参数为基础,分析了各个参数对目标的影响规律,为移栽机构的开发和改进提供了理论依据。(7)建立了回转式膜上钵苗移栽机构的虚拟样机模型,并在系统动力学仿真软件——ADAMS中完成了虚拟样机仿真试验。通过虚拟仿真试验得到了移栽机构相对运动和绝对运动的轨迹和姿态,虚拟仿真结果与优化软件结果的一致性相互验证了虚拟仿真和优化软件的正确性。(8)借助3D打印技术,研制了回转式膜上钵苗移栽机构的物理样机,并结合高速摄影技术,完成了移栽机构轨迹和姿态的验证试验。高速影像分析得到的轨迹和姿态与优化软件、虚拟仿真结果基本一致,相互验证了理论分析、优化软件、虚拟仿真和物理样机的正确性。(9)开发了回转式膜上钵苗移栽机构的台架试验系统,该试验系统主要由秧箱、送秧机构、移栽机构和条形土槽组成。该文在所开发的试验系统上完成了无膜打孔试验和破膜试验。经测试,破膜和打孔结果与设计值基本一致。用课题组开发的穴盘培育了辣椒苗,并在试验台架上完成了取苗试验和土槽移栽试验。试验表明移栽机构可以依次完成取苗、输送、破膜、打孔和栽植动作,验证了回转式膜上钵苗移栽机构的可行性。膜上钵苗移栽装备需完成铺膜、注水、钵苗移栽和覆土镇压等过程,该文只针对钵苗移栽过程开发了一种回转式膜上钵苗移栽机构,用一个机构完成取苗、输送、破膜、打孔和栽植等动作,未对其他作业过程的装备作深入研究。接下来的工作还需对膜上钵苗移栽装备进行系统地研究,开发整机并进行田间试验。另外,该文只对回转式膜上钵苗移栽机构进行了运动学分析,优化设计也是在运动学范畴内完成的,尚未在动力学层面分析和优化,接下来的工作还需对回转式膜上钵苗移栽机构的受力、振动等动力学特性进行分析和优化。