張 勇,張開興,劉賢喜

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.山東工商學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

0 引言

當前我國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中,穴盤育苗移栽是主要種植方式,隨著種植量的增加、勞動力的減少和勞動力成本的提高,正在越來越多地采用機械移栽。但現(xiàn)有的移栽機械仍以人工取苗、喂苗的半自動移栽機為主,存在著勞動強度大、移栽效率低及失誤率高的問題[1-3]。因此,全自動移栽機已成為相關(guān)行業(yè)的研究熱點和重點。本文針對目前移栽機的研究現(xiàn)狀,研制了一款全自動穴盤苗移栽機,設(shè)計了基于PLC的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過位置傳感器檢測移栽機各部件的位置狀態(tài),采用S曲線控制算法控制電機的啟停運動,實現(xiàn)了全自動移栽機送苗、取苗及投苗等機構(gòu)的自動協(xié)調(diào)運行[3-5]。

1 全自動穴盤苗移栽機工作原理

全自動穴盤苗移栽機主要實現(xiàn)送苗、取苗和投苗機構(gòu)的控制,整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

工作時,操作人員將苗盤架上的穴苗盤取下,放在送苗機構(gòu)傳輸帶上,輸送帶上可放置3個苗盤,取苗機構(gòu)抓取最右側(cè)苗盤中的幼苗,最左邊和中間放置新苗盤,送苗機構(gòu)將苗盤輸送到合適位置[6-7];伺服電機正反轉(zhuǎn)帶動取苗機構(gòu)往復(fù)移動抓取幼苗,取苗機構(gòu)中6個取苗手同時工作以提高取苗效率;由于苗穴間距較小,采取間隔取苗的方式,先取奇數(shù)列的苗,依次抓取第1到第6行的幼苗,然后輸送帶移動一列的距離,取苗機構(gòu)抓取偶數(shù)列的苗;抓取完畢,輸送帶快速移動,帶來一個新的苗盤,空苗盤自動落到右側(cè)苗盤收集箱中;在伺服電機的帶動下取苗機構(gòu)帶著抓取的幼苗,運動到橫向投苗機構(gòu)上方,取苗手松開將幼苗投入到橫向投苗機構(gòu)[8],橫向投苗機構(gòu)運動到將幼苗投入五桿栽植機構(gòu)中,五桿栽植機構(gòu)將幼苗栽入大田[9]。

1.傳動機構(gòu) 2.送苗機構(gòu) 3.苗盤架 4.取苗機構(gòu) 5.橫向投苗機構(gòu)

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)原理如圖2所示?？刂破鬟x用西門子S7-1214C,是一款小型整體型PLC,包含14個晶體管輸入點和10個晶體管輸出點,包括3個80kHz正交高速脈沖輸入端和4個100kHz高速脈沖輸出端,具有優(yōu)秀的運動控制功能;控制器另擴展了一臺SM-1222,含有16個繼電器輸出點,以滿足系統(tǒng)控制要求,并為后期控制移栽機投放苗裝置預(yù)留一定的輸入輸出點。選用MCGS TPC7062TI型工業(yè)觸摸屏,通過以太網(wǎng)接口和PLC通訊,性能穩(wěn)定,性價比高,用于設(shè)置系統(tǒng)運行參數(shù)和顯示其運行狀態(tài)[10]。

苗盤輸送帶采用步科HBS860H型兩相混合式步進電機套裝,步進電機保持轉(zhuǎn)矩為8.5N·m,步距角為1.8°,精度為±5%,電機驅(qū)動器采用32位DSP,最高256細分,強制風冷散熱,電機運行可靠、精度高、成本低。旋轉(zhuǎn)編碼器采用歐姆龍E6B2-CWZ6C型1000線編碼器,用于測量步進電機的實際運行距離,實現(xiàn)步進電機的閉環(huán)控制。取苗機構(gòu)采用臺達ASDA-B2 400W伺服電機及其驅(qū)動器,內(nèi)部包含17位增量型編碼器,定位精度高,具有建位置、速度、扭力3種工作模式,提供3組共振抑制濾波器,可針對機構(gòu)運行自動調(diào)整到優(yōu)化。伺服電機配合Planetary Gearbox PGA60-3-S2型減速器使用,以獲得較大扭矩,減速比為3。 位置開關(guān)飛凌HA12-8NA型霍爾開關(guān),采用非接觸方式工作,只反映磁性器件的接近情況,可提高裝置的抗干擾能力性能,性能穩(wěn)定,可靠性強。

圖2 電氣控制系統(tǒng)圖

2.2 電機控制參數(shù)設(shè)定

2.2.1 步進電機運行頻率

相鄰兩株幼苗間的移栽時間間隔為

(1)

