水稻秧盤自動(dòng)碼垛機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

馬 旭，魏宇豪，曹秀龍，李澤華,3，齊 龍，李宏偉，肖榮浩

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州 510642）

0 引 言

水稻工廠化秧盤育秧播種是水稻機(jī)械化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的育秧播種生產(chǎn)線主要包括秧盤供送、鋪底土、壓實(shí)、播種、覆表土、淋灑水和取盤等工序，將水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線播種完成的育秧盤進(jìn)行碼垛，不僅便于運(yùn)輸，還可將碼垛好的秧盤直接擺放至暗出苗室，以提高出苗質(zhì)量。目前已有多種水稻秧盤播種生產(chǎn)線配備有自動(dòng)疊盤裝置，可實(shí)現(xiàn)2～4盤秧盤疊盤，但完成疊盤的秧盤仍需投入人工進(jìn)行取盤和碼垛作業(yè)，此過程不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，且容易導(dǎo)致均勻播好的種子發(fā)生散亂，影響出苗整齊度。碼垛是按照集成化思想對(duì)物料實(shí)現(xiàn)快速獲取、轉(zhuǎn)移和碼垛，可有效提高生產(chǎn)效率、改善工作環(huán)境、減少用工數(shù)量和降低生產(chǎn)成本。因此，研究水稻秧盤自動(dòng)碼垛技術(shù)與設(shè)備對(duì)提高水稻工廠化育秧的自動(dòng)化水平具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

近年來，國內(nèi)外圍繞自動(dòng)化碼垛技術(shù)進(jìn)行了大量研究。德國KUKA、日本FANUC和Schneider公司生產(chǎn)的碼垛機(jī)主要應(yīng)用于食品包裝生產(chǎn)，可夾取較大質(zhì)量的物料，具有高速、高精度等優(yōu)勢(shì)；瑞典ABB公司研發(fā)的玻璃碼垛機(jī)采用吸附式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并利用視覺實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器運(yùn)動(dòng)和負(fù)載的實(shí)時(shí)監(jiān)控；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的料袋碼垛機(jī)，可單次抓取多件物料，工作能力大大增強(qiáng)；新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司的SRB160A/300A四軸碼垛機(jī)能實(shí)現(xiàn)可靠、高效和精確的運(yùn)送功能，在化工和食品等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用；上海交通大學(xué)機(jī)器人研究中心的TPR系列碼垛機(jī)器人主要應(yīng)用于食品、化工和建材等領(lǐng)域，其采用了線性四連桿的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作調(diào)控更加便捷和精確，且可進(jìn)行3D仿真同時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)干涉情況；浙江中智機(jī)器人有限公司和山東青州四季陽光機(jī)械設(shè)備有限公司研發(fā)的水稻育秧生產(chǎn)線秧盤碼垛機(jī)主要是在昂貴工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，不符合國內(nèi)市場需求。綜上，國內(nèi)外碼垛機(jī)的研究多應(yīng)用于食品、物流和包裝等領(lǐng)域，價(jià)格昂貴，限制了自動(dòng)化碼垛技術(shù)在水稻育秧生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用。

根據(jù)水稻工廠化育秧生產(chǎn)的特定環(huán)境和生產(chǎn)需求，本文采用直角坐標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）控制系統(tǒng)，并結(jié)合水稻秧盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種水稻秧盤自動(dòng)碼垛機(jī)，搭建了秧盤碼垛層檢測(cè)和碼垛控制系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)精準(zhǔn)定位、夾取和碼垛作業(yè)，有效提高水稻工廠化育秧生產(chǎn)效率和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 適用秧盤結(jié)構(gòu)

研制的水稻秧盤自動(dòng)碼垛機(jī)適用于毯狀硬塑秧盤（外尺寸600 mm×300 mm×30 mm，內(nèi)尺寸580 mm×280 mm×25 mm）。毯狀硬塑秧盤是現(xiàn)有插秧機(jī)上適用的秧盤，由圖1可見，秧盤頂部有向外翻折的邊檐，周邊布置有若干加強(qiáng)筋，各秧盤之間通過嵌套實(shí)現(xiàn)多盤層疊。

