溫室果蔬高效風(fēng)送施藥車設(shè)計(jì)

徐瑞峰，張　曼，馮青春，王　秀，趙春江

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京　100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081；4.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100097)

0　引言

隨著溫室面積的逐年增加，溫室自動化施藥設(shè)備及施藥技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛研制[1]。日本、德國、美國等發(fā)達(dá)國家研制的一些溫室自動噴藥機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了無人施藥，降低了溫室作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，避免了化學(xué)藥物對勞動人員的傷害；但作業(yè)效率、噴霧均勻性仍有待提高，且輸電裝置，占用空間大，造價(jià)較高[2-4]。

國內(nèi)的一些溫室自動化施藥設(shè)備還處于研究階段，性能不穩(wěn)定，仍需改進(jìn)推廣[5-8]。國內(nèi)外的施藥設(shè)備主要采用的是噴桿噴霧技術(shù)，施藥方式以“大霧量、雨淋式”的噴霧為主，藥液浪費(fèi)嚴(yán)重，污染環(huán)境；同時(shí)，作物冠層高度較大時(shí)，中、下部作物藥液沉積率低[9]。與傳統(tǒng)施藥技術(shù)相比，風(fēng)助施藥能夠使霧滴細(xì)化均勻、飄散距離遠(yuǎn)、在冠層中穿透力強(qiáng)，從而達(dá)到更好的施藥效果[10]。為此，本文結(jié)合風(fēng)送施藥技術(shù)和PLC控制技術(shù)研發(fā)了一套針對溫室黃瓜、番茄類蔬菜施藥的溫室果蔬高效風(fēng)送施藥車。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　整機(jī)結(jié)構(gòu)

溫室果蔬高效風(fēng)送施藥車主要由軌道式移動平臺、電能輸送裝置、升降噴霧裝置和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

1.光電傳感器　2.T形絲杠　3.龍門架　4.拖鏈　5.風(fēng)機(jī)　6.噴頭 7.升降平臺　8.控制箱　9.電纜線　10.V形導(dǎo)軌　11.繞線輪 12.電極環(huán)　13.軌道車　14.擋板　15.電磁閥　16.球閥　17.藥箱

軌道式移動平臺由軌道車、軌道和擋板組成，軌道車前后兩側(cè)設(shè)置有紅外光電傳感器，用于檢測軌道兩端終點(diǎn)處設(shè)置的固定擋板，用于將軌道車按軌道范圍行駛，外側(cè)軌道上安裝有可隨作物行寬調(diào)節(jié)間距的擋板。電能輸送裝置由繞線輪、排線機(jī)構(gòu)和電極環(huán)組成，排線機(jī)構(gòu)利用往復(fù)絲杠螺母組隨繞線輪旋轉(zhuǎn)左右移動使電纜線整齊纏繞在繞線輪上。升降噴霧裝置由龍門架、升降平臺、拖鏈、風(fēng)機(jī)和噴頭等組成，絲杠豎直安裝在龍門架中間位置，由龍門架底部的直流電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)；出口處固定有噴頭的風(fēng)機(jī)安裝在升降平臺上，升降平臺與絲杠螺母緊固并隨絲杠的旋轉(zhuǎn)沿豎直方向上下移動；拖鏈的兩端固定在升降平臺和龍門架底端，噴頭藥管和風(fēng)機(jī)輸電線置于拖鏈內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)硬件由型號為CPU 224XP CN 的西門子PLC、電機(jī)驅(qū)動器、繼電器、電源，以及控制器外圍各光電傳感器、限位開關(guān)及控制箱上的電源接通按鈕、噴頭升降手動控制按鈕和自動工作啟動按鈕組成，控制著電機(jī)、風(fēng)機(jī)及水泵的啟停和主路電磁閥的通斷。

