多層水培葉菜自動化物流裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

薛坤鵬，王 巖，蔣先平，吳玉發(fā)，侯 露，申婷婷

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2. 廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

設(shè)施管道式水培葉菜具有節(jié)水、節(jié)肥、省藥、生長周期短、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)勢，可解決傳統(tǒng)土培所致設(shè)施環(huán)境生態(tài)惡化等問題。國外發(fā)達(dá)國家葉菜無土栽培技術(shù)成熟，應(yīng)用范圍和栽培面積大，經(jīng)營與技術(shù)管理水平高，已實(shí)現(xiàn)了集約化、自動化生產(chǎn)。在歐洲，水培葉菜作業(yè)從播種、育苗、移植、運(yùn)送到培育、收獲、包裝等多個環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)了高度的自動化，大量先進(jìn)設(shè)備及技術(shù)應(yīng)用于水培葉菜無土栽培，形成蔬菜生產(chǎn)工廠。圖1 至圖3 為荷蘭VISCON 公司的葉菜種苗移植設(shè)備、葉菜自動運(yùn)送設(shè)備和葉菜切根處理設(shè)備。

圖1 種苗移植設(shè)備

圖2 自動運(yùn)送設(shè)備

圖3 葉菜切根處理設(shè)備

我國開展水培葉菜無土栽培的應(yīng)用推廣比較晚，水培葉菜大規(guī)模生產(chǎn)基本處于全人工模式，如圖4 所示，極少數(shù)企業(yè)在政府的大力扶持下配套的水培葉菜自動化物流裝備大部分為整套引進(jìn)的國外技術(shù)與裝備，投入成本巨大，設(shè)備管理維護(hù)困難。目前，國內(nèi)水培葉菜的自動化物流裝備多處于研發(fā)試驗(yàn)階段，功能尚不完善。廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所研發(fā)的設(shè)施水培葉菜自動物流裝備可實(shí)現(xiàn)水培葉菜種植管的橫向和縱向傳送、種植管內(nèi)外表面清洗消毒等功能，如圖5 所示，該設(shè)備與葉菜移苗機(jī)、收菜機(jī)配合使用可實(shí)現(xiàn)管道水培葉菜從定植到采收的一整套種植管理服務(wù)，極大提高了設(shè)施葉菜種植的機(jī)械化水平。由于該套裝備種植管間距為固定值，且需一列空管用于清洗、消毒、周轉(zhuǎn)，因此空間利用率較低。為提高設(shè)施水培葉菜自動化物流裝備空間利用率，對種植管變間距傳送和多層傳送技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義和實(shí)用價值。

圖4 國內(nèi)水培葉菜固定管培模式

圖5 水培葉菜自動化物流裝備樣機(jī)

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多層水培葉菜自動化物流裝置由種植管水平橫向推送機(jī)構(gòu)和垂直升降運(yùn)送機(jī)構(gòu)組成。種植管水平橫向推送機(jī)構(gòu)分為定間距傳動機(jī)構(gòu)和變間距傳動機(jī)構(gòu)兩種，可使種植管從一層進(jìn)菜端依次向前移動到該層出菜端；垂直升降運(yùn)送機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)種植管從種植架的某一層出菜端取出種植垂直運(yùn)送到另一層。

裝置層數(shù)、規(guī)格可根據(jù)實(shí)際需要和占地空間進(jìn)行設(shè)置，本文考慮基本功能需求和實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)高度限制，以四層為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖6 所示。最底層為第一層，層高200 mm，種植管間距為90 mm，種植管可通過該列定間距推送機(jī)構(gòu)把收菜后的種植管經(jīng)過清洗、消毒、整理后輪換送到左端進(jìn)菜端備用。左端垂直升降運(yùn)送機(jī)構(gòu)從第一層取出空管進(jìn)行葉菜幼苗移栽定植，然后垂直向上運(yùn)送到第二層，第二層層高300 mm，可用于葉菜小苗、中苗的種植，剛移植的小苗種植管間距為90 mm，隨著小苗的生長，該層的水平橫向推送機(jī)構(gòu)把長成中苗的種植管向右推送，使種植管間距變?yōu)?20 mm。右端的垂直升降運(yùn)送機(jī)構(gòu)把位于第二層端頭的種植管取出向上運(yùn)送至第三層，第三層層高400 mm，可用于葉菜中苗和大苗的種植，同樣隨著葉菜的生長，種植管被水平橫向推送機(jī)構(gòu)向左逐漸推移，種植間距也從120 mm 變到150 mm。左端的垂直升降機(jī)構(gòu)把第三層的葉菜輸送至第四層，該層層高500 mm，隨著葉菜的逐漸長大成熟，種植管間距可從150mm增大到180mm，右側(cè)的垂直升降機(jī)構(gòu)取出種有成熟的水培葉菜種植管下移到收菜位置，收獲成熟的葉菜后再次對管進(jìn)行清洗、消毒，放至第一層進(jìn)行輪換備用。

