崔財(cái)豪，曹衛(wèi)彬，李樹(shù)峰，劉嬌娣，馬 銳，楊 萌，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)，屬北部高緯度范圍，晝夜溫差大，光照充足。由于降雨量小，農(nóng)作物主要以灌溉為主，可控因素有利于調(diào)節(jié)植株長(zhǎng)勢(shì)、提高單位面積產(chǎn)量、改善產(chǎn)品質(zhì)量，適合加工番茄、線(xiàn)辣椒等農(nóng)作物的生長(zhǎng)[1]。目前，新疆已成為全國(guó)最大的棉花、番茄、甜菜及紅花等經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)基地。其中，番茄生產(chǎn)能力居世界第三，其制品占全球貿(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]。

目前，移栽機(jī)取送苗多為單個(gè)機(jī)械手取苗，由于移栽機(jī)取苗速度直接影響到移栽機(jī)整體的工作效率，故整排取苗式方案被提出并研究。2011年，北京農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所張曉文等研制出穴盤(pán)苗智能化移栽機(jī)，各個(gè)機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，協(xié)同配合工作[4]。2013年，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院楊傳華等設(shè)計(jì)了一種基于PLC的蔬菜缽苗移栽機(jī)自動(dòng)輸送裝置，提高了投苗的準(zhǔn)確率[5]。2014年，石河子大學(xué)顧文俊計(jì)了一種整排夾持式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，取苗機(jī)構(gòu)從穴盤(pán)中成排地夾取秧苗，送入傳送機(jī)構(gòu)將秧苗喂入栽植器，速度較快，工作效率高[6]。國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)整排取苗式移栽機(jī)取送苗系統(tǒng)的研究依然處于實(shí)驗(yàn)室階段。由于整排取苗式方案與單個(gè)機(jī)械手取苗相比有更高的工作效率，故提出整排取苗式方案，實(shí)現(xiàn)整排取苗和整排送苗，提高移栽機(jī)的工作效率。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

整排取苗式穴盤(pán)苗移栽機(jī)取送苗裝置，由苗盤(pán)步進(jìn)電機(jī)、苗盤(pán)架、苗盤(pán)、整排取苗手、夾苗氣缸、取苗氣缸、懸臂、送苗旋轉(zhuǎn)氣缸、機(jī)架和傳送帶組成。使用SolidWorks建立了整排取送苗機(jī)構(gòu)模型，如圖1所示[7]。

1.苗盤(pán)步進(jìn)電機(jī) 2.苗盤(pán)架 3.苗盤(pán) 4.整排取苗手 5.夾苗氣缸 6.取苗氣缸 7.懸臂 8.送苗旋轉(zhuǎn)氣缸 9.機(jī)架 10.傳送帶

該整排取送苗模型中，苗盤(pán)放置在苗盤(pán)架上，苗盤(pán)步進(jìn)電機(jī)與苗盤(pán)架相連，控制穴盤(pán)苗成排進(jìn)給；兩個(gè)夾苗氣缸位于整排取苗手的頂端，共同完成整排穴盤(pán)苗的夾持；整排取苗手固定在兩個(gè)取苗氣缸中間，取苗氣缸控制整排取苗手將穴盤(pán)苗從苗盤(pán)里整排取出，取苗氣缸和夾苗氣缸共同作用完成穴盤(pán)苗的整排夾取；送苗氣缸旋轉(zhuǎn)90°，將整排穴盤(pán)苗從苗盤(pán)位置送至輸送帶上方，之后取苗氣缸和夾苗氣缸動(dòng)作將穴盤(pán)苗放置在輸送帶上。取送苗機(jī)構(gòu)置于機(jī)架的頂端，苗盤(pán)架置于機(jī)架下方，輸送帶和苗盤(pán)架并排放置，且待取的苗盤(pán)首行(苗盤(pán)架前端第1行)與輸送帶相互垂直。

整排取苗式穴盤(pán)苗移栽機(jī)取送苗裝置工作過(guò)程如下：苗盤(pán)在苗盤(pán)步進(jìn)電機(jī)作用下依次進(jìn)給1排穴盤(pán)苗，整排取苗手在取苗氣缸的作用下下降至取苗位置，夾苗氣缸控制整排取苗手完成穴盤(pán)苗的夾持，隨后上升，由送苗旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)整排取苗手旋轉(zhuǎn)至輸送帶位置，下降并將整排穴盤(pán)苗放置在輸送帶上。

1.2 控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行模塊和傳感器模塊組成。其中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；運(yùn)動(dòng)控制模塊使用三菱PLC作為核心控制器，通過(guò)發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行部件的控制；驅(qū)動(dòng)模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣缸驅(qū)動(dòng)，分別為各執(zhí)行部件提供動(dòng)力；執(zhí)行模塊是為了完成作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，包含步進(jìn)電機(jī)和氣缸；傳感器模塊采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信息反饋給控制器。各模塊協(xié)調(diào)工作，共同完成整排穴盤(pán)苗的進(jìn)給、取苗和送苗，控制方案框圖如圖2所示。

