移栽機取放苗機構(gòu)的設計與控制

崔財豪，曹衛(wèi)彬，黃 琳※，曹會兵，陳忠斌，徐道發(fā)，高倩倩

（1．北京吉利學院汽車工程學院，北京102202；2．石河子大學機械電氣工程學院）

1 取放苗機構(gòu)的設計

新疆地區(qū)常用的缽苗盤規(guī)格通常為128 穴，缽苗緊密排列，相鄰缽苗間距較小，增加了缽苗整排取放的難度。為提高缽苗取放的成功率，設計一種移栽機整排取放苗機構(gòu)來實現(xiàn)缽苗的整排取放。

單個末端執(zhí)行器成功夾持缽苗是整排取放苗機構(gòu)工作的前提，為此設計了一種夾持式末端執(zhí)行器，缽苗夾持成功率高達96%（基質(zhì)含水率均值為75%，莖稈含水率均值為79．35%，基質(zhì)受壓變形的極限力為5．8N 時測得）[1]；由于缽苗排列緊密增大了缽苗整排放置的難度，為提高放苗成功率，設計一種剪叉式分苗機構(gòu)來實現(xiàn)末端執(zhí)行器的聚攏和散開，同時保證了各末端執(zhí)行器的間距一致。取苗時，分苗機構(gòu)呈聚攏狀態(tài)，放苗時，分苗機構(gòu)呈散開狀態(tài)，大大提高了放苗成功率（分苗成功率和放苗準確率均超過96%）[2]；為保證末端執(zhí)行器位于一條直線上，使用水平直線導軌和滑塊，將單個末端執(zhí)行器固定在各個滑塊上；為保證取放苗時整排末端執(zhí)行器垂直上下運行，將水平導軌固定在垂直導軌滑塊上；為應對放苗時缽苗基質(zhì)與苗針粘連導致缽苗無法因自身重力掉落的情況發(fā)生，在整排末端執(zhí)行器苗針內(nèi)側(cè)放置一根用于退苗的剛性桿，取放苗機構(gòu)由整排末端執(zhí)行器、分苗機構(gòu)、退苗機構(gòu)、豎直導軌、定位滑塊等組成，取放苗機構(gòu)如圖1。

機構(gòu)原理：取苗時，分苗機構(gòu)聚攏帶動整排末端執(zhí)行器呈聚攏狀態(tài)（各末端執(zhí)行器與苗盤中某排苗格一一對應），取放苗機構(gòu)通過豎直導軌和定位滑塊將末端執(zhí)行器插入基質(zhì)，末端執(zhí)行器對苗針向內(nèi)擺轉(zhuǎn)，擠壓基質(zhì)實現(xiàn)缽苗的夾持，缽苗夾持成功后取放苗機構(gòu)將缽苗從苗盤整排取出；放苗時，分苗機構(gòu)帶動整排末端執(zhí)行器呈散開狀態(tài)（各末端執(zhí)行器與輸送帶格一一對應），取放苗機構(gòu)帶動整排末端執(zhí)行器至放苗位置，末端執(zhí)行器對苗針向外擺轉(zhuǎn)松開缽苗，缽苗在退苗機構(gòu)和重力的作用下掉落至放苗區(qū)域。

動力選擇：苗盤與輸送帶位于同一平面內(nèi)，取放苗機構(gòu)帶動整排末端執(zhí)行器取放苗時垂直方向的行程固定不變；苗針夾持和釋放基質(zhì)時，末端執(zhí)行器控制桿帶動苗針的擺轉(zhuǎn)角度不變，即控制桿在豎直方向上的位置變化不變；由于苗盤格寬和輸送帶格寬為固定值（分別為32 mm、64 mm）、分苗機構(gòu)沿水平方向伸縮時位移變化亦為固定值。故使用氣缸作為機構(gòu)的執(zhí)行元件即可滿足取放苗機構(gòu)整排取放苗時的定位要求，取放苗機構(gòu)如圖2。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)建

為實現(xiàn)缽苗的整排取放，選取氣缸作為執(zhí)行元件，根據(jù)行程和負載不同選取合適的氣缸搭建控制系統(tǒng)。

對各機構(gòu)的執(zhí)行氣缸進行選型時，由于機構(gòu)要求位置變化是固定的，在選擇時盡可能使氣缸行程與機構(gòu)位移相等，若無等長的氣缸行程應使被選氣缸行程略大于機構(gòu)位移，使用磁性開關保證行程與位移相等。氣缸選型時，首先考慮的是氣缸活塞桿受到的軸向負載力，為方便氣缸的選擇，引入氣缸負載率：

式中F—軸向負載力；F0—氣缸理論輸出力。氣缸負

載的運動狀態(tài)與氣缸負載率的關系如表1。

表1 氣缸負載率和運動狀態(tài)關系表 單位：m/s

氣缸理論輸出力的計算公式如下：

氣缸拉力：

氣缸推力：

式中P—工作壓力，一般為0.4 MPa；D—缸徑，mm；d—活塞缸直徑，mm；一般d=0.3D；F0—氣缸理論輸出力，N。

正常工作時速度小于0.2m/s 時，常選取氣缸慣性負載率為0.6；為維持氣缸狀態(tài)，常選取阻性負載率為0.8，單作用氣缸伸出時推力為主要作用力，計算氣缸缸徑：