1.2　工作過程

施藥作業(yè)時(shí)，將繞線輪上的電纜線與溫室的電源插座連接，電源接通后將風(fēng)機(jī)降到龍門架的下方傳感器處，按下控制箱上的自動工作啟動按鈕，施藥車沿軌道行進(jìn)，行進(jìn)過程中繞線輪轉(zhuǎn)動，電纜線伸長。當(dāng)噴頭與作物行對齊時(shí)軌道車停止，水泵、主路電磁閥、風(fēng)機(jī)和驅(qū)動絲杠的電機(jī)啟動，從噴頭中心射出的液柱被噴頭側(cè)壁吹出的高速旋轉(zhuǎn)氣流吹散形成細(xì)小的霧滴，并受風(fēng)力作用到達(dá)作物冠層，因溫室作物每行長度約為6m，霧滴能夠覆著到整行作物上。噴霧過程中，升降平臺沿絲杠上升，上升高度達(dá)2m，行程170cm。因此，噴頭可對黃瓜、番茄類作物沿作物冠層高度方向從底部到頂端依次施藥。當(dāng)龍門架上方的紅外光電限位傳感器檢測到風(fēng)機(jī)時(shí)，水泵、主路電磁閥、風(fēng)機(jī)和驅(qū)動絲杠的電機(jī)停止，軌道車?yán)^續(xù)行進(jìn)，當(dāng)噴頭到達(dá)下一行作物時(shí)，軌道車停止，噴頭從上向下對行施藥，重復(fù)上述操作，沿各行噴霧。當(dāng)施藥車對所有的作物行施藥完成后，施藥車?yán)^續(xù)行進(jìn)，當(dāng)車前端的紅外光電傳感器檢測到軌道末端的擋板時(shí)施藥車停止，隨后施藥車沿軌道后退，同時(shí)繞線輪反轉(zhuǎn)，將行進(jìn)過程中伸出的電纜經(jīng)排線機(jī)構(gòu)整齊纏繞在繞線輪上。施藥車后退過程中不再進(jìn)行施藥作業(yè)，當(dāng)車后端的傳感器檢測到軌道前端的擋板時(shí)，施藥車停止，至此，施藥車完成所有的工作過程。

2　關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1　軌道式移動搭載平臺

常見的移動搭載平臺分3種：輪胎式、履帶式和軌道式[11]。該移動平臺采用軌道式可使施藥車沿軌道定向移動，平臺搭建簡便，對溫室內(nèi)地面要求不高，車子運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)械振動小，如圖2所示。由試驗(yàn)測得，當(dāng)施藥車以超過0.4m/s的速度行進(jìn)突然停車時(shí)，升降裝置有輕微晃動。為保證平穩(wěn)啟動和停車，選定行進(jìn)速度為0.1～0.3m/s。為便于施藥車行進(jìn)過程中便于調(diào)速和換向選用直流電機(jī)[12]，軌道車正常運(yùn)行時(shí)所需功率為450W。由于軌道輪直徑為0.24m，當(dāng)以最大速度0.3m/s行進(jìn)時(shí)，車輪轉(zhuǎn)速約為30r/min，因此最終選用重慶茂田機(jī)械有限公司生產(chǎn)的有刷直流減速電機(jī)，型號為MT23，電機(jī)額定功率為500～1 200W，電壓24V，減速比為19:1，并選用型號為DC 48RT50BL-XW的直流電機(jī)控制器調(diào)節(jié)噴霧車的行進(jìn)速度。為使移動平臺上搭載的電能傳送裝置、藥箱和噴霧升降裝置布局緊湊，通過三維建模將移動平臺尺寸確定為長×寬×高為1 300mm×500mm×300mm。

1.前方停車傳感器　2.車架　3.后橋　4.軌道輪　5.軌道　6.前方擋板 7.后方停車傳感器　8.電線接口　9.側(cè)方停車傳感器　10.側(cè)方擋板

2.2　電能傳送裝置

為了滿足大功率風(fēng)機(jī)AC220V供電及施藥車行進(jìn)過程中持續(xù)供電需求，設(shè)計(jì)了一套電能傳送裝置，通過繞線輪上的電纜線傳輸?shù)绞┧庈嚿系挠秒娫O(shè)備，如圖3所示。施藥車前進(jìn)和后退過程中繞線輪正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)卷線和放線功能。為便于調(diào)控繞線輪的速度，選用型號為86HS35的兩相步進(jìn)電機(jī)和型號為HST2842A的兩相步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動器。為解決電纜線錯(cuò)亂纏繞的問題，在繞線輪前端設(shè)計(jì)了一個(gè)排線機(jī)構(gòu)，使電纜線整齊排列在繞線輪上。

排線機(jī)構(gòu)采用八字往復(fù)絲杠螺母組實(shí)現(xiàn)電纜線的位置隨絲杠螺母左右往復(fù)移動[13]。該裝置的動力源是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過鏈傳動使繞線輪轉(zhuǎn)動，繞線輪通過鏈傳動使往復(fù)絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母隨絲杠轉(zhuǎn)動自動左右往復(fù)移動。電纜線直徑為8mm，往復(fù)絲杠導(dǎo)程為10mm，為使電纜線排列整齊，繞線輪與往復(fù)絲杠傳動應(yīng)滿足如下關(guān)系，即

