馬锃宏 孫澤強(qiáng) 杜小強(qiáng) 李月嬋 俞亞新 陳建能

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018)

0 引言

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物，我國(guó)的水稻種植面積超過3×107hm2，占全球種植面積的20%，總產(chǎn)量為2×109t[1-2]。近年來，我國(guó)水稻種植面積逐年減少，為保證糧食安全，必須推廣水稻自動(dòng)化種植技術(shù)，提高水稻單位面積的產(chǎn)量[3-6]。傳統(tǒng)毯狀苗機(jī)插是夾插，比較容易損傷根系[7]，而水稻缽苗移栽技術(shù)是整體移栽，不傷根系、不傷苗、無緩苗期、無需返青、秧苗成活率高，進(jìn)而延長(zhǎng)了水稻有效生長(zhǎng)時(shí)間，米質(zhì)好，增產(chǎn)明顯，經(jīng)試驗(yàn)糧食增產(chǎn)達(dá)15%左右[8-9]。此外，缽體育秧采用精量播種，種子節(jié)省效果十分明顯。根據(jù)不同種植區(qū)調(diào)查，最多可節(jié)約種子成本60%以上[10-12]。工廠化缽盤育秧過程中大量使用育秧缽盤(簡(jiǎn)稱缽盤)[13]。缽盤的分離擺放工作費(fèi)時(shí)，屬于簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)[14]，所以有必要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化工作。

育秧盤的分離機(jī)構(gòu)已經(jīng)有了較多研究，大多都只適用于硬質(zhì)盤。荷蘭威獅園藝公司生產(chǎn)的穴盤播種生產(chǎn)線[15]，包含育秧穴盤自動(dòng)擺放機(jī)，該播種線結(jié)構(gòu)精密，可適用不同大小的穴盤，人工需求量少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，整機(jī)效率高達(dá)1 000盤/h，但設(shè)備規(guī)模大、價(jià)格較高，主要用于蔬菜和花卉的自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)。韓國(guó)的TF-1100型育秧盤自動(dòng)擺放機(jī)[16]使用吸塑育秧穴盤，工作時(shí)穴盤逐個(gè)下落到傳送帶上，育秧盤的供應(yīng)速度可調(diào)。該擺盤機(jī)使用的是吸塑型的育苗穴盤，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，且只適用于蔬菜用大孔穴盤。臺(tái)灣地區(qū)亦祥企業(yè)有限公司生產(chǎn)的“三大牌”穴盤自動(dòng)排放機(jī)[17]利用氣缸提供動(dòng)力，采用接近開關(guān)、擱板、控制閥門和升降氣缸等裝置進(jìn)行秧盤自動(dòng)收集和疊盤。該機(jī)型擺盤機(jī)構(gòu)僅憑一個(gè)自由度的往復(fù)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)從底部逐個(gè)擺放育秧穴盤；該機(jī)型適用于外形尺寸相同但穴孔數(shù)不同的穴盤，可以根據(jù)穴盤外形尺寸調(diào)整機(jī)構(gòu)位置，但只能用于硬質(zhì)育秧盤的疊盤作業(yè)。陳林濤等[18-19]對(duì)水稻育秧生產(chǎn)線也有較多的研究，提出了一種軟穴盤和硬托盤的嵌套裝置，該裝置位于播種、覆土等操作之后，播種好的軟穴盤在鋼絲傳送帶的輸送下套入硬托盤中，其硬托盤結(jié)構(gòu)采用特殊設(shè)計(jì)，一側(cè)短邊開口，便于穴盤的套入。該裝置因?yàn)椴捎孟炔シN再嵌套的流程，故無法避免嵌套過程中種子撒漏以及土壤撒落問題，成功率降低，且對(duì)硬托盤要求高。YI-CHICH等[20]研制了一種田間自走式自動(dòng)托盤裝載/卸載機(jī)器。該機(jī)通過在田間鋪設(shè)龍門軌道架，可以實(shí)現(xiàn)裝卸機(jī)在田地長(zhǎng)寬兩個(gè)方向的行走。裝卸機(jī)以及龍門軌道架上設(shè)置有傳送帶，通過軌道上的傳送帶將田邊的秧盤送至裝卸機(jī)，裝卸機(jī)通過錯(cuò)位換向裝置將秧盤送至田地中，也可反向操作將田地中的秧盤收集起來。該裝置對(duì)秧盤的適應(yīng)性強(qiáng)，運(yùn)輸能力強(qiáng)，但也僅限于硬托盤，且其結(jié)構(gòu)龐大，依賴于龍門架的搭建，局限性較大。

