孫景彬，蓋金星，李學(xué)強，王相友，李 棟

(1.山東理工大學(xué)，a.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院；b.電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255091；2.山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司，山東 德州 253600)

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智能馬鈴薯堆垛機的設(shè)計

孫景彬1a，蓋金星2，李學(xué)強2，王相友1a，李 棟1b

(1.山東理工大學(xué)，a.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院；b.電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255091；2.山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司，山東 德州 253600)

馬鈴薯收獲后需要對其入庫貯藏，目前馬鈴薯入庫堆垛機械的作業(yè)效率較低、成本高，需要大量人工輔助作業(yè)。針對這一系列問題，設(shè)計了一款具有較高作業(yè)效率的智能馬鈴薯堆垛機。該機可根據(jù)所需的堆垛高度進行作業(yè)，控制方便，傷薯率低，為馬鈴薯的長時間貯藏提供了保障。對樣機做了相關(guān)試驗，結(jié)果表明：該機滿足堆垛要求，且堆垛過程中的傷薯率明顯降低，可以控制在1%以下。因此，此款機器的設(shè)計對解決農(nóng)忙時節(jié)用工荒、提高馬鈴薯的入庫效率及馬鈴薯的貯藏品質(zhì)具有重要意義。

馬鈴薯；堆垛機；智能；控制；傳感器

0 引言

伴隨著馬鈴薯主糧化的戰(zhàn)略部署，國內(nèi)馬鈴薯的種植面積逐年增加，年產(chǎn)量也達到世界領(lǐng)先水平，實現(xiàn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的全程機械化迫在眉睫[1]。由于馬鈴薯的產(chǎn)量很高，為避免其發(fā)芽、變質(zhì)，需要對其進行倉儲。但是，當(dāng)前馬鈴薯經(jīng)過分選清選之后的入倉作業(yè)還未完全實現(xiàn)機械化，需要大量的勞動力。

目前，國內(nèi)馬鈴薯方面的倉儲機械尚未成熟，具有代表性的機型主要有姚建輝等設(shè)計的裝倉堆垛機[2]、內(nèi)蒙古凌志馬鈴薯科技有限公司設(shè)計的馬鈴薯堆垛機等。但這些設(shè)備仍存在著一些不足：控制部分自動化程度較弱，作業(yè)效率較低，易對馬鈴薯塊莖造成損傷。

為了解決馬鈴薯收獲季節(jié)的用工荒問題，降低用工成本，最大程度地減少馬鈴薯倉儲過程中產(chǎn)生的不必要損失，提高其貯藏品質(zhì)，本文設(shè)計了一款智能馬鈴薯堆垛機。該機可以對收獲后經(jīng)過清選分選的馬鈴薯進行堆垛處理，且堆垛高度可根據(jù)不同需求進行人工或自動控制，作業(yè)效率明顯提高。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該智能馬鈴薯堆垛機主要由機架、伸縮式輸送單元、電動液壓推桿、液壓站、主動前輪、萬向后輪和總控制箱等部分組成，如圖1所示。堆垛機的作業(yè)參數(shù)如下：水平長度為9.5～14.5m，最大高度為7.5m。

1.伸縮式輸送單元 2.機架 3.電動液壓推桿 4.進料斗

1.2 工作原理

收獲后的馬鈴薯首先做分選清選處理，然后經(jīng)多道輸送線輸運至堆垛機進料斗處，在電動機驅(qū)動下輸送帶將馬鈴薯運至所需要的高度位置，完成馬鈴薯的堆垛作業(yè)。

其中，伸縮臂升降裝置中的電動液壓推桿是通過油管路與液壓站相連接，靠油缸電機來驅(qū)動。機器的移動是由置于兩個驅(qū)動前輪之上的電機驅(qū)動來完成，根據(jù)不同的方位需求來完成各個方向的馬鈴薯堆垛作業(yè)。防碰限位傳感器置于伸縮輸送臂兩側(cè)及驅(qū)動地輪兩側(cè)，用來保證機器的合理作業(yè)位置。此外，在下料出口位置設(shè)有智能下料系統(tǒng)，可以根據(jù)垛堆高度及位置實現(xiàn)自動升降調(diào)節(jié)，有效降低馬鈴薯塊莖損傷率，基本實現(xiàn)無損堆垛作業(yè)。

2 主要零部件的設(shè)計

2.1 主輸送單元的設(shè)計

馬鈴薯堆垛機的主輸送單元是依靠變頻電機帶動主動輥轉(zhuǎn)動而工作，使置于主動輥上的輸送皮帶一起運行，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，V型輥輪根據(jù)傳送帶的受力方向進行設(shè)計，以達到有效減小運輸過程中的摩擦阻力、降低能耗之目的。

