郭 怡

(重慶水利電力職業(yè)技術學院， 重慶 402160)

中國已成為世界上最大的花卉種植基地，2019年花卉出口額近25億元人民幣，銷售額在2017年接近1 500億元人民幣，規(guī)模逐年增加的花卉種植業(yè)對花卉葉面噴藥施肥機的需求也越來越大。

荷蘭、日本、以色列是世界上花卉種植出口三大強國，其花卉葉面噴藥施肥機根據(jù)種植場地實際情況主要采用固定軌道式、人工驅動式花卉葉面噴藥施肥一體機，達到了高度自動化[1]，正向智能化、高效性、個性化、綜合性、一體化等方向發(fā)展。我國現(xiàn)階段花卉種植的特點是由數(shù)量增長型向質量效益型轉變；由“小而全”的生產(chǎn)方式逐步向規(guī)模化、專業(yè)化轉變；由傳統(tǒng)落后的種植模式逐步向現(xiàn)代化的種植模式轉變。其中，現(xiàn)代化的種植模式下規(guī)?；I(yè)化的種植方式尤為突出，這對花卉種植所需的生產(chǎn)設備有更高的要求。我國目前使用的花卉葉面噴藥施肥機以進口荷蘭的為主，進口日本的噴藥施肥機為輔，國內(nèi)自主研發(fā)的相對較差[2]。

研究設計了一種擁有自主知識產(chǎn)權的智能花卉葉面噴藥施肥機，擬解決我國現(xiàn)代化、規(guī)?；ɑ芊N植模式下花卉葉面噴藥施肥機專業(yè)化程度低的問題。

1 智能化噴藥施肥機結構設計

1.1 噴藥施肥機總體結構

設計的噴藥施肥機主要由機架、折疊臂、伺服電機、升降機構、減速器、藥箱、噴嘴、轉向輪和驅動輪等構成，如圖1所示。

1 — 折疊臂1； 2 — 折疊臂2； 3 — 藥箱； 4 — 伺服電機；5 — 轉向輪； 6 — 升降機構； 7 — 驅動輪； 8 — 折疊臂4； 9 — 折疊臂3； 10 — 噴嘴； 11 — 減速裝置； 12 — 伺服電機

1.2 機架結構

為保證施肥機工作時結構可靠，機架采用框式結構。4套折疊臂采用鋁合金型材，由4臺伺服電機獨立控制，在折疊處采用鉸鏈結構，每個折疊臂上安裝由4個電磁閥獨立控制的4個噴嘴，可根據(jù)所需噴藥施肥面積，打開全部(或部分)折疊臂進行噴藥施肥作業(yè)。升降機構由蝸輪蝸桿減速器、鏈輪鏈條傳動裝置和電機構成，可根據(jù)噴灑要求調節(jié)升降機構高度。減速器由蝸輪蝸桿組成，減速比大、可靠性強。為減少工作震動，轉向輪和驅動輪材質為橡膠[3]。

1.3 關鍵工作部件設計

1.3.1 折疊臂設計

折疊臂采用鋁合金型材，每套折疊臂由1臺伺服電機及蝸輪蝸桿減速器等組成。每套折疊臂上安裝4個電磁閥獨立控制4個噴嘴，2套折疊臂在折疊處采用鉸鏈結構聯(lián)結[4]，伺服電機及減速器安裝在1套折疊臂上，蝸輪蝸桿減速器的輸出端與另一套折疊臂聯(lián)結。根據(jù)所需噴藥施肥面積，打開全部(部分)折疊臂進行噴藥施肥作業(yè)，大大提高了作業(yè)效率。

1.3.2 折疊臂升降機構設計

折疊臂升降機構是針對苗床高低錯落、空間位置分布不規(guī)律、現(xiàn)有噴藥施肥機不能實現(xiàn)充分噴灑而設計的。可根據(jù)苗床擺放位置及所需噴藥區(qū)域來調節(jié)其高度。折疊臂結構如圖2所示。折疊臂升降機構如圖3所示。

1 — 伺服電機； 2 — 蝸輪蝸桿減速器； 3 — 外臂連接板；4 — 驅動軸； 5 — 端蓋； 6 — 內(nèi)臂連接板

1 — 水箱； 2 — 導軌； 3 — 支架； 4 — 蝸輪蝸桿減速器；5 — 伺服電機； 6 — 鏈條； 7 — 小鏈輪； 8 — 大鏈輪；9 — 軸瓦； 10 — 配重

電機輸出端與蝸輪蝸桿減速器輸入端聯(lián)結[5]，蝸輪蝸桿減速器輸出端安裝的鏈輪與鏈條嚙合(鏈條一端與折疊臂橫梁鉸接，另一端與配重連接，配重在機架內(nèi)有導向軌道)，驅動鏈條上下運動，從而帶動折疊臂上下移動。