現(xiàn)有的研究中，育苗盤的分離機(jī)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜或過于龐大等問題，且主要適用于蔬菜育苗盤，或者硬托盤及特制托盤，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)軟缽盤的分離。本文采用常用軟缽盤與硬托盤套用的組合形式來滿足現(xiàn)有缽苗工廠化育秧的要求，設(shè)計(jì)一種組合式水稻缽苗育秧盤自動(dòng)分裝設(shè)備，采用氣動(dòng)與機(jī)械結(jié)合的方式進(jìn)行軟缽盤、硬托盤的自動(dòng)分離與供給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)套盤作業(yè)，滿足與水稻精量播種線同步及智能化的配合。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

組合式水稻缽苗育秧盤自動(dòng)分裝設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由軟缽盤分離機(jī)構(gòu)、硬托盤分離機(jī)構(gòu)以及各自的輸送機(jī)構(gòu)組成的套盤機(jī)構(gòu)組成。軟缽盤分離機(jī)構(gòu)由指夾式真空吸盤[21]機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行部件，滾珠絲杠與氣缸的結(jié)合作為移動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)軟缽盤的分離與輸送。硬托盤分離機(jī)構(gòu)由升降滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)合連桿機(jī)構(gòu)組成，通過與輥軸式傳送帶[22-23]的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)硬托盤的逐個(gè)分離與輸送。軟缽盤輸送機(jī)構(gòu)與硬托盤輸送機(jī)構(gòu)呈垂直交叉布置，且軟缽盤在上、硬托盤在下形成上下錯(cuò)開布置，方便實(shí)現(xiàn)軟缽盤與硬托盤的上下套盤組裝。

圖1 組合式水稻缽苗育秧盤自動(dòng)分裝裝置三維模型Fig.1 3D model of assembly line for combined type rice potted-seedling tray1.硬托盤 2.硬托盤限位機(jī)構(gòu)1 3.軟缽盤輸送導(dǎo)軌 4.豎直滾珠絲杠 5.水平氣缸 6.硬托盤限位機(jī)構(gòu)2 7.指夾式真空吸盤 8.軟缽盤 9.機(jī)架 10.硬托盤分離機(jī)構(gòu) 11.輥?zhàn)觽魉蛶?/p>

1.2 工作原理

軟缽盤的分離采用自上而下逐個(gè)正面分離，首先滾珠絲杠向下運(yùn)動(dòng)，使得指夾式真空吸盤接觸軟缽盤，通過指夾式真空吸盤吸附并通過滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)提升進(jìn)行分離，后經(jīng)水平氣缸通過輸送導(dǎo)軌推動(dòng)至輥?zhàn)觽魉蛶戏?。硬托盤從底部逐個(gè)分離，通過氣缸驅(qū)動(dòng)硬托盤分離機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分離。硬托盤由輥?zhàn)觽魉蛶л斔偷轿缓?，由硬托盤限位機(jī)構(gòu)2將其限定在輥?zhàn)觽魉蛶现付ㄎ恢茫藭r(shí)軟缽盤已經(jīng)在硬托盤正上方，然后軟缽盤通過滾珠絲杠向下移動(dòng)，指夾式真空吸盤機(jī)構(gòu)打開，軟缽盤落入硬托盤中，完成套盤動(dòng)作。硬托盤限位機(jī)構(gòu)2打開，嵌套有軟缽盤的硬托盤由輥?zhàn)觽魉蛶л斔椭料乱还ば?，完成一次?dòng)作。該設(shè)備可置于水稻播種流水線前端，將軟缽盤和硬托盤分離嵌套完成后，再輸送至水稻播種流水線的播種、覆土等環(huán)節(jié)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 軟缽盤分離機(jī)構(gòu)

軟缽盤為406穴水稻育秧塑料缽盤，如圖2所示。由于軟缽盤質(zhì)量較輕，所以其質(zhì)量測(cè)量結(jié)果取平均值[24]，測(cè)得到的尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 軟缽盤外形Fig.2 Shape of soft potted-seedling tray

