崔財(cái)豪，曹衛(wèi)彬，楊 萌，馬 銳，任 玲

(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

新疆地處我國(guó)西北地區(qū)，屬北部高緯度(北緯37°～47°之間)，晝夜溫差大，光照充足,適合加工番茄、線辣椒等農(nóng)作物的生長(zhǎng)；由于降雨量小,農(nóng)作物主要以灌溉為主,可控系統(tǒng)有利于調(diào)節(jié)植株長(zhǎng)勢(shì)、提高單位面積產(chǎn)量及改善產(chǎn)品質(zhì)量[1]。目前，新疆已成為全國(guó)最大的棉花、番茄、甜菜、紅花等經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)基地。其中，番茄生產(chǎn)能力居世界第三，番茄制品占全球貿(mào)易總量的20%以上。近年來(lái)，新疆番茄種植面積達(dá)6.7萬(wàn) hm2，加工番茄產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為規(guī)模宏大的紅色產(chǎn)業(yè)[2 -3]。

作物移栽主要分為人工移栽和機(jī)械移栽?xún)煞N方式[4]。目前，市面上推廣的移栽機(jī)多數(shù)為半自動(dòng)移栽機(jī)，栽植過(guò)程中需要人工投苗，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，無(wú)法滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。全自動(dòng)移栽機(jī)與半自動(dòng)移栽機(jī)區(qū)別在于取喂苗方式上方式有所不同，由機(jī)械或人工喂入多組秧苗(如多張苗盤(pán))，移栽機(jī)自動(dòng)完成苗盤(pán)輸送、送苗取苗以及栽植工作。全自動(dòng)移栽機(jī)一定程度上無(wú)需人工干預(yù)，工作效率大大提高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度[5-6 ]。

全自動(dòng)移栽機(jī)存在送苗精度低、株距不穩(wěn)定、高速工作時(shí)苗手與苗盤(pán)之間具有干涉等問(wèn)題。為此，提出了基于作業(yè)速度自動(dòng)移栽機(jī)送苗與取苗裝置的控制系統(tǒng)，旨在提高送苗精度、株距精度，以及解決高速工作時(shí)取苗手與苗盤(pán)之間的干涉問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 取苗和送苗相干涉解決方案的設(shè)計(jì)

使用接近開(kāi)關(guān)作為苗盤(pán)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)輸入，在取苗手接近開(kāi)關(guān)從低電平變成高電平時(shí)，表示取苗手插入基質(zhì)，苗盤(pán)靜止；當(dāng)接近開(kāi)關(guān)從低電平變成高電平時(shí)，表示取苗手離開(kāi)苗盤(pán)，此時(shí)苗盤(pán)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲杠和鏈輪帶動(dòng)苗盤(pán)橫向縱向運(yùn)動(dòng)。由于苗盤(pán)只在取苗手取苗時(shí)靜止，投苗時(shí)運(yùn)動(dòng)，避免了高速移栽時(shí)苗盤(pán)與取苗手的干涉。

1.2 取苗手和苗盤(pán)進(jìn)給控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用3個(gè)接近開(kāi)關(guān)作為信號(hào)輸入，取苗手接近開(kāi)關(guān)提供每次取苗手取苗結(jié)束后的完成信號(hào)，苗盤(pán)兩側(cè)的接近開(kāi)關(guān)作為定位傳感器使用。正常工作時(shí)，取苗手在即將插入基質(zhì)時(shí)取苗手接近開(kāi)關(guān)發(fā)送信號(hào)，且一直持續(xù)到取苗手離開(kāi)苗盤(pán)。在取苗手接近開(kāi)關(guān)由高電平調(diào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，苗盤(pán)橫向移動(dòng)32mm；當(dāng)苗盤(pán)移動(dòng)到一側(cè)，即左右兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)有信號(hào)時(shí)，苗盤(pán)向下移動(dòng)32mm，取苗手取下一行的穴盤(pán)苗。該方案與使用一個(gè)接近開(kāi)關(guān)的方案相比能夠更加準(zhǔn)確地控制苗盤(pán)移動(dòng)，同時(shí)避免取苗與送苗的干涉。