圖1 秧盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of seedling tray

1.2 總機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

碼垛機(jī)主要由秧盤定位機(jī)構(gòu)、豎向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、橫向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、機(jī)架和運(yùn)轉(zhuǎn)托盤等組成，如圖2所示。

圖2 碼垛機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of palletizer

工作過程分為取盤、轉(zhuǎn)運(yùn)秧盤、檢測(cè)碼垛層數(shù)和放盤等。工作時(shí)碼垛機(jī)位于水稻秧盤育秧播種生產(chǎn)線疊盤裝置末端上方（初始位置），等待完成育秧的層疊秧盤輸送至碼垛機(jī)的取盤位置，疊盤裝置設(shè)置每次層疊4個(gè)秧盤（由育秧播種生產(chǎn)線設(shè)定）。當(dāng)完成育秧的秧盤到達(dá)秧盤定位機(jī)構(gòu)處，傳感器發(fā)出信號(hào)，PLC控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)到達(dá)取盤位置；夾持機(jī)構(gòu)氣缸收縮，實(shí)現(xiàn)對(duì)層疊秧盤的夾取，隨后轉(zhuǎn)運(yùn)秧盤，當(dāng)秧盤到達(dá)轉(zhuǎn)運(yùn)托盤上方時(shí)，碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)工作，通過激光測(cè)距系統(tǒng)獲取當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)托盤上秧盤的碼垛高度，進(jìn)而判斷該垛位當(dāng)前的碼垛層數(shù)，設(shè)定每垛20盤共碼垛5層（主要考慮到秧盤的碼垛穩(wěn)定性及其被轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的整體質(zhì)量），運(yùn)轉(zhuǎn)托盤上設(shè)有A、B和C 3個(gè)垛位，根據(jù)碼垛機(jī)工作原理，通過對(duì)多種碼垛方式進(jìn)行分析，確定碼垛順序?yàn)椤癆滿垛-B滿垛-C滿垛”的碼垛方式時(shí)作業(yè)效率最高，即碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)首先判斷運(yùn)轉(zhuǎn)托盤A位是否完成碼垛，然后B位，最后是C位。當(dāng)判斷運(yùn)轉(zhuǎn)托盤上的秧盤未達(dá)到碼垛高度時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到準(zhǔn)確的放盤位置后進(jìn)行放盤，完成一次碼垛。放盤后直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)返回到初始位置進(jìn)行循環(huán)作業(yè)。當(dāng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)到3個(gè)垛位都達(dá)到預(yù)定的碼垛高度后，表明運(yùn)轉(zhuǎn)托盤都完成碼垛，接著采用叉車將運(yùn)轉(zhuǎn)托盤抬起并轉(zhuǎn)移至育秧室。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖3 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of the linear transmission mechanism

直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是碼垛機(jī)準(zhǔn)確夾取、轉(zhuǎn)移和放置秧盤的核心部件，包括橫向和豎向直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由伺服電機(jī)，聯(lián)軸器，滾珠絲桿，絲桿螺母和工作臺(tái)等組成，如圖3所示。

滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)（直徑和導(dǎo)程）是碼垛機(jī)運(yùn)動(dòng)和定位的核心。滾珠絲桿直徑過大，則需相應(yīng)增大直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體尺寸，造成材料浪費(fèi)和成本升高；直徑過小，則導(dǎo)致絲桿抖動(dòng)加劇、損傷等問題，影響碼垛性能。參考選型材料進(jìn)行選型計(jì)算，預(yù)選取橫向和豎向滾珠絲桿的直徑分別為25和20 mm。為了保證所選滾珠絲桿在碼垛機(jī)滿載工作時(shí)的可靠性，校核所選絲桿容許極限負(fù)載和容許極限轉(zhuǎn)速，建議軸向負(fù)載為

其中

式中P為建議軸向載荷，N；為螺母與支撐座間距，mm；為楊氏模量，2.06×10Pa；為絲桿軸螺紋內(nèi)徑截面的最小慣性矩，mm；d為絲桿軸徑，mm；為余量系數(shù)，0.8；、為由滾珠絲桿的支撐方式?jīng)Q定的系數(shù)，取4，取19.9。

