自動(dòng)移栽機(jī)整排取苗間隔投苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

胡建平 常 航 楊麗紅 韓綠化 毛罕平 張思偉

(1.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鎮(zhèn)江 212013; 2.江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

蔬菜穴盤(pán)缽苗移栽技術(shù)因具有諸多優(yōu)勢(shì)而受到廣泛推廣，但我國(guó)現(xiàn)階段主要以半自動(dòng)化移栽機(jī)械為主，需人工完成取苗、投苗過(guò)程，不僅耗費(fèi)勞動(dòng)力，而且人工作業(yè)存在速度有限、易疲勞的缺點(diǎn)，制約了移栽效率的提高[1]。因此實(shí)現(xiàn)取、投自動(dòng)化是推動(dòng)半自動(dòng)移栽機(jī)械向全自動(dòng)化方向發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。目前我國(guó)現(xiàn)有的全自動(dòng)移栽機(jī)采用的取投方式主要為頂桿頂出式[2]、插入夾取式[3～5]和頂出夾取式[6～9]。

韓長(zhǎng)杰等[8]設(shè)計(jì)的穴盤(pán)苗移栽機(jī)自動(dòng)取喂系統(tǒng)中采用翻轉(zhuǎn)擺位式取苗機(jī)械手實(shí)現(xiàn)缽苗的取投，依靠翻轉(zhuǎn)氣缸和擺位氣缸控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)取苗位和投苗位的姿態(tài)變換，扎放苗氣缸控制柔性取苗針的伸縮完成苗的整排夾取、整排投放動(dòng)作，由間歇運(yùn)動(dòng)式苗杯接苗，該控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是氣缸控制取苗位與投苗位姿態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程缺少控制，取苗精準(zhǔn)度難以保證。吳儉敏等[9]設(shè)計(jì)的蔬菜移栽穴盤(pán)苗自動(dòng)輸送裝置，運(yùn)用曲柄連桿式頂苗機(jī)構(gòu)將苗缽頂出后，夾苗裝置翻轉(zhuǎn)夾苗，該裝置由凸輪與齒輪齒條合成機(jī)構(gòu)控制夾苗爪的往復(fù)翻轉(zhuǎn)，開(kāi)合凸輪控制夾苗爪的開(kāi)合，而上述取投控制采用純機(jī)械控制，因此機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，動(dòng)力需依靠單獨(dú)傳動(dòng)系統(tǒng)輸送，對(duì)控制精度的影響還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。魏新華等[10]研制的穴盤(pán)苗全自動(dòng)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)模組控制取苗機(jī)械手在取、放苗位置之間做縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)完成取放苗動(dòng)作，缽苗直接由苗爪投入導(dǎo)苗筒后落入栽植器，每個(gè)苗爪可單獨(dú)完成取、放苗動(dòng)作，無(wú)需分苗環(huán)節(jié)，但單個(gè)取苗機(jī)械手無(wú)法達(dá)到快速取苗要求。嚴(yán)宵月等[11]設(shè)計(jì)的整排取苗間隔投苗裝置，運(yùn)用6個(gè)凸輪控制6個(gè)取苗爪落苗時(shí)序，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)械控制調(diào)整不方便，對(duì)不同穴孔數(shù)的穴盤(pán)苗需要不同結(jié)構(gòu)的凸輪控制，并且凸輪輪廓磨損后影響取苗、投苗精度。

綜上所述，移箱、取苗、投苗和分苗是自動(dòng)移載機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，本文在嚴(yán)宵月等[11]設(shè)計(jì)的純機(jī)械式控制整排取苗、間隔投苗基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種門(mén)型整排取投苗裝置，并結(jié)合機(jī)、電、氣控制技術(shù)設(shè)計(jì)一種整排取苗間隔投苗控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)與移箱機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)分苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗、投苗和分苗運(yùn)動(dòng)。

