王 岳，閆利文

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 引 言

天津濱海重鹽堿地區(qū)的自然條件表現(xiàn)為“三高一低”，土壤粘緊，通透性差，質(zhì)地板結(jié)，排水不暢，屬重度鹽漬土和鹽土，植物的立地條件惡劣。行道樹四周為鹽堿土且根系生長空間狹小，容易造成營養(yǎng)失衡，進(jìn)而導(dǎo)致行道樹弱勢及衰亡。通過深入調(diào)查，決定采用打孔施肥的方式解決該問題[1-2]。

在國內(nèi)外行道樹打孔施肥方面，只存在一些簡單的打孔機械，具體操作還是需要大量人力操作。在當(dāng)前人力缺乏，人力成本加大的今天，需要大量人力勞動，但是工作效率不高，經(jīng)濟效益低下[3-4]?；诂F(xiàn)狀開發(fā)一款自動化程度高的打孔施肥噴藥一體機，用于解決依靠人員使用簡單設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的園林養(yǎng)護(hù)，效率低，安全性差的問題，實現(xiàn)自動化，高效園林養(yǎng)護(hù)的目的。

1 設(shè)計目標(biāo)

開發(fā)一套自動化程度高的打孔施肥噴藥一體機，以期達(dá)到如下目標(biāo)：

(1) 該施肥車自帶兩個水箱，可實現(xiàn)施肥和噴藥兩種功能的轉(zhuǎn)換。

(2) 施肥機構(gòu)可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和平移運動，調(diào)整鉆頭打孔的位置。

(3) 施肥量的大小由水泵定量控制，并且參數(shù)可調(diào)整。

(4) 鉆頭由液壓馬達(dá)保護(hù)，旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，且鉆頭抱死時可出現(xiàn)報警信息。

(5) 配備電纜探測傳感器，當(dāng)鉆孔附近位置有光纜或電纜時就會發(fā)出警報。

(6) 噴藥管的高度可以調(diào)整，噴藥管可伸進(jìn)洞口，實現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。

(7) 施肥車在行進(jìn)過程中，鉆孔機構(gòu)可以收縮，降低整車的高度，能避免與障礙物的觸碰。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

為實現(xiàn)上述預(yù)期目標(biāo)，設(shè)備主體分為兩大部分，分別負(fù)責(zé)打孔和施肥過程。設(shè)備整體安裝在小型車輛上以便于實現(xiàn)設(shè)備的快速移動，減少工作人員的負(fù)擔(dān)、提高工作效率。在打孔施肥的工作過程中需要做到施肥的精準(zhǔn)定位，采用旋轉(zhuǎn)機構(gòu)控制以便實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

根據(jù)項目要求，打孔深度最大為80 cm且能適應(yīng)各種性質(zhì)土壤性質(zhì)。通過對比各類動力設(shè)備以及一些農(nóng)業(yè)設(shè)備的相關(guān)資料，最終選定以液壓馬達(dá)來驅(qū)動鉆頭。鉆頭設(shè)備采用可伸縮的機構(gòu)進(jìn)行固定支承，以減小設(shè)備的整體高度，并且可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同地形。根據(jù)項目要求，肥料為液體狀態(tài)，故使用水箱承載肥料。使用螺旋輸送泵輸送肥料，經(jīng)導(dǎo)管輸送至施肥機構(gòu)。設(shè)備下部設(shè)有回轉(zhuǎn)機構(gòu)，以便實現(xiàn)施肥精準(zhǔn)定位。設(shè)備主要有車體、液壓系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、鉆孔裝置、施肥裝置等組成。采用觸控屏人機界面，簡化操作流程提高工作效率[5-9]。

2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由油泵、油泵電機、油箱、控制閥、液壓缸、液壓馬達(dá)和油管等組成。為適應(yīng)不同的地理情況，要求鉆頭的轉(zhuǎn)速可調(diào)，因此液壓馬達(dá)有調(diào)速功能。調(diào)速閥控制的調(diào)速回路能夠完全滿足要求且系統(tǒng)成本適中。本系統(tǒng)采用由調(diào)速閥和定量馬達(dá)組成的閥控馬達(dá)調(diào)速方案。通過液壓缸控制伸縮機構(gòu)將打孔機構(gòu)移動到預(yù)定位置，兩個液壓缸共同控制鉆頭行程，在手動模式中可以根據(jù)需求控制鉆孔深度。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、編碼器、步進(jìn)電機驅(qū)動器等組成。電控系統(tǒng)選擇PLC與觸摸屏結(jié)合的方案，觸摸屏可以設(shè)置PID參數(shù)，然后將指令發(fā)送到PLC。PLC 接收到指令后，根據(jù)自身的存儲器的執(zhí)行命令，進(jìn)而對下場的電動閥或電磁閥進(jìn)行控制[11-13]。

電氣控制原理如圖1所示。

圖1 電氣控制原理圖

采用西門子200PLC作控制器，有數(shù)字量和模擬量輸入和輸出接口，可靠性強，可以滿足控制要求。換向閥和水泵電機的控制信號為模擬信號，而液壓缸和液壓馬達(dá)等液壓系統(tǒng)為數(shù)字信號。在調(diào)整噴頭的位置時，由控制器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖來控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動的角度，從而可以實現(xiàn)精確定位。采用觸摸屏人機界面，觸摸屏上有控制各個動作的按鈕?？梢栽O(shè)置施肥量的大小，鉆頭的速度，以及顯示各種施肥機的各種狀態(tài)和報警信號等。