所選絲桿的建議轉(zhuǎn)速為

式中N為絲桿的建議轉(zhuǎn)速，r/min；f為余量系數(shù)，0.8；為比重，7.8×10kg/mm。

根據(jù)所選滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)屬性及實(shí)際生產(chǎn)情況，將各參數(shù)帶入式（1）～（3），得到的橫向和豎向滾珠絲桿容許極限負(fù)載P/分別為57 495.9和32 892.5 N，滾珠絲桿作業(yè)中最大軸向負(fù)載約為700 N；容許極限轉(zhuǎn)速N/f分別為3 172.9和4 111.5 r/min，滾珠絲桿作業(yè)中轉(zhuǎn)動(dòng)速度小于3 000 r/min?？芍x絲桿符合碼垛機(jī)作業(yè)技術(shù)要求。

滾珠絲桿的導(dǎo)程是直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位的重要部分。導(dǎo)程的選擇關(guān)系到直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度和滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。滾珠絲桿的導(dǎo)程越大，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度越低，無法保證準(zhǔn)確地夾取和擺放秧盤；滾珠絲桿的導(dǎo)程越小，定位精度越高，但運(yùn)動(dòng)位移量較小，單位時(shí)間運(yùn)動(dòng)相同的距離，需提升滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)速度。為了保證生產(chǎn)率，導(dǎo)程需滿足

式中為絲桿快速進(jìn)給速度，mm/s；為預(yù)選電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2 夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)是碼垛機(jī)平穩(wěn)夾取和擺放秧盤的核心部件，秧盤在水稻育秧精密播種生產(chǎn)線上經(jīng)過秧盤供送、鋪底土、壓實(shí)、播種、覆表土、淋灑水、疊盤等工序后到達(dá)碼垛取盤位置，碼垛機(jī)開始對(duì)已層疊的秧盤進(jìn)行夾取、轉(zhuǎn)移和碼垛。

根據(jù)水稻秧盤頂部邊檐可嵌入并托起的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種夾持機(jī)構(gòu)，其主要由夾持板、軸承座、連桿、轉(zhuǎn)軸a與b、夾持機(jī)構(gòu)連接件、連接座、防護(hù)罩、氣缸和機(jī)架等組成；為了防止在工作過程中被夾取的秧盤脫落，夾持板底部設(shè)置了可嵌入待碼垛最底層秧盤頂部邊檐的凸起，實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)對(duì)秧盤穩(wěn)定的夾取、轉(zhuǎn)移和碼垛，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of clamping mechanism

為了減小夾持機(jī)構(gòu)夾取作業(yè)對(duì)秧盤產(chǎn)生的沖擊和轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)秧盤之間的相對(duì)晃動(dòng)對(duì)碼垛性能的影響，設(shè)計(jì)當(dāng)氣缸收縮時(shí)夾持機(jī)構(gòu)的夾持板與層疊秧盤完全接觸夾緊，夾持板底部凸出部分可嵌入底層秧盤邊檐，夾持狀態(tài)受力分析如圖5所示。

圖5 夾持機(jī)構(gòu)夾取秧盤受力分析圖Fig.5 Force analysis diagram of clamping mechanism for picking up seedling tray

夾持機(jī)構(gòu)在夾取過程中，當(dāng)一些秧盤發(fā)生形變時(shí)，兩側(cè)夾持板可推動(dòng)秧盤來調(diào)整其位置，并完成夾取動(dòng)作，因此，為了保證夾持機(jī)構(gòu)穩(wěn)定夾取和轉(zhuǎn)運(yùn)秧盤，需要對(duì)氣缸所提供的力進(jìn)行計(jì)算。

由圖5分析，當(dāng)氣缸向下施加力時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊秧盤并嵌入底層秧盤邊檐，則單側(cè)夾持板對(duì)秧盤的作用力為

