水稻工廠化育秧播種流水線疊盤裝置的研究設(shè)計(jì)

許 多 ， 盧進(jìn)勇 ， 倪忠進(jìn)

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)光機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.杭州久安安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，浙江 杭州 311300）

0 引言

《中共中央 國務(wù)院關(guān)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》明確提出了“堅(jiān)持農(nóng)民主體地位”的基本原則，要求“充分尊重農(nóng)民意愿，切實(shí)發(fā)揮農(nóng)民在鄉(xiāng)村振興中的主體作用”[1]。我國人多地少，水稻作為世界三大糧食作物之一，對保障我國糧食安全具有非常重大的意義。由于水稻生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，且受農(nóng)業(yè)從業(yè)人口轉(zhuǎn)移、勞動(dòng)力成本上升、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料價(jià)格上漲等因素的影響[2]，水稻生產(chǎn)逐漸從人工向機(jī)械化發(fā)展的需求迫在眉睫，其中工廠化育秧是水稻機(jī)械化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。構(gòu)建水稻育秧流水線，為提高我國水稻生產(chǎn)效率、節(jié)省水稻生產(chǎn)過程中的人力資源成本發(fā)揮了重要作用，同時(shí)，其還具有成本低、效率高、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)[4]。但是，目前水稻育秧流水線中秧盤大多由人工逐個(gè)取放，該過程不僅作業(yè)強(qiáng)度大，而且制約著工廠化育秧的整體生產(chǎn)效率[5]。當(dāng)前市面上的秧盤疊盤裝置大多從國外進(jìn)口，其成本高昂、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修困難，嚴(yán)重阻礙了水稻工廠化育秧產(chǎn)業(yè)的推廣與發(fā)展。

本文針對水稻工廠化育秧中的疊盤環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了一種疊盤機(jī)構(gòu)，同時(shí)編寫了配套PLC控制程序，可改善當(dāng)前水稻育秧流水線疊盤環(huán)節(jié)中振動(dòng)過大而導(dǎo)致的疊盤易錯(cuò)位等問題，并簡化整體結(jié)構(gòu)，降低了水稻育秧流水線疊盤裝置的生產(chǎn)成本。以期為水稻工廠化育秧高產(chǎn)高效提供參考，促進(jìn)水稻育秧流水線疊盤環(huán)節(jié)技術(shù)創(chuàng)新，切實(shí)解決農(nóng)業(yè)從業(yè)勞動(dòng)力不足和水稻育秧效率低等問題[6]。

1 整體設(shè)計(jì)

疊盤裝置是水稻育秧流水線系統(tǒng)中最重要的組成部分之一。一般情況下，運(yùn)輸傳送帶以9 m/min～13 m/min速度將一塊總質(zhì)量約為4 kg、尺寸大小為595 mm×295 mm的覆土育秧盤送至疊盤機(jī)區(qū)域以5 m/s～7 m/s的速度進(jìn)行疊放，直到疊放數(shù)量達(dá)到設(shè)定數(shù)量（根據(jù)后續(xù)工序機(jī)械臂運(yùn)力而定，本文以5盤一次為例），成垛卸下送入下一工序。

市面上的水稻育秧流水線疊盤裝置多在盤下部設(shè)置一個(gè)直線電機(jī)直接抬升覆土盤。這類疊盤裝置在抬升覆土盤時(shí)，抬升裝置與覆土盤接觸時(shí)造成的沖擊易導(dǎo)致覆土盤中被均勻排種的種子發(fā)生錯(cuò)位，影響后續(xù)育秧。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的水稻育秧流水線疊盤裝置。

1.1 方案總體設(shè)計(jì)

水稻育秧流水線疊盤裝置由輸送機(jī)構(gòu)、抬升機(jī)構(gòu)、支撐與卸載機(jī)構(gòu)三大部分組成。

1）輸送機(jī)構(gòu)為使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)減小、控制穩(wěn)定、運(yùn)行速度較緩，故采用同步帶輸送結(jié)構(gòu)，輸送動(dòng)力由三相交流異步電動(dòng)機(jī)加蝸輪減速機(jī)提供。

2）抬升機(jī)構(gòu)綜合考慮覆土盤的平穩(wěn)性與成本，采用凸輪提升，提升動(dòng)力由伺服電機(jī)加蝸輪減速機(jī)提供。

3）支撐與卸載機(jī)構(gòu)綜合考慮成本、安裝、壽命，采用角鋼支撐，采取電磁閥控制氣缸開合移動(dòng)支撐架的控制方法，氣缸收縮動(dòng)力由氣泵提供。

根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)疊盤裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

水稻育秧流水線疊盤裝置主要由氣泵、秧盤輸送機(jī)構(gòu)、秧盤升降機(jī)構(gòu)、秧盤卸載機(jī)構(gòu)、電控箱、機(jī)架、電動(dòng)機(jī)等組成，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)疊盤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

該裝置的工作流程如下：

1）秧盤通過輸送電機(jī)驅(qū)動(dòng)的皮帶送入指定位置觸發(fā)到位接近開關(guān)，輸送電機(jī)停止。

2）升降電機(jī)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)凸輪沿限位擋板上升，盤上沿頂開支撐架繼續(xù)上升。

3）支撐架被頂開后回落，此時(shí)凸輪開始下降，盤上升沿下側(cè)置于回落的支撐架上沿，一次疊盤流程結(jié)束。

4）重復(fù)上述疊盤流程，上盤的底部卡口會(huì)嵌入下盤的承放處，直至設(shè)定次數(shù)（本文累計(jì)疊放5盤）。

5）在設(shè)定的測試上升結(jié)束時(shí)，氣泵啟動(dòng)，氣桿回縮（此時(shí)5盤皆處在凸輪遠(yuǎn)周止處），支撐件繞轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，直至支撐架無部分在盤的下部。

