崔財(cái)豪，曹衛(wèi)彬，馬 銳，楊 萌，孫胃玲，陳棒棒，牛 馳

(石河子大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅花是1～2年生菊科草本植物，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。紅花花絲是傳統(tǒng)的中藥材，有活血通絡(luò)、化瘀止痛的功能，紅花花絲中黃色素對心血管疾病也有很好的療效[1]。紅花籽油富含亞油酸，有“亞油酸之王”的稱號[2]。紅花籽油含有多種對人體有益的成分，被廣泛用作優(yōu)質(zhì)食用油和保健用油，且具有降低膽固醇、穩(wěn)定血壓、增進(jìn)體質(zhì)、促進(jìn)微循環(huán)及恢復(fù)神經(jīng)等多種藥效功能，是醫(yī)藥制造的優(yōu)質(zhì)原料[1]。除此之外，紅花籽油在化工和工業(yè)方面亦有廣泛的應(yīng)用。

目前，新疆紅花種植面積大約4萬 hm2，占全國產(chǎn)量的80%。相對于紅花花絲的廣泛應(yīng)用，紅花花絲的采收技術(shù)的落后已經(jīng)成為制約紅花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。目前，紅花采摘機(jī)包括氣力式、切割式、氣吸-切割式和對輥式。其中，氣力式采收機(jī)制作簡單，易操作，但噪音高、能耗大、工作效率低；切割式采收機(jī)的特點(diǎn)是所需動(dòng)力小，對花絲造成損傷較低，但在實(shí)際工作中花絲掉落率高，且易損傷果球；氣吸-切割式采收機(jī)彌補(bǔ)了單一的氣吸式或者切割式的部分不足，但同樣存在采凈率較低的問題，未得到推廣使用;對輥式采收機(jī)對花絲損傷率降低，保證了低掉落率，但是無法滿足大型機(jī)械化作業(yè)的需求[3]。目前 市面上的紅花采摘機(jī)多為一對一采摘，不僅沒有解決作業(yè)效率低的問題，反而增加了農(nóng)民的工作強(qiáng)度。目前，紅花采摘主要依靠的還是人工采摘，但由于紅花的采收季節(jié)與新疆番茄、棉花的采收期重疊，導(dǎo)致雇工困難、采花費(fèi)用上漲、生產(chǎn)成本大幅提高?；ńz由于無人采收，造成嚴(yán)重浪費(fèi)，很大程度上打擊了農(nóng)戶的種植積極性，制約了紅花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，解決紅花花絲機(jī)械化盲采是紅花產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的必要條件之一[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 紅花花絲采摘要求

紅花果球高度不一，錯(cuò)綜不齊，花絲質(zhì)量小且易掉落，由于花絲采摘后花絲還會(huì)生長，因此在采摘過程中應(yīng)減少果球的損傷，以確保后續(xù)花絲的采摘。紅花果球連接處的莖干細(xì)小并且中空，容易折斷, 若莖干折斷也會(huì)影響紅花花絲的再次生長，因此在紅花花絲的采摘過程中應(yīng)盡量保證莖干不被折斷。紅花果球和莖干的特征為紅花花絲的采摘增加了難度。

1.2 紅花花絲采摘機(jī)構(gòu)方案

目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅速，新型機(jī)構(gòu)和相應(yīng)技術(shù)的融合為紅花花絲的采摘提供了新的思路。由于紅花果球高低分布不平，為了方便紅花花絲的機(jī)械化盲采，果球需通過輔助裝置聚集于某個(gè)平面或者某條直線上。因紅花莖干易折斷，將紅花花果聚集于一條直線上相對而言能減少莖干被折斷的情況。該機(jī)構(gòu)將紅花果球聚集于5條直線上，花絲露出，通過由步進(jìn)電機(jī)和動(dòng)齒構(gòu)成的紅花花絲夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行采摘。PLC控制3個(gè)步進(jìn)電機(jī)，在超聲波傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器的配合下，完成紅花花絲的夾持、采摘、傳送和收集。使用SolidWorks制作紅花花絲采摘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4]。

