何焯亮 王 濤 林世坤 羅洪峰

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228）

甘蔗品種眾多，按商業(yè)用途來(lái)分無(wú)非只有兩類(lèi)——制糖類(lèi)甘蔗和經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗。它們的收割要求不同：制糖類(lèi)甘蔗收獲過(guò)程可以不顧忌埋在泥土下的頭部，收割時(shí)只要沿著地表砍斷即可，收割條件良好，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、規(guī)模化；經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗的收獲要求比較高，它不能沿地表直接砍斷，要保留完整干凈的頭部，以確保甘蔗在市場(chǎng)上流通時(shí)保鮮時(shí)間更長(zhǎng)，加之經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗的主產(chǎn)地大多為低洼碎離的地理特征，使其難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化［1－4］。中國(guó)在甘蔗收獲機(jī)械方面的研究大部分是針對(duì)制糖類(lèi)甘蔗的，僅有少量有關(guān)經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗收割機(jī)械的研究成果，目前已知廣西農(nóng)機(jī)研究所研制的4GZ-1A型甘蔗收獲機(jī)［5］，需要配套中型輪式拖拉機(jī)工作；采用夾持切割、夾持運(yùn)輸。但由于輸送流程長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)彎曲和倒伏甘蔗適應(yīng)性較差，不能滿足當(dāng)下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。孫秀花等［6］的基于柔性化的甘蔗收獲機(jī)械利用ANSYS軟件將甘蔗進(jìn)行網(wǎng)格劃分變成柔性體，并利用ADAMS軟件模擬了小型甘蔗收獲機(jī)對(duì)甘蔗的收獲過(guò)程。根據(jù)甘蔗的實(shí)際物理特性將其劃分為相應(yīng)柔性體更切合實(shí)際，但模擬收獲機(jī)的收獲過(guò)程僅僅是一種虛擬環(huán)境中的簡(jiǎn)化試驗(yàn)，缺乏細(xì)節(jié)，并未設(shè)計(jì)出更具形象化的收獲機(jī)械。因此，研發(fā)高效、價(jià)廉、實(shí)用的，集傳統(tǒng)手工松土與削根為一體的經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗收獲機(jī)，將跨越式地提升經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)思路

由于相關(guān)機(jī)具少且落后，經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗的收獲多數(shù)通過(guò)純手工的方式收割。這種收割方式分為2個(gè)步驟：①先用鋤頭把甘蔗頭連根帶土挖出；② 用柴刀將甘蔗頭上的根和泥削干凈。本研究設(shè)計(jì)的基于PLC自動(dòng)控制的小型甘蔗收獲機(jī)，采用機(jī)械刀楸模仿這種傳統(tǒng)手工收割的方法，借鑒韓浩定等［7］運(yùn)用液壓驅(qū)動(dòng)和PLC數(shù)字控制技術(shù)設(shè)計(jì)的香蕉秸稈切片裝置，通過(guò)PLC芯片指令和限位開(kāi)關(guān)操作各個(gè)電機(jī)運(yùn)行，指導(dǎo)刀具的正確精準(zhǔn)動(dòng)作，對(duì)甘蔗頭部進(jìn)行松土削根，最終實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲過(guò)程的自動(dòng)控制。

2 主體結(jié)構(gòu)及其功能

2.1 基本結(jié)構(gòu)

甘蔗收獲機(jī)由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、控制元件和執(zhí)行元件三大部分組成，其三維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中，動(dòng)力機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)a、伺服電機(jī)b及伺服電機(jī)c組成，3個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)均由PLC模塊及其相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)控制。動(dòng)力機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，伺服電機(jī)a功率較大，其輸出軸經(jīng)鏈傳動(dòng)與前輪13相連，帶動(dòng)收獲機(jī)器前進(jìn)或后退；伺服電機(jī)b用以控制刀架的上下移動(dòng)；伺服電機(jī)c則控制兩刀楸間的相向運(yùn)動(dòng)?？刂圃勺笥蚁尬婚_(kāi)關(guān)5、夾緊限位開(kāi)關(guān)7、前進(jìn)限位開(kāi)關(guān)8、上下限位開(kāi)關(guān)10等組成，其任務(wù)是讓工作機(jī)構(gòu)相互精確配合，使機(jī)器按一定的步驟有序工作。執(zhí)行元件則由刀楸9、后輪11、前輪13等組成，刀楸是該甘蔗收獲機(jī)的核心元件，在伺服電動(dòng)機(jī)b、c的帶動(dòng)下夾緊甘蔗并向下運(yùn)動(dòng)，迅速松土并削凈甘蔗（保留頭部）；前后輪的作用則使機(jī)器沿一定路徑行駛。

