移栽機(jī)自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)性能的試驗(yàn)研究

梁高震，黃 勇，胡 斌，馬 振，羅 昕，安 霆

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆地處我國(guó)西北地區(qū)，目前是全國(guó)最大的番茄生產(chǎn)基地，且大多數(shù)番茄苗種植采用的是育苗移栽技術(shù)。育苗移栽技術(shù)作為一種培植技術(shù)，有著直播不可比擬的優(yōu)勢(shì)，可以提前作物的生育期，有效地避開(kāi)作物受早春低溫、倒春寒等氣候的影響，提高幼苗的成活率，具有顯著的節(jié)本、增產(chǎn)、增收的效果。

新疆地區(qū)番茄穴盤(pán)苗移栽主要是以人工移栽為主，半自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)為輔，其送盤(pán)、穴盤(pán)進(jìn)給完全依靠人工作業(yè)完成，移栽效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，很難實(shí)現(xiàn)大面積、大規(guī)模移栽，直接制約了番茄育苗移栽技術(shù)的田間應(yīng)用與推廣。因此，實(shí)現(xiàn)送盤(pán)動(dòng)作和進(jìn)給動(dòng)作的自動(dòng)化，是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化移栽機(jī)迫切需要解決的問(wèn)題[1-4]。針對(duì)此現(xiàn)象，為了提高移栽機(jī)自動(dòng)化程度，并保證工作時(shí)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，筆者設(shè)計(jì)了一種移栽機(jī)自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)。

1 移栽機(jī)整體布局及送盤(pán)機(jī)構(gòu)的原理

1.1 整體布局

根據(jù)移栽機(jī)的工作原理和性能要求，其結(jié)構(gòu)主要包括送盤(pán)機(jī)構(gòu)、滑道、進(jìn)給機(jī)構(gòu)及栽植器等。本文設(shè)計(jì)的移栽機(jī)利用自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)將穴盤(pán)層上的穴盤(pán)直接分別輸送給3個(gè)進(jìn)給裝置進(jìn)行作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)移栽3行缽苗。移栽機(jī)整體布局如圖1所示。

圖1 移栽機(jī)整體布局俯視圖

1.2 送盤(pán)機(jī)構(gòu)的工作原理

自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、穴盤(pán)層裝置、鏈輪機(jī)構(gòu)、止動(dòng)搖桿機(jī)構(gòu)、止動(dòng)長(zhǎng)形鐵片及傳送帶裝置組成[5]，如圖2所示。機(jī)架中部均勻布置若干個(gè)穴盤(pán)層，穴盤(pán)層上方放有穴盤(pán)，下方與支撐長(zhǎng)桿機(jī)構(gòu)連接，支撐長(zhǎng)桿機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)鏈連接，通過(guò)傳動(dòng)鏈帶動(dòng)穴盤(pán)層運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)鏈上的鏈輪通過(guò)機(jī)架上的軸承座固定。傳送帶裝置放置于穴盤(pán)層前方，傳送帶傾斜并與穴盤(pán)層的傾斜角度相通。當(dāng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，穴盤(pán)層向下移動(dòng)到工作位置，止動(dòng)搖桿機(jī)構(gòu)工作，使穴盤(pán)自動(dòng)下滑到傳送帶上，通過(guò)穴盤(pán)的自重和傳送帶的共同作用使穴盤(pán)到取苗輸送裝置入口處，實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)自動(dòng)化送入取苗輸送裝置。

2 送盤(pán)機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1)試驗(yàn)材料：新疆石河子大棚內(nèi)培育的西紅柿穴盤(pán)缽苗，番茄穴盤(pán)苗品種為“新紅18號(hào)”，穴盤(pán)苗生長(zhǎng)周期為45～48天，缽苗穴盤(pán)的規(guī)格是8×16穴孔。

2)試驗(yàn)設(shè)備：步進(jìn)電機(jī)2個(gè)，傳感器2個(gè)，課題組研制的移栽機(jī)自動(dòng)送盤(pán)、進(jìn)給系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)一臺(tái)，自動(dòng)送盤(pán)、進(jìn)給控制系統(tǒng)一套。其中，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為86BYG350CH -SAKSML-0301，PLC的型號(hào)為三菱FX2N-16MR，激光位移傳感器使用的是日本KEYENCE生產(chǎn)的LB1200型激光位移傳感器。