1.動(dòng)齒Ⅰ 2.動(dòng)齒Ⅱ 3.步進(jìn)電機(jī)Ⅰ 4.滾珠絲杠滑臺Ⅰ 5.步進(jìn)電機(jī)Ⅲ 6.滾珠絲杠滑臺 7.步進(jìn)電機(jī)Ⅱ 8.滾珠絲杠滑臺Ⅱ 9.活動(dòng)箱 10.機(jī)架 11.收集箱 12.果球通道

紅花花絲采摘機(jī)構(gòu)工作過程如下：當(dāng)機(jī)構(gòu)向前運(yùn)行時(shí)，紅花果球于方形果球通道聚集成5條直線，分別固定在滾珠絲杠滑臺上的動(dòng)齒Ⅰ和動(dòng)齒Ⅱ，在步進(jìn)電機(jī)Ⅰ和步進(jìn)電機(jī)Ⅱ的控制下相對運(yùn)動(dòng)將花絲夾緊；固定在滾珠絲杠滑臺Ⅲ上的活動(dòng)箱在步進(jìn)電機(jī)Ⅲ的控制下向上移動(dòng)，花絲與果球分離，在花絲被動(dòng)齒Ⅰ、動(dòng)齒Ⅱ夾持的狀態(tài)下，步進(jìn)電機(jī)Ⅰ和步進(jìn)電機(jī)Ⅱ控制動(dòng)齒Ⅰ、動(dòng)齒Ⅱ做同步運(yùn)動(dòng)將花絲送至指定位置，步進(jìn)電機(jī)Ⅰ和步進(jìn)電機(jī)Ⅱ控制動(dòng)齒Ⅰ、動(dòng)齒Ⅱ分離，花絲掉落至收集箱，完成收集。此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)Ⅲ控制活動(dòng)機(jī)箱降落至初始高度，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)Ⅰ和步進(jìn)電機(jī)Ⅱ控制動(dòng)齒Ⅰ、動(dòng)齒Ⅱ回到初始位置，進(jìn)行新一輪的紅花采收工作。

2 紅花花絲采摘控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 紅花花絲采摘系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該紅花花絲采摘控制系統(tǒng)的電氣控制模塊采用以自動(dòng)為主、手動(dòng)為輔的控制模式。自動(dòng)模式可以使采摘系統(tǒng)具有快速響應(yīng)和精度高的特點(diǎn)，但當(dāng)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜或者自動(dòng)模式發(fā)生故障時(shí)，可以采用手動(dòng)模式進(jìn)行作業(yè)，從而保證機(jī)構(gòu)能夠正常運(yùn)行。本系統(tǒng)選用三菱公司FX3U-32MT/ES-A型號的PLC作為核心控制器，選用HC-HR04超聲波傳感器與Arduino構(gòu)成超聲波測距模塊檢測紅花采摘區(qū)域的位置，選用E6B2-CWZ1X歐姆龍旋轉(zhuǎn)式編碼器測量采摘機(jī)所走的路程，使用交直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器ZD-2HA860控制兩相四線步進(jìn)電機(jī)，外加按鈕、指示燈、報(bào)警器及供電電源構(gòu)成花絲采摘控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用GX-Works進(jìn)行編寫程序，可以實(shí)現(xiàn)在線修改，現(xiàn)場調(diào)試容易。

2.2 紅花花絲采摘系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該紅花花絲采摘控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、超聲波測距儀、Arduino、旋轉(zhuǎn)式編碼器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、按鈕、指示燈、故障報(bào)警和電源組成。紅花花絲采摘控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

PLC 控制器只能進(jìn)行數(shù)字信號的采集和發(fā)送。PLC獲取信號時(shí),開關(guān)量可以直接傳給PLC控制器,傳感器采集的信號需經(jīng)過轉(zhuǎn)化才能傳給PLC[5]。選用PLC為核心控制器，超聲波測距儀檢測紅花區(qū)域的位置信號送至PLC，旋轉(zhuǎn)式編碼器測量采摘機(jī)所走的路程送至PLC，PLC通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制3個(gè)步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作，完成紅花花絲的夾持、采摘、傳送和收集。手動(dòng)按鈕便于人工操作、指示燈顯示工作狀態(tài)、報(bào)警器提示故障報(bào)警，供電電源為系統(tǒng)供電。

