全自動(dòng)移栽機(jī)輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)的穴盤輸送和精確定位問(wèn)題，設(shè)計(jì)了可適應(yīng)不同規(guī)格穴盤的自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)。通過(guò)PLC控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)穴盤苗的精確定位和輸送。機(jī)械手、輸送機(jī)構(gòu)和栽植機(jī)構(gòu)在控制系統(tǒng)作用下相互配合，完成自動(dòng)移栽。最后進(jìn)行了穴苗盤自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了穴盤輸送機(jī)構(gòu)的合理性。

關(guān)鍵詞：輸送機(jī)構(gòu)；定位平臺(tái)；全自動(dòng)移栽機(jī)

中圖分類號(hào)：S223.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）15-3995-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.049

Abstract： According to the hole tray conveying and precise positioning of full automatic transplanter， an adaptive different size hole tray automatic transport mechanism was designed. The transport mechanism realized the hole tray seedling of precise positioning and transport by PLC control of stepping motor. Manipulator， transport mechanism and institutions planting cooperated with each other in control system to complete the automatic transplanting. Finally， the performance experiments were carried out， the hole tray transport mechanism is verified for its rationality.

Key words： transportation mechanism； positioning stage； full automatic transplanter

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展，蔬菜育苗技術(shù)因具備出苗率高、移栽后病蟲(chóng)害少、緩苗期短、省時(shí)、省工等優(yōu)點(diǎn)，受到了蔬菜栽植業(yè)者的歡迎[1，2]。缽苗移栽機(jī)可延長(zhǎng)穴盤苗的生育期，抵御不利氣候?qū)τ酌绲挠绊?，從而提高穴盤苗移栽的成活率[3-5]。近年來(lái)使用較為廣泛的缽苗移栽機(jī)有鏈夾式、導(dǎo)苗管式和吊杯式等[6，7]，這些移栽機(jī)主要實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)移栽，移栽作業(yè)中是借助人力將穴盤苗投入到送苗體系，制約了穴盤苗的移栽質(zhì)量，不符合現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[5，8，9]。而缽苗自動(dòng)移栽機(jī)的開(kāi)發(fā)能夠滿足從取苗、輸送到栽植的自動(dòng)化，大大節(jié)省了勞動(dòng)成本，提高了移栽質(zhì)量，已成為蔬菜移栽發(fā)展的必然趨勢(shì)[10]。

筆者通過(guò)對(duì)自動(dòng)移栽技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)出基于PLC的自動(dòng)取苗機(jī)械手，能夠較好地完成自動(dòng)取苗[11]。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出與機(jī)械手相匹配的穴盤輸送機(jī)構(gòu)，應(yīng)用PLC控制技術(shù)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)穴盤苗輸送、投苗及栽植等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)穴盤苗的自動(dòng)化移栽，對(duì)今后開(kāi)展全自動(dòng)移栽機(jī)的研發(fā)提供理論參考。

1 穴盤送苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 穴盤的選擇與設(shè)計(jì)要求

穴盤輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)核心是應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穴盤苗的精確定位，作業(yè)時(shí)保持移栽機(jī)械手的位置不變，將穴苗盤及時(shí)、準(zhǔn)確地送至取苗機(jī)械手的取苗點(diǎn)。因此送苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)須考慮到穴盤的選擇和取苗機(jī)械手的位置要求，選取穴盤的外形尺寸為280 mm×210 mm，穴苗盤放置為3×4穴。穴口大小為55 mm×55 mm，穴深60 mm。步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)針對(duì)不同穴距的穴盤，其設(shè)計(jì)滿足以下條件：①穴盤由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單向步進(jìn)輸送；②基于PLC控制的步進(jìn)電機(jī)的輸送步長(zhǎng)可調(diào)，可以滿足不同尺寸穴盤的要求；③穴盤在Y方向做間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，首先沿X方向取出穴盤苗，然后沿Y方向前進(jìn)一格，同時(shí)沿X方向換向移動(dòng)；④苗盤的限位及定位感應(yīng)元件相對(duì)位置可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格穴盤的同步定位。

1.2 穴盤送苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

全自動(dòng)移栽機(jī)穴盤苗移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)架、取苗機(jī)械手、輸送機(jī)構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)及栽植機(jī)構(gòu)等。移栽機(jī)工作時(shí)，穴盤送苗機(jī)構(gòu)在二維定位平臺(tái)的控制下移動(dòng)到取苗點(diǎn)，取苗機(jī)構(gòu)在PLC控制下完成一次取苗，取苗機(jī)構(gòu)和穴盤定位平臺(tái)相配合依次完成送苗、投苗動(dòng)作，取苗機(jī)構(gòu)將穴盤苗送到栽植機(jī)構(gòu)完成移栽。