式中L1—株距(m);

v—作業(yè)行駛速度(km/h)。

根據(jù)移栽機的設(shè)計指標,代入最短株距0.3m和最快速度1.5km/h,計算可得相鄰兩株幼苗間的移栽最短時間間隔tmin=0.72s。

移栽機采用兩壟工作制,6個移盤手同時工作,工作過程中苗盤輸送帶移動的最遠距離發(fā)生在移動新苗盤到指定位置時,此時苗盤移動距離為最遠移動距離570mm,運行時間為使用tmin,苗盤運行速度v1為

(2)

式中L—苗盤運行距離(mm);

t—移栽時間間隔(s);

ty—時間裕度(s),考慮取苗手取苗時間及步進電機加減速時間,取0.5s。

步進電機運行轉(zhuǎn)速根據(jù)式(3)計算可得n1=68r/min,步進電機運行速度不小于68r/min時,可以滿足移栽機的設(shè)計要求。

(3)

式中D1—傳送帶鏈輪軸承直徑(mm),取D1=96.5。

步進電機運行控制頻率為

(4)

式中n—步進電機運行轉(zhuǎn)速;

3200—步進電機旋轉(zhuǎn)1圈PLC發(fā)出的脈沖數(shù)。

根據(jù)式(5),新苗盤移動到指定位置時,PLC需要發(fā)送6 213個脈沖;苗盤移動一列的距離,PLC需要發(fā)送445個脈沖。

(5)

式中θ0—步進電機最小步進角(°),取θ0=0.112 5°。

2.2.2 伺服電機運行頻率

取苗機構(gòu)最遠運行距離為取第五行番茄苗送到喂苗機構(gòu)并返回到第六行,其運行距離為530mm,運行時間為代入最短移栽間隔tmin。根據(jù)試驗取苗手取苗時間和投苗時間分別為0.5s和0.3s,再考慮一定的時間裕度ty=0.3s,取苗機構(gòu)運行速度為

(6)

直線模組同步帶輪直徑D2=95mm,傳動軸轉(zhuǎn)速為

(7)

伺服電機運行控制頻率為

(8)

其中,9 600為傳動軸旋轉(zhuǎn)1圈PLC發(fā)出的脈沖數(shù)。

取苗機構(gòu)移動時PLC發(fā)出的脈沖數(shù)為

(9)

式中θ2—伺服電機步距角(°),取θ2=0.037 5°。

2.2.3 步進電機細分數(shù)

步進電機的細分技術(shù)可以減弱或消除步進電機的低頻振動,并可提高電機的運轉(zhuǎn)精度。細分是驅(qū)動器通過精確控制電機的相電流實現(xiàn)的,與電機無關(guān),細分數(shù)越大精度越難控制。在電機實際使用時,如果在對轉(zhuǎn)速要求較高,對精度和平穩(wěn)性要求不高的場合,不必選高細分;如果對精度和平穩(wěn)性要求較高,轉(zhuǎn)速較低的,應(yīng)選大細分,確保平滑,減少振動和噪聲[11]。

根據(jù)所選步進電機轉(zhuǎn)速扭矩性能曲線,所選步進電機最佳轉(zhuǎn)速在600r/min以內(nèi),送苗機構(gòu)步進電機最低轉(zhuǎn)速經(jīng)計算為68r/min,本文步進電機屬于低轉(zhuǎn)速應(yīng)用,綜合考慮現(xiàn)場干擾等問題,系統(tǒng)選用16細分,即發(fā)一個脈沖電機走θ0=1.8°/32=0.112 5°,步進電機轉(zhuǎn)動1圈PLC需發(fā)3 200個脈沖。

2.2.4 伺服電機電子齒輪比

為了匹配伺服電機自帶編碼器的分辨率,實現(xiàn)取苗機構(gòu)的精確位置控制,需設(shè)定伺服電機電子齒輪比。伺服電機和步進電機采用相同的控制算法,為保證合適的加減速時間,考慮減速機的減速比為3,設(shè)定傳動軸轉(zhuǎn)動1圈PLC發(fā)送9 600個脈沖。臺達ASDA-B2自帶增量式編碼器,分辨率為P=160Kp/r,根據(jù)式(10)計算可到CMX=50,CDV=3。

(10)

2.3 電機定位控制算法

步進電機和伺服電機是移苗機構(gòu)和取苗機構(gòu)的核心器件,其運行精度直接決定全自動移栽機的性能。步進電機的工作原理是把脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移,具有控制方便、精度高的特點,但存在著啟動、停止階段出現(xiàn)失步甚至堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。伺服電機自帶高精度編碼器是一個閉環(huán)系統(tǒng),運行精度很高,但也要求啟動、停止階段的沖擊不能過大。因此,通過設(shè)計合理的電機啟?？刂扑惴梢蕴岣唠姍C定位精度[12]。

當前常用的電機啟?？刂扑惴ㄓ刑菪吻€、指數(shù)曲線和S型曲線算法。S型曲線算法具有連續(xù)控制的特點,電機的速度和加速度都沒有突變,常常應(yīng)用于精確控制中,本文采用S型曲線的啟動/停止控制算法對電機進行控制。

S型曲線啟動階段公式為

hi=hstart+(hset-hstart)/(1+e-k(i-num)/num)