1.主動輥 2.鏈條 3.主動電機 4.V型輥輪 5.下托帶輥

2.2 伸縮傳動系統(tǒng)的設(shè)計

伸縮傳動系統(tǒng)主要由電機、鏈輪、傳動鏈條、滑輪和滑輪槽等部分組成，如圖3所示。

1.電機 2.傳動鏈輪 3.傳動鏈條 4.滑輪槽 5.滑輪 6.伸縮架體

在伸縮傳動系統(tǒng)中，電機帶動鏈條來驅(qū)動鏈輪，經(jīng)傳動鏈條的兩端分別鉸接到伸縮架體上;驅(qū)動鏈輪的轉(zhuǎn)動使得伸縮架體上的滑輪在槽中的移動，從而實現(xiàn)馬鈴薯堆垛機伸縮臂的伸長與收縮。

2.3 輸送帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計

輸送帶是整個機器中作業(yè)的關(guān)鍵部件，本機作業(yè)臂為伸縮式結(jié)構(gòu)。輸送帶的放置尤為關(guān)鍵，與普通的輸送帶有著明顯的不同，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 輸送帶的結(jié)構(gòu)

綜合考慮防滑、增大輸送摩擦力等因素，該輸送帶表面設(shè)計成凸起樣式。另外，輸送帶的纏繞方式根據(jù)傳動系統(tǒng)的架體進行設(shè)計，以便于伸縮架體的前后位置移動。

2.4 緩沖架的設(shè)計

馬鈴薯輸送下料部位安裝智能緩沖架裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該機構(gòu)可以根據(jù)馬鈴薯的垛堆高度，通過伺服電機的驅(qū)動實現(xiàn)自動升降控制，其信號的采集通過光電傳感器和電容傳感器來實現(xiàn)。工作過程中，伺服電機正轉(zhuǎn)時緩沖架伸長，反轉(zhuǎn)時則收縮，進而保證下料高度控制在合理的范圍之內(nèi)，從而降低傷薯率。

圖5 下料緩沖架三維示意圖

2.5 電機的選型與控制分析

馬鈴薯堆垛機的動作基本靠電機驅(qū)動來實現(xiàn)，因此電機的選型至關(guān)重要。本機的選型如表1所示。

表1 電機的選型

2.6 傳感器的選型

2.6.1 電容式接近傳感器的選擇

接近開關(guān)分為電感式和電容式。電容式傳感器不但能檢測金屬，還特別適合于非金屬的檢測，且其感應(yīng)距離可調(diào)。鑒于這些特點，在下料緩沖架的下端選用電容式接近傳感器，其實物如圖6所示。

圖6 電容式接近傳感器

當(dāng)物料接近傳感器的感應(yīng)極片時，極片和物體就構(gòu)成了一個電容，導(dǎo)致振蕩極的狀態(tài)發(fā)生變化，此變化被放大處理后輸出一個晶體管開關(guān)信號，從而實現(xiàn)電機的相應(yīng)動作。

2.6.2 光電傳感器的選擇

光電傳感器采用漫反射式，如圖7所示。這是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體時，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。

圖7 光電傳感器

2.6.3 行程開關(guān)的選擇

馬鈴薯堆垛機的驅(qū)動輪兩側(cè)，伸縮臂的起止位置都安裝行程限位開關(guān)。根據(jù)需要，選擇施耐德ZCKE05C行程開關(guān)，如圖8所示。

圖8 行程開關(guān)

安裝在地輪兩側(cè)的行程開關(guān)，當(dāng)探頭觸碰到障礙物時，會導(dǎo)致傳感器閉合的接點分斷，從而控制電機停止驅(qū)動，起到限位保護作用。同理，安裝于伸縮輸送臂上的限位開關(guān)實現(xiàn)起止位置的啟停保護。

3 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要包括主控制模塊、檢測模塊、輸送控制模塊、行走控制模塊和伸縮控制模塊等，如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)設(shè)計圖

本系統(tǒng)主要完成對皮帶輸送、左右行走及機架伸縮時電機的控制，從而實現(xiàn)堆垛機的相關(guān)動作。在堆垛過程中，系統(tǒng)會根據(jù)檢測模塊傳送的信息進行調(diào)整，從而確保機器的合理工作狀態(tài)。

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用西門子PLCS7-200，CPU型號為224作為主控制模塊。總控制箱主要包括PLC總控制模塊、變壓器、電機控制模塊和接觸器等，如圖10所示。

圖10 總控制箱

3.2 控制模塊

馬鈴薯堆垛機的總控制模塊對整個控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)調(diào)控作用，所有子程序經(jīng)過主控制單元的分配得以實施。主程序控制流程如圖11所示。

圖11 主程序控制流程

3.2.1 左右搖擺防碰檢測原理

本系統(tǒng)采用的是限位光電傳感器，將機械位移轉(zhuǎn)變成電信號，使電動機的運行狀態(tài)得以改變，從而控制機械的動作，起到限位保護的作用。當(dāng)伸縮輸送臂兩側(cè)的光電開關(guān)檢測到左右兩側(cè)障礙物時，此光信號被轉(zhuǎn)化后傳輸?shù)絇LC總控制模塊，控制電機轉(zhuǎn)動停止，避免與障礙物發(fā)生碰撞。左右限位流程圖如圖12所示。