1 取苗投苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制原理

1.1 取苗投苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

取苗投苗系統(tǒng)包括門(mén)型取苗機(jī)構(gòu)、取苗末端執(zhí)行器、移箱機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)分苗機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 取苗投苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of picking and casting system1.移箱機(jī)構(gòu) 2.滑槽側(cè)板 3.翻轉(zhuǎn)門(mén)架 4.取苗爪 5.取苗爪安裝板 6.分苗杯架 7.鏈傳動(dòng)裝置 8.分苗杯 9.安裝機(jī)架 10.分苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鏈

圖2 取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Trajectory diagram of picking mechanism

門(mén)型取苗機(jī)構(gòu)主要由滑槽側(cè)板、翻轉(zhuǎn)門(mén)架(含翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu))，取苗爪安裝板、翻轉(zhuǎn)氣缸以及取苗爪組成，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。取苗機(jī)構(gòu)[12-13]中的翻轉(zhuǎn)過(guò)程依靠雙作用氣缸AB來(lái)驅(qū)動(dòng)，氣缸AB一端A與滑槽側(cè)板固定架轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，另一端B與翻轉(zhuǎn)門(mén)架桿OB轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，氣缸AB伸縮帶動(dòng)門(mén)架桿OB擺動(dòng)，同時(shí)連桿CE一端軸承E在滑槽內(nèi)滑動(dòng)，兩者復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成取苗軌跡，最終取苗機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連桿CE上的取苗爪FG沿取苗軌跡做取苗、移苗運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，拾取取苗爪爪針末端點(diǎn)得到其運(yùn)動(dòng)軌跡線(xiàn)即為取苗機(jī)構(gòu)取苗軌跡，運(yùn)動(dòng)軌跡末端有一段直線(xiàn)GG′即為取苗爪垂直穴盤(pán)插入缽體取苗的位移。

為了控制取苗爪的開(kāi)合和推苗動(dòng)作，氣缸AB上安裝3個(gè)取苗狀態(tài)行程開(kāi)關(guān)I1、I2、I3，其中行程開(kāi)關(guān)I1、I3分別安裝在氣缸伸縮兩端極限位置，行程開(kāi)關(guān)I2位置根據(jù)取苗爪垂直插入穴盤(pán)的行程來(lái)確定，由圖2分析可知，當(dāng)取苗爪插入穴盤(pán)取苗行程為GG′時(shí)，對(duì)應(yīng)氣缸伸出量為AB′長(zhǎng)度減去AB的長(zhǎng)度，由此可確定磁性開(kāi)關(guān)I2的安裝位置。

分苗機(jī)構(gòu)主要由分苗杯架、鏈傳動(dòng)裝置、分苗杯組成，分苗杯固定于帶耳鏈條上，完成接苗、帶苗、落苗功能[14]；工作時(shí)底盤(pán)動(dòng)力經(jīng)由分動(dòng)箱輸送給分苗機(jī)構(gòu)與栽植機(jī)構(gòu)，兩者傳動(dòng)比為

(1)

式中n1——分苗杯轉(zhuǎn)速n2——栽植器轉(zhuǎn)速

a——單行栽植鴨嘴個(gè)數(shù)

z——分苗杯傳動(dòng)鏈輪齒數(shù)

b——苗杯對(duì)應(yīng)供給的栽植行數(shù)

分苗杯隨底盤(pán)前進(jìn)做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，門(mén)型取苗機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)門(mén)架以?xún)蓚?cè)壁底端連接點(diǎn)為圓心做圓弧擺動(dòng)，與此同時(shí)取苗爪安裝板由于其一側(cè)連接的銷(xiāo)軸上的軸承沿滑槽滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使取苗爪能沿垂直插入傾斜60°的穴盤(pán)取苗[15]。

1.2 取苗投苗控制原理

根據(jù)取苗投苗機(jī)械系統(tǒng)工作原理，基于PLC控制器設(shè)計(jì)取苗投苗控制系統(tǒng)[13，15-18]，取苗、投苗動(dòng)作采用氣動(dòng)控制方式，取苗、投苗、分苗協(xié)調(diào)控制通過(guò)苗盤(pán)到位傳感器、取苗狀態(tài)行程開(kāi)關(guān)I1、I2、I3、分苗杯到位傳感器、增量式編碼器、電磁閥等控制元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖3為控制系統(tǒng)電路圖。