1.機(jī)架 2.支撐架 3.傳送帶 4.擋板 5.傳送帶 6.軸承座 7.重力傳感器 8.滑道 9.感應(yīng)區(qū)域 10.限位橫梁 11.電磁鐵 12.止動(dòng)長(zhǎng)形鐵片 13.穴盤(pán) 14.穴盤(pán)層 15.傳動(dòng)鏈 16.鏈輪 17.軸承座 18.支撐長(zhǎng)桿機(jī)構(gòu) 19.焊接片 20.位置傳感器 21.鏈節(jié) 22.連接片 23.角接片 24.止動(dòng)片 25.搖桿 26.基座 27.銷 28.隔板

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

穴盤(pán)層輸送的準(zhǔn)確率直接影響著后續(xù)穴盤(pán)是否能夠自動(dòng)滑落，本試驗(yàn)的考核指標(biāo)是該機(jī)構(gòu)送穴盤(pán)層的準(zhǔn)確性，即穴盤(pán)層定位的準(zhǔn)確率。由于穴盤(pán)層是自上向下輸送穴盤(pán)層，所以只分析其在垂直方向產(chǎn)生的誤差。影響穴盤(pán)層位置準(zhǔn)確度的因素主要有鏈輪機(jī)構(gòu)的輸送速度、穴盤(pán)層下降時(shí)鏈條的晃動(dòng)、穴盤(pán)層位置傳感器定位精度及穴盤(pán)層間歇下降固定步長(zhǎng)(500mm)的累積誤差等。

由于在自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中穴盤(pán)層下降的速度較低，對(duì)穴盤(pán)層的輸送定位影響不大，故該因素不作為穴盤(pán)層位置精度的影響因素。當(dāng)穴盤(pán)層沿著垂直方向向下輸送時(shí)，穴盤(pán)層下降時(shí)鏈條的晃動(dòng)、穴盤(pán)層位置傳感器定位精度及穴盤(pán)層間歇下降固定步長(zhǎng)(500mm)的誤差影響著穴盤(pán)層輸送工作位置的準(zhǔn)確性。本方案采用激光位移傳感器測(cè)量當(dāng)穴盤(pán)層達(dá)到工作位置時(shí)穴盤(pán)層出口處邊緣水平高度與滑道上邊緣水平高度的差值，然后分析輸送穴盤(pán)層到工作位置的準(zhǔn)確率，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性。誤差測(cè)量公式為

式中Ap——穴盤(pán)層位置準(zhǔn)確率；

H——穴盤(pán)層下降位移測(cè)量值；

H0——穴盤(pán)層下降位移理論值。

2.3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

為了測(cè)量自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)穴盤(pán)層的位移，在每個(gè)穴盤(pán)層出口邊緣中間位置設(shè)置1個(gè)感應(yīng)片，其被感應(yīng)部分與水平面平行，在滑道上邊緣并處于感應(yīng)片的正下方設(shè)置1個(gè)激光位移傳感器，用于檢測(cè)每個(gè)穴盤(pán)層間歇式下降時(shí)位移測(cè)量值H。

測(cè)量穴盤(pán)層輸送準(zhǔn)確率的試驗(yàn)方案如下：安裝好穴盤(pán)層位移感應(yīng)片和激光位移傳感器后，啟動(dòng)自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)；當(dāng)?shù)?個(gè)穴盤(pán)層遇到穴盤(pán)層位置傳感器(滾輪式行程開(kāi)關(guān))產(chǎn)生脈沖時(shí)，穴盤(pán)層被定在工作位置，此時(shí)用過(guò)激光位移傳感器測(cè)得的H值最大，理論上穴盤(pán)層向下輸送的距離為H0(500mm),記錄第1個(gè)穴盤(pán)層的下降位移測(cè)量值；緊接著自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)電機(jī)啟動(dòng)，穴盤(pán)層向下輸送，當(dāng)穴盤(pán)層位置傳感器第2次產(chǎn)生脈沖時(shí)，第2個(gè)穴盤(pán)層被定位，記錄第2個(gè)穴盤(pán)層的下降位移測(cè)量值；第3個(gè)穴盤(pán)層用同樣的方式測(cè)得下降位移測(cè)量值，將測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行比較，按照誤差測(cè)量公式計(jì)算出穴盤(pán)層輸送到工作位置的準(zhǔn)確率。

