智能花卉葉面噴藥施肥機(jī)設(shè)計(jì)

郭 怡

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 402160)

中國(guó)已成為世界上最大的花卉種植基地，2019年花卉出口額近25億元人民幣，銷售額在2017年接近1 500億元人民幣，規(guī)模逐年增加的花卉種植業(yè)對(duì)花卉葉面噴藥施肥機(jī)的需求也越來越大。

荷蘭、日本、以色列是世界上花卉種植出口三大強(qiáng)國(guó)，其花卉葉面噴藥施肥機(jī)根據(jù)種植場(chǎng)地實(shí)際情況主要采用固定軌道式、人工驅(qū)動(dòng)式花卉葉面噴藥施肥一體機(jī)，達(dá)到了高度自動(dòng)化[1]，正向智能化、高效性、個(gè)性化、綜合性、一體化等方向發(fā)展。我國(guó)現(xiàn)階段花卉種植的特點(diǎn)是由數(shù)量增長(zhǎng)型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變；由“小而全”的生產(chǎn)方式逐步向規(guī)模化、專業(yè)化轉(zhuǎn)變；由傳統(tǒng)落后的種植模式逐步向現(xiàn)代化的種植模式轉(zhuǎn)變。其中，現(xiàn)代化的種植模式下規(guī)?；I(yè)化的種植方式尤為突出，這對(duì)花卉種植所需的生產(chǎn)設(shè)備有更高的要求。我國(guó)目前使用的花卉葉面噴藥施肥機(jī)以進(jìn)口荷蘭的為主，進(jìn)口日本的噴藥施肥機(jī)為輔，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的相對(duì)較差[2]。

研究設(shè)計(jì)了一種擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能花卉葉面噴藥施肥機(jī)，擬解決我國(guó)現(xiàn)代化、規(guī)模化花卉種植模式下花卉葉面噴藥施肥機(jī)專業(yè)化程度低的問題。

1 智能化噴藥施肥機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 噴藥施肥機(jī)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的噴藥施肥機(jī)主要由機(jī)架、折疊臂、伺服電機(jī)、升降機(jī)構(gòu)、減速器、藥箱、噴嘴、轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪等構(gòu)成，如圖1所示。

1 — 折疊臂1； 2 — 折疊臂2； 3 — 藥箱； 4 — 伺服電機(jī)；5 — 轉(zhuǎn)向輪； 6 — 升降機(jī)構(gòu)； 7 — 驅(qū)動(dòng)輪； 8 — 折疊臂4； 9 — 折疊臂3； 10 — 噴嘴； 11 — 減速裝置； 12 — 伺服電機(jī)

1.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)

為保證施肥機(jī)工作時(shí)結(jié)構(gòu)可靠，機(jī)架采用框式結(jié)構(gòu)。4套折疊臂采用鋁合金型材，由4臺(tái)伺服電機(jī)獨(dú)立控制，在折疊處采用鉸鏈結(jié)構(gòu)，每個(gè)折疊臂上安裝由4個(gè)電磁閥獨(dú)立控制的4個(gè)噴嘴，可根據(jù)所需噴藥施肥面積，打開全部(或部分)折疊臂進(jìn)行噴藥施肥作業(yè)。升降機(jī)構(gòu)由蝸輪蝸桿減速器、鏈輪鏈條傳動(dòng)裝置和電機(jī)構(gòu)成，可根據(jù)噴灑要求調(diào)節(jié)升降機(jī)構(gòu)高度。減速器由蝸輪蝸桿組成，減速比大、可靠性強(qiáng)。為減少工作震動(dòng)，轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪材質(zhì)為橡膠[3]。

1.3 關(guān)鍵工作部件設(shè)計(jì)

1.3.1 折疊臂設(shè)計(jì)

折疊臂采用鋁合金型材，每套折疊臂由1臺(tái)伺服電機(jī)及蝸輪蝸桿減速器等組成。每套折疊臂上安裝4個(gè)電磁閥獨(dú)立控制4個(gè)噴嘴，2套折疊臂在折疊處采用鉸鏈結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)[4]，伺服電機(jī)及減速器安裝在1套折疊臂上，蝸輪蝸桿減速器的輸出端與另一套折疊臂聯(lián)結(jié)。根據(jù)所需噴藥施肥面積，打開全部(部分)折疊臂進(jìn)行噴藥施肥作業(yè)，大大提高了作業(yè)效率。

1.3.2 折疊臂升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

折疊臂升降機(jī)構(gòu)是針對(duì)苗床高低錯(cuò)落、空間位置分布不規(guī)律、現(xiàn)有噴藥施肥機(jī)不能實(shí)現(xiàn)充分噴灑而設(shè)計(jì)的?？筛鶕?jù)苗床擺放位置及所需噴藥區(qū)域來調(diào)節(jié)其高度。折疊臂結(jié)構(gòu)如圖2所示。折疊臂升降機(jī)構(gòu)如圖3所示。

1 — 伺服電機(jī)； 2 — 蝸輪蝸桿減速器； 3 — 外臂連接板；4 — 驅(qū)動(dòng)軸； 5 — 端蓋； 6 — 內(nèi)臂連接板

1 — 水箱； 2 — 導(dǎo)軌； 3 — 支架； 4 — 蝸輪蝸桿減速器；5 — 伺服電機(jī)； 6 — 鏈條； 7 — 小鏈輪； 8 — 大鏈輪；9 — 軸瓦； 10 — 配重