圖3 取苗投苗控制系統(tǒng)電路Fig.3 Control system electrical schematic diagram of picking and casting system

自動(dòng)移栽機(jī)工作時(shí)，通過(guò)檢測(cè)翻轉(zhuǎn)氣缸的行程位置來(lái)獲取取苗機(jī)構(gòu)所處狀態(tài)：翻轉(zhuǎn)取苗、夾苗、帶苗返回。每個(gè)取苗爪開(kāi)合驅(qū)動(dòng)氣缸均由單獨(dú)電磁閥控制[13]，既可整投整取，也可針對(duì)于非間歇運(yùn)動(dòng)的分苗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有序間隔投苗，并依據(jù)分苗杯速度自動(dòng)調(diào)整投苗時(shí)間點(diǎn)。每個(gè)苗爪投苗位置點(diǎn)由分苗杯傳感器與增量式編碼器控制，分苗杯傳感器采用漫反射式光電傳感器，安裝在機(jī)架上，當(dāng)分苗杯運(yùn)動(dòng)到傳感器位置時(shí)，接收到反射光信號(hào)而產(chǎn)生高電壓，從而實(shí)現(xiàn)分苗杯定位以及對(duì)走過(guò)苗杯進(jìn)行計(jì)數(shù)的功能；增量式編碼器安裝在分苗杯傳動(dòng)鏈輪軸上，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分苗鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)速率，獲取分苗杯運(yùn)動(dòng)參數(shù)(包括速度、位移)。分苗杯傳感器檢測(cè)苗杯到特定位置后，編碼器產(chǎn)生信號(hào)開(kāi)始清零計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值相當(dāng)于分苗杯位移，當(dāng)分苗杯移動(dòng)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，取苗爪上的直線(xiàn)氣缸伸出推動(dòng)取苗爪投苗。

2 整排邊插邊夾取苗控制

圖4 取苗控制流程圖Fig.4 Flow chart of picking control system

整排取苗控制流程圖如圖4所示，當(dāng)苗盤(pán)到位后，翻轉(zhuǎn)氣缸伸出推動(dòng)取苗爪翻轉(zhuǎn)取苗，此過(guò)程中，當(dāng)取苗爪翻轉(zhuǎn)至爪針剛接觸缽苗時(shí)磁性開(kāi)關(guān)I2產(chǎn)生信號(hào)，執(zhí)行夾苗指令，開(kāi)合驅(qū)動(dòng)氣缸收縮，并在苗爪繼續(xù)插入缽體過(guò)程中苗爪收縮完畢，夾取完成后磁性開(kāi)關(guān)I3產(chǎn)生信號(hào)，翻轉(zhuǎn)氣缸縮回，苗爪沿原軌跡將缽苗拔出帶至豎直位置，磁性開(kāi)關(guān)I1產(chǎn)生信號(hào)后執(zhí)行投苗指令[16]。

3 整排有序投苗控制

3.1 投苗位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)編碼計(jì)數(shù)值計(jì)算

嚴(yán)宵月等[11]設(shè)計(jì)的間隔投苗方法是通過(guò)計(jì)算取苗爪逐個(gè)推后時(shí)間tn，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)安裝凸輪控制投苗時(shí)間點(diǎn)。該投苗控制方式的缺點(diǎn)是由凸輪控制的取苗爪逐個(gè)推后投苗時(shí)間一致、不變，所要求的分苗杯旋轉(zhuǎn)速度也必須保持恒定，這對(duì)實(shí)際作業(yè)的移栽機(jī)來(lái)說(shuō)很難保證。本文設(shè)計(jì)的有序投苗控制系統(tǒng)，以投苗位置量為恒定值，投苗推遲時(shí)間點(diǎn)隨速度變化而變化[16]。

