姜巖蕾，韓艷贊

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽 473000)

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蔬菜穴盤缽苗取苗機構(gòu)設計
——基于PLC控制和虛擬樣機技術(shù)

姜巖蕾，韓艷贊

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽 473000)

蔬菜穴盤缽苗是目前最常用的育苗方式之一，其工作方式為人工取苗后，再由機械進行栽苗操作的半自動化移栽，但這種方式的種植效率受到人工取苗效率的限制，達不到高效移栽的目的。為此，設計了一種新的自動取苗裝置，并提出了5個橢圓齒輪組成行星取苗機構(gòu)，利用PLC控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)取苗的連續(xù)自動化操作，并配備了遠程控制和閉環(huán)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，大大提高了穴盤育苗的機械效率和作業(yè)精度。利用虛擬樣機仿真測試的方法對取苗機構(gòu)進行了優(yōu)化設計，使用UG軟件建立了取苗機構(gòu)的模型，將模型導入到ADMAS軟件中進行了動力學仿真，將虛擬仿真得到的取苗片尖點運動軌跡結(jié)果和實驗測試結(jié)果進行了對比，驗證了其一致性。

穴盤育苗；虛擬樣機；PLC控制；閉環(huán)調(diào)節(jié)；ADMAS仿真

0 引言

目前，半自動蔬菜缽苗移栽機是穴盤育苗移栽過程中使用的主要機械，該機械利用人工取苗和放苗，降低了工作效率。隨著移栽機構(gòu)轉(zhuǎn)速的增加，露苗速度也會加快，因此需要研究一種集自動送苗、取苗、植苗等多種功能于一體的全自動蔬菜缽苗移栽機，以提高穴盤育苗提高工作效率。取苗機主要結(jié)構(gòu)為自動化取苗機構(gòu)，但目前國內(nèi)外研究的自動取苗裝置結(jié)構(gòu)復雜，不易大規(guī)模生產(chǎn)和制造，只有設計出合理簡單的取苗結(jié)構(gòu)，才能降低設計和制造成本，加快全自動移栽機械的發(fā)展速度。

1 蔬菜穴盤缽苗取苗機構(gòu)和PLC控制

目前，育苗最廣泛使用的3種方式為穴盤育苗、苗床育苗及營養(yǎng)育苗，穴盤育苗是將營養(yǎng)土壤放置于穴孔中，將種子種在穴盤中，待秧苗長成后將秧苗取出，進行種植，這種育苗方式利于機械移栽。缽苗盤的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當秧苗長成之后，實現(xiàn)秧苗的順利移栽是實現(xiàn)穴盤育苗種植的關鍵。移栽后的蔬菜可以更加充分的利用自然資源，縮短了幼苗的發(fā)育時間，降低了生產(chǎn)周期，從而增加了產(chǎn)量。目前我國對于蔬菜移栽機械的研究還比較落后，移栽主要靠人工完成，為了提高移栽效率，需要設計出自動化水平較高的移栽機械。

圖2為近年來研制的半自動穴盤育苗移栽機。該移栽機的工作方式為人工取苗后，再由機械進行載苗操作，其種植的效率受到了人工取苗的限制?；诖耍狙芯吭O計了一種新的自動取苗裝置，如圖3所示。

圖1 缽苗盤結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 半自動穴盤育苗自動移栽機

圖3 自動取苗機械手

圖3中，機械手基于PLC控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)取苗的連續(xù)自動化操作，并且利用PLC控制系統(tǒng)設計了遠程控制和閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而提高了機械取苗的精度和效率。

圖4為本研究設計的穴盤苗自動移栽的流程圖。其工作的流程主要分為4部分，包括定位、機械手抓取穴盤苗、重新定位和投放穴盤苗。其中，定位和機械手的動作通過PLC控制，實現(xiàn)了穴盤育苗的自動化操作。

圖4 穴盤苗自動移栽流程圖

2 蔬菜穴盤缽苗自動取苗機構(gòu)運動模型

蔬菜穴盤缽苗自動取苗機構(gòu)主要是由5個橢圓非均勻尺寸組成，理論上實現(xiàn)了傳動的無側(cè)隙嚙合，使傳動機構(gòu)工作平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高，其結(jié)構(gòu)原理的示意圖如圖5所示。

1、2、5、6、8.齒輪 3、7.凹鎖止弧 4.凸鎖止弧 9.行星架 10、12.取苗爪 11.缽苗機構(gòu) 13.取苗時的運動軌跡

假設橢圓齒輪的半長軸為a，半短軸為b，M1為行星架的旋轉(zhuǎn)中心，M2為中間輪的旋轉(zhuǎn)中心，相對于起始邊旋轉(zhuǎn)過角度φ后，得到行星架和中間輪的旋中心為M1'和M2'。假設與x軸之間的夾角為φ0，M1'M2為行星架M2M1的起始邊，嚙合位置用極坐標進行表示，于是可以得到

(1)

(2)

當φ>0時，有

r1=M1P

(3)

r2=2a-r1

(4)

其中，以M2'M2為行星架M2M1的起始邊，行星架轉(zhuǎn)過的角度為φ21(φ21<0)，則有

(5)

(6)

當φ在0～π之間時，φ21在-π～0之間；當φ在0～2π之間時，φ21在-π～-2π之間。因此，可以根據(jù)cosφ21>0或cosφ21<0確定φ21的唯一角度，令

φ1=φ0+φ

(7)

則軸心M3可以表示為

(8)

取苗機構(gòu)的尖點T位移為

(9)

