郝稱意，王琳娟

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)a.工學(xué)院；b.文理學(xué)院，山西 太谷 030801)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)的花卉種植多采用傳統(tǒng)人工或半自動(dòng)機(jī)械，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)建設(shè)中綠化投入及人們的欣賞要求的提高，對(duì)花卉等觀賞植物的需求增加，傳統(tǒng)的種植方法已不能滿足種植需求，加大花卉的種植規(guī)模成為必然形勢(shì)。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在大規(guī)模種植中普及自動(dòng)移栽機(jī)，以避免幼苗在育苗期的冷凍及干燥時(shí)期對(duì)幼苗的傷害，可以控制作物的收獲時(shí)間、提高品質(zhì)及增加產(chǎn)量，在提高種植戶收成和品質(zhì)方面具有著非常大的作用[1-7]。

自動(dòng)移栽機(jī)的應(yīng)用在大范圍種植中有益于工業(yè)化的生產(chǎn)發(fā)展，形成集中育苗、規(guī)?；a(chǎn)，使缽體苗替換傳統(tǒng)種植，缽苗種植商品化得以推廣[8-9]。移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置的研發(fā)是缽苗移栽技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志，可提高缽苗移栽的工作效率，提升花卉種植的經(jīng)濟(jì)效益。20世紀(jì)末，美國(guó)、荷蘭等國(guó)家就已研發(fā)出移栽分苗的自動(dòng)化機(jī)械，移栽效率可以達(dá)到1 000株/h，可安裝32支機(jī)械手同時(shí)進(jìn)行作業(yè)[10]。K.C.Ting[11]研究出一款裝備了傳感器機(jī)械臂的移栽機(jī)器人，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，移栽一棵苗僅需要2.6～3.25s，移栽幼苗的精確度最高可達(dá)在95%。K.H.Ryu 等借鑒笛卡爾坐標(biāo)系改進(jìn)了幼苗移栽機(jī)，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)卡盤和夾指完成幼苗移栽，大幅提高了育苗移栽的效率和準(zhǔn)確率[12]。目前，國(guó)內(nèi)的缽苗移栽機(jī)大部分是半自動(dòng)的，從缽盤中取苗、分苗需要人工輔助。本文研究的缽苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置采用PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，可存儲(chǔ)指令及執(zhí)行控制機(jī)械或生產(chǎn)操作指令[13]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

基于PLC的花卉缽體苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置主要由取苗系統(tǒng)、送苗系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)組成。

取苗系統(tǒng)包括缽苗盆定位、頂苗及取苗等3個(gè)操作；送苗系統(tǒng)包括移苗、送苗及植苗等3個(gè)操作，在PLC系統(tǒng)中輸入取苗、送苗的指令并輸出，控制機(jī)械臂取苗、送苗，氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂；刷新程序重新發(fā)布指令任務(wù)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用PLC控制花卉缽體苗的移栽過(guò)程。PLC為數(shù)字輸送運(yùn)算系統(tǒng),可將指令以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)出, 從而達(dá)到機(jī)械控制的目的。PLC控制器工作外部接線圖如圖1所示。

圖1 PLC外部接線圖

通過(guò)PLC控制馬達(dá)與氣缸，氣缸以壓縮空氣為動(dòng)力源。PLC系統(tǒng)有多個(gè)識(shí)別傳感器，可識(shí)別花卉缽苗的位置，將采集的信息輸送至PLC系統(tǒng)；PLC控制氣動(dòng)控制閥，進(jìn)而控制馬達(dá)和氣缸；降輸苗由馬達(dá)提供動(dòng)力外，其余動(dòng)作均靠氣缸驅(qū)動(dòng)完成。針對(duì)缽體苗不同差異，控制苗夾片與頂苗機(jī)構(gòu)的氣缸均安裝有減壓閥和壓力表，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力表控制夾苗、頂苗的不同力度，實(shí)現(xiàn)不同花卉缽苗移栽不同控制系數(shù)的目的。PLC控制移栽流程圖如圖2所示。PLC控制輸入點(diǎn)6個(gè)，輸出點(diǎn)5個(gè)，輸入輸出分配如表1所示。