表1 406穴水稻育秧缽盤參數(shù)Tab.1 Parameters of 406-hole rice potted-seedling tray

由于軟缽盤柔軟易變形，采用純機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制分離難度大，且會(huì)造成破壞，因此本文采用真空吸盤機(jī)構(gòu)，并結(jié)合滾珠絲杠上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軟缽盤分離。指夾式真空吸盤機(jī)構(gòu)[25-26]如圖3所示，模擬人工分離時(shí)手指的開合動(dòng)作，并且將分離時(shí)的向內(nèi)夾緊力替換成真空吸盤的向外吸附力，以保證缽盤不會(huì)受到擠壓變形和損傷。其設(shè)計(jì)原理為：常用的真空吸盤是通過與真空吸盤金具配合使用，金具結(jié)構(gòu)多為直管，其上安裝有彈簧和螺紋連接部分。由于真空吸盤需吸附于穴孔的斜側(cè)壁，故將金具設(shè)計(jì)為帶有轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)，且考慮到單一吸盤安裝使用不穩(wěn)定，故采用對(duì)稱式雙吸盤，并通過鉸鏈連接，實(shí)現(xiàn)夾取的動(dòng)作。

圖3 指夾式真空吸盤Fig.3 Finger-clamp vacuum suction cup

采用3D打印方式加工真空吸盤金具，在正常狀態(tài)下，兩個(gè)吸盤之間距離最小值為7 mm,最大值為12 mm，金具之間的距離最小值為38 mm,最大值為43 mm，金具總高度為92 mm，金具外徑為7 mm，內(nèi)徑為2.5 mm，并進(jìn)行了實(shí)際安裝試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的可行性。

由于缽盤穴孔的形狀類似于四棱凸臺(tái)，其最大有效平面為側(cè)壁面，其最大平面面積計(jì)算式為

(1)

式中a1——側(cè)壁下底長(zhǎng)度

a2——側(cè)壁上底長(zhǎng)度

h——側(cè)壁高度

求得S=260 mm2。在進(jìn)行硅膠真空吸盤選型時(shí)應(yīng)注意吸盤面積小于此值，且直徑小于最小底邊長(zhǎng)度。當(dāng)使用n個(gè)同一直徑的吸盤吸吊物體時(shí)有[21]

(2)

式中D——吸盤直徑

W——吸吊物重力

t——安全率，水平吊t≥4，垂直吊t≤8

p——吸盤內(nèi)真空度

由于吸盤傾斜吸附，取t=7。真空度p應(yīng)在真空發(fā)生器(或真空泵)的最大真空度的63%～95%范圍內(nèi)選擇，由于實(shí)際使用中損耗較大，本文取p=0.04 MPa。根據(jù)測(cè)得的缽盤分離拉力[27]，取W=4 N。初步考慮6組吸盤均勻布置，即當(dāng)n=12時(shí)，將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得D≥7.75 mm，故選擇吸盤直徑為8 mm。

由于軟缽盤呈多穴孔結(jié)構(gòu)，所以在提升過程中需保證其平整度。通過ANSYS軟件仿真分析可以確定最優(yōu)的指夾式真空吸盤數(shù)量以及布置方式，可以使提升過程中水平面變形量達(dá)到分離要求。將上述計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入到有限元分析軟件中，參照文獻(xiàn)[27]，設(shè)泊松比為0.39，彈性模量為1.59 GPa，密度為1.38 g/cm3。設(shè)置網(wǎng)格劃分單元尺寸為0.5 mm，具有生成99 127個(gè)節(jié)點(diǎn)和49 306個(gè)單元的有限元計(jì)算模型，滿足分析需要。

仿真設(shè)置6組吸盤均勻布局，通過更換布局位置與間距等參數(shù)，可得均勻布置6組吸盤，水平面變形量在0.5 mm左右，且最大變形量在離布局點(diǎn)最遠(yuǎn)處。將布局進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，可成功進(jìn)行分離，但是效果差。所以增加兩組吸盤，在均勻布置8組吸盤的情況下，同樣進(jìn)行了不同布局下的多次仿真與試驗(yàn)，得到最佳布局如圖4所示。最大變形量為0.084 758 mm，如圖5所示，小于堆疊缽盤的最小間隙，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，滿足分離要求，如圖6所示。

圖4 ANSYS仿真分析中吸盤布局Fig.4 Layout of suction cups in ANSYS simulation analysis

圖5 ANSYS仿真分析中軟缽盤變形量Fig.5 Deformation results of soft potted-seedling tray in ANSYS simulation analysis

圖6 軟缽盤實(shí)際變形量Fig.6 Actual deformation results of soft potted-seedling tray

2.2 硬托盤分離機(jī)構(gòu)