式中為秧盤與育秧生產(chǎn)線滾輪摩擦系數(shù)，0.5（聚乙烯）；為重力加速度，9.8 m/s。

連桿對(duì)夾持板單側(cè)水平推力為

氣缸對(duì)單個(gè)連桿的分力關(guān)系式為

氣缸所需提供的力為

聯(lián)立式（5）～（8）可得

每次夾取4盤秧盤時(shí)，每盤秧盤質(zhì)量約6 kg，4盤秧盤質(zhì)量約24 kg，通過對(duì)層疊秧盤高度（4盤為120 mm）分析，l應(yīng)大于120 mm，以防止夾持機(jī)構(gòu)機(jī)架與秧盤發(fā)生干涉和擠壓；l應(yīng)小于l，以放大連桿對(duì)夾持板的推力，且應(yīng)留有空間余量便于零件安裝調(diào)整。通過試驗(yàn)分析，選擇l和l分別為100和155 mm；為夾緊狀態(tài)下連桿與水平線夾角，此時(shí)氣缸收縮，氣缸頂部接頭與夾持板頂部的最長垂直距離為40 mm，連桿長136mm，計(jì)算得為17°。將參數(shù)代入式（9），需大于300 N，氣缸力應(yīng)留有安全余量，因此確定≥400 N。

受秧盤夾持機(jī)構(gòu)開啟寬度（秧盤上邊檐尺寸約為10 mm，即開啟寬度應(yīng)大于10 mm）、疊盤不齊（通常小于5 mm），以及升降運(yùn)行過程安全順暢（保證不碰撞）等原因，每個(gè)垛位之間需留有間隔，通過試驗(yàn)確定A、B、C各碼垛位間隔距離為60 mm。為了保證夾持機(jī)構(gòu)可靠完成夾放作業(yè)，需要對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的放盤動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)，并確定夾持機(jī)構(gòu)在夾、放秧盤時(shí)容許的夾持板旋轉(zhuǎn)角度和氣缸行程范圍。

如圖6所示，建立坐標(biāo)系，分析夾持機(jī)構(gòu)關(guān)鍵位置和點(diǎn)在夾放狀態(tài)下的坐標(biāo)關(guān)系：

式中為夾持板作業(yè)旋轉(zhuǎn)角，(°)；為夾持板上2個(gè)軸承鉸鏈座與夾持板的夾角，(°)。

圖6 夾持機(jī)構(gòu)夾放狀態(tài)位置分析圖Fig.6 Analysis diagram of clamping mechanism when clamping and releasing state position

設(shè)定坐標(biāo)系如圖6所示，夾持機(jī)構(gòu)放盤完成后最外側(cè)點(diǎn)′在方向的位移量需滿足完全脫離所夾取秧盤（大于開啟寬度10 mm）且不干涉其他碼垛位已碼垛秧盤（小于碼垛位間距60 mm），則′在方向的位移范圍為

則夾持板容許旋轉(zhuǎn)角度為

夾持板上端軸承座′點(diǎn)相對(duì)于點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)位移量為

為了計(jì)算氣缸行程范圍，采用Solidworks進(jìn)行建模裝配，將點(diǎn)設(shè)置為氣缸收縮狀態(tài)下伸縮缸徑所處位置，則連桿尺寸為，氣缸行程為

根據(jù)式（12）取值范圍進(jìn)行初步試驗(yàn)，sin數(shù)值越大，夾取秧盤時(shí)對(duì)秧盤造成的沖擊越大，因此，在保證夾持機(jī)構(gòu)與秧盤不發(fā)生干涉的情況下，sin應(yīng)取較小值。當(dāng)取sin為18 mm時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)與所夾取秧盤的完全脫離，且和其他碼垛位之間留有充足的安全距離，在試驗(yàn)中未發(fā)生干涉情況，因此選取sin為18mm，則約為6.47°，將代入式（14）可得氣缸行程約為24.6 mm，選擇氣缸的行程為25 mm。

為了驗(yàn)證上述計(jì)算結(jié)果所選氣缸是否滿足夾持要求，采用ADAMS對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾放動(dòng)作模擬仿真。設(shè)置模型驅(qū)動(dòng)行程與所選氣缸行程一致（25 mm），并采用step函數(shù)模擬實(shí)現(xiàn)氣缸的單次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量夾持板部位單次夾放秧盤的旋轉(zhuǎn)角度為6.12°，與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