電機(jī)輸出端與蝸輪蝸桿減速器輸入端聯(lián)結(jié)[5]，蝸輪蝸桿減速器輸出端安裝的鏈輪與鏈條嚙合(鏈條一端與折疊臂橫梁鉸接，另一端與配重連接，配重在機(jī)架內(nèi)有導(dǎo)向軌道)，驅(qū)動(dòng)鏈條上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)折疊臂上下移動(dòng)。

折疊臂升降的控制通過觸摸屏手動(dòng)操作，PLC輸出開關(guān)信息控制接觸器，電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動(dòng)鏈條帶動(dòng)折疊臂上下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)合適位置后電機(jī)停止運(yùn)行。利用蝸輪蝸桿減速器的自鎖功能鎖定位置[6]。

1.3.3 超聲霧化噴嘴設(shè)計(jì)

1 — 主體； 2 — O型圈1； 3 — 鎖緊螺母； 4 — 噴芯； 5 — 絲桿；6 — 噴嘴； 7 — O型圈2； 8 — 撞擊頭

超聲霧化噴嘴選用黃銅材料[7]，內(nèi)壁加工出螺旋線，便于藥液的噴出。每套折疊臂上安裝由4個(gè)電磁閥獨(dú)立控制的4個(gè)噴嘴，噴嘴與折疊臂采用球面副連接，可在X、Y、Z三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)噴嘴輸入帶有壓力的藥液時(shí)，噴嘴隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到較好的噴藥施肥效果。超聲霧化噴嘴噴出的藥粒粒徑在30～80 μm，噴藥時(shí)，從噴嘴到苗床之間可以形成一個(gè)超細(xì)高濃度霧化區(qū)?；ɑ芸梢?60°浸入到藥霧中，在花卉的任意一個(gè)方向或者任意一個(gè)地方都可以形成密集的藥膜，藥的使用量比常規(guī)可減少60%。噴嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示。

設(shè)計(jì)的施肥機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)：外形尺寸展開時(shí)為2 000 mm×7 750 mm×2 050 mm；合攏時(shí)為2 000 mm×603 mm×2 050 mm；行走速度平均為5～10 m/min，最大速度為25 m/min；藥箱容積為20 L；噴藥面積為40～80 m2；續(xù)航時(shí)間為2 h (蓄電池供電)；工作溫度為(-10～+45)℃；工作濕度為30%～ 80%；結(jié)構(gòu)重量為(150～200)kg；整機(jī)功率為500 W。

2 工作原理

智能噴藥施肥機(jī)由1臺(tái)具有自動(dòng)行走功能的移動(dòng)小車驅(qū)動(dòng)(由1臺(tái)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)及1臺(tái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)完成)，其運(yùn)動(dòng)速度根據(jù)花卉葉面噴藥施肥的劑量需要進(jìn)行設(shè)定；智能噴藥施肥機(jī)設(shè)計(jì)了由4臺(tái)伺服電機(jī)各自獨(dú)立控制的折疊臂，在折疊處采用鉸鏈結(jié)構(gòu)，每個(gè)折疊臂上安裝由4個(gè)電磁閥獨(dú)立控制的4個(gè)噴嘴，根據(jù)所需噴藥施肥面積，打開全部(或部分)折疊臂進(jìn)行噴藥施肥作業(yè)；同時(shí)，針對(duì)苗床高低錯(cuò)落，空間位置分布不規(guī)律的情況，智能噴藥施肥機(jī)設(shè)計(jì)了折疊臂升降控制機(jī)構(gòu)，能夠很好地適應(yīng)苗床位置及所需噴藥的最佳高度[8]。施肥機(jī)運(yùn)動(dòng)控制示意圖見圖5。機(jī)器行走由后端驅(qū)動(dòng)輪、前端轉(zhuǎn)向輪以及機(jī)體兩側(cè)的開關(guān)① — ⑥來實(shí)現(xiàn)( ① — ④為盤簧型限位開關(guān)；⑤ ⑥為光電接近開關(guān))。當(dāng)(工作)按鈕被觸發(fā)后，PLC按設(shè)定頻率發(fā)送脈沖指令到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)行走。當(dāng)① — ④中任一個(gè)限位開關(guān)被觸發(fā)后，傳給PLC一個(gè)開關(guān)信息，PLC根據(jù)開關(guān)信息來判斷離哪一側(cè)苗床過近，給出指令使轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，當(dāng)開關(guān)信息消失(即已離開苗床)，PLC即發(fā)出反向脈沖信號(hào)讓轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)回正轉(zhuǎn)向輪，收到回正信號(hào)(回正接近開關(guān))停止回車動(dòng)作并使能鎖定轉(zhuǎn)向輪。⑤ ⑥光電開關(guān)都發(fā)出開關(guān)信號(hào)表示機(jī)體側(cè)已無苗床，則PLC停止輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。暫停后，PLC發(fā)出反向脈沖驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪回退，回退時(shí)根據(jù)① — ④限位開關(guān)信號(hào)同方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(類似車輛駕駛及倒車)。同時(shí)，在回退開始時(shí)關(guān)閉已打開的電磁閥停止噴藥。

圖5 施肥機(jī)運(yùn)動(dòng)控制示意圖

3 結(jié) 語

智能花卉葉面噴藥施肥機(jī)是為解決我國(guó)花卉種植栽培企業(yè)面臨的人工噴藥施肥效率低、每次噴藥施肥面積少、耗時(shí)長(zhǎng)以及苗床空間位置分布不規(guī)律等問題而專門設(shè)計(jì)的。該設(shè)備具有智能化、高效性、機(jī)動(dòng)性、高適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，以解決我國(guó)現(xiàn)代化花卉種植模式下規(guī)?；I(yè)化花卉種植噴藥施肥的需要，對(duì)提高種植效率、降低生產(chǎn)成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和占有率有一定的作用。