智能移動式噴藥機(jī)的設(shè)計

高榮揚(yáng)，陳 凱

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

植保機(jī)械對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的影響[1]。優(yōu)秀的植保機(jī)械使得現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加高效、安全，是推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要因素。我國植保機(jī)械發(fā)展較為緩慢，目前我國植保機(jī)械主要有小型的背負(fù)式的噴霧器、迷霧機(jī)和自走式的噴藥機(jī)，這種機(jī)械的主要特點(diǎn)就是噴藥效率慢，作業(yè)強(qiáng)度大，而且對人體危害比較嚴(yán)重，所以目前我國在中小型噴藥機(jī)領(lǐng)域還存在嚴(yán)重的不足。到目前為止，先進(jìn)的植保機(jī)械仍舊主要存在于歐美等發(fā)達(dá)國家，他們的很多設(shè)備都使用了目前較為前端的技術(shù)，噴藥效率高，自動化程度較高，而且對人體危害性較小[2]。

基于此，筆者研究設(shè)計了智能移動式噴藥機(jī)。該噴藥機(jī)的設(shè)計主要針對于中小型大棚內(nèi)農(nóng)作物的噴藥，與傳統(tǒng)的背負(fù)式的噴霧器和迷霧機(jī)相比，該機(jī)械不僅提高了噴藥效率，而且自動化程度較高，噴藥過程中對人體危害較小，在一定程度上改善了目前國內(nèi)中小型噴藥機(jī)上的缺陷。

1 傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計該傳動系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能：①適用于中遠(yuǎn)距離的大棚作物噴藥。②能夠根據(jù)不同作物要求調(diào)節(jié)噴頭到作物的噴藥距離。③能夠根據(jù)不同的噴藥行程調(diào)節(jié)噴頭行走距離。根據(jù)這些要求利用solidworks三維繪圖軟件在建模環(huán)境下設(shè)計了傳動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

在設(shè)計過程中，底座的各個桿件之間以及桿件與板材之間均采用焊接的連接方式，這樣確保了機(jī)械工作過程中的強(qiáng)度要求[3]。利用電動推桿來調(diào)節(jié)噴架的高度，從而實現(xiàn)不同高度農(nóng)作物的噴藥需求。

該機(jī)械動力方面采用了直流電機(jī)來提供牽引力，用蓄電池進(jìn)行供電，這樣避免了噴藥車行走過程中布線雜亂的問題。噴藥機(jī)的后輪底座采用了萬向輪結(jié)構(gòu)，可以方便在噴藥結(jié)束后移到下一個位置，前輪使用大的行走輪，保證了噴藥過程中行走的通過性。

1.2鋼絲繩張緊力計算要實現(xiàn)噴架在鋼絲繩上的水平直線往復(fù)運(yùn)動，首先要限制鋼絲繩的懸垂度[4]。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定，將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線，將噴架視為載荷，當(dāng)噴架處于運(yùn)行軌道中間位置時，鋼絲繩的懸垂度最大[5]，且噴架運(yùn)動時是處于兩鋼絲繩中間位置，所以噴架分布在每根鋼絲繩上的重力是一樣的，每根鋼絲繩所受張緊力相等[6]?，F(xiàn)只分析單根承重鋼絲繩的張緊力，將該傳動系統(tǒng)簡化如圖2所示。

圖2中，A端視為鋼絲繩的固定端，B端視為鋼絲繩所受拉力端，A、B兩端的距離LAB為鋼絲繩跨距，P點(diǎn)為噴頭載荷所在位置，載荷重力為Fp，于是可得：

載荷P處的鋼絲繩撓度

AP段重心坐標(biāo)

PB段重心坐標(biāo)

圖1 傳動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of transmission system

圖2 單根鋼絲繩受力模型Fig.2 Stress model of single wire rope

現(xiàn)要求該噴架在傳動過程中下垂度fP≤0.4 m，取噴架行程x0≤30 m，忽略藥管的重量，噴架自重Gp≤50 N，代入公式得張緊力HP≤810 N。

根據(jù)鋼絲繩的最大張緊力[7]，計算鋼絲繩的直徑d：

其中當(dāng)安全系數(shù)n=3時，鋼絲繩的選擇系數(shù)C=0.07，S為鋼絲繩所受張緊力[8]，由計算結(jié)果得知，預(yù)選2 mm鋼絲繩符合張緊力的要求。

1.3傳輸系統(tǒng)的工作流程該系統(tǒng)采用的是3根鋼絲繩傳動的機(jī)構(gòu)形式，將承重功能和牽引功能分開。使用2根直徑為2 mm的鋼絲繩作為承重鋼絲繩，再使用1根1 mm的鋼絲繩作為噴架的牽引鋼絲繩，來實現(xiàn)噴架的往復(fù)噴藥動作。

2根承重鋼絲繩的一端分別固定在子車的鋼絲繩固定處，兩車上分別裝有85 kg的配重，2根鋼絲繩的另一端分別連接在主車上的2個鋼絲繩繞線器上。當(dāng)母車啟動后，主車上的2個張緊電機(jī)轉(zhuǎn)動后，承重鋼絲繩收到810 N的張力而張緊，此時噴架在兩車上的牽引電機(jī)的作用下實現(xiàn)往復(fù)噴藥工作。