(1)

式中N1—往復(fù)絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)；

D—電纜線直徑(mm)；

N2—繞線輪轉(zhuǎn)速(r/min)；

S—往復(fù)絲杠導(dǎo)程(mm)。

1.繞線輪　2.導(dǎo)向光軸　3.上限位開關(guān)　4.下限位開關(guān)　5.滑輪 6.絲杠螺母　7.電纜線　8.支架　9.八字往復(fù)絲杠　10.傳動鏈條 11.軸承座　12.電極環(huán)　13.三孔插座　14.步進(jìn)電機(jī)

施藥車前進(jìn)過程中，步進(jìn)電機(jī)處于斷電狀態(tài)，無自鎖，電纜線的張緊力帶動繞線輪轉(zhuǎn)動，解決了放線問題。當(dāng)施藥車后退時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通電轉(zhuǎn)動，帶動繞線輪轉(zhuǎn)動。繞線輪轉(zhuǎn)動過程中電纜線纏繞層數(shù)增多，纏繞直徑變大，致使電纜放線端線速度增大，為使電纜線隨車后退回收，必須滿足各層電纜線在繞線輪上的切向速度與施藥車的移動速度相同。實(shí)際上，由于電纜線纏繞過程中會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致繞線輪上每層電纜線的圈數(shù)不一致，因此難以實(shí)現(xiàn)各層電纜線的切向速度與施藥車的速度相同。

為解決這一問題，在排線機(jī)構(gòu)前方設(shè)計(jì)了一種矩形框，矩形框可繞排線機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向光軸轉(zhuǎn)動，其上、下各有一個(gè)限位開關(guān)。當(dāng)繞線輪轉(zhuǎn)速過快，穿過矩形框的電纜線張緊，提升矩形框觸碰上限位開關(guān)，此時(shí)，通過控制器降低繞線輪轉(zhuǎn)動速度；當(dāng)繞線輪轉(zhuǎn)速過慢，電纜線下垂，矩形框下端觸碰下限位開關(guān)，此時(shí)，通過控制器加快繞線輪轉(zhuǎn)速。繞線輪以電纜線理論纏繞直徑最大時(shí)的轉(zhuǎn)速為矩形框觸碰上限位開關(guān)后的轉(zhuǎn)速Nmin，以電纜線理論纏繞直徑最小時(shí)的轉(zhuǎn)速為矩形框觸碰下限位開關(guān)后的轉(zhuǎn)速Nmax。

實(shí)際要通過輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖頻率改變繞線輪的轉(zhuǎn)速。繞線輪轉(zhuǎn)速和脈沖頻率的計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中V—施藥車移動速度(m/s)；

R—電纜線纏繞直徑(m)；

N—繞線輪轉(zhuǎn)速(r/s)；

f—脈沖頻率(Hz)；

C—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)；

I—傳動比；

θ—步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角(°)。

步進(jìn)電機(jī)上的鏈輪與繞線輪上鏈輪傳動比為I=0.33，驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)為C=4，步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為θ=1.8°。在允許的施藥車移動速度范圍內(nèi)，以最小移動速度Vmin=0.1m/s，電纜線最大繞線半徑0.16m，計(jì)算出Nmin=0.1r/s，fmin=242。以最大移動速度Vmax=0.3m/s，電纜線最小繞線半徑Rmin=0.08m，計(jì)算出Nmax=0.6r/s，fmax=1 454。

2.3　施藥裝置

2.3.1噴霧升降裝置

黃瓜、番茄類作物植株高度約2m，給這類作物施藥需要沿作物冠層從低到高或從高到低連續(xù)進(jìn)行，因此設(shè)計(jì)了一套噴霧升降裝置，如圖4所示。利用長度為1.7m、導(dǎo)程為25mm的T型絲杠螺母組作為升降導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，噴頭固定在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口上，風(fēng)機(jī)固定于升降平臺上，升降平臺安裝在絲杠螺母上。升降平臺一側(cè)安裝有兩個(gè)導(dǎo)向輪，龍門支架的側(cè)方矩形管位于導(dǎo)向輪之間，使平臺能夠隨絲杠的旋轉(zhuǎn)上下移動。升降平臺另一側(cè)安裝有拖鏈，用于封裝管路和電線。驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)的電機(jī)選用扭矩為5N/m，功率為50W的渦輪蝸桿直流減速電機(jī)，輸出軸轉(zhuǎn)速為120r/min。電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制升降平臺的上升和下降，上下光電開關(guān)起到限位作用，經(jīng)計(jì)算每完成一行噴霧作業(yè)需要34s，比人工作業(yè)效率高1倍。