圖1 小型經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The basic structure of small economic type sugarcane harvester

刀架是收獲機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，用于對(duì)甘蔗的夾持、莖葉的剔除以及甘蔗根部的削凈，它由刀楸、支承架、限位開(kāi)關(guān)、伺服電機(jī)組成，見(jiàn)圖2。從圖2中可以看到，刀楸由兩個(gè)半圓形刀具組成，刀具下端加工成堅(jiān)硬鋒利的刀鋒；兩伺服電機(jī)的主軸帶有螺紋并與刀楸的支承套配合，實(shí)現(xiàn)螺紋螺桿連接。

圖3為圖2所示刀架的俯視圖，從圖3中可以看到，當(dāng)伺服電機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，刀楸就會(huì)在螺紋螺桿的帶動(dòng)下相向運(yùn)動(dòng)，夾住甘蔗。相向運(yùn)動(dòng)不可能無(wú)止境地進(jìn)行，當(dāng)?shù)堕笨拷揭欢ǔ潭?，被夾緊的甘蔗就會(huì)觸碰到刀楸上的夾緊限位開(kāi)關(guān)6（見(jiàn)圖2），使相向運(yùn)動(dòng)停止，進(jìn)行下一個(gè)工步。

2.2 自動(dòng)收獲工作過(guò)程及工作原理

收獲機(jī)的工作過(guò)程可分步表示如下：① 當(dāng)人為觸發(fā)啟動(dòng)按鈕時(shí)，伺服電機(jī)a接通，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)收獲機(jī)向前前進(jìn)；② 車(chē)子在前進(jìn)的過(guò)程中，前方的甘蔗觸及壓力傳感器，機(jī)器停止前進(jìn)同時(shí)伺服電機(jī)c正轉(zhuǎn)，刀楸中的兩半圓柱形刀具便相向移動(dòng)，將甘蔗夾緊；③ 刀具觸及甘蔗時(shí)夾緊限位開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，刀具停止相向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)甘蔗被夾緊，伺服電機(jī)b正轉(zhuǎn)，刀具開(kāi)始下行，刀楸在削除甘蔗葉的同時(shí)深入泥土，削根挖土，最終達(dá)到整株甘蔗與泥土分離的目的；此時(shí)，定時(shí)器T0開(kāi)始激發(fā)，定時(shí)3s（是考慮人身安全和工作效率的綜合結(jié)果），在此期間，人工將已削干凈的甘蔗從土里迅速移除，這里需要說(shuō)明的是，定時(shí)期間刀楸在泥土里，距離人手較遠(yuǎn)，同時(shí)甘蔗已整株挖出，移除較易；④ 定時(shí)一到，電機(jī)b開(kāi)始反轉(zhuǎn)，刀具上升并觸及上行限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)c反轉(zhuǎn)，刀具迅速分離，等待下一次的插割工作；⑤ 當(dāng)?shù)毒叻蛛x到位后，觸及收割機(jī)前行啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，電機(jī)a再次接通，收獲機(jī)繼續(xù)前行，收割下一顆甘蔗。以上所述為一個(gè)工作流程，收獲機(jī)以此為單位不間斷工作。甘蔗收獲機(jī)的自動(dòng)工作流程圖及對(duì)應(yīng)的PLC順序功能見(jiàn)圖4。

圖2 刀架示意圖Figure 2 Schematic diagram of turret

圖3 刀楸觸發(fā)相向運(yùn)動(dòng)示意圖Figure 3 Schematic diagram of tools’relative motion

3 行程反饋及PLC控制系統(tǒng)

3.1 限位開(kāi)關(guān)的行程反饋控制

在實(shí)際生產(chǎn)中，將行程開(kāi)關(guān)［8］安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開(kāi)關(guān)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電路的切換。收獲機(jī)的前進(jìn)與停止、刀楸的上行與下行、甘蔗的夾緊與松開(kāi)，都需要各個(gè)相對(duì)應(yīng)的行程開(kāi)關(guān)與伺服電機(jī)有機(jī)配合，根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的行程位置進(jìn)行反饋控制而切換電路的電器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)行程的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)刀具對(duì)甘蔗的精準(zhǔn)切削動(dòng)作。