圖12 左右限位流程圖

3.2.2 伸縮架控制原理

馬鈴薯堆垛機的伸縮輸送架在執(zhí)行伸縮動作時，需要對其進行限位控制。當(dāng)伸縮架運行到限位位置時，限位開關(guān)由閉合狀態(tài)斷開，進而控制伸縮電機停止運轉(zhuǎn)。其控制流程如圖13所示。

圖13 伸縮架控制流程

3.2.3 升降控制原理

堆垛機在上料過程中，隨著馬鈴薯垛的高度增大，輸送臂隨之升高?，F(xiàn)有的馬鈴薯堆垛機升高控制是依靠人工來完成，誤差較大，難以達到精準(zhǔn)控制，極易出現(xiàn)輸送臂過高或過低的情形。若輸送臂與薯垛的距離過大，使得馬鈴薯產(chǎn)生摔傷或者碰傷，影響其貯藏品質(zhì)；反之，則與馬鈴薯發(fā)生觸碰，形成擦傷。經(jīng)試驗分析，馬鈴薯的臨界損傷高度是380mm[6]，即馬鈴薯的下落高度不能大于該值。

馬鈴薯堆垛機的下料緩沖架上安裝光電傳感器和電容式接觸傳感器。光電傳感器用來檢測緩沖架與薯堆的最大安全距離，電容式接觸傳感器用來檢測最小接觸距離，進而通過調(diào)整傳感器的響應(yīng)參數(shù)實時監(jiān)測薯垛與緩沖架的距離；然后，經(jīng)PLC總控制模塊實現(xiàn)對電機的控制，完成緩沖架的升降動作。該系統(tǒng)的控制流程如圖14所示。

4 馬鈴薯堆垛機的性能測試

4.1 試驗條件

在河北省沽源縣某馬鈴薯種植區(qū)倉庫對設(shè)計的馬鈴薯堆垛機做了相關(guān)試驗，主要試驗指標(biāo)有機器的最大作業(yè)能力、單位能耗、傷署率及機器故障率等。

圖14 升降控制流程

4.2 試驗結(jié)果

經(jīng)過大量的堆垛試驗，將試驗數(shù)據(jù)整理分析，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果分析表

表2中，機器故障率計算公式為

故障率=(t1+t2)/tz×100%

(1)

式中t1—停機等待時間；

t2—維修所用時間；

tz—計劃用機時間。

通過數(shù)據(jù)分析可知：該馬鈴薯堆垛機的作業(yè)能力明顯提升，機器的能耗降低，機器故障率有所改善。機器作業(yè)過程中對馬鈴薯的損傷率大幅度降低，為馬鈴薯的高質(zhì)量貯藏提供了保障。

5 結(jié)論

1)設(shè)計的馬鈴薯堆垛機智能防碰系統(tǒng)，通過上下機器搖擺監(jiān)測模塊采集位置信息，經(jīng)PLC模塊分析和處理后，控制電機的動作，進而實現(xiàn)自動限位與防碰控制。

2)智能下料系統(tǒng)采用光電傳感器和電容傳感器的協(xié)調(diào)控制，避免機器與馬鈴薯的接觸造成碰傷，以及距離過高致使馬鈴薯摔傷，為馬鈴薯的無損堆垛提供了可能。

3)輸送架的升降采用油缸電機來控制，可實現(xiàn)機器輸送臂的自動調(diào)整，精確度較高，替代了傳統(tǒng)的人工控制方式。

4)試驗結(jié)果表明：該機基本滿足馬鈴薯堆垛入庫作業(yè)要求，為智能化馬鈴薯堆垛裝備的研制提供了參考。其對于提高堆垛效率、減輕勞動強度及降低馬鈴薯儲藏環(huán)節(jié)的損失具有重要意義。

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The Design of an Intelligent Potato Stacker

Sun Jingbin1a, Gai Jinxing2, Li Xueqiang2, Wang Xiangyou1a, Li Dong1b

(1.Shandong University of Technology a.School of Agricultural Engineering and Food Science; b.College of Electrical and Electronic Engineering, Zibo 255091, China; 2.Shandong Xicheng Agricultural Machinery Science and Technology Co.Ltd., Dezhou 253600, China)

Potato need to be storage after harvesting, but the storage space is relatively shortage, so often need to be stacking. At present, the piling efficiency is low, cost is high, the labor intensity is big.So,this paper designed an intelligent potato stacker with high efficiency.This machine can operate according to the stacking height with lower injury rate, has provided the safeguard for the potato storage for a long time. And the prototype has been made relevant experiments, the experimental results show that the machine satisfied the requirement of stacking with significantly lower injury rate of potato in the process of piling. Accordingly,the design of this machine is of great significance to solve the problem of labor shortage and improve the efficiency and the quality of potato storage.

potato; stacking machine; intelligent; control; sensor

2016-09-22

國家“十三五”重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0701603-02)；山東省農(nóng)機化裝備研發(fā)創(chuàng)新項目(2016YF034)

孫景彬(1992-)，男，山東濱州人，碩士研究生，(E-mail)1414599006@qq.com。

王相友(1961-)，男，山東高密人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wxy@sdut.edu.cn。

S229+.2

A

1003-188X(2017)10-0144-05