1.上方行程限位傳感器　2.龍門架　3.拖鏈 4.風(fēng)機(jī)　5.噴頭　6.升降平臺　7.絲杠螺母　8.T型絲杠 9.下方行程限位傳感器　10.直流減速電機(jī)

2.3.2噴頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧方式通常是將扇形噴頭或者液力式噴頭安放在風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，利用風(fēng)機(jī)吹出的高速氣流將噴頭霧化的霧滴吹送到靶標(biāo)[10]。噴頭已經(jīng)將藥液霧化成細(xì)小霧滴，經(jīng)過高速氣流的二次霧化作用使霧滴變得極其細(xì)小：一方面造成霧滴飄移性過大；另一方面霧滴過于細(xì)小難以到達(dá)距離較遠(yuǎn)處的靶標(biāo)[14]。

為解決傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧方式的弊端，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力霧化噴頭，如圖5所示。圖5中，藥液管道內(nèi)的箭頭代表液流方向，噴頭殼體與藥液管道之間的箭頭代表氣流方向。出液口錐體結(jié)構(gòu)避免了平板結(jié)構(gòu)對氣流的阻擋作用，錐體內(nèi)的液體流道直徑為2.5mm，形成細(xì)小液柱。噴頭出口處的霧滴形成原理如圖6所示。噴頭出口處有6片導(dǎo)流板，相鄰2片導(dǎo)流板夾角為120°，每兩個(gè)相對的導(dǎo)流板末端與出液口中心在一條直線上。噴頭殼體內(nèi)的氣流經(jīng)過導(dǎo)流板改變方向后在噴霧出口處形成渦流，高速旋轉(zhuǎn)的氣流將中心液柱打散，在圓形噴霧出口范圍內(nèi)的導(dǎo)流板壁上形成液膜，液膜經(jīng)過噴霧出口后撕裂形成液絲，液絲又經(jīng)過噴霧出口吹出的高速旋轉(zhuǎn)氣流吹散形成細(xì)霧滴，并送至遠(yuǎn)處的靶標(biāo)。

1.藥液管道　2.連接法蘭　3.噴頭殼體　4.出液口錐體　5.導(dǎo)流板 圖5　風(fēng)力霧化噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.出液口　2.導(dǎo)流片3.噴霧出口

2.3.3風(fēng)機(jī)風(fēng)量的計(jì)算

目前，風(fēng)送噴霧風(fēng)量的計(jì)算普遍采用置換原則[15]，如圖7所示。溫室風(fēng)送噴霧過程中風(fēng)機(jī)出風(fēng)口風(fēng)速和噴頭上升速度不變，根據(jù)置換原則，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為圖中虛線所示三角形立方體的體積，即

(2)

式中Q—風(fēng)量(m3/s)；

V—噴頭上升速度(m/s)；

H—行寬(m)；

L—行長(m)；

K—衰減系數(shù)。

噴頭上升速度為0.05m/s，行寬0.8m，行長6m，由于作物的阻擋，衰減系數(shù)取值1.5，由此得出風(fēng)量Q=0.18m3/s。選取的風(fēng)機(jī)風(fēng)量必須大于0.18m3/s，最終選擇風(fēng)量為0.45m3/s、功率為1 200W的吸塵器風(fēng)機(jī)作為噴霧風(fēng)機(jī)[16]。

圖7　升降噴霧裝置置換原則計(jì)算簡圖

2.3.4藥液輸送系統(tǒng)

藥液輸送系統(tǒng)由藥箱、水泵、主路電磁閥、回路球閥、主路球閥和輸液管路組成，如圖8所示。水泵選用12V無刷直流葉輪泵，流量為10L/min。回路球閥和主路球閥用于調(diào)節(jié)主路流量，回流管起到泄壓和攪拌藥箱藥液的作用。水泵和主路電磁閥開啟后，藥液經(jīng)水泵進(jìn)液管進(jìn)入有水泵分兩路流出：一路經(jīng)主路球閥和主路管到達(dá)噴頭，另一路經(jīng)回路球閥和回流管進(jìn)入藥箱。