氣缸運動過程中的軸向負載：

其中負載質(zhì)量為，機構(gòu)的摩擦系數(shù)為μ。

氣缸理論輸出力：

已知各氣缸負載的質(zhì)量，計算得出各個氣缸的缸徑，并據(jù)此查閱相關手冊進行選型，各氣缸個數(shù)和具體參數(shù)如表2。

電磁閥是用于控制氣缸回路開閉的電動閥門，控制壓縮空氣作用到氣缸實現(xiàn)氣缸活塞桿的伸縮。為同時執(zhí)行相同動作的執(zhí)行氣缸配備一個電磁閥以保證其動作一致：8 個夾苗氣缸、2 個取放苗氣缸和2 個退苗氣缸分別共用3 個電磁閥，由于分苗氣缸的行程大于機構(gòu)位移，除電磁閥外還需使用磁性開關來控制氣缸行程。電磁閥和磁性開關的分別選取亞德客兩位五通電磁閥4V210-08 和磁性開關CS1-J。

表2 氣缸參數(shù)表

氣動驅(qū)動系統(tǒng)由空氣壓縮機、儲氣罐、空氣過濾器、減壓閥、油霧器、電磁換向閥和氣缸等組成?？諌簷C壓縮空氣為氣動系統(tǒng)提供動力，氣動三聯(lián)件對壓縮空氣進行處理，減壓閥調(diào)節(jié)各支路的氣壓，各氣缸通過電磁閥控制活塞桿的伸縮，進而驅(qū)動各機構(gòu)實現(xiàn)缽苗的取放。氣動系統(tǒng)回路如圖3，圖中A1-A8 為夾苗氣缸，B1、B2 為取送苗氣缸，C1、C2 為退苗氣缸、D 為分苗氣缸，DT1-DT4 為二位五通電磁閥，U1-U4 為減壓閥。

控制系統(tǒng)采用三菱MT 型PLC 作為核心控制器，由于MT 型PLC 為是晶體管輸出，其輸出電流較小，無法直接驅(qū)動電磁閥，需增加中間繼電器實現(xiàn)對電磁閥的控制?？刂葡到y(tǒng)由PLC、中間繼電器、電磁換向閥、磁性開關等組成，氣動系統(tǒng)回路為氣缸動作提供氣壓，氣缸活塞桿伸縮依靠電磁閥的通斷來實現(xiàn)，PLC 通過中間繼電器控制電磁閥的通斷進而實現(xiàn)對執(zhí)行元件的控制。

系統(tǒng)工作時，默認苗盤正確放置于待取送區(qū)域，取送苗行數(shù)已確定，且整排末端執(zhí)行器已正向移動至取苗位置，此時取放苗系統(tǒng)開始工作：

取苗時，分苗氣缸活塞桿縮回使分苗機構(gòu)帶動整排末端執(zhí)行器呈聚攏狀態(tài)，取放苗氣缸活塞桿伸出使取放苗機構(gòu)將末端執(zhí)行器插入基質(zhì)，各夾苗氣缸活塞桿縮回控制末端執(zhí)行器，各對苗針向內(nèi)擺轉(zhuǎn)，擠壓基質(zhì)實現(xiàn)缽苗的夾持，缽苗夾持成功后取放苗氣缸活塞桿縮回將缽苗從苗盤整排取出；放苗時，分苗氣缸活塞桿伸出末端執(zhí)行器呈散開狀態(tài)，取放苗氣缸帶動整排末端執(zhí)行器至放苗位置，末端執(zhí)行器各對苗針向外擺轉(zhuǎn)松開缽苗，缽苗在退苗機構(gòu)和重力的作用下掉落至放苗區(qū)域（靜止的輸送帶），控制流程如圖4。

將控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和取放苗機構(gòu)集成后，按照軟件流程圖編制程序，首先進行模擬運行和低速空載運行，運行無誤時進行試驗驗證，判斷系統(tǒng)是否滿足設計要求。

3 試驗材料與方法

選取50 天苗齡的石番36 號番茄穴盤苗進行試驗，基質(zhì)含水率均值為75%，此時基質(zhì)抗壓力較高，易于夾持。選取5 張苗盤（標記NO.1 至NO.5）進行缽苗的整排取放試驗，統(tǒng)計穴苗損傷數(shù)量、穴苗取出數(shù)量、穴苗取出質(zhì)量和基質(zhì)破損和殘留質(zhì)量，計算綜合傷苗率和夾持成功率，公式如下[4-5]：

式中CSR—綜合傷苗率，GDR—基質(zhì)破損率，SDR—幼苗損傷率，SPR—夾持成功率，WSD—基質(zhì)破損和殘留質(zhì)量，WSE—穴苗取出質(zhì)量，NS—取苗總數(shù)，NDR—穴苗損傷數(shù)量，NPR—穴苗取出數(shù)量。

表3 試驗統(tǒng)計表

由表3 可知，取放苗機構(gòu)在取放苗過程中取苗成功率和綜合傷苗率均值為96．4%和1．8%，表明該機構(gòu)在取放苗過程中缽苗掉落較少且對缽苗的損傷很小。分析機構(gòu)在取放苗時缽苗掉落的原因主要是由于機構(gòu)取苗和分苗速度較快，易造成臺架震動。為此可通過以下兩種方案來解決：（1）在機構(gòu)合適部位添加緩沖裝置，減小其震動幅度；（2）通過節(jié)流閥保證氣缸的工作穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

在末端執(zhí)行器和分苗機構(gòu)可靠性滿足的前提下，設計了一種適用于整排式全自動移栽機的取放苗機構(gòu)，并構(gòu)建其控制系統(tǒng)，實現(xiàn)缽苗的整排取放。

將系統(tǒng)集成并進行試驗驗證，結(jié)果表明該取放苗機構(gòu)能夠滿足缽苗整排取放的要求。