(11)

式中hi—電機當前控制頻率(Hz);

hstart—啟動頻率(Hz);

hset—運行設(shè)定頻率(Hz);

k—曲線系數(shù);

num—啟動階段脈沖數(shù)。

以步進電機為例,hset根據(jù)本文步進電機運行頻率計算,取為3 267Hz,hstart設(shè)定為0 Hz。k決定S曲線中間區(qū)域加速度大小,k越大加速度越大,越小越接近勻加速,取值范圍一般在3～7之間,這里先設(shè)定為5。為使啟動階段對稱,num大小為啟動階段總脈沖數(shù)的一半,啟動階段總脈沖數(shù)設(shè)定為1 200,num為600。

啟動階段過程中,步進電機控制頻率由啟動頻率逐漸增加到運行設(shè)定頻率,且以曲線中心對稱分布;頻率加速度是從零到最大值,再從最大值到零的一個過程。該變化過程使得電機的加減速是一個緩慢的漸進變化過程,大大減少了電機啟動/停止階段的沖擊問題,提高了電機的位置控制精度。啟動階段電機頻率對稱分布,其平均值為hstart+(hset-hstart)/2=4 600Hz,乘以啟動脈沖數(shù),啟動階段耗時約為0.26s。

電機停止階段過程和啟動階段是對稱的,S曲線停止階段公式為

hi=hstart-(hset-hstart)/(1+e-k(i-num)/num)

(12)

公式參數(shù)、停止階段運行原理和運行參數(shù)都與啟動階段相同。

2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程

上電后控制系統(tǒng)進行一次初始復(fù)位操作,使各機構(gòu)處于初始工作位置,移栽機左右兩側(cè)投苗機構(gòu)上各安裝了一個傳感器,每移栽一株缽苗傳感器開關(guān)閉合一次,移栽計數(shù)器的計數(shù)值加1,移栽機以移栽計數(shù)器的計數(shù)值為運行基準,移栽計數(shù)值的初始值為6,工作人員把苗盤安放在苗盤輸送帶上,按下啟動按鈕,系統(tǒng)開始運行。

系統(tǒng)啟動之后,開始執(zhí)行缽苗投放和抓取操作;取苗機構(gòu)依次從苗盤的第一行到第六行抓取缽苗,其運行距離根據(jù)取苗行計數(shù)值計算;送苗機構(gòu)在抓取一個苗盤的缽苗的過程中需運行兩次,一次是輸送一個新苗盤的取苗位置,運行距離較長;一次是輸送苗盤向前運行一個穴孔寬度的距離,運行距離較短,其運行距離的長短根據(jù)取苗行計數(shù)值控制。

3 移栽試驗

3.1 試驗條件

試驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站進行,本移栽機適用于番茄、辣椒、生菜等蔬菜的育苗移栽。試驗采用120～150mm高的油菜苗,采用6×12孔穴盤,土缽含水率65%左右;機器前進速度保持在1.2km/h左右,株距為300mm。移栽機樣機如圖4(a)所示,樣機田間試驗如圖4(b)所示。

(a) 全自動移栽機樣機

(b) 移栽試驗

3.2 試驗結(jié)果

主要試驗測定指標為

(13)

式中α—苗成功率;

β—投苗成功率;

η—總移栽成功率;

N—總移栽數(shù);

N1—苗機構(gòu)取苗成功數(shù);

N2—投苗成功數(shù)。

移栽試驗過程中,全自動移栽機在控制系統(tǒng)的控制下,送苗機構(gòu)和取苗機構(gòu)能準確運動到指定位置,實現(xiàn)苗盤移動和幼苗抓取,移栽機各組成機構(gòu)運行協(xié)調(diào)一致,移栽機運行平穩(wěn)。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 移栽試驗結(jié)果

投苗成功率接近100%,取苗成功率約96%。影響取苗成功率的一個因素是幼苗土缽的緊實度, 幼苗土缽緊實度很差,會造成取苗手夾持幼苗時夾斜、掉落等現(xiàn)象;取苗手的夾持角度偏小,夾持力度偏大,也是造成取苗失敗的一個主要因素。

4 結(jié)論

設(shè)計的基于西門子1200的全自動穴盤苗移栽電氣控制系統(tǒng),功能完善,所選步進電機和伺服電機能驅(qū)動送苗機構(gòu)和投苗機構(gòu)的可靠運行,基于S曲線的電機控制算法能夠達到系統(tǒng)的定位精度要求。根據(jù)移栽機的設(shè)計要求進行了移栽試驗,結(jié)果表明:全自動移栽機在控制系統(tǒng)的控制下,各組成機構(gòu)運行協(xié)調(diào)一致,移栽機工作穩(wěn)定,移栽成功率達到95.8%,大大提高了移栽效率。通過實驗也發(fā)現(xiàn),仍需改進取苗手的夾持角度和力度,繼續(xù)優(yōu)化取苗手的抓取性能。