1.水泵　2.回路球閥　3.主路球閥　4.噴頭 5.主路電磁閥　6.回流管　7.水泵進(jìn)液管　8.藥箱

2.4　控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖9所，由型號為CPU 224XP CN的西門子PLC主控器及其信號輸入端單元、信號輸出端單元組成。工作時(shí)，電源接通、手動控制噴頭升降和施藥車自動運(yùn)行；采用按鍵接通或斷開后高低電平作為信號輸入，利用E3F-DS30C4型紅外光電傳感器的感應(yīng)后發(fā)出的脈沖作為停車和噴頭行程限位的信號輸入，利用限位開關(guān)高低電平作為繞線輪速度控制信號。當(dāng)側(cè)方停車傳感器探測到隨作物行設(shè)置的位置擋板時(shí)，產(chǎn)生脈沖信號，控制器通過監(jiān)測該脈沖信號控制移動平臺停止，通過控制各繼電器開啟，依次啟動風(fēng)機(jī)、主路電磁閥、水泵和絲杠正反轉(zhuǎn)電機(jī)；噴頭上升同時(shí)進(jìn)行噴霧，噴頭行程上限位傳感器探測到升降平臺時(shí)產(chǎn)生脈沖信號，控制器通過監(jiān)測該脈沖信號控制各路繼電器依次斷開；絲杠正反轉(zhuǎn)電機(jī)、水泵、主路電磁閥和風(fēng)機(jī)停止工作，移動平臺電機(jī)轉(zhuǎn)動，當(dāng)側(cè)方停車傳感器再次探測到擋板時(shí)，除噴頭移動方向轉(zhuǎn)換下降外，其它動作流程同上。當(dāng)施藥車的前方停車傳感器探測到軌道末端擋板時(shí)產(chǎn)生脈沖信號并發(fā)送給控制器，控制器通過控制直流電機(jī)驅(qū)動器使驅(qū)動移動平臺的電機(jī)停止；控制器計(jì)時(shí)2s后，驅(qū)動移動平臺的電機(jī)反轉(zhuǎn)，施藥車后退，控制器同時(shí)通過控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器使步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，繞線輪回收電纜，電纜線張緊或松弛使繞線輪前方的上、下限位開關(guān)閉合，產(chǎn)生的高低電平信號發(fā)送給控制器，控制器通過監(jiān)測該信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)以快、慢速交替轉(zhuǎn)動。施藥車后退過程中，控制器通過控制繼電器使絲杠正反轉(zhuǎn)電機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)及主路電磁閥停止工作。當(dāng)施藥車的后方停車傳感器探測到軌道的前端擋板時(shí)，驅(qū)動移動平臺的電機(jī)停轉(zhuǎn)，繞線輪的步進(jìn)電機(jī)也停轉(zhuǎn)，至此，施藥車完成工作。系統(tǒng)每次啟動時(shí)，搭載風(fēng)機(jī)和噴頭的升降平臺初始化至龍門架底部或上部位置。施藥車工作過程中，為避免意外因素致使噴霧車緊急停止導(dǎo)致升降平臺處于上下行程限位傳感器之間，設(shè)置了手動升降按鈕，按鈕按下、松開，產(chǎn)生上升沿和下降沿脈沖，控制器監(jiān)測到脈沖信號通過控制繼電器使絲杠電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，即升降平臺上升或下降，最終使升降平臺到達(dá)初始位置。

圖9　控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

3　結(jié)論

1)針對溫室人工施藥勞動強(qiáng)度大、工作效率低、易損傷作物且化學(xué)藥劑易引起作業(yè)人員中毒的問題，設(shè)計(jì)了一套溫室果蔬高效風(fēng)送施藥車，實(shí)現(xiàn)了軌道式移動平臺定點(diǎn)啟停、電纜收放，以及噴頭定點(diǎn)升降噴霧的功能。

2)構(gòu)建電能傳動裝置電纜繞線輪轉(zhuǎn)速控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式，設(shè)計(jì)了一套跟隨軌道移動平臺速度變化的電纜自動收放線裝置。

3)針對傳統(tǒng)風(fēng)送噴霧方式弊端，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力霧化噴頭，并分析了藥液在噴頭出口處形成霧滴的原理。