如圖5所示，當(dāng)光電傳感器I4檢測(cè)到分苗杯杯棱，此時(shí)第1個(gè)投苗杯的投苗點(diǎn)與第1個(gè)取苗爪之間距離為a1，第2個(gè)投苗杯的投苗點(diǎn)與第2個(gè)取苗爪之間距離為a2；且a2+d1=a1+d2。由上可知a1、a2關(guān)系式a2=a1+Δd(Δd=d2-d1)，同理可得a3=a1+2Δd、a4=a1+3Δd…an=a1+(n-1)Δd。因此，在分苗杯向右移動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)?shù)?個(gè)苗杯走過(guò)距離a1時(shí)，第1個(gè)苗爪投苗，第2個(gè)苗杯走過(guò)距離a2時(shí)，第2個(gè)苗爪投苗，以此類(lèi)推至最后一個(gè)苗爪投苗。

分苗杯走過(guò)距離運(yùn)用編碼器檢測(cè)，編碼器與分苗杯通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，分苗杯移動(dòng)一定距離編碼轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的角度，產(chǎn)生的信號(hào)由高速計(jì)數(shù)器C620采用雙向計(jì)數(shù)法記入[19]，流程如圖6所示。

圖6 投苗控制流程圖Fig.6 Flow chart of casting control system

本文中編碼器通過(guò)同步帶與栽植機(jī)構(gòu)減速器連接，兩者傳動(dòng)比為i1，栽植機(jī)構(gòu)與分苗杯減速器傳動(dòng)比為i0，則

(2)

式中n3——編碼器轉(zhuǎn)速

設(shè)分苗杯每運(yùn)動(dòng)1 mm高數(shù)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)量為C，簡(jiǎn)稱(chēng)為毫米脈沖量；又設(shè)分苗杯鏈輪轉(zhuǎn)i1i0圈，對(duì)應(yīng)編碼器轉(zhuǎn)1圈，由此推出毫米脈沖量C的計(jì)算公式為

(3)

式中p——鏈條節(jié)距

N——編碼器轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生脈沖數(shù)

將毫米脈沖量C乘以取苗爪對(duì)應(yīng)投苗距離就得到取苗爪投苗脈沖數(shù)

fn=C[a1+d3+(n-1)Δd]

(4)

3.2 不同栽植頻率下投苗點(diǎn)的設(shè)定

為保證苗缽在下落到分苗杯內(nèi)時(shí)，不碰到杯壁，選取缽苗一半高度落入杯中，其中心線(xiàn)與杯中心線(xiàn)重合時(shí)為最佳投苗狀態(tài)。又缽苗下落過(guò)程中，分苗杯仍繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，因此為保證苗缽處于最佳投苗狀態(tài)，同一取苗爪在不同栽植頻率下，其第1個(gè)投苗位置距離a1值需不同，a1值與推苗時(shí)間t1、缽苗脫離下落時(shí)間t2有關(guān)[16]。

若將缽苗下落時(shí)間t2內(nèi)的自由落體運(yùn)動(dòng)與分苗杯勻速橫向移動(dòng)復(fù)合為苗缽的拋物線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，則取苗爪末端與分苗杯杯口的高度為

(5)

式中v0——?dú)飧淄泼缢俣?/p>

分苗杯在時(shí)間t1+t2內(nèi)的橫向移動(dòng)距離

x=vm(t1+t2)

(6)

式中vm——分苗杯橫向移動(dòng)速度

設(shè)高度H為50 mm、氣缸推苗速度v0為0.54 m/s，移栽機(jī)栽植頻率為40～70 株/min，根據(jù)栽植頻率與苗杯配合關(guān)系，計(jì)算得到不同栽植頻率下對(duì)應(yīng)分苗杯橫向速度vm以及第1個(gè)接苗分苗杯橫向移動(dòng)距離x，如表1所示。

由表1可知，栽植頻率從40株/min增加到70株/min時(shí)，對(duì)應(yīng)橫向移動(dòng)距離差為12.45 mm，栽植頻率每增加5株，對(duì)應(yīng)偏移Δx約為2 mm。