折疊臂升降的控制通過觸摸屏手動操作，PLC輸出開關信息控制接觸器，電機通過蝸輪蝸桿減速器驅動鏈條帶動折疊臂上下運動，到達合適位置后電機停止運行。利用蝸輪蝸桿減速器的自鎖功能鎖定位置[6]。

1.3.3 超聲霧化噴嘴設計

1 — 主體； 2 — O型圈1； 3 — 鎖緊螺母； 4 — 噴芯； 5 — 絲桿；6 — 噴嘴； 7 — O型圈2； 8 — 撞擊頭

超聲霧化噴嘴選用黃銅材料[7]，內(nèi)壁加工出螺旋線，便于藥液的噴出。每套折疊臂上安裝由4個電磁閥獨立控制的4個噴嘴，噴嘴與折疊臂采用球面副連接，可在X、Y、Z三個方向轉動，當噴嘴輸入帶有壓力的藥液時，噴嘴隨機轉動，達到較好的噴藥施肥效果。超聲霧化噴嘴噴出的藥粒粒徑在30～80 μm，噴藥時，從噴嘴到苗床之間可以形成一個超細高濃度霧化區(qū)?；ɑ芸梢?60°浸入到藥霧中，在花卉的任意一個方向或者任意一個地方都可以形成密集的藥膜，藥的使用量比常規(guī)可減少60%。噴嘴結構如圖4所示。

設計的施肥機的關鍵技術參數(shù)：外形尺寸展開時為2 000 mm×7 750 mm×2 050 mm；合攏時為2 000 mm×603 mm×2 050 mm；行走速度平均為5～10 m/min，最大速度為25 m/min；藥箱容積為20 L；噴藥面積為40～80 m2；續(xù)航時間為2 h (蓄電池供電)；工作溫度為(-10～+45)℃；工作濕度為30%～ 80%；結構重量為(150～200)kg；整機功率為500 W。

2 工作原理

智能噴藥施肥機由1臺具有自動行走功能的移動小車驅動(由1臺轉向伺服電機及1臺驅動伺服電機完成)，其運動速度根據(jù)花卉葉面噴藥施肥的劑量需要進行設定；智能噴藥施肥機設計了由4臺伺服電機各自獨立控制的折疊臂，在折疊處采用鉸鏈結構，每個折疊臂上安裝由4個電磁閥獨立控制的4個噴嘴，根據(jù)所需噴藥施肥面積，打開全部(或部分)折疊臂進行噴藥施肥作業(yè)；同時，針對苗床高低錯落，空間位置分布不規(guī)律的情況，智能噴藥施肥機設計了折疊臂升降控制機構，能夠很好地適應苗床位置及所需噴藥的最佳高度[8]。施肥機運動控制示意圖見圖5。機器行走由后端驅動輪、前端轉向輪以及機體兩側的開關① — ⑥來實現(xiàn)( ① — ④為盤簧型限位開關；⑤ ⑥為光電接近開關)。當(工作)按鈕被觸發(fā)后，PLC按設定頻率發(fā)送脈沖指令到驅動器，驅動器驅動伺服電機帶動驅動輪實現(xiàn)行走。當① — ④中任一個限位開關被觸發(fā)后，傳給PLC一個開關信息，PLC根據(jù)開關信息來判斷離哪一側苗床過近，給出指令使轉向伺服電機反向運動實現(xiàn)轉向，當開關信息消失(即已離開苗床)，PLC即發(fā)出反向脈沖信號讓轉向伺服電機反轉回正轉向輪，收到回正信號(回正接近開關)停止回車動作并使能鎖定轉向輪。⑤ ⑥光電開關都發(fā)出開關信號表示機體側已無苗床，則PLC停止輸出驅動脈沖。暫停后，PLC發(fā)出反向脈沖驅動伺服電機帶動驅動輪回退，回退時根據(jù)① — ④限位開關信號同方向轉動轉向機構(類似車輛駕駛及倒車)。同時，在回退開始時關閉已打開的電磁閥停止噴藥。

圖5 施肥機運動控制示意圖

3 結 語

智能花卉葉面噴藥施肥機是為解決我國花卉種植栽培企業(yè)面臨的人工噴藥施肥效率低、每次噴藥施肥面積少、耗時長以及苗床空間位置分布不規(guī)律等問題而專門設計的。該設備具有智能化、高效性、機動性、高適應性等優(yōu)點，以解決我國現(xiàn)代化花卉種植模式下規(guī)?；?、專業(yè)化花卉種植噴藥施肥的需要，對提高種植效率、降低生產(chǎn)成本、提高市場競爭力和占有率有一定的作用。