圖2 紅花花絲采摘控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 The hardware frame of safflower filament picking control system

超聲波測距儀由HC-SR04超聲波測距模塊與Arduino組成，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 超聲波測距儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The frame diagram of ultrasonic rangefinder

超聲波測距模塊HC-HR04提供2～400cm的非接觸式距離感測功能，精度高達(dá)3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路[6]。采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，至少給10μs的高電平信號，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波,并檢測是否有信號返回；若有信號返時(shí),通過I/O口ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[7]。超聲波測儀采取渡越時(shí)間法來精確計(jì)算紅花采摘區(qū)域的距離[8]，即

L=Ct/2

式中L—測試距離;

C—聲波在介質(zhì)中傳輸速率;

t—聲波傳輸?shù)乃玫臅r(shí)間。

當(dāng)紅花采摘區(qū)域的距離小于程序設(shè)定的距離時(shí)，Arduino執(zhí)行有關(guān)程序輸出相應(yīng)信號，信號經(jīng)光電隔離和信號放大送至PLC的輸入端。

該系統(tǒng)選擇FX3U-32MT/ES-A PLC作為核心控制器。將輸出軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號或高速脈沖的旋轉(zhuǎn)編碼器來完成采摘機(jī)構(gòu)的位移檢測；旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的高速脈沖信號直接輸入至PLC輸入端，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)[9]。MT型FX3U系列PLC有3個(gè)高速脈沖輸出端口Y000、Y001、Y002，可同時(shí)輸出最高頻率為100kHz的脈沖,分別接3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖端，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；Y004、Y004、Y006分別接3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方向端，控制控制步進(jìn)電機(jī)的方向[10]。PLC通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而使固定在滾珠絲杠滑臺上動(dòng)齒相對運(yùn)動(dòng)，完成紅花花絲的夾持工作?？刂葡到y(tǒng)電路圖如圖4所示，PLC輸入輸出點(diǎn)的分配如表1所示。

圖4 控制系統(tǒng)電路圖Fig.4 The control system of circuit diagram

表1 PLC輸入/輸出點(diǎn)分配Table 1 Input/output distribution of PLC

續(xù)表1

2.3 紅花花絲采摘系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

紅花花絲采摘系統(tǒng)軟件主要由信號采集模塊和主控制模塊兩部分組成。超聲波傳感器檢測紅花區(qū)域的位置，旋轉(zhuǎn)式編碼器測量采摘機(jī)所走的路程，主控制器(PLC)根據(jù)信號采集模塊輸出的信號執(zhí)行相應(yīng)的程序，完成花絲的采收工作。系統(tǒng)軟件流程框圖如圖5所示。

圖5 軟件流程框圖Fig.5 The frame diagram of software flow

紅花采摘機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，先對程序進(jìn)行檢測，程序有誤時(shí)輸出報(bào)警，程序無誤時(shí)等待超聲波傳感器的信號。當(dāng)傳感器有信號時(shí)，表示紅花已經(jīng)入采摘機(jī)構(gòu)的采摘區(qū)域，工作指示燈亮，同時(shí)等待編碼器信號輸出；若編碼器有信號輸出，表示采摘機(jī)行走的距離等于采摘機(jī)構(gòu)的有效采摘長度，此時(shí)PLC控制器通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作，完成花絲夾持、花絲采摘、花絲傳送和花絲收集；單輪花絲收集完成，采摘機(jī)構(gòu)回到初始位置，此時(shí)通過檢測紅花區(qū)域確定是否結(jié)束工作，如果仍在采摘機(jī)構(gòu)采摘范圍之內(nèi)，采摘等待下一輪的采收工作信號，程序循環(huán)執(zhí)行。主控制流程如圖6所示。