以栽植頻率60株/min為基準(zhǔn)，計(jì)算出最佳投苗狀態(tài)下的投苗位置點(diǎn)距離a1為55 mm，栽植頻率為50株/min時(shí)，最佳投苗狀態(tài)下的投苗位置點(diǎn)距離a1為53 mm，依次類(lèi)推。將a1代入式(4)，分別計(jì)算出72孔穴盤(pán)與128孔穴盤(pán)、不同栽植頻率下首個(gè)取苗爪對(duì)應(yīng)最佳投苗位置的脈沖計(jì)數(shù)f1，如表2所示。在對(duì)應(yīng)栽植頻率下，當(dāng)編碼器計(jì)數(shù)達(dá)到其投苗脈沖值時(shí)，取苗爪投苗。

表2 不同栽植頻率下初始投苗脈沖計(jì)數(shù)f1Tab.2 Inceptive impulse of casting in different planting frequencies

4 取苗投苗試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2017年4月15日，在江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)地進(jìn)行取投苗控制系統(tǒng)性能試驗(yàn)，如圖7所示。試驗(yàn)苗為津研七號(hào)黃瓜苗，如圖8所示，育苗盤(pán)選用72孔和128孔兩種標(biāo)準(zhǔn)穴盤(pán)，育苗苗齡20 d，平均苗高為92.4 mm。

圖7 取苗投苗性能試驗(yàn)Fig.7 Performance experiment photo of picking and casting

圖8 試驗(yàn)用穴盤(pán)苗Fig.8 Tray and seedlings for experiment

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)與結(jié)果分析

4.2.1試驗(yàn)指標(biāo)

依據(jù)取苗工作循環(huán)動(dòng)作流程，將取苗失敗率S1、投苗失敗率S2、取投苗綜合成功率S作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)[20]。計(jì)算公式為

(7)

(8)

S=(1-S1-S2)×100%

(9)

式中N0——取苗總數(shù)

N1——取苗末端執(zhí)行器未夾出缽苗的數(shù)目

N2——被取苗末端執(zhí)行器夾出的缽苗未能成功投苗的個(gè)數(shù)

4.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)結(jié)果(表3)可知，在栽植頻率40～70株/min范圍內(nèi)，72、128孔穴盤(pán)苗的取苗投苗綜合成功率均高于95%，總平均值為97.98%。當(dāng)栽植頻率在40株/min時(shí)，兩種穴盤(pán)苗的取投苗綜合成功率為99.31%和99.22%，當(dāng)栽植頻率提升至70 r/min時(shí)，取投苗綜合成功率為95.15%和96.88%，總體上，隨著栽植頻率的提高，取苗失敗率、投苗失敗率均有所提高，而取苗投苗綜合成功率有所下降，造成這一現(xiàn)象的主要原因是：隨著栽植頻率的提升，完成單次取苗工作的時(shí)間越來(lái)越短，取苗時(shí)間不變的情況下，相應(yīng)投苗時(shí)間改變，苗爪未到投苗位置就投苗，導(dǎo)致投苗失敗；同時(shí)由于取苗頻率加快，相應(yīng)的取苗停頓間隔縮短，夾苗穩(wěn)定性降低。

表3 不同栽植速度下取苗投苗成功率

5 結(jié)論

(1)結(jié)合設(shè)計(jì)的自動(dòng)移栽機(jī)械，闡述了取苗、投苗以及分苗機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，基于PLC設(shè)計(jì)了整排取苗間隔投苗運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整排苗缽邊插邊夾，完成低速高效取苗；各取苗爪的開(kāi)合相互獨(dú)立，針對(duì)連續(xù)運(yùn)動(dòng)的分苗部件實(shí)現(xiàn)有序間隔投苗，且適應(yīng)不同穴盤(pán)及栽植頻率。

(2)采用20 d苗齡的黃瓜穴盤(pán)苗為試驗(yàn)對(duì)象，在不同栽植頻率下進(jìn)行取苗、投苗性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：在栽植頻率40～70株/min范圍內(nèi)，72、128孔穴盤(pán)苗的取苗投苗綜合成功率平均值為97.98%。72孔穴在栽植頻率40株/min下，取投苗綜合成功率達(dá)99.31%，即使將栽植頻率提高到70株/min，取投苗綜合成功率也能達(dá)到95.15%，證明該控制系統(tǒng)可行，達(dá)到了高效自動(dòng)移栽目的。

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