工作時，按下主車上的啟動按鈕，張緊電機(jī)1和張緊電機(jī)2正向轉(zhuǎn)動拉緊2根導(dǎo)軌鋼絲，當(dāng)主車支撐架上的2個張力開關(guān)達(dá)到設(shè)定值后，分別停止張緊電機(jī)1和張緊電機(jī)2的轉(zhuǎn)動，此時借助與張緊電機(jī)1和張緊電機(jī)2連接的繞線器的自鎖功能，2根導(dǎo)軌鋼絲處于拉緊狀態(tài)。當(dāng)2個張緊電機(jī)都停止轉(zhuǎn)動后，電磁離合器1接通，牽引電機(jī)3開始正向轉(zhuǎn)動，經(jīng)過牽引鋼絲繩帶動噴架做一次行程的噴藥。當(dāng)噴架移動至行程末，靠近接近開關(guān)1時，電磁離合器1斷開，牽引電機(jī)3停止轉(zhuǎn)動，然后按下松開按鈕，使張緊電機(jī)1與張緊電機(jī)2接通并反轉(zhuǎn)一段時間后停止，使2根導(dǎo)軌鋼絲松開，以方便兩小車移動到下個位置做另一次噴藥。

在2個小車移動到下個位置時，按下主車上的啟動按鈕，張緊電機(jī)1與張緊電機(jī)2正向轉(zhuǎn)動拉緊兩根導(dǎo)軌鋼絲。然后按下子車的開始按鈕，接通電磁離合器2和電磁離合器3，同時牽引電機(jī)4與滾筒電機(jī)5正轉(zhuǎn)，此時噴頭在牽引電機(jī)4的拉力下進(jìn)行第2次的噴藥，藥管由滾筒電機(jī)5進(jìn)行回收，當(dāng)噴架移動至行程末靠近接近開關(guān)2時，電磁離合器2斷開，牽引電機(jī)4停止轉(zhuǎn)動，然后按下主車松開按鈕，使張緊電機(jī)1與張緊電機(jī)2接通并反轉(zhuǎn)一段時間后停止，使2根導(dǎo)軌鋼絲松開。

2 可編程邏輯控制器(PLC)控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1控制系統(tǒng)硬件配置該控制系統(tǒng)選擇PLC作為控制中心。因為PLC的環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，功能容易擴(kuò)展，而且后期故障處理較為簡單[9]。在該傳送系統(tǒng)中只有數(shù)字量的輸入與輸出。根據(jù)控制流程，在母車的PLC控制系統(tǒng)有2個輸入按鈕，1個接近開關(guān)，1個張力開關(guān)，一共4個輸入信號，輸出信號有7個，都是用于電磁閥控制的。在子車的PLC控制系統(tǒng)有2個輸入按鈕，1個接近開關(guān)，1個張力開關(guān)，一共4個輸入信號，輸出信號有3個，都是用于電磁閥控制的。

綜上參數(shù)考慮，選擇S7-200 cpu224XP/CN繼電器輸出型PLC，其外型如圖3所示。

圖3 S7-200PLC cpu224XP/CN

2.2PLC的I/O分配根據(jù)該噴藥機(jī)要實現(xiàn)的功能，總結(jié)該控制系統(tǒng)的各個信號，將控制信號的功能進(jìn)行分類，然后按照信號執(zhí)行的先后順序，繪制出PLC的I/O分配表。PLC的外部I/O信號與PLC的I/O接點(diǎn)地址編號見表1和表2。

表1 母車控制系統(tǒng)I/O分配

表2 子車控制系統(tǒng)I/O分配

根據(jù)控制系統(tǒng)的I/O分配表，可以繪制出I/O接線圖，主車的I/O接線如圖4所示，子車的I/O接線如圖5所示。

圖4 主車I/O接線圖Fig.4 Wiring diagram of main vehicle I/O

圖5 子車I/O接線圖Fig.5 Wiring diagram of sub car I/O

在PLC的I/O接線圖繪制完成后，就可以進(jìn)行PLC軟件程序的設(shè)計[10]，由于該噴藥機(jī)的控制信號都為開關(guān)量，而且運(yùn)動邏輯較為簡單，所以可選擇使用梯形圖進(jìn)行程序的編寫。

在該系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計中，使用了西門子s7-200的編程軟件STEP7 MicroWIN V4.0進(jìn)行梯形圖程序的編寫。由于梯形圖跟電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，直觀易懂，特別適用于開關(guān)量邏輯控制，所以PLC編程中梯形圖也是使用較多的語言[11]。

3 結(jié)語

該機(jī)械的設(shè)計有效地提高了中小型大棚內(nèi)作物打藥效率，而且減少了人工打藥時大面積的藥物接觸對人體造成的傷。

下一步要針對噴藥過程中機(jī)械運(yùn)行的平穩(wěn)性以及噴藥效率做進(jìn)一步的優(yōu)化，改善兩車的升降機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)更遠(yuǎn)的噴藥距離。