2 工作原理

基于作業(yè)速度自動(dòng)移栽機(jī)送苗與取苗裝置的控制系統(tǒng)通過(guò)修改程序參數(shù)適用于不同規(guī)格的苗盤(pán)。為適應(yīng)一膜雙行的移栽機(jī)作業(yè)要求，機(jī)身設(shè)計(jì)有兩只取苗手同時(shí)取苗，所以需要同時(shí)對(duì)兩個(gè)苗盤(pán)進(jìn)行橫向和縱向進(jìn)給控制，下面以一個(gè)取苗手和苗盤(pán)的工作原理進(jìn)行介紹。

為了控制苗盤(pán)的進(jìn)給精度，苗盤(pán)的橫向和縱向移動(dòng)均使用步進(jìn)電機(jī)，在大田中作業(yè)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的使用有助于保證精度、減小控制誤差[7]。苗盤(pán)滑臺(tái)與滑動(dòng)軌道連接，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲杠將角位移轉(zhuǎn)化為線位移控制苗盤(pán)橫向運(yùn)動(dòng)；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪以及與鏈輪對(duì)應(yīng)的鏈條繼而帶動(dòng)苗盤(pán)縱向運(yùn)動(dòng)。取苗手由步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈帶動(dòng)取苗手完成一個(gè)取苗動(dòng)作。取苗手接近開(kāi)關(guān)控制取苗結(jié)束信號(hào)，苗盤(pán)兩側(cè)的接近開(kāi)關(guān)作為定位傳感器使用。取送苗裝置機(jī)構(gòu)示意圖，如圖1所示。

1.鏈輪 2.滑臺(tái)絲杠 3.接近開(kāi)關(guān)Ⅰ 4.步進(jìn)電機(jī)Ⅰ 5.步進(jìn)電機(jī)Ⅱ 6.苗盤(pán)架 7.苗盤(pán) 8接近開(kāi)關(guān)Ⅱ 9.步進(jìn)電機(jī)Ⅲ

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該控制系統(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(hào)的PLC作為核心控制器，選用E6B2-CWZ1X歐姆龍旋轉(zhuǎn)式編碼器給PLC發(fā)送工作信號(hào)，使用接近開(kāi)關(guān)提供苗盤(pán)橫向縱向移動(dòng)信號(hào)，使用交直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制兩相四線步進(jìn)電機(jī)，外加按鈕、指示燈、報(bào)警器以及供電電源構(gòu)成花絲采摘控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用GX-Works編寫(xiě)程序， 可以實(shí)現(xiàn)在線修改，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試容易。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)硬件主要由PLC、旋轉(zhuǎn)式編碼器、接近開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、按鈕、指示燈、報(bào)警器和電源組成。紅花花絲采摘控制系統(tǒng)硬件框圖，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖

PLC控制器只能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的采集和發(fā)送。PLC獲取信號(hào)時(shí),開(kāi)關(guān)量可以直接傳給PLC控制器,傳感器采集的信號(hào)需經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化才能傳給PLC[8]。選用PLC為核心控制器，旋轉(zhuǎn)式編碼器測(cè)量移栽機(jī)行走路程，接近開(kāi)關(guān)提供苗盤(pán)移動(dòng)信號(hào)，PLC通過(guò)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，完成苗盤(pán)送苗、取苗手取苗等一系列動(dòng)作。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。

該系統(tǒng)選擇FX3UPLC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(hào)或高速脈沖的旋轉(zhuǎn)編碼器提供取苗手工作信號(hào)，編碼器輸出的高速脈沖信號(hào)直接輸入至PLC輸入端，利用PLC的高速計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖信號(hào)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(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)，完成苗盤(pán)的橫向縱向移動(dòng)以及取苗手取苗。控制系統(tǒng)電路圖如圖3所示，PLC輸入輸出點(diǎn)的分配如表1所示。

圖3 控制系統(tǒng)電路圖

表1 PLC輸入/輸出點(diǎn)分配

續(xù)表1

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主要由信號(hào)采集模塊和主控制模塊兩部分組成。接近開(kāi)關(guān)和編碼器的信號(hào)輸出為控制系統(tǒng)提供動(dòng)作信號(hào)，主控制器(PLC)根據(jù)信號(hào)采集模塊輸出的信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的程序，完成苗盤(pán)送苗，取苗手取苗等一系列動(dòng)作。系統(tǒng)軟件流程框圖如圖4所示。