圖2 控制方案框圖Fig.2 Control Scheme block diagram

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整排穴盤(pán)苗的抓取通過(guò)整排機(jī)械手來(lái)完成，整排取苗手的動(dòng)作通過(guò)固定在整排取苗手頂端的夾苗氣缸和取苗氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。整排穴盤(pán)苗的進(jìn)給通過(guò)苗盤(pán)步進(jìn)電機(jī)和鏈輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，穴盤(pán)苗傳送通過(guò)旋轉(zhuǎn)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。

整排穴盤(pán)苗的取送分別通過(guò)氣缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，PLC執(zhí)行相應(yīng)程序來(lái)控制氣缸的伸縮完成穴盤(pán)苗的夾取。磁性開(kāi)關(guān)為電磁閥提供信號(hào)，當(dāng)氣缸走到指定位置時(shí)，磁性開(kāi)關(guān)給PLC發(fā)出信號(hào)，PLC通過(guò)程序控制電磁閥關(guān)閉，氣缸停止運(yùn)動(dòng)。氣源為氣缸的動(dòng)作提供動(dòng)力，AC220V電源為PLC供電，DC24V電源為驅(qū)動(dòng)器、電磁閥、接近開(kāi)關(guān)和磁性開(kāi)關(guān)供電。氣缸控制硬件框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.3 Control system hardware block diagram

整排取苗手對(duì)穴盤(pán)苗的夾持和取送均由氣缸動(dòng)作來(lái)完成。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、空氣過(guò)濾器、減壓閥、油霧器、二位五通電磁換向閥、節(jié)流閥、取苗手驅(qū)動(dòng)氣缸及苗盤(pán)更換驅(qū)動(dòng)氣缸等組成?？諝鈮嚎s機(jī)壓縮空氣為氣動(dòng)系統(tǒng)的正常工作提供足夠流量和壓力的壓縮空氣；儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存氣體，同時(shí)起穩(wěn)定系統(tǒng)壓力的作用；空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器組成的啟動(dòng)三聯(lián)件對(duì)壓縮的空氣進(jìn)行處理。各驅(qū)動(dòng)氣缸均由二位五通電磁換向閥控制，并分別由節(jié)流閥調(diào)節(jié)速度，完成穴盤(pán)苗的整排夾持和整張苗盤(pán)的更換。氣壓驅(qū)動(dòng)原理圖如圖4所示。

整排穴盤(pán)苗的整排進(jìn)給PLC控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制兩相步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，依次進(jìn)給單個(gè)苗格的距離(即32mm)，實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)苗的整排進(jìn)給，電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理如圖5所示。

圖4 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.4 Diagram of pneumatic control system

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of motor driving

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)模式可以使控制系統(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。

選用三菱公司MT型FX3UPLC作為核心控制器， 其有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)；Y003、Y004、Y005分別接3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方向端，控制步進(jìn)電機(jī)的方向[8]。PLC通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，完成穴盤(pán)苗的整排進(jìn)給。由于MT型PLC采用的是晶體管輸出，其輸出端的電壓值為24V，輸出電流的最大值為0.5A，因此不能直接用該輸出端口驅(qū)動(dòng)控制氣缸的電磁閾，故需要再增加中間繼電器來(lái)控制電磁閾[9]。PLC通過(guò)電磁閥控制氣缸的伸縮，控制整排取苗手完成穴盤(pán)苗的抓取和傳送，當(dāng)氣缸內(nèi)部的活塞桿伸縮至指定位置時(shí)，氣缸上的傳感器把信號(hào)傳給PLC，PLC通過(guò)程序控制電磁閥關(guān)掉，氣缸停止運(yùn)動(dòng)。PLC輸入/輸出點(diǎn)的分配如表1所示。

表1 PLC輸入點(diǎn)分配Table 1 Input distribution of PLC

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,信號(hào)采集模塊將信號(hào)送至PLC,PLC執(zhí)行相應(yīng)的程序，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)和氣缸協(xié)同工作，完成穴盤(pán)苗的整排進(jìn)給、整排穴盤(pán)苗的取送等一系列動(dòng)作，程序流程圖如圖5所示。