圖6 多層水培葉菜裝置流程布置圖

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多層水培葉菜自動化物流裝置主要包含種植管垂直運(yùn)送機(jī)構(gòu)和水培葉菜種植管變間距的水平橫向輸送機(jī)構(gòu)2 部分。

水培葉菜種植管垂直運(yùn)送機(jī)構(gòu)位于多層水培葉菜裝置的兩端，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，由1 根傳動軸帶動2 個同步帶滑臺，2 個同步帶滑臺共同固定1 根鋁材橫向，橫梁上裝有2 個滑臺氣缸，氣缸上固定電動托舉滾輪。電動托舉滾輪即可以托住種植管進(jìn)行垂直方向輸送，也可以實(shí)現(xiàn)種植管在多個立體物流裝備間運(yùn)送。如圖7 和圖8 所示。

圖7 垂直運(yùn)送機(jī)構(gòu)同步帶滑臺和托舉滾輪

圖8 垂直運(yùn)送機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)

為提高種植管的傳送強(qiáng)度、剛性、穩(wěn)定性并使之可以進(jìn)行變間距輸送，需要對水培葉菜種植管的截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖9 所示。水培葉菜種植管變間距橫向輸送機(jī)構(gòu)位于種植管下方，由氣缸帶動最末端的鋁材傳動桿進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，不同間距的種植管之間的鋁材傳動桿通過變間距滑塊連接，該變間距滑塊由2 個可套在一起滑動的方管組成，前半部分滑塊為長孔，被套在后半部分滑塊內(nèi)部，后半部分滑塊為圓孔，通過穿過圓孔的銷軸與前半部分滑塊的長孔連接，如圖10 所示。長孔的圓心距長度為30 mm，當(dāng)與前半部分變間距滑塊的傳動桿移動距離為L時，因后半部分滑塊的銷軸可在長孔中滑動有30 mm 的空行程，因此與后半部門變間距滑塊連接的傳動桿移動行程為30 mm，由此可實(shí)現(xiàn)水培葉菜種植管變間距傳送。尼龍推塊通過1 個銷軸和U 型鋁座固定在鋁管傳動桿上，該尼龍推塊重心位于推塊的后方，且可以銷軸為圓心進(jìn)行轉(zhuǎn)動，當(dāng)尼龍推塊向前運(yùn)動時，前段翹起的端頭可推動種植管向前移動，當(dāng)尼龍推塊向后運(yùn)動時，前段翹起的端頭被種植管的重力壓下，滑到后1 個種植的底部后因尼龍推塊重心在后部可再次翹起來，如此往復(fù)推動種植管向前移動。

圖9 新種植管橫截面

圖10 種植管變間距滑塊展開和收縮間距示意圖

氣缸推動傳動桿把第一層種植管推動至第一層端頭的待作業(yè)位置，該端垂直運(yùn)送機(jī)構(gòu)的托舉滾輪電機(jī)運(yùn)動到第一層的作業(yè)位置時，滑臺氣缸作業(yè)把該位置的種植管取出，然后步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動同步帶滑臺把帶有種植管的滑臺氣缸和托舉滾輪運(yùn)送到指定層，滑臺氣缸伸出把該種植管放置在該作業(yè)層。該作業(yè)層的變間距橫向推送機(jī)構(gòu)把種植管向前推送，當(dāng)有種植管推送到移出的待作業(yè)位置需要移出換層作業(yè)時，該端的垂直輸送機(jī)構(gòu)把該種植管取出后再運(yùn)送到指定種植層；待葉菜成熟后，垂直傳送機(jī)構(gòu)把該種植管傳送回第一層進(jìn)行葉菜收獲，清洗整理種植管后，再放置回第一層，如此循環(huán)作業(yè)。多層水培葉菜自動化物流裝置整體設(shè)計(jì)模型如圖11 所示。

圖11 多層水培葉菜自動化物流裝置模型圖

3 電氣設(shè)計(jì)及軟件程序開發(fā)