自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)中有3個(gè)穴盤(pán)層，每完成1組數(shù)據(jù)測(cè)量即得到3個(gè)測(cè)量值。為了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，本次試驗(yàn)做20組數(shù)據(jù)測(cè)量，即共需要測(cè)量60個(gè)穴盤(pán)層位移數(shù)據(jù)。

為了敘述方案，引入以下幾個(gè)符號(hào)，定義如下：H0為穴盤(pán)層下降位移理論值(mm)；H為穴盤(pán)層下降位移測(cè)量值(mm)；H1、H2、H3分別代表第1、第2、第3個(gè)穴盤(pán)層的位移測(cè)量值。

ΔH為偏差值(mm)，ΔH=H-H0。根據(jù)本試驗(yàn)的方案，ΔH即是穴盤(pán)層位移的偏差值。其中，ΔH1、ΔH2、ΔH3分別代表第1、第2、第3個(gè)穴盤(pán)層的位移偏差值。

Ap為穴盤(pán)層位置準(zhǔn)確率(%)，其中Ap1、Ap2、Ap3分別代表第1、第2、第3個(gè)穴盤(pán)層的位置準(zhǔn)確率。

穴盤(pán)層位置準(zhǔn)確率測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 穴盤(pán)層位置準(zhǔn)確率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表1統(tǒng)計(jì)出每個(gè)穴盤(pán)層的偏差ΔH1、ΔH2、ΔH3的最大值分別為2.21、2.06、1.94mm。每個(gè)穴盤(pán)層位置準(zhǔn)確率分別為Ap1=99.79%、Ap2=99.78%、Ap3=99.78%。相對(duì)于整個(gè)自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)，其準(zhǔn)確率為Ap=99.78%。每個(gè)穴盤(pán)層的位移偏差分布如圖3～圖5所示。在本次試驗(yàn)中，每個(gè)穴盤(pán)層統(tǒng)計(jì)了40個(gè)位移偏差數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)代表每個(gè)穴盤(pán)位移偏差的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)代表其對(duì)應(yīng)的位移偏差值。

圖3 穴盤(pán)層位移偏差ΔH1分布圖

圖4 穴盤(pán)層位移偏差ΔH2分布圖

圖5 穴盤(pán)層位移偏差ΔH3分布圖

從以上3個(gè)分布圖中的數(shù)據(jù)可以看出：自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)中穴盤(pán)層位移偏差的最大值為2.21mm。最大偏差值相對(duì)較大的原因是：穴盤(pán)層下降時(shí)，鏈條帶動(dòng)穴盤(pán)層輕微擺動(dòng)；不過(guò)其產(chǎn)生的誤差仍在可控范圍內(nèi)，可以將穴盤(pán)層工作位置向上微調(diào)3mm，即可保證穴盤(pán)層上的穴盤(pán)在滑落時(shí)不發(fā)生干涉。由此驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方案的合理性。

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)，介紹了該種移栽機(jī)的整體布局及送盤(pán)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理，通過(guò)穴盤(pán)層裝置、鏈輪機(jī)構(gòu)、止動(dòng)搖桿機(jī)構(gòu)、止動(dòng)長(zhǎng)形鐵片及傳送帶裝置的共同作用實(shí)現(xiàn)自動(dòng)有序送盤(pán)功能。

2)設(shè)計(jì)了送盤(pán)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)方案，針對(duì)自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)的穴盤(pán)層位置準(zhǔn)確率進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲取了試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)的穴盤(pán)層位置準(zhǔn)確率達(dá)到99.7%以上，驗(yàn)證了自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3)通過(guò)自動(dòng)送盤(pán)機(jī)構(gòu)的性能試驗(yàn)，找出了影響試驗(yàn)性能的不利因素，為提高移栽機(jī)自動(dòng)化性能提供了理論依據(jù)。