使用的硬托盤[28]如圖7所示。硬托盤和軟缽盤組合配套使用，可以增加堆疊高度，增大空間利用率，是一種常見的水稻育秧生產(chǎn)方式。對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果取平均值，如表2所示。

圖7 硬托盤外形Fig.7 Shape of hard tray

表2 硬托盤參數(shù)Tab.2 Parameters of hard tray

現(xiàn)有的硬托盤分離機(jī)構(gòu)種類較多，硬托盤的分離機(jī)構(gòu)主要與傳送帶配合使用[29-30]。本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合升降平臺(tái)的連桿機(jī)構(gòu)，再結(jié)合輥?zhàn)觽魉蛶?shí)現(xiàn)硬托盤的自動(dòng)分離與輸送，不需要傳送帶的頻繁啟停，同時(shí)又能以簡(jiǎn)單高效的分離方式實(shí)現(xiàn)硬托盤的逐個(gè)供送。

硬托盤分離機(jī)構(gòu)原理如圖8所示。硬托盤分離前，升降平臺(tái)支撐桿從傳送帶輥?zhàn)娱g隔中伸出并高出輥?zhàn)右欢ň嚯x，從而支撐整疊硬托盤，當(dāng)分離氣缸收縮使得升降平臺(tái)下降，同時(shí)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)連桿2順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿2末端擺動(dòng)進(jìn)入倒數(shù)第1和第2兩個(gè)硬托盤重疊間隙中，從而托起倒數(shù)第2個(gè)及其上整疊硬托盤，而最底下硬托盤下降至傳送帶輥?zhàn)由希佔(zhàn)有D(zhuǎn)帶動(dòng)硬托盤輸送至下一工位。

圖8 硬托盤分離機(jī)構(gòu)原理圖Fig.8 Schematic of hard tray separation mechanism1.硬托盤 2.連桿2 3.輥?zhàn)觽魉蛶?4.連桿1 5.升降平臺(tái)

根據(jù)硬托盤尺寸及硬托盤分離機(jī)構(gòu)的實(shí)際工況分析，計(jì)算對(duì)應(yīng)零部件的尺寸，其余尺寸本著結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度足夠的原則，采用加工制造中的常用尺寸。在SolidWorks中建立三維模型，如圖9所示。

圖9 硬托盤分離機(jī)構(gòu)三維圖Fig.9 3D model of hard tray separation mechanism1.框架 2.升降導(dǎo)軌 3.升降平臺(tái) 4.硬托盤 5連桿2 6.硬托盤分離氣缸

如圖8所示，連桿2的末端部分繞著鉸鏈點(diǎn)以圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，硬托盤底部有12 mm×12 mm的槽口，當(dāng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生水平和豎直方向的移動(dòng)距離時(shí)，可將硬托盤抬起，由于機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，故只展示機(jī)構(gòu)一側(cè)的運(yùn)動(dòng)。將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到抬升過程的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖10所示。由圖10可知

圖10 抬升過程運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.10 Motion diagram of lifting process

(3)

(4)

lOB=lABtan(90°-α-β)+lAC+lCC1

(5)

(6)

lCC1=n1-m1tan(90°-α-β)-lAC

(7)

式中α——連桿AO(連桿2)末端轉(zhuǎn)動(dòng)的角度

β——連桿2末端與豎直方向的夾角

b——連桿2鉸鏈點(diǎn)到末端的長(zhǎng)度

x——硬托盤底部槽口寬度

m1——鉸鏈點(diǎn)到連桿末端的水平距離

n1——鉸鏈點(diǎn)到連桿末端的垂直距離

lOB——點(diǎn)O與點(diǎn)B之間的距離

lAB——點(diǎn)A與點(diǎn)B之間的距離

lAC——硬托盤底部槽口深度

lCC1——硬托盤上升高度

已知條件：lAC=12 mm；β=42°；m1=45 mm；n1=50 mm；b=67 mm。根據(jù)式(6)、(7)可以解得，α=16°，lCC1=10 mm。由此可知，連桿2末端的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°～16°，同時(shí)硬托盤被抬升的高度為0～10 mm。

根據(jù)求得的連桿末端抬升角度以及硬托盤抬升高度可以計(jì)算出升降平臺(tái)的升降距離，即可對(duì)升降平臺(tái)的氣缸行程進(jìn)行選型?？蓪⒄麄€(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只考慮一邊的情況，同時(shí)升降平臺(tái)可由滑塊代替，如圖11所示。