多層水培葉菜自動化物流裝置的電氣控制系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、控制旋鈕開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、接觸器、繼電器、電磁閥以及位置傳感器等元器件組成。采用梯形圖語言對PLC 進(jìn)行輸入檢測與輸出控制的程序軟件設(shè)計(jì)。通過觸控屏進(jìn)行人機(jī)交互，對作業(yè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，人機(jī)交互界面如圖12所示，利用激光傳感器和霍爾傳感器對種植位置、垂直升降機(jī)構(gòu)的位置和氣缸工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，從而使裝置按照設(shè)計(jì)的功能流程執(zhí)行作業(yè)命令，裝置的作業(yè)順序如圖13。

圖12 觸摸屏人機(jī)交互界面

圖13 裝置作業(yè)順序圖

多層水培葉菜自動化物流裝置的垂直升降機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，利用PLC 控制器發(fā)送脈沖和方向信號至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而可使垂直升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降動作。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是距離控制精準(zhǔn)，速度調(diào)節(jié)方便，控制程序簡易，極大簡化了本機(jī)構(gòu)的控制程序。程序設(shè)計(jì)思路如下：多層水培葉菜自動化物流裝置兩端底部的光電傳感器首先檢測垂直升降機(jī)構(gòu)是否復(fù)位，啟動前，通過觸摸屏選好需要操作的對象層，以從第一層取管放置第二層為例，按下啟動鍵，左端托舉滾輪下的滑臺氣缸以及第一層的水平橫向推送機(jī)構(gòu)氣缸伸出，然后步進(jìn)電機(jī)動作，左端垂直升降機(jī)構(gòu)升起固定距離，將種植管托起，短暫延時后氣缸全部縮回，左端垂直升降機(jī)構(gòu)帶動種植管到達(dá)第二層后觸發(fā)對應(yīng)位置的光電傳感器，步進(jìn)電機(jī)停止動作，滑臺氣缸伸出觸發(fā)霍爾傳感器，將種植管放置到第二層設(shè)定位置后垂直升降機(jī)構(gòu)下降，滑臺氣缸縮回，第二層種植層氣缸伸出，同時右端垂直升降機(jī)構(gòu)上升至第二層觸發(fā)光電位置傳感器后滑臺氣缸伸出，將種植管托起固定距離后滑臺氣缸縮回，種植層氣缸縮回，右端垂直升降機(jī)構(gòu)再帶動種植管進(jìn)行后續(xù)動作。其動作流程如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)裝置程序流程圖

4 樣機(jī)試驗(yàn)優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)模型，利用40×40 工型鋁材組裝試驗(yàn)機(jī)架，樣機(jī)分四層搭建，如圖15 和圖16 所示。利用樣機(jī)，對種植管的橫向和垂直輸送機(jī)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性，以及種植管間距設(shè)置、層高設(shè)置等參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測試。樣機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 樣機(jī)主要參數(shù)

圖15 裝置試驗(yàn)整機(jī)

圖16 試驗(yàn)裝置電氣控制箱

通過試驗(yàn)，對種植管的截面進(jìn)行了改進(jìn)，增加了種植管推送位置的凸起以防尼龍推塊推動過程發(fā)生滑脫現(xiàn)象，如圖17 所示。改進(jìn)后種植管被尼龍推塊推動成功率從80%提高到100%，提高了種植管橫向推送的可靠性。

圖17 種植管改進(jìn)前與改進(jìn)后

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)推塊的移動距離應(yīng)略大于種植管移動的距離，才能保證尼龍推塊能夠完全退到種植管底部，所以第一層水平橫向推送機(jī)構(gòu)的氣缸選擇了100 mm 行程的氣缸。以此類推，第二層到第四層選用的氣缸行程分別為130、160、190 mm。該種植管的變間距橫向推送機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)種植管間距從90、120、150、180 mm 變化，滿足葉菜不同生理階段的種植需求。種植管各層之間利用雷賽86 型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動帶動同步帶滑臺模組，可完成垂直方向?qū)优c層之間的傳送，達(dá)到了既定的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文研發(fā)的水培葉菜變間距多層立體自動化物流裝備的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)裝置,可減少設(shè)施溫室作業(yè)人工勞動力強(qiáng)度及成本，提高水培葉菜栽培工作效率及種植效率，加速水培葉菜關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動化技術(shù)及裝備的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，為現(xiàn)有水培葉菜設(shè)施物流裝備和植物工廠立體栽培提供重要技術(shù)支持。