穴盤送苗機(jī)構(gòu)由定位平臺(tái)與機(jī)械手組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。穴盤送苗機(jī)構(gòu)是在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下通過(guò)PLC控制穴盤橫向、縱向的精確定位，將穴盤苗及時(shí)、準(zhǔn)確地輸送至取苗點(diǎn)，然后通過(guò)取苗機(jī)械手將穴盤苗夾持取出完成自動(dòng)化移栽。穴苗盤輸送機(jī)構(gòu)由兩個(gè)一維線性模組構(gòu)成二維定位平臺(tái)，在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下定位平臺(tái)帶動(dòng)穴苗盤沿X、Y兩個(gè)方向精確定位，保證穴苗盤的準(zhǔn)確送苗，定位速度快，系統(tǒng)重復(fù)性好。穴盤定位平臺(tái)由動(dòng)力元件、傳動(dòng)鏈、十字交叉導(dǎo)軌和滾珠絲杠平臺(tái)等組成，穴盤固定在錐形托盤內(nèi)，托盤與交叉導(dǎo)軌上的連接法蘭固定。傳動(dòng)鏈將動(dòng)力從動(dòng)力元件轉(zhuǎn)換為滑塊，電動(dòng)機(jī)的輸出通過(guò)行星減速器傳動(dòng)滾珠絲桿先旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起來(lái)，它把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成了直線方面的運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)滑塊在滑軌上移動(dòng)，并帶動(dòng)穴盤移動(dòng)。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)的確定

1.3.1 二維定位滑臺(tái)尺寸 穴苗盤輸送機(jī)構(gòu)是通過(guò)PLC控制二維定位滑臺(tái)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)至機(jī)械手的固定取苗點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械手完成取苗時(shí)，定位滑臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下向前移動(dòng)一個(gè)穴孔，如此循環(huán)反復(fù)進(jìn)行，直至整個(gè)穴盤苗全部取完。

定位滑臺(tái)尺寸的確定要依據(jù)機(jī)械手的位置、穴盤的尺寸和取苗速度的要求而定，如圖3所示。定位十字滑臺(tái)的中心應(yīng)能滿足當(dāng)穴盤到達(dá)取苗終點(diǎn)時(shí)候與機(jī)械手不發(fā)生干涉，并保證機(jī)械手能夠準(zhǔn)確地夾持穴盤苗并取出，完成自動(dòng)化移栽。十字交叉導(dǎo)軌的缸體長(zhǎng)283 mm，行程長(zhǎng)150 mm，馬達(dá)標(biāo)配100 W，輸出軸徑8 mm。定位滑臺(tái)的導(dǎo)軌行程長(zhǎng)根據(jù)穴盤的尺寸大小來(lái)選擇行程長(zhǎng)應(yīng)能夠保證穴盤在縱向和橫向進(jìn)給的最大長(zhǎng)度要求，并且穴苗盤不會(huì)和機(jī)械手發(fā)生干涉。根據(jù)PLC程序，機(jī)械手從穴盤的初始位置依“S”形走完整個(gè)穴盤，當(dāng)取苗完成后，為了補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)中間取苗的丟步，穴盤運(yùn)動(dòng)到接近開(kāi)關(guān)的位置程序使得穴苗盤回到取苗的初始位置。

1.3.2 接近開(kāi)關(guān)的位置 在機(jī)械手取苗完成后，為了補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)中間取苗的丟步，在十字導(dǎo)軌的X、Y方向上各固定一個(gè)接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)穴盤運(yùn)動(dòng)到接近開(kāi)關(guān)的位置時(shí)，接近開(kāi)關(guān)被觸發(fā)，向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，編碼器反饋，確保穴盤回到取苗的初始位置。接近開(kāi)關(guān)的作用主要有兩點(diǎn)：①前1排穴盤苗頂完時(shí)，被接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)，進(jìn)入下一穴盤苗；②當(dāng)機(jī)械手完成一個(gè)穴盤的取苗時(shí)，返回起點(diǎn)的過(guò)程中觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)，即可保證穴盤正確感應(yīng)定位。對(duì)于不同規(guī)格的穴盤，改變接近開(kāi)關(guān)的位置，可保證正確感應(yīng)定位。

1.3.3 輸送機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)選型 電動(dòng)機(jī)的選型應(yīng)從二維定位滑臺(tái)和穴盤的輸送速度要求這兩個(gè)方面來(lái)選擇。穴盤苗輸送速度45 mm/s，最大負(fù)載3 kg，步進(jìn)電機(jī)速率為14. 659 7 r/min。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)配合使用，選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為DB2204MA，其電壓為DC 6～36 V，驅(qū)動(dòng)電流為0～1.5 A/相，最高的反應(yīng)頻率為200 kpps，線圈電流在步進(jìn)脈沖停止并且超過(guò)100 ms時(shí)會(huì)自動(dòng)減小一半。電動(dòng)機(jī)的選型以適應(yīng)二維定位滑臺(tái)的移動(dòng)速度為依據(jù)，各參數(shù)的選擇應(yīng)保證定位平臺(tái)的送苗輸送速度。