圖11 硬托盤分離機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.11 Motion diagram of hard tray separation mechanism

豎直方向的移動(dòng)距離關(guān)系為

lD1E1cosλ1+lOE1cosθ1=y+lDEcosλ+lOEcosθ

(8)

其中

θ=α+θ1

(9)

水平方向上的移動(dòng)距離關(guān)系為

lDEsinλ-lD1E1sinλ1=lE1F

(10)

lOEsinθ-lOE1sinθ1=lE1F

(11)

由式(8)～(11)可得

(12)

式中λ——初始位置DE桿與豎直方向的夾角

θ——初始位置OE桿與豎直方向的夾角

lOD——鉸鏈點(diǎn)O與D之間的水平距離

lOE——連桿OE的長(zhǎng)度

lDE——連桿DE的長(zhǎng)度

λ1——任意位置DE桿與豎直方向的夾角

θ1——任意位置OE桿與豎直方向的夾角

y——升降平臺(tái)的升降高度

有：lOD=21 mm；lOE=180 mm；lDE=190 mm；根據(jù)式(12)可以解得y=64 mm。由此可知，升降平臺(tái)升降高度0～64 mm。若選擇行程較小的氣缸，考慮到機(jī)構(gòu)誤差可能造成升降高度不足，出現(xiàn)卡盤的情況；若選擇行程較大的氣缸，可能造成升降高度太高，硬托盤下落時(shí)沖擊力太大，且會(huì)增加無用的時(shí)間，降低效率。故選擇行程中等的TN25-30型氣缸，行程30 mm，可滿足使用要求。

為了驗(yàn)證計(jì)算參數(shù)的正確性，將建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行仿真分析，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副和動(dòng)力源，并添加重力和摩擦，如圖12所示。將氣缸作為線型驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為10 mm/s，運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)置為15 s，共運(yùn)行2個(gè)周期，其中抬升指上升階段運(yùn)行時(shí)間為3 s，即氣缸行程為30 mm。抬升指末端運(yùn)動(dòng)軌跡如圖13所示。得到的抬升指末端豎直方向位移曲線如圖14所示，其豎直方向的移動(dòng)距離為5.2 mm，由式(7)可得，抬升指末端在豎直方向上的位移距離為0～10 mm，由于所選氣缸行程為總行程的一半，故該仿真值也為計(jì)算結(jié)果的一半，仿真結(jié)果表明式(7)計(jì)算結(jié)果的正確性，且在該參數(shù)設(shè)定下，機(jī)構(gòu)能很好地分離硬托盤。

圖12 硬托盤分離機(jī)構(gòu)的ADAMS模型Fig.12 ADAMS model of hard tray separation mechanism

圖13 抬升指末端軌跡示意圖Fig.13 Trajectory diagrams of end of lifting finger

圖14 硬托盤分離機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真分析結(jié)果Fig.14 ADAMS simulation analysis results of hard tray separation mechanism

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)缽盤分離與嵌套，采用直線模組結(jié)合氣動(dòng)元器件的工作方式。選用BE2017型PLC一體機(jī)為控制器，由24 V、5 A直流電源供電，PLC的I/O口通過控制電磁閥通斷來控制執(zhí)行部件的動(dòng)作。執(zhí)行部件包括：以滾珠絲杠作為直線模組的豎直方向上的軟缽盤分離提升機(jī)構(gòu)，采用86BYG250D-14型兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，TB6600型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器配合步進(jìn)電機(jī)，通過與傳感器等配合實(shí)現(xiàn)軟缽盤的分離與提升動(dòng)作。1對(duì)安裝在分離提升機(jī)架上的LXDJ 31NO光電對(duì)射型開關(guān)檢測(cè)缽盤分離裝置下降行程，安裝在豎直滾珠絲杠機(jī)架上的YBLX ME 8018型滾輪搖臂式限位開關(guān)控制上升行程。盒式真空發(fā)生器和真空吸盤機(jī)構(gòu)組成的吸附機(jī)構(gòu)，利用二位二通電磁閥控制真空的發(fā)生與關(guān)閉，400 mm行程氣缸配套緩沖減震器作為軟缽盤的水平輸送機(jī)構(gòu)，以及另外兩個(gè)30 mm行程氣缸分別作為硬托盤分離裝置的動(dòng)力源和限位機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。氣缸利用二位三通電磁閥來控制氣動(dòng)回路，氣源為空壓機(jī)。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖15所示，系統(tǒng)硬件接線原理圖如圖16所示。