其中，S表示取苗臂的長度，φT=φ0+φ+φ21，利用尖點的位移可以對自動取苗機構(gòu)進行虛擬仿真，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。取苗機構(gòu)尖點的位移值是機構(gòu)PLC反饋調(diào)節(jié)的重要依據(jù)，也是遠程監(jiān)控的主要參數(shù)。本PLC控制系統(tǒng)的設計采用日本歐姆龍公司的CPM2A系列PLC作為現(xiàn)場的控制設備，并利用AD模塊對模擬信號進行處理，系統(tǒng)的設計框架如圖6所示。

圖6 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

將模擬仿真得到的位移值通過組態(tài)畫面輸入到給定值中，PLC的數(shù)據(jù)存儲利用A/D轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過和實際得到的位移軌跡進行對比，確定機構(gòu)的操作，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時，PLC作為下位機，利用內(nèi)置的RS-232連接器和上位機進行通信，提高了系統(tǒng)的效率，其原理如圖7所示。

圖7 RS-232通訊連接原理圖

PLC與上位機一般采用RS-232接口的異步串行方式，C200HS在CPU單元上增加了一個內(nèi)置的RS-232連接器，因此PLC不再需要使用專用的通訊模塊便可以方便地與外部裝置進行通訊。PLC和PC的通信接線示意圖如圖8所示。

圖8 PLC與計算機RS232通信接線示意圖

圖8中，通信的波特率為9 600，數(shù)據(jù)為是7位，停止位是2位，奇偶校驗為偶校驗。

3 自動取苗機構(gòu)實驗和虛擬樣機測試

為了實現(xiàn)蔬菜穴盤缽苗自動取苗裝置的優(yōu)化設計，采用UG7.0軟件設計了取苗機構(gòu)的虛擬樣機，虛擬樣機通過齒廓拉伸得到了橢圓齒輪的實體造型，利用約束將拉伸得到的三維實體模型組裝成一個裝配體，便可以得到蔬菜穴盤缽苗自動取苗裝置的虛擬樣機，如圖9所示。

圖9 蔬菜穴盤缽苗自動取苗裝置的虛擬樣機

本次仿真采用自底向上的建模方式，機構(gòu)共分為支架、齒輪箱和取苗臂，對每個部分分別進行建模，然后組裝為子裝配體，最后通過約束完成總裝配體。

圖10為虛擬樣機在ADAMS軟件中的運動仿真。在ADAMS中主要對取苗機構(gòu)的取苗片運動軌跡進行仿真，由仿真計算得到了取苗片的合速度隨位移變化的曲線，如圖11所示。

圖10 ADAMS運動仿真曲線

由圖11可以看出：不同的行星架角位移在尖點處的和速度有所不同，為了使取苗機構(gòu)達到最佳的速度，可以合速度曲線為參照，通過調(diào)整臂長，得到合適的合速度。

圖11 取苗片尖點合速度仿真曲線

為了驗證虛擬仿真實驗結(jié)果的合理性和可靠性，對取苗機構(gòu)進行了實驗測試，實驗場景如圖12所示，首先在苗缽中培育好秧苗，然后利用取苗機構(gòu)進行取苗，通過測試得到了如圖13所示的合速度實驗測試曲線。

圖12 取苗機構(gòu)實驗測試

圖13 取苗片尖點合速度實驗測試曲線

由圖13可以看出:通過實驗測試得到的合速度曲線的趨勢同仿真模擬得到的曲線基本一致，從而驗證了虛擬仿真的可靠性，因此可以通過虛擬仿真對蔬菜穴盤缽苗自動取苗裝置進行合理的優(yōu)化設計，使其達到最佳的設計效果。

4 結(jié)論

為了提高蔬菜穴盤育苗移栽的效率，提高作業(yè)機自動化水平和機械化作業(yè)質(zhì)量，設計了一種新的自動取苗裝置，并在該裝置上配置了5個橢圓齒輪組成行星取苗機構(gòu),提高了取苗裝置工作的穩(wěn)定性。利用PLC和PC機設計了機構(gòu)的遠程控制和閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高了作業(yè)的自動化水平和作業(yè)精度。使用UG軟件建立了取苗機構(gòu)的模型，將模型導入到ADMAS軟件中進行了動力學仿真，得到了取苗片尖點合速度隨角位移的變化曲線。采用實驗測試的方法對取苗機構(gòu)進行了測試，將得到的尖點合速度曲線同虛擬仿真結(jié)果進行了對比，驗證了虛擬仿真的有效性和可靠性。

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Design of the Seedling Mechanism of Vegetable Seedling Tray Based on PLC Control and Virtual Prototyping Technology

Jiang Yanlei, Han Yanzan

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

The vegetable bowl seedling is one of the most commonly used methods of seedling raising, and its working way is the semi automatic transplanting, which is carried out by the machine to carry out the seedlings. Based on this, a new automatic picking device is designed, and five elliptical gears are proposed. The mechanism of PLC control system, which can realize the continuous automatic operation, and is equipped with remote control and closed loop control. Using the method of virtual prototype simulation, the optimization design was carried out using UG software. The model was imported into ADMAS software. The results were compared with the experimental results.

plug seedling; virtual prototyping; PLC control; closed-loop control; ADMAS simulation

2016-01-25

河南省科技攻關項目(152102110161)

姜巖蕾(1974-)，女，河南南陽人，副教授，碩士。

韓艷贊(1984-)，男，河南南陽人，講師，碩士，(E-mail)yzhan1984@hnpi.edu.cn。

S223.94

A

1003-188X(2017)01-0222-05