根據(jù)紅花花絲采摘機(jī)構(gòu)的工作步驟及程序控制流程圖，使用GX-Works2進(jìn)行程序編寫。為了在編程時(shí)避免混亂，在程序檢測易于發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)點(diǎn)，編程時(shí)將程序分塊編寫，分別寫入 PLC 內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控調(diào)試，待各分塊程序達(dá)到預(yù)期效果后將各分塊程序組合在一起，寫入 PLC 內(nèi)，在無硬件連接的情況下檢測程序是否可行；在確定程序可以運(yùn)行以后，連接其他硬件，控制樣機(jī)空載運(yùn)行并進(jìn)行調(diào)試。在確保樣機(jī)能夠順利運(yùn)轉(zhuǎn)后，在試驗(yàn)臺對紅花花絲進(jìn)行采摘[11]。

在編寫程序時(shí)，采用帶加減速的定量脈沖輸出指令DPLSR來控制步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作。D1為指定的脈沖最高頻率，D2為總輸出脈沖數(shù)，K150為加減速時(shí)間。DPLSR指令的應(yīng)用如圖7所示。

圖6 主控制程序流程圖Fig.6 The flow chart of master control program

圖7 DPLSR指令的應(yīng)用Fig.7 The application of the DPLSR command

3 實(shí)驗(yàn)條件及因素分析

3.1 實(shí)驗(yàn)基本條件

該實(shí)驗(yàn)選擇在石河子大學(xué)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所選紅花來源于石河子大學(xué)試驗(yàn)田，品種為 “裕民無刺”紅花，株高70～120cm,實(shí)驗(yàn)樣本為新鮮紅花和半干紅花[12]。

3.2 測試指標(biāo)及影響因素分析

對該實(shí)驗(yàn)臺架的工作參數(shù)進(jìn)行測定，通過測量紅花的株高、輻射半徑、高低分布情況和單位面積的密度得出實(shí)驗(yàn)臺架的基本布局參數(shù)；通過電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺對果球基本特性比如紅花果球的平均直徑和花絲萼片直徑的測量得出紅花花絲采摘機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)；通過對程序參數(shù)的調(diào)整確定花絲采摘機(jī)構(gòu)的夾持速度、采摘速度和預(yù)留間隙。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察采摘機(jī)構(gòu)夾持速度、采摘速度和預(yù)留間隙3個(gè)因素的作用對花絲微變形體積及微變形質(zhì)量的影響，從而得出花絲的采凈率和損失率[12]。

4 工藝路線

根據(jù)試驗(yàn)要求，安裝好實(shí)驗(yàn)臺架，通過設(shè)定程序參數(shù)設(shè)定采摘機(jī)構(gòu)的夾持速度、采摘速度和預(yù)留間隙后開始試驗(yàn)。同時(shí)，3個(gè)步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作完成紅花花絲的夾持、采摘、傳送和收集，分別對夾持速度、采摘速度和預(yù)留間隙這3個(gè)因素做單因素分析。通過控制變量，緩慢喂入，完成多次單因素試驗(yàn)，分析夾持速度、采摘速度和預(yù)留間隙3個(gè)因素的作用對花絲微變形體積及微變形質(zhì)量的影響，得出最佳的夾持速度、采摘速度和預(yù)留間隙,以保證采凈率和損失率滿足要求。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺架綜合運(yùn)用了機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣控制及傳感器技術(shù)構(gòu)成了新型實(shí)驗(yàn)裝置，能夠綜合進(jìn)行紅花花絲的采收工作，測試各個(gè)因素下與花絲采凈率和損失率相關(guān)的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)臺運(yùn)行穩(wěn)定，滿足試驗(yàn)要求[12]。

2)設(shè)計(jì)了紅花花絲采摘控制系統(tǒng)，促進(jìn)紅花花絲采摘由人工采摘向機(jī)械采摘的過渡，降低了勞動(dòng)力成本，解決了目前紅花難度大、效率低等問題，有利于紅花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3)由于目前市面上的紅花采摘機(jī)增加了農(nóng)工的勞動(dòng)負(fù)荷，沒有起到替代人工作的作用，因此沒有得到推廣。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了紅花花絲采摘的自動(dòng)化控制，系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，具有一定的市場競爭力。