圖15 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.15 Structure diagram of control system

圖16 控制系統(tǒng)接線原理圖Fig.16 Wiring schematic of control system

整機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件為氣缸和步進(jìn)電機(jī)，通過光電開關(guān)和行程開關(guān)發(fā)送信號(hào)給PLC，從而控制步進(jìn)電機(jī)和氣缸的動(dòng)作。啟動(dòng)后，軟缽盤分離機(jī)構(gòu)和硬托盤分離機(jī)構(gòu)分別開始運(yùn)行。傳送帶輥?zhàn)娱_始轉(zhuǎn)動(dòng)，電磁閥3和步進(jìn)電機(jī)同時(shí)動(dòng)作，電磁閥3打開，硬托盤分離氣缸縮回帶動(dòng)硬托盤分離機(jī)構(gòu)動(dòng)作將一個(gè)硬托盤放到輥?zhàn)觽魉蛶线M(jìn)行輸送，當(dāng)硬托盤完全脫離硬托盤分離機(jī)構(gòu)，光電開關(guān)2被遮擋，硬托盤分離氣缸伸出，機(jī)構(gòu)復(fù)位。當(dāng)硬托盤輸送到限位氣缸位置進(jìn)行限位時(shí)，限位氣缸此時(shí)不動(dòng)作。

電磁閥3打開的同時(shí)，絲杠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)軟缽盤真空吸盤機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光電開關(guān)1檢測(cè)到軟缽盤時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，電磁閥1打開，真空吸盤機(jī)構(gòu)產(chǎn)生真空將軟缽盤吸附住，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將被吸附的軟缽盤向上提升，上升過程中，軟缽盤分離提升機(jī)構(gòu)接觸到安裝在豎直滾珠絲桿上的行程開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。限位開關(guān)檢測(cè)提升行程上限點(diǎn)，同時(shí)也是軟缽盤輸送機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)信號(hào)開關(guān)。當(dāng)軟缽盤被吸附提升到最高點(diǎn)時(shí)，行程開關(guān)閉合，電磁閥2打開，軟缽盤輸送氣缸開始動(dòng)作，將整個(gè)軟缽盤分離機(jī)構(gòu)輸送至輥?zhàn)觽魉蛶嫌餐斜P的正上方。隨后，豎直滾珠絲杠將軟缽盤下降一定距離，電磁閥1關(guān)閉，真空失效，軟缽盤落入硬托盤中，完成一次嵌套。電磁閥4打開，限位氣缸縮回，其他機(jī)構(gòu)復(fù)位。嵌套完成的組合盤輸送至下一工位，整機(jī)完成一次動(dòng)作。其控制流程如圖17所示。

圖17 控制系統(tǒng)流程圖 Fig.17 Flow chart of control system

由于整機(jī)共有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部分，在工作時(shí)，兩部分既要分別連續(xù)運(yùn)作，也要通過輸送機(jī)構(gòu)來配合運(yùn)作，以保證整機(jī)工作的完整性，若整機(jī)時(shí)序控制不合理，會(huì)造成整機(jī)部分機(jī)構(gòu)等待時(shí)間較長(zhǎng)，影響整機(jī)工作效率。整機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件的時(shí)序如表3所示。

由表3可知，單個(gè)軟缽盤分離所需時(shí)間為7 s(前3步中步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)間取平均值)；單個(gè)硬托盤分離所需時(shí)間為4.5 s，。軟缽盤分離的工作時(shí)間大于硬托盤分離的時(shí)間，軟缽盤輸送氣缸2伸出需要的時(shí)間為1 s，當(dāng)軟缽盤輸送氣缸伸出后，軟缽盤分離機(jī)構(gòu)部分的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也為4.5 s，而行程開關(guān)1正好是氣缸2動(dòng)作的信號(hào)，所以可以用行程開關(guān)1作為兩部分動(dòng)作的共同信號(hào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)序上的匹配，使得整機(jī)效率達(dá)到最大。

表3 運(yùn)動(dòng)部件時(shí)序Tab.3 Time of moving parts

3 試驗(yàn)