圖2 PLC控制移栽流程圖

輸入端信號(hào)來(lái)源輸出端控制對(duì)象I0.0啟動(dòng)開關(guān)Q0.0輸送控制馬達(dá)I0.1回位感應(yīng)器Q0.1控制氣缸1I0.2頂出感應(yīng)器Q0.2控制氣缸2I0.3苗夾感應(yīng)器Q0.3控制氣缸3I0.4植苗感應(yīng)器Q0.4控制氣缸3I0.5手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換

取苗機(jī)構(gòu)主要有插入式和頂出式兩種類型。本設(shè)計(jì)裝置中采用氣缸頂出式(見圖3)，控制頂出機(jī)構(gòu)為空氣壓縮氣缸，通過(guò)閥門和壓力表控制頂出力度，就不會(huì)在取苗過(guò)程中傷到花苗的根系。

2 機(jī)構(gòu)組成、感應(yīng)識(shí)別和氣動(dòng)控制

2.1 機(jī)構(gòu)組成

花卉缽苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置由PLC編程系統(tǒng)、信號(hào)輸入機(jī)構(gòu)(光識(shí)別傳感器、輸送線路)及輸出機(jī)構(gòu)(取苗系統(tǒng)和送苗系統(tǒng))組成。

PLC采用德國(guó)西門子(SIEMENS)公司生產(chǎn)的S7-200PLC,該型號(hào)體積小、反應(yīng)快，可適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，且可靠性更高。取苗系統(tǒng)包括缽苗定位機(jī)構(gòu)、排式頂苗桿及苗夾器，送苗系統(tǒng)由移苗機(jī)構(gòu)、柔性鏈輸送滑道、送苗桶及植苗器組成。

圖3 氣缸頂出式移栽機(jī)

2.2 感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)

花卉缽苗移栽過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)是缽苗的定位，定位準(zhǔn)確可以保障移栽工作順利進(jìn)行。 花卉缽苗移栽機(jī)的定位是通過(guò)光識(shí)別傳感器識(shí)別采集圖像并通過(guò)對(duì)采集圖像的技術(shù)處理，識(shí)別出圖像中缽苗位置，將位置坐標(biāo)輸送至PLC系統(tǒng)，由PLC系統(tǒng)發(fā)出正確指令，控制移栽機(jī)順利完成取苗、送苗，保證移栽中取苗、送苗的準(zhǔn)確率。

2.3 氣動(dòng)控制

裝置開始作業(yè)，空氣壓縮機(jī)充氣，達(dá)到工作壓力時(shí)電磁換向閥通電，開啟控制器，換向閥工作，氣動(dòng)氣缸充氣?？刂埔莆坏睦徝绫P縱向升降缸(見圖4)上升，放置花卉缽盤的固定架上升到位，氣缸停止?？刂祈敵鰴C(jī)構(gòu)的換向閥工作，氣缸工作控制頂出缽苗，與此同時(shí)苗夾收縮展開氣缸開始工作，苗夾夾起缽苗，傳感器感應(yīng)到缽苗已被夾走，頂出機(jī)構(gòu)復(fù)位；苗夾展開氣缸控制夾片松開缽苗，缽苗落在至輸送滑道，輸送滑道上的送苗桶接收缽苗，送苗桶可以將缽苗扶正定位，為后續(xù)植苗提供良好的狀態(tài)。在送苗桶將花卉缽苗輸送至植苗桶時(shí)，已將缽苗排布成合適種植位置。

圖4 缽苗盤縱向升降缸

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

花卉苗培育在10cm×10cm規(guī)格的苗缽中，隨機(jī)選取6組，每組50缽苗進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置的移栽時(shí)間、取苗成功率、送苗成功率及花卉缽苗的成活率，并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)采用PLC控制的花卉缽苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置的有效性及準(zhǔn)確率，隨機(jī)取3組，每組50缽苗，檢測(cè)移栽耗時(shí)、缽體苗取苗成功率、缽體苗送苗成功率、倒伏率及花卉缽苗的成活率，驗(yàn)證移栽機(jī)的有效性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)分析如表2～表4所示。