程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí),檢測(cè)苗盤(pán)是否到位整排機(jī)械手是否位于初始位置。如果整排機(jī)械手位于指定位置，則取苗氣缸活塞桿伸出，取苗氣缸頂部磁性開(kāi)關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)停止，此時(shí)整排取苗手位于至苗盤(pán)上方；接著氣缸動(dòng)作完成穴盤(pán)苗的夾取，穴盤(pán)苗夾取之后取苗氣缸活塞桿縮回，取苗氣缸尾部磁性開(kāi)關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)停止，同時(shí)送苗旋轉(zhuǎn)氣缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣缸右側(cè)磁性開(kāi)關(guān)為高電平時(shí)停止；整排取苗手位于傳送帶正上方；隨后則取苗氣缸活塞桿伸出，取苗氣缸頂部磁性開(kāi)關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)停止,此時(shí)整排取苗手位于至輸送帶上方，氣缸動(dòng)作將穴盤(pán)苗放置在輸送帶上；穴盤(pán)苗放置在輸送上之后，取苗氣缸活塞桿縮回，取苗氣缸頂部磁性開(kāi)關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)停止；同時(shí)旋轉(zhuǎn)氣缸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣缸左側(cè)磁性開(kāi)關(guān)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)停止，整排取苗手位于初始位置。此時(shí)，程序檢測(cè)苗盤(pán)里是否還有待取穴盤(pán)苗，若苗盤(pán)里依然有穴盤(pán)苗，則循環(huán)執(zhí)行程序直至穴盤(pán)苗取送完畢；若穴盤(pán)苗已經(jīng)取送完畢，則程序結(jié)束。程序流程圖如圖6所示。

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

根據(jù)機(jī)構(gòu)工作步驟及程序控制流程圖，使用GX-Works2編寫(xiě)程序。為了在編程時(shí)避免混亂，在程序檢測(cè)易于發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)點(diǎn)，編程時(shí)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[10]。

4 實(shí)驗(yàn)條件及因素分析

4.1 實(shí)驗(yàn)基本條件

該臺(tái)架實(shí)驗(yàn)在石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院精細(xì)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以128穴的“石番36號(hào)”番茄穴盤(pán)苗為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)穴盤(pán)苗進(jìn)行整排取送，驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的可行性。

4.2 測(cè)試指標(biāo)及影響因素分析

對(duì)該實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)送苗絲桿滑臺(tái)的行程確定整排取苗手、苗盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)及輸送帶的相對(duì)位置；通過(guò)取苗氣缸的行程、整排取苗手和苗盤(pán)架的高度確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的整體高度，進(jìn)而確定臺(tái)架尺寸；通過(guò)對(duì)穴盤(pán)苗的株高、含水率進(jìn)行測(cè)量確定被試穴盤(pán)苗的基本參數(shù)；通過(guò)臺(tái)架尺寸和穴盤(pán)苗的基本參數(shù)對(duì)程序的各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其滿(mǎn)足穴盤(pán)苗的整排取送需要。重點(diǎn)考察夾苗氣缸的壓力、取苗氣缸和送苗旋轉(zhuǎn)氣缸的電磁閥流量等因素對(duì)綜合傷苗率和取苗成功率的影響。各指標(biāo)計(jì)算公式為

CSR=GDR+SDR

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，CSR為綜合傷苗率(%)；GDR為基質(zhì)破損率(%)；SDR為幼苗損傷率(%)；SPR為取苗成功率(%)；WSD為基質(zhì)破損和殘留質(zhì)量(g)；WES為穴苗取出質(zhì)量(g)；NS為取苗總數(shù)；NDR為穴苗損傷數(shù)量；NPR為穴苗取出數(shù)量[11-12]。

5 工藝路線(xiàn)

根據(jù)要求安裝實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)設(shè)定程序參數(shù)確定取苗氣缸的壓力、取苗步進(jìn)電機(jī)和送苗步進(jìn)電機(jī)的速度后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)取苗氣缸的壓力進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，考察氣缸壓力的大小對(duì)穴盤(pán)苗夾持的成功率及基質(zhì)損傷的影響，選擇合適的氣缸壓力；然后進(jìn)行多因素實(shí)驗(yàn)，考察夾苗氣缸壓力、取苗氣缸和送苗旋轉(zhuǎn)氣缸的電磁閥流量的影響，選擇合適的取送頻率。

為了考察不同頻率下該控制系統(tǒng)的綜合性能，選取綜合傷苗率和取苗成功率作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)定取送苗頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)各單次實(shí)驗(yàn)的取送苗總數(shù)、取苗成功率、穴苗取出質(zhì)量、基質(zhì)破損和殘留質(zhì)量、穴苗損傷數(shù)量，經(jīng)處理得到取苗成功率、送苗成功率、基質(zhì)破損率、幼苗損傷率及綜合傷苗率；通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出取送苗失敗或者莖葉/基質(zhì)損傷的原因，改進(jìn)系統(tǒng)控制模型，實(shí)現(xiàn)整排取送苗的控制，進(jìn)而確定該臺(tái)架的最佳取送頻率。

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了穴盤(pán)苗移栽機(jī)整排取送苗機(jī)構(gòu)方案，基于此設(shè)計(jì)了一種整排取送苗控制系統(tǒng)，提高了穴盤(pán)苗移栽機(jī)的取送苗速度及移栽機(jī)整體的工作效率。

2)該控制方案完成了穴盤(pán)苗移栽機(jī)整排穴盤(pán)苗的取送，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)效果良好，有助于新疆特色農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。