根據(jù)整機(jī)三維模型搭建試驗(yàn)樣機(jī)，開展獨(dú)立試驗(yàn)和組合試驗(yàn)，分別研究軟缽盤和硬托盤的分離成功率和協(xié)同工作時(shí)套盤成功率，以及整機(jī)工作效率。樣機(jī)如圖18所示，整機(jī)機(jī)架主要由4040鋁型材構(gòu)成，通過機(jī)架連接聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。整機(jī)框架長(zhǎng)約1 000 mm，寬約1 000 mm，高約1 730 mm。輥?zhàn)觽魉蛶чL(zhǎng)約2 000 mm，與整機(jī)配合使用。氣壓系統(tǒng)回路安裝壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力，氣缸選配調(diào)速閥對(duì)氣缸速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖18 組合式水稻缽苗育秧盤分裝設(shè)備實(shí)物圖Fig.18 Prototype of assembly line for combined type rice potted-seedling tray

根據(jù)多數(shù)水稻秧盤育秧播種機(jī)生產(chǎn)實(shí)際要求400～600盤/h[28]，并參考同類機(jī)器性能指標(biāo)，設(shè)定生產(chǎn)率指標(biāo)為：①軟缽盤分離成功率大于等于90%。②軟缽盤分離效率大于等于500盤/h。③硬托盤分離成功率大于等于95%。④硬托盤分離效率大于等于1 000盤/h。⑤套盤成功率大于等于90%。⑥套盤效率大于等于500盤/h。

3.1 軟缽盤分離試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為406孔水稻育秧軟缽盤，取50個(gè)軟缽盤，循環(huán)使用，對(duì)整機(jī)的軟缽盤分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行4組分離試驗(yàn)，每組100次。

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：吸盤組數(shù)為8組，使用直徑8 mm的單層硅膠真空吸盤，每組吸盤之間的橫向間距160 mm，縱向間距180 mm，均勻布置。調(diào)節(jié)升降絲杠步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 r/s。采用220 V單相交流電對(duì)空氣壓縮機(jī)和套盤機(jī)分別供電，將主氣動(dòng)回路的調(diào)壓閥調(diào)節(jié)為0.45 MPa。

試驗(yàn)有成功分離一個(gè)缽盤、成功分離多個(gè)缽盤(多個(gè)缽盤粘連在一起同時(shí)分離)、真空吸盤未完全成功吸附缽盤而分離失敗、缽盤提升過程中掉落而分離失敗4種情況。從不影響后續(xù)的套盤作業(yè)的角度考慮，成功分離多個(gè)缽盤可以歸結(jié)為成功分離的情況，而未成功吸附和掉落情況都?xì)w為分離失敗。其中，未成功分離數(shù)量高于掉落數(shù)量，原因是，由于存在部分局部變形的缽盤，以及堆疊不均勻?qū)е路蛛x難度較大，而掉落是因?yàn)槲P吸附時(shí)未完全密封導(dǎo)致。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 軟缽盤分離試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results of soft potted-seedling tray separation

3.2 硬托盤分離試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為406孔水稻育秧缽盤配套使用的硬托盤，取25個(gè)硬托盤，循環(huán)使用，對(duì)硬托盤分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行不同氣缸運(yùn)行時(shí)間下的5組分離試驗(yàn)，每組100次(因硬托盤堆疊高度較高，所以每次堆疊20盤，分離過程中途進(jìn)行補(bǔ)充)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氣缸速度對(duì)硬托盤分離成功率有影響。氣缸速度過快，會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，使得硬托盤錯(cuò)位從而降低成功率；氣缸速度較慢對(duì)成功率影響較小但會(huì)影響整機(jī)效率。查閱氣缸參數(shù)得：氣缸速度為30～500 mm/s，工作壓力為0.1～1.0 MPa。氣缸動(dòng)作設(shè)置5種不同時(shí)間0.1、0.4、0.7、1.0、1.3 s，傳送帶速度設(shè)置為0.15 m/s。采用220 V單相交流電對(duì)傳送帶進(jìn)行供電，將主氣動(dòng)回路的調(diào)壓閥壓力調(diào)節(jié)為0.45 MPa。

試驗(yàn)結(jié)果有兩種情況：成功分離并由傳送帶進(jìn)行輸送，因卡盤而導(dǎo)致未成功分離。每種速度下進(jìn)行4次試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果所得到的最終平均分離成功率如表 5所示。由表5可知，氣缸速度在較快或者較慢時(shí)成功率會(huì)高于中間等級(jí)的速度。主要原因在于，氣缸速度較快時(shí)，連桿抬升動(dòng)作快，可以補(bǔ)償4個(gè)抬升指不在同一平面上的誤差，使得硬托盤分離一步到位；氣缸速度較慢時(shí)，即使4個(gè)抬升指在同一平面上存在誤差，硬托盤也有足夠的時(shí)間掉落，故兩者效率高于氣缸中間等級(jí)速度時(shí)的效率。為了提高效率，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，可將氣缸的動(dòng)作時(shí)間調(diào)整為0.1 s，即速度v為300 mm/s時(shí)以獲取最大效率1 000盤/h。