2.3 秧盤碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

水稻秧盤多次利用后易發(fā)生局部形變，可能導(dǎo)致秧盤碼垛失敗，影響碼垛性能。為保證碼垛機(jī)工作的可靠性，設(shè)計(jì)了秧盤碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)碼垛機(jī)對(duì)碼垛層數(shù)的智能監(jiān)測(cè)并精準(zhǔn)放盤。碼垛工作原理如圖7所示。

秧盤碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)以激光測(cè)距模塊為核心，通過安裝架安裝在夾持機(jī)構(gòu)靠垛位方向，檢測(cè)過程為：當(dāng)育秧播種生產(chǎn)線運(yùn)輸秧盤到達(dá)碼垛機(jī)取盤位置時(shí)（圖7a），碼垛機(jī)開始運(yùn)行；圖7b所示為轉(zhuǎn)運(yùn)秧盤并對(duì)碼垛層進(jìn)行檢測(cè)，具體為在橫向轉(zhuǎn)運(yùn)方向上設(shè)定檢測(cè)位置，碼垛機(jī)在檢測(cè)位置短暫停留，碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)在此位置采集秧盤碼垛層高度數(shù)據(jù)，通過A/D轉(zhuǎn)換器傳輸至PLC，PLC將得到的每層高度數(shù)據(jù)逐個(gè)進(jìn)行誤差范圍劃定，若所檢測(cè)的高度在其所屬的誤差范圍內(nèi)，則判定當(dāng)前碼垛位秧盤已碼垛層數(shù)，并對(duì)碼垛機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整，圖7c為控制系統(tǒng)處理碼垛層高度數(shù)據(jù)原理圖；碼垛機(jī)接收到控制系統(tǒng)反饋當(dāng)前碼垛層數(shù)的信號(hào)并在正確位置完成放盤作業(yè)（圖7d）。秧盤碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)到每層實(shí)際高度距離統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖7 碼垛過程示意圖Fig.7 Diagram of palletizing process

由于4盤層疊秧盤高度為120 mm，因此通過軟件程序設(shè)置碼垛層每層高度類比范圍為120±50 mm，為碼垛層數(shù)。由表1可知，每層檢測(cè)最大差值為24.9 mm，小于軟件程序中設(shè)定的高度范圍，可以滿足秧盤碼垛層高度檢測(cè)要求。

表1 檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)各碼垛層高度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of the height data of each palletizing layer tested by testing institutions mm

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、快速和精準(zhǔn)地控制碼垛機(jī)工作，本文采用PLC為控制核心，完成系統(tǒng)對(duì)傳感器信號(hào)的采集、分析和處理，并適時(shí)地發(fā)出信號(hào)反饋碼垛機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)和控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)動(dòng)作。根據(jù)碼垛機(jī)工作所需輸入/輸出點(diǎn)數(shù)及所需輸出高速脈沖數(shù)，選擇三菱FX3U-16MT型控制器和FX2N-8E系列拓展模塊，該型號(hào)控制器自帶三路高速脈沖輸出端（Y0、Y1和Y2），可便捷地控制伺服電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)；根據(jù)碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)需求，選擇FX3U-4A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為檢測(cè)機(jī)構(gòu)與PLC溝通橋梁，人機(jī)交互觸摸屏采用MCGS MT6071系列。根據(jù)碼垛機(jī)工作要求，伺服電機(jī)選擇上海仁侯伺服電機(jī)，額定功率0.75 kW，額定電流3.0 A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩 2.4 N/m。伺服驅(qū)動(dòng)器選擇LCMT-15M02NB-130M10015B型交流驅(qū)動(dòng)器額定工作電壓220 VAC，額定功率450 W；硬件接線圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)接線圖Fig.8 Control system wiring diagram

2.4.2 軟件程序設(shè)計(jì)

采用三菱公司研發(fā)的GX-Work2作為開發(fā)軟件，在Window10操作系統(tǒng)環(huán)境下編寫系統(tǒng)軟件程序，采用梯形圖作為系統(tǒng)程序的編程語言，軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)流程圖Fig.9 Workflow diagram of the control system