表2 移栽時(shí)間

表3 取送苗成功率

Table 3 Take the success rate %

組號(hào)數(shù)量取苗成功率送苗成功率組1509798組2509395組35099100組4509597組55010092組6509396平均值95.595.8

表4 缽苗倒伏率及成活率

Table 4 Bowl seedling rate and survival rate %

組號(hào)倒伏率成活率組11.798組22.496組31.4100

續(xù)表4

上述試驗(yàn)結(jié)果表示：本文研究設(shè)計(jì)的花卉缽苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置進(jìn)行花卉移栽時(shí)間平均22.7s，800個(gè)循環(huán)/h，已達(dá)到國(guó)外的平均水平。其取苗送苗成功率分別為95.5%、95.8%，可以達(dá)到生產(chǎn)要求。采用基于PLC花卉缽苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置試驗(yàn)檢測(cè)移栽的成活率達(dá)到97.3%，完全可以滿足花卉種植的要求，可確定該裝置有效、可行。

4 結(jié)論

1)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證裝置的有效性和可靠性，分析試驗(yàn)中移栽時(shí)間、取送苗成功率、倒伏率和缽苗成活率等數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：本裝置移栽作業(yè)循環(huán)可達(dá)到800次/h，取送苗成功率大于95%，花卉缽苗成活率97%以上，表明本裝置高效、可靠。

2)設(shè)計(jì)基于PLC花卉缽苗自動(dòng)移栽機(jī)，具有識(shí)別、取苗、送苗及植苗等功能。其利用PLC控制氣缸和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電氣一體化，控制花卉缽體苗的移栽精度，減少花卉缽苗在移栽過(guò)程中損傷，提高花卉缽苗的成活率，滿足了花卉缽苗大規(guī)模種植的自動(dòng)化水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐慧，鐘漢冬，涂繼紅.草本花卉在節(jié)約型園林建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(4)：82-83.

[2] 楊瑞華.草本花卉在城市中應(yīng)用現(xiàn)狀與需求分析[J].科技資訊，2007(9)：110.

[3] 張根梅，王希宏. 淺談草花在四大節(jié)日中的生產(chǎn)與應(yīng)用[J]. 河南林業(yè)科技，2009，29(1)：53-55.

[4] 封俊.論我國(guó)旱地栽植機(jī)械的開發(fā)前景與方向[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2000(4):12-13.

[5] 韓長(zhǎng)杰,張學(xué)軍.旱地缽苗自動(dòng)移栽技術(shù)現(xiàn)狀與分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011,33(11):238-240.

[6] 于曉旭，趙勻.移栽機(jī)械 移栽機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,45(8):44-53.

[7] 張麗華，邱立春，田素博．穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究進(jìn)展[J]．農(nóng)業(yè)科技與備，2009，10(5)：28-31．

[8] 毛樹春，韓迎春，王國(guó)平，等．棉花工廠化育苗和機(jī)械化移栽技術(shù)研究進(jìn)展[J]．中國(guó)棉花，2007，34(1)：6-7．

[9] 陳振德.蔬菜穴盤育苗技術(shù)[M].青島:青島出版社,1999.

[10] Choi W C, Kim D C, Ryu I H. Development of aseedlingpick-up device for vegetable transplanting[J].American Society of Agricultural Engineers, 2002, 45(1):13-19.

[11] Visser,Anthony.Apparatus for gripping balls containing plants.United States Patent:US,5121955[P].1992-06-16.

[12] Ryu K H,Kim G Y. Development of a gripper for robotic transplanter and evaluation of its transplanting performance[J].Korean Society forAgriculturalMachinery,1998,23(3):271-276.

[13] 周虹.氣動(dòng)與PLC技術(shù)相結(jié)合在機(jī)械手設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng),2004(3):38-39.