表5 硬托盤分離試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experimental results of hard tray separation

3.3 套盤試驗(yàn)

套盤試驗(yàn)是將軟缽盤和硬托盤的分離輸送運(yùn)動(dòng)組合到一起，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的水稻育秧盤分離與嵌套過程。試驗(yàn)材料為406孔水稻育秧軟缽盤及其配套使用的硬托盤，取50個(gè)軟缽盤和25個(gè)硬托盤，循環(huán)使用，對(duì)整機(jī)做4組分離套盤試驗(yàn)，每組100次。設(shè)置絲杠步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度為600 r/min，采用調(diào)速閥將軟缽盤輸送氣缸進(jìn)氣量調(diào)至最大，硬托盤分離氣缸動(dòng)作時(shí)間設(shè)置為0.1 s。試驗(yàn)結(jié)果如表 6所示。平均分離套盤效率為600盤/h，分離套盤成功率為93.25%。

表6 套盤試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Experimental results of embedding trays

3.4 討論

根據(jù)以上結(jié)果可知，平均硬托盤分離成功率高于軟缽盤分離成功率，分離套盤成功率略小于軟缽盤分離成功率。其原因是，硬托盤物料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易變形，穩(wěn)定性好，所以其分離成功率最高。但是由于硬托盤分離機(jī)構(gòu)的抬升部分對(duì)加工、安裝精度要求較高，若4個(gè)抬升指不在同一平面，容易產(chǎn)生某一角滑落導(dǎo)致卡盤。軟缽盤由于其本身柔軟的特性，實(shí)際使用時(shí)易造成其自身的變形和局部損壞，以及疊放不平整等原因，分離過程中會(huì)出現(xiàn)帶盤、卡盤等現(xiàn)象，導(dǎo)致分離失敗。兩分離機(jī)構(gòu)配合輸送機(jī)構(gòu)共同工作完成套盤操作時(shí)會(huì)導(dǎo)致整體成功率略微下降。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氣缸速度過高時(shí)會(huì)有較大沖擊，不利于整機(jī)的工作穩(wěn)定性，后續(xù)改進(jìn)中可以適當(dāng)控制氣缸速度。由于現(xiàn)有的滾珠絲杠模組安裝方式是安裝在軟缽盤輸送氣缸上方，導(dǎo)致其重心較高，且軟缽盤分離機(jī)構(gòu)的安裝固定點(diǎn)較小，導(dǎo)致其力臂較長(zhǎng)，試驗(yàn)過程中會(huì)有晃動(dòng)，后續(xù)可進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適用于普通吸塑軟缽盤的組合式水稻缽苗育秧盤自動(dòng)分裝設(shè)備，主要由軟缽盤分離機(jī)構(gòu)(包括指夾式真空吸盤機(jī)構(gòu)和絲杠升降機(jī)構(gòu))、硬托盤分離機(jī)構(gòu)以及連接兩部分機(jī)構(gòu)的輸送嵌套機(jī)構(gòu)組成。采用氣動(dòng)與機(jī)械相結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)組合式育秧盤的全自動(dòng)分離套盤。

(2)通過ANSYS軟件分析了軟缽盤在提升過程中的變形量，確定真空吸盤的數(shù)量為8組，并確定了合理的位置布局；對(duì)硬托盤分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算，確定了升降平臺(tái)升降高度為0～64 mm，從而選定氣缸行程為30 mm。并進(jìn)行了ADAMS仿真驗(yàn)證。

(3)設(shè)計(jì)了控制流程，確定了最佳的控制時(shí)序。搭建樣機(jī)分別對(duì)各部分進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明軟缽盤分離成功率為 94.25%；硬托盤分離成功率為97%，效率為1000盤/h；整機(jī)工作時(shí)套盤成功率為93.25%，整機(jī)工作效率為600盤/h。整機(jī)套盤由軟缽盤分離、硬托盤分離、輸送套盤3部分組成。整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求，滿足一般水稻工廠化育秧播種流水線的工作要求。