人機(jī)交互界面采用MCGSE組態(tài)軟件開發(fā)，根據(jù)層次開發(fā)順序，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)登錄主界面、系統(tǒng)手動(dòng)運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)界面和系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)視調(diào)節(jié)界面等。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)視調(diào)節(jié)界面如圖10所示。

圖10 觸摸屏人機(jī)交互界面Fig.10 Touch screen human-machine interface

3 碼垛性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)水稻秧盤碼垛機(jī)的性能，采用Box-Behnken設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。首先進(jìn)行單因素初步試驗(yàn)并分析試驗(yàn)結(jié)果，得到碼垛機(jī)性能的主要影響因素（生產(chǎn)率、碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)時(shí)間和放盤高度）與性能指標(biāo)（碼垛合格率和種子外露率）之間的關(guān)系，應(yīng)用回歸分析、響應(yīng)曲面和多目標(biāo)變量優(yōu)化方法，優(yōu)化碼垛機(jī)的工作參數(shù)。

樣機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)工程樓。樣機(jī)配置于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2SJB-500型水稻秧盤育秧精密播種生產(chǎn)線自動(dòng)疊盤裝置后方，試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 水稻秧盤自動(dòng)碼垛機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.11 Test site of automatic rice seedling tray palletizer

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的秧盤為當(dāng)前應(yīng)用范圍較廣的硬塑秧盤（600 mm×300 mm×30 mm），為驗(yàn)證碼垛機(jī)對(duì)多次利用后發(fā)生局部形變的秧盤具有適用性，選取損傷程度為中度形變、輕度形變和完好的秧盤各60盤混合并重復(fù)使用進(jìn)行試驗(yàn)；試驗(yàn)所使用基質(zhì)為育秧生產(chǎn)所用的稻田沙壤土，并經(jīng)粉碎處理和5 mm網(wǎng)曬過濾，含水率范圍是10%～15%。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果分析研究，選擇碼垛合格率和覆表土種子外露率作為碼垛機(jī)的性能指標(biāo)，具體定義如下：

1）碼垛合格率

碼垛過程中由于夾持不當(dāng)、秧盤有破損變形等會(huì)導(dǎo)致秧盤倒塌、上下不對(duì)位等問題，為此設(shè)定碼垛合格為每次夾取和放盤平穩(wěn)，秧盤在運(yùn)轉(zhuǎn)托盤上正常碼垛，不倒塌，完成碼垛好的各盤秧盤之間前后對(duì)齊，錯(cuò)位不超過5 mm，碼垛合格率的計(jì)算公式為

式中為總碼垛數(shù)；為碼垛合格數(shù)。

2）種子外露率碼垛機(jī)在工作過程中的振動(dòng)干擾和放盤時(shí)產(chǎn)生的沖擊，會(huì)導(dǎo)致表土松動(dòng)稀薄，進(jìn)而可能造成部分種子外露。將播種并覆表土的秧盤劃分為200個(gè)30 mm×30 mm規(guī)則的小區(qū)域，比較碼垛前后所劃分的各區(qū)域內(nèi)是否有外露種子，計(jì)算種子外露的區(qū)域數(shù)與劃分區(qū)域總數(shù)的百分比值，即為種子外露率。

式中為區(qū)域總數(shù)；為出現(xiàn)種子外露的區(qū)域數(shù)。

3.3 試驗(yàn)因素

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的水稻秧盤自動(dòng)碼垛機(jī)工作的可靠性，并尋求最優(yōu)作業(yè)參數(shù)，根據(jù)對(duì)碼垛機(jī)的工作原理和前期試驗(yàn)研究，選取對(duì)碼垛機(jī)作業(yè)性能影響較大的生產(chǎn)率、秧盤碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)時(shí)間和碼垛放盤時(shí)距運(yùn)轉(zhuǎn)托盤或上一層秧盤的高度作為試驗(yàn)因素進(jìn)行深入試驗(yàn)研究。