2.4 控制界面設(shè)計

控制界面分為三個功能區(qū)域。首先是模式切換區(qū)域，可將工作模式在手動控制與自動控制間進(jìn)行切換。其次為設(shè)備調(diào)整區(qū)域，有平移機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、施肥機構(gòu)和打孔機構(gòu)的相關(guān)控制按鍵。最后為參數(shù)區(qū)域，有系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及報警信息[14]。

人機交互設(shè)備采用觸摸屏，并使用組態(tài)進(jìn)行編輯。在觸摸屏上可顯示系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，且可對一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便于操作人員控制設(shè)備以及實現(xiàn)設(shè)備故障可視化。一些功能控制采用按鍵形式控制，以防因為操作人員的錯誤觸碰而導(dǎo)致危險發(fā)生。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以輕卡為車體將整套裝置全部放置在車的后板上，在車體內(nèi)安裝有PLC觸摸屏及按鈕控制裝置和電器柜等。肥料箱放置在焊接的肥料箱支架上，肥料箱支架通過螺絲連接車體上，肥料箱支架之間留有間隙，可以放置各種工具。車載配重自動調(diào)整裝置安裝在鐵軌上運動，鐵軌安裝在車體上，車載配重自動調(diào)整裝置通過固定在車體上的鋼絲和滑輪組成一個運動鏈，與平移機構(gòu)連接，形成一個相反的運動關(guān)系，給車體進(jìn)行配重，防止車輛發(fā)生傾覆或側(cè)翻。

用于肥料輸送的螺旋輸送泵安裝在車體前部靠近肥料箱的位置，肥料中轉(zhuǎn)箱安裝在鉆頭支架上。

平移機構(gòu)在鐵軌上運動，鐵軌固定在車體上，液壓缸安裝在平移機構(gòu)上，給平移機構(gòu)提供動力。

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在平移機構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)通過安裝在平移機構(gòu)上的液壓馬達(dá)驅(qū)動齒輪，齒輪帶動固定在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上的齒圈使旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動。

3 工作過程

施肥機到達(dá)目標(biāo)位置后，點按按鈕，施肥機主體部分開始旋轉(zhuǎn)。有兩個按鈕，分別控制主體部分的旋轉(zhuǎn)和平面移動，以便調(diào)整到最佳的施肥位置。施肥過程分為手動和自動兩種工作模式。

手動模式：施肥機每進(jìn)行一個動作都需要按動一個按鈕。首先按下鉆孔按鈕，液壓馬達(dá)帶動鉆頭開始旋轉(zhuǎn)。然后再按下鉆頭下降按鈕，液壓馬達(dá)帶動鉆頭開始下鉆，到達(dá)預(yù)定鉆孔深度后，按鈕鉆頭上升按鈕，鉆頭提起。鉆孔工作過程完成。然后按噴藥按鈕，旋轉(zhuǎn)移動結(jié)構(gòu)像左移動一定距離，使肥料管移動到孔上方，再按動施肥按鈕，油缸帶動伸縮管向下移動，當(dāng)藥管到距地面一定距離，水泵啟動，開始施肥，施肥時間可以根據(jù)實際情況自行設(shè)定。施肥時間到后，水泵停止運轉(zhuǎn)，油缸帶動伸縮管向上移動，藥管到達(dá)指定高度后，一個施肥過程結(jié)束。

自動模式：當(dāng)鉆頭移動到位后，按下施肥按鈕，整個施肥機會按照設(shè)定的程序完成一整套動作，不需操作員再反復(fù)操作，提高了勞動效率。

在施肥過程中肥料箱中的肥料靠重力作用落入螺旋輸送泵中，經(jīng)螺旋輸送泵送至肥料中轉(zhuǎn)箱中，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一定角度，安裝在鉆頭支架上的液壓缸帶動與其相連接的施肥伸縮管移動到打好的鉆孔正上方，向下移動一定距離。安裝在鉆頭支架上的步進(jìn)電機帶動與它連接的葉片轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動一定圈數(shù)，將定量的肥料輸送到前面已經(jīng)打好的孔里。

完成所有打孔與施肥任務(wù)后液壓油完全收回，此時鉆頭支架基本成60°。通過旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)驅(qū)動齒輪，齒輪帶帶動齒圈使旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，使鉆頭支架與車體平行，此狀態(tài)為車閑時的或道路上行駛的狀態(tài)。設(shè)計成品如圖2所示。

圖2 成品展示圖

4 結(jié) 語

根據(jù)設(shè)計方案，已完成設(shè)備的組裝和試運行，并投入到實際使用中，預(yù)期目標(biāo)基本達(dá)成。使用車輛搭載設(shè)備增強其機動性能，節(jié)省了設(shè)備搬運的時間，提高整體的工作效率。簡化操作流程，降低操作人員的技術(shù)要求，便于操作。采用雙肥料箱設(shè)計，可搭載兩種肥料并以一定比例施肥以滿足多種對象的需求，從而有效地提高資源的利用率，也可實現(xiàn)施肥和噴藥兩種功能之間的轉(zhuǎn)換。