圖4 軟件流程框圖

在移栽開(kāi)始后，編碼器發(fā)出工作信號(hào)，取苗手動(dòng)作。取苗手插入基質(zhì)時(shí)，取苗手接近開(kāi)關(guān)變成高電平，一直持續(xù)到取苗手離開(kāi)苗盤(pán)，此時(shí)苗盤(pán)靜止。當(dāng)接近開(kāi)關(guān)變成低電平時(shí)，取信號(hào)的下降沿為有效信號(hào)，苗盤(pán)向左橫向移動(dòng)32mm，依次執(zhí)行8個(gè)穴盤(pán)苗的取送；當(dāng)苗盤(pán)左接近開(kāi)關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，即苗盤(pán)到達(dá)最左側(cè)，苗盤(pán)向下移動(dòng)32mm，待完成第一個(gè)苗的夾取之后，苗盤(pán)按照相反方向運(yùn)動(dòng)，苗盤(pán)向右橫向移動(dòng)32mm，依次執(zhí)行8個(gè)穴盤(pán)苗的取送；當(dāng)苗盤(pán)右接近開(kāi)關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，即苗盤(pán)到達(dá)最右側(cè)，苗盤(pán)向下移動(dòng)32mm，此時(shí)完成一個(gè)循環(huán)。苗盤(pán)位移軌跡如圖5所示。如果苗盤(pán)未到最后一行，程序循環(huán)執(zhí)行。當(dāng)苗盤(pán)向下移動(dòng)15次則代表僅剩一排穴盤(pán)苗待取，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提示工作人員需要更換苗盤(pán)。其主控程序流程圖如圖6所示[7]。

圖5 苗盤(pán)位移軌跡圖

根據(jù)機(jī)構(gòu)工作步驟及程序控制流程圖，使用GX-Works2進(jìn)行程序編寫(xiě)。為了在編程時(shí)避免混亂，程序檢測(cè)時(shí)易于發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)點(diǎn)，將程序分塊編寫(xiě)，分別寫(xiě)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(xiě)入 PLC 內(nèi)，在無(wú)硬件連接的情況下檢測(cè)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(tái)對(duì)紅花花絲進(jìn)行采摘[11]。

圖6 主控制程序流程圖

在編寫(xiě)程序時(shí)，采用帶加減速的定量脈沖輸出指令DPLSR來(lái)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7 主控制程序流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)基本條件

試驗(yàn)在石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)田進(jìn)行，選取35天苗齡、128穴的“石番36號(hào)”番茄穴盤(pán)苗為試驗(yàn)對(duì)象，平均株高181mm,基質(zhì)含水率為31.5%。

4.2 測(cè)試指標(biāo)及影響因素分析

通過(guò)試驗(yàn)觀察苗盤(pán)與取苗手之間是否存在干涉，并統(tǒng)計(jì)不同速度下的送苗、株距距離變化及莖葉損傷數(shù)據(jù)，分析該系統(tǒng)下送苗精度、株距精度及莖葉損傷率，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析得出取苗失敗或者莖葉損傷的原因，改進(jìn)系統(tǒng)控制模型，實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)取苗送苗的精確控制。表2為控制系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果。

表2 控制系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：送苗精度和株距精度平均達(dá)到93%以上，莖葉損傷率低于2%。分析影響送苗精度的原因主要有：①苗盤(pán)橫向運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠控制，步進(jìn)電機(jī)本身的性質(zhì)決定了轉(zhuǎn)速不能過(guò)高。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)400r/min時(shí)扭矩快速下降，導(dǎo)致電機(jī)丟步，影響控制精度。②取苗針端點(diǎn)間距不穩(wěn)定，間距過(guò)大時(shí)基質(zhì)容易脫落，間距過(guò)小時(shí)基質(zhì)易夾碎，從而導(dǎo)致投苗失敗。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了取苗手和苗盤(pán)進(jìn)給的控制方案，提高了取苗送苗精度；解決了傳統(tǒng)移栽機(jī)取苗和送苗之間的干涉問(wèn)題，提高了取苗成功率；控制系統(tǒng)與拖拉機(jī)的速度相互配合，保證了移栽苗之間的株距的穩(wěn)定。

2)該控制系統(tǒng)能夠在復(fù)雜多變的大田環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，PLC工作性能穩(wěn)定，控制方案合理，完成了全自動(dòng)移栽機(jī)的取苗送苗的控制，促進(jìn)了新疆特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。