綜上，得出3種主要試驗(yàn)因素，每個(gè)因素選取3個(gè)水平。育秧生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)中常用生產(chǎn)率為400～600盤/h，因此選擇生產(chǎn)率400、500和600盤/h；碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)頻率為2 Hz，經(jīng)前期試驗(yàn)分析，選擇檢測(cè)時(shí)間分別為0.5、1.0和1.5 s；試驗(yàn)所用秧盤存在部分損壞變形，預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若放盤時(shí)高度過低，易出現(xiàn)擠壓現(xiàn)象，而高度過高，則震蕩較大，從而導(dǎo)致碼垛效果不理想，因此選擇放盤高度分別為0.5、1.5和2.5 cm，如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平Table 2 Factors and levels of test

3.4 試驗(yàn)方案

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)研究，生產(chǎn)率、碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)時(shí)間和放盤高度為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素考察3個(gè)水平。每組進(jìn)行100次碼垛試驗(yàn)，重復(fù)兩次，記錄碼垛合格率，并從中隨機(jī)抽取10盤秧盤記錄種子外露率，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。采用Design-Expert13.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Experiment scheme and results

3.5 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert13.0軟件，分別建立碼垛合格率和種子外露率關(guān)于生產(chǎn)率、檢測(cè)時(shí)間和放盤高度的回歸模型，并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃拖禂?shù)的顯著性，分析與結(jié)果如下所示：

碼垛合格率的回歸方程為

種子外露率的回歸方程為

碼垛合格率和種子外露率的方差分析結(jié)果如表4所示。

表4 碼垛合格率和種子外露率回歸模型的方差分析Table 4 Variance analysis of palletizing pass rate and seed exposure rate regression model

由表4可知，碼垛合格率回歸模型通過顯著性檢驗(yàn)（＜0.01），因此模型有效，單項(xiàng)和交互項(xiàng)、的影響不顯著，其他各項(xiàng)均通過顯著性檢驗(yàn)。

各因素對(duì)碼垛合格率影響的主次因素為：檢測(cè)時(shí)間、放盤高度和生產(chǎn)率。檢測(cè)時(shí)間過低會(huì)導(dǎo)致碼垛合格率大幅下降，這是由于當(dāng)檢測(cè)時(shí)間過短時(shí)，碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)所測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致較大的數(shù)據(jù)誤差；放盤高度過低時(shí)，個(gè)別秧盤由于形變會(huì)造成擠壓，降低合格率；放盤高度過高時(shí)，會(huì)造成放盤時(shí)沖擊變大，合格率也會(huì)因此降低，生產(chǎn)率對(duì)碼垛合格率影響較小。

由表4可知，種子外露率回歸模型通過顯著性檢驗(yàn)（＜0.01），因此模型有效，交互項(xiàng)、的影響不顯著，其他各項(xiàng)均通過顯著性檢驗(yàn)

各因素對(duì)種子外露率影響的主次因素為：放盤高度、生產(chǎn)率和檢測(cè)時(shí)間。隨著放盤高度的增大，放盤時(shí)秧盤受到的沖擊越大，土壤振動(dòng)導(dǎo)致表土稀薄，種子外露增多；生產(chǎn)率越大，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)速度提升，產(chǎn)生的振動(dòng)增大，種子外露增多，檢測(cè)時(shí)間對(duì)種子外露率影響較小。

3.6 各因素交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

由表4可知，檢測(cè)時(shí)間和放盤高度的交互項(xiàng)對(duì)碼垛合格率有顯著性影響，生產(chǎn)率和放盤高度的交互項(xiàng)對(duì)種子外露率有顯著影響，表明各因素間存在交互影響效應(yīng)。運(yùn)用Design-Expert13.0軟件對(duì)交互試驗(yàn)因素進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，生成各因素交互作用對(duì)碼垛合格率和種子外露率的響應(yīng)曲面圖（圖12）。

圖12 交互因素對(duì)碼垛合格率和種子外露率的影響Fig.12 Effect of interaction factors on palletizing pass rate and seed exposure rate