6）5盤皆通過凸輪沿凸輪下降沿回落至運(yùn)送輸送帶上，運(yùn)送輸送帶輸出至運(yùn)輸平臺(tái)，完成運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束。

7）等待機(jī)械手取走堆疊完的盤，繼續(xù)下一周期的疊盤流程。

2 主要參數(shù)

2.1 輸送電機(jī)選型

考慮運(yùn)行條件和控制精度要求，選用Y型三相交流異步電動(dòng)機(jī)。Y型三相交流異步電動(dòng)機(jī)，效率高，可靠性高，在惡劣條件下不用維護(hù)也可以安全運(yùn)轉(zhuǎn)很多年。

在疊盤機(jī)設(shè)備中，Y型三相交流異步電動(dòng)機(jī)搭配同步帶傳動(dòng)，已知同步帶輪直徑D=55 mm，貨物最大重量m=20 kg（一塊覆土盤約4 kg，共5盤），PVC與工程塑料靜摩擦系數(shù)δ=0.5，加速度a=2 m/s2，速度v=9 m/min～13 m/min，此處取v=10 m/min，減速機(jī)減速比i=9～25，此處取減速比i=12.5，取包含機(jī)構(gòu)效率和減速器效率損耗的結(jié)構(gòu)效率η=0.95。

啟動(dòng)瞬間需要的驅(qū)動(dòng)力為：

扭矩為：

由此可折算三相交流異步電動(dòng)機(jī)所需的扭矩為：

三相交流異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為：

可折算電機(jī)功率為：

綜合考慮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的尺寸、價(jià)格、重量以及減速器、傳動(dòng)比等因素，查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[7]，選定電機(jī)型號為Y132S-8三相異步電動(dòng)機(jī)，額定功率Pen=2.2 kW，滿載轉(zhuǎn)速nm=710 r/min，同步轉(zhuǎn)速nt=750 r/min。

2.2 升降電機(jī)選型

考慮運(yùn)行條件和控制精度要求，選用伺服電機(jī)。伺服電機(jī)具有控制精度高、便于PLC系統(tǒng)控制等特點(diǎn)。

在疊盤機(jī)設(shè)備中，伺服電機(jī)搭配凸輪傳動(dòng)，已知凸輪基圓r=40 mm，行程h=24 mm，推程運(yùn)動(dòng)角120°，回程運(yùn)動(dòng)角120°，遠(yuǎn)休止角60°，近周止角60°。過渡段貨物最大重量m=20 kg（一塊覆土盤重量約4 kg，共5盤），靜摩擦系數(shù)δ=0.45，加速度a=2 m/s2，速度v=6 m/s，減速機(jī)減速比i=5。

2.2.1 伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速公式為：

2.2.2 啟動(dòng)瞬間需要的拉力

啟動(dòng)瞬間需要的拉力為：

扭矩為：

由此可折算伺服電機(jī)所需的扭矩為：

可折算電機(jī)功率為：

參考三菱電機(jī)伺服電機(jī)使用手冊[8]，在滿足以上參數(shù)要求的情況下，采用MR-J2S-100A型伺服驅(qū)動(dòng)器，選擇電機(jī)型號為HF-KE13W1-S100。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)

基于PLC的水稻育秧流水線疊盤裝置系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)具體如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)接線圖

水稻育秧流水線疊盤裝置運(yùn)行過程中需先基于PLC程序初始化控制系統(tǒng)，詳細(xì)檢測PCU、存儲(chǔ)器、I/O端口等具體狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主檢測，明確系統(tǒng)各個(gè)部分的狀態(tài)，然后循環(huán)掃描輸入端口信號，合理設(shè)置執(zhí)行參數(shù)，進(jìn)而開始有序運(yùn)轉(zhuǎn)。

水稻育秧流水線疊盤裝置是面向多數(shù)值的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以對于PLC配置的運(yùn)算速度、可靠性要求相對偏高，因此選擇了型號為三菱FR-FX2N-32MT的PLC。使用了9個(gè)輸入端子和8個(gè)輸出端子，如表1所示。

表1 軟元件注釋表

續(xù)表

3.2 PLC程序

在水稻育秧流水線疊盤裝置編寫自動(dòng)控制程序前，需就有關(guān)技術(shù)要求與工藝流程設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)運(yùn)行流程[9]，具體如圖4所示。

PLC的編程方法因程序設(shè)計(jì)人員的思維習(xí)慣不同而有很大差異，常用的編程方法有梯形圖編程和語句表編程兩種。梯形圖接近繼電器控制的表達(dá)形式，語句表則類似于計(jì)算機(jī)匯編語言，這兩種編程方式均實(shí)時(shí)反映出繼電器控制的思想。根據(jù)水稻育秧流水線疊盤裝置運(yùn)行流程，本文采用語句表的方式對PLC主體進(jìn)行編程[10]，具體如表2所示。

表2 指令表

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修便利，且能有效提高水稻工廠化育秧中的疊盤環(huán)節(jié)工作效率的裝置；通過理論分析計(jì)算，建立了整個(gè)疊盤裝置的結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)理論要求工作參數(shù)，配置對應(yīng)硬件設(shè)備；開發(fā)了以PLC為核心的控制系統(tǒng)，并編寫了對應(yīng)的控制程序，該裝置能準(zhǔn)確控制秧盤的輸送并自動(dòng)疊盤；該裝置有效地提高了水稻育秧流水線的生產(chǎn)效率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備生產(chǎn)成本和維修成本，可為我國水稻工廠化育秧流水線的推廣應(yīng)用提供支持。