圖4 自動(dòng)工作流程圖Figure 4 Automatic work flow chart

3.2 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)及I/O接線

由于PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式［9］，用它控制收獲機(jī)的運(yùn)行，圖4所示的自動(dòng)工作流程就變得可行。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)甘蔗收獲機(jī)系統(tǒng)精準(zhǔn)有效的自動(dòng)控制，收獲機(jī)的控制系統(tǒng)核心將采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N－32M系列PLC［10］來(lái)完成。先用STL（步進(jìn)梯形指令）方法編寫(xiě)甘蔗收獲機(jī)自動(dòng)收割的控制程序，再將程序?qū)隤LC芯片中，最后將芯片接入主電路中對(duì)收獲機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。其I/O接線圖見(jiàn)圖5。其中轉(zhuǎn)換條件和輸出分別為：

X0：收獲機(jī)檢測(cè)正常，人為啟動(dòng)，主電機(jī)a接通；

X1：甘蔗觸及車(chē)的前進(jìn)限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)a斷開(kāi)，電機(jī)c接通正轉(zhuǎn)；

X2：甘蔗觸到刀具的夾緊限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)c斷開(kāi)，電機(jī)b接通正轉(zhuǎn)；

X3：刀具下行到位觸及下行限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)b斷開(kāi)，時(shí)間繼電器T0接通開(kāi)始計(jì)時(shí)；

X4：刀具上行到位觸及上行限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)b斷開(kāi)，電機(jī)c接通反轉(zhuǎn)；

X5：刀具觸及左右限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)c斷開(kāi)，電機(jī)a接通；

X6：延時(shí)時(shí)間到了，延時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，接通電機(jī)b反轉(zhuǎn)；

Y0：電機(jī)a接通車(chē)子前行；

Y1：電機(jī)c正轉(zhuǎn)，刀具相向移動(dòng)；

Y2：電機(jī)b正轉(zhuǎn)，刀具下行；

Y3：電機(jī)b反轉(zhuǎn)，刀具上行；

Y4：電機(jī)c反轉(zhuǎn)，刀具分離；

Y5：時(shí)間繼電器T0接通，開(kāi)始延時(shí)3s；

COM、COM1：電源接口。

圖5 甘蔗收獲機(jī)PLC外部接線圖Figure 5 Sugarcane harvester PLC external wiring diagram

4 結(jié)論

（1）中國(guó)地少人多的人文特點(diǎn)以及東南地帶低洼碎離的地理特征，很大程度限制了中國(guó)甘蔗種植業(yè)的機(jī)械化發(fā)展。此款小型經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗收獲機(jī)以中國(guó)目前小規(guī)模小經(jīng)營(yíng)的甘蔗生產(chǎn)模式為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單輕便，基本能實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗的合理收獲，為經(jīng)濟(jì)類(lèi)甘蔗的收獲機(jī)械化提供了參考依據(jù)。

（2）當(dāng)然，此甘蔗收獲機(jī)在自動(dòng)的循環(huán)工作中，其本身的精準(zhǔn)控制以及性能穩(wěn)定性比較難把握；加上其本身的精準(zhǔn)控制及其容易受到甘蔗地平整狀況和甘蔗生長(zhǎng)狀態(tài)等外在因素的影響，因此收獲機(jī)在運(yùn)作時(shí)很有必要實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)的自動(dòng)反饋控制以及施以必要的人為校正。另外，由于缺乏實(shí)際操作數(shù)據(jù)，收獲機(jī)模型有待進(jìn)一步完善。制作樣機(jī)并投入生產(chǎn)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)將是下一步亟需完成的工作。而在甘蔗收獲機(jī)的研制過(guò)程中不僅要提高其性能，還要利用先進(jìn)工藝、先進(jìn)技術(shù)和材料降低制造成本，從而實(shí)現(xiàn)甘蔗收割的機(jī)械化、智能化?？傊?，高經(jīng)濟(jì)效益和高社會(huì)效益的甘蔗收割機(jī)必將成為未來(lái)發(fā)展的主流。

1 張華，羅俊，袁照年，等.甘蔗機(jī)械化種植的農(nóng)藝技術(shù)分析［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013（1）：78～81.

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8 羅圣國(guó)，黃少顏，龔溎義，等.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)指導(dǎo)書(shū)［M］.第2版.北京：高等教育出版社，2012.

9 廖常初，可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.第5版.重慶：重慶大學(xué)出版社，2012.

10 李艷，鄭鳳翼.輕松解讀三菱FX2N系列PLC原理與應(yīng)用［M］.第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.