由圖12a可知，生產(chǎn)率設(shè)定為500盤/h時(shí)，當(dāng)放盤高度為1～1.5 cm和檢測(cè)時(shí)間為1.1～1.3 s時(shí)，碼垛合格率存在最優(yōu)值。固定放盤高度，隨檢測(cè)時(shí)間的增大，碼垛合格率呈現(xiàn)先增大后較平緩的趨勢(shì)；固定檢測(cè)時(shí)間，隨放盤高度的增大，碼垛合格率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。

由圖12b可知，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間固定1.0 s，放盤高度為1～1.5 cm時(shí)，生產(chǎn)率為400～500盤/h，種子外露率存在最小值。固定放盤高度，隨著生產(chǎn)率的增大，種子外露率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；固定生產(chǎn)率，隨著放盤高度的增大，種子外露率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

綜上所述，當(dāng)其中一個(gè)參數(shù)固定時(shí)，檢測(cè)時(shí)間對(duì)碼垛合格率的影響呈現(xiàn)先增加后較為平緩的趨勢(shì)，放盤高度對(duì)碼垛合格率的影響呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì);生產(chǎn)率對(duì)種子外露率的影響逐漸增大，放盤高度對(duì)種子外露率的影響呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。

3.7 參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)

為了探明試驗(yàn)指標(biāo)與主要影響因素間的最優(yōu)關(guān)系，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法分析不同生產(chǎn)率下碼垛機(jī)最優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)提高碼垛合格率、降低種子外露率的目標(biāo)，結(jié)合常用生產(chǎn)率為400、500和600盤/h及各試驗(yàn)因素的邊界條件，得到優(yōu)化模型為

利用Design-Expert13.0中Optimization進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果表明，當(dāng)生產(chǎn)率分別為400、500和600盤/h，檢測(cè)時(shí)間分別為1.139、1.141和1.148 s，放盤高度分別為1.089、1.122和1.070 cm時(shí)，碼垛合格率分別達(dá)到99.41%、99.50%，和99.11%，種子外露率分別為0.48%、0.53%和0.75%。

為了驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，分別進(jìn)行了生產(chǎn)率為400、500和600盤/h碼垛試驗(yàn)，由于檢測(cè)時(shí)間和放盤高度在各生產(chǎn)率下所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)比較接近，且考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)人員操作的便捷性，根據(jù)響應(yīng)曲面優(yōu)化值分析結(jié)果，檢測(cè)時(shí)間和放盤高度均取1.15 s和1.10 cm。在相同的試驗(yàn)條件下每組進(jìn)行100次碼垛試驗(yàn)，重復(fù)3次，碼垛合格率分別達(dá)到99.33%、99.50%，和99.20%，種子外露率分別為0.40%、0.53%和0.70%，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。上述試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

表5 優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of optimized parameters

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種低成本水稻秧盤自動(dòng)碼垛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了水稻秧盤育秧精密播種生產(chǎn)線秧盤自動(dòng)取盤和碼垛。

2）采用直角坐標(biāo)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理，建立了直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)模型；對(duì)所夾取秧盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種水稻秧盤夾持機(jī)構(gòu)；研制了以PLC為核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)秧盤的精確夾取、轉(zhuǎn)移和碼垛；基于PLC設(shè)計(jì)了碼垛層檢測(cè)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)碼垛。

3）采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了碼垛機(jī)性能試驗(yàn)，通過Design-Expert13.0軟件中的Optimization模塊，應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)碼垛性能影響因素進(jìn)行優(yōu)化研究，得到不同生產(chǎn)率條件下的最優(yōu)檢測(cè)時(shí)間和放盤高度參數(shù)組合。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行了生產(chǎn)率為400、500和600盤/h，檢測(cè)時(shí)間為1.15 s和放盤高度為1.10 cm參數(shù)組合下的驗(yàn)證試驗(yàn)；得到碼垛合格率分別為99.33%、99.50%和99.20%，種子外露率分別為0.40%、0.53%和0.70%。試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究設(shè)計(jì)的碼垛機(jī)具有穩(wěn)定的碼垛性能，試驗(yàn)指標(biāo)滿足水稻工廠化育秧秧盤碼垛要求，對(duì)提高水稻工廠化育秧的自動(dòng)化水平具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。