2 輸送機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制系統(tǒng)及流程

輸送機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)取苗機(jī)構(gòu)與穴盤輸送機(jī)構(gòu)配合完成自動(dòng)化移栽的系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)包括接近開(kāi)關(guān)、PLC編程系統(tǒng)、送苗步進(jìn)電機(jī)、限位開(kāi)關(guān)、電磁閥等。PLC取苗機(jī)構(gòu)在氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)下完成取苗動(dòng)作，并按編程信息實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)構(gòu)的控制，通過(guò)行程開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)送苗機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確定位。在全自動(dòng)移栽機(jī)輸送機(jī)構(gòu)中，通常選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定位滑臺(tái)移動(dòng)，而閉環(huán)控制系統(tǒng)則是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和行程開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)組成。該全自動(dòng)移栽機(jī)輸送機(jī)構(gòu)應(yīng)用PLC編程進(jìn)行調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)單閉環(huán)步進(jìn)定位系統(tǒng)的基本框圖如圖4所示。

控制系統(tǒng)通過(guò)PLC控制穴苗盤的輸送，調(diào)節(jié)穴盤輸送的行程，以適應(yīng)不同規(guī)格的苗盤，控制系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。啟動(dòng)前，設(shè)定a、b、n數(shù)值，穴盤先橫向移動(dòng)，直至第1排穴孔全部取苗，同時(shí)PLC控制電磁閥使機(jī)械手完成取苗，取苗的時(shí)間即為穴盤輸送間隔時(shí)間；接著縱移一格，并計(jì)數(shù)1次；如此反復(fù)直至最后一個(gè)穴盤苗被取出（a×b），此時(shí)計(jì)數(shù)為n-1次，穴盤中的苗株全部取出。穴盤輸送至接近開(kāi)關(guān)時(shí)，接近開(kāi)關(guān)觸發(fā)，給系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)，保證穴盤復(fù)位到取苗初始位置。

3 穴盤輸送機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)及結(jié)果

針對(duì)全自動(dòng)穴盤苗移栽機(jī)的輸送機(jī)構(gòu)定位的準(zhǔn)確性，在江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程裝備中心進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。預(yù)先設(shè)定PLC發(fā)出的編碼器脈沖，在控制程序中輸入暫停功能，工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，穴盤運(yùn)動(dòng)到設(shè)定步長(zhǎng)后，由定位傳感器產(chǎn)生信號(hào)，PLC停止發(fā)送脈沖信號(hào)，輸送暫停，這時(shí)測(cè)量穴盤前進(jìn)距離；測(cè)量完成后，繼續(xù)運(yùn)行程序；電機(jī)驅(qū)動(dòng)穴盤再運(yùn)動(dòng)到設(shè)定步長(zhǎng)，如此循環(huán)。在預(yù)先設(shè)定的脈沖數(shù)下測(cè)量10次步長(zhǎng)的距離，將步長(zhǎng)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算步長(zhǎng)距離的標(biāo)準(zhǔn)差、平均值和穩(wěn)定性系數(shù)，如表1所示。由表1數(shù)據(jù)分析可知，穩(wěn)定性系數(shù)均大于99%，證明該穴盤輸送機(jī)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，理論步長(zhǎng)稍小于實(shí)際步長(zhǎng)，但滯后距離小于阻尼缸，并且比較固定。

4 小結(jié)

設(shè)計(jì)了全自動(dòng)移栽機(jī)的自動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)，該機(jī)構(gòu)由PLC程序控制，步進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)苗盤，通過(guò)編碼調(diào)節(jié)脈沖數(shù)，適應(yīng)不同規(guī)格的穴盤，實(shí)現(xiàn)了穴盤的準(zhǔn)確定位及精確輸送。進(jìn)行了穴盤輸送機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)的精確輸送試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該輸送試驗(yàn)臺(tái)能夠自動(dòng)進(jìn)行取苗、送苗及投苗的試驗(yàn)，驗(yàn)證了該輸送機(jī)構(gòu)的合理性及定位控制的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張振國(guó)，曹衛(wèi)彬，王 僑，等.穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（5）：237-241.

[2] 王培培，李冠峰，劉小文，等.我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化經(jīng)營(yíng)模式的分類研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：245-248.

[3] 董 微，周增產(chǎn)，卜云龍，等.穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)研發(fā)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2014，4（4）：120-124.

[4] 金 鑫，李樹(shù)君，楊學(xué)軍，等.蔬菜穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)分析與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（S1）：1-6.

[5] 盧勇濤，李亞雄，劉 洋，等.國(guó)內(nèi)外移栽機(jī)及移栽技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2011（3）：29-32.

[6] 武 科，陳永成，畢新勝.幾種典型的移栽機(jī)[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2009（3）：12-14.

[7] 俞高紅，劉炳華，趙 勻，等.橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（4）：53-57.

[8] 張 冕，姬江濤，杜新武.國(guó)內(nèi)外移栽機(jī)研究現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)工程，2012，2（2）：21-23.

[9] 董 哲，李樹(shù)君，顏 華，等.變步長(zhǎng)穴苗盤精準(zhǔn)步進(jìn)輸送的研究與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014（11）：91-94.

[10] 張會(huì)娟，胡志超，吳 峰，等.國(guó)內(nèi)育苗移栽機(jī)械概況與發(fā)展思考[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（6）：570-572.

[11] 王艷莉，劉永華，于 泓.穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（6）：409-412.