移栽機自動送盤機構性能的試驗研究

梁高震，黃 勇，胡 斌，馬 振，羅 昕，安 霆

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆地處我國西北地區，目前是全國最大的番茄生產基地，且大多數番茄苗種植采用的是育苗移栽技術。育苗移栽技術作為一種培植技術，有著直播不可比擬的優勢，可以提前作物的生育期，有效地避開作物受早春低溫、倒春寒等氣候的影響，提高幼苗的成活率，具有顯著的節本、增產、增收的效果。

新疆地區番茄穴盤苗移栽主要是以人工移栽為主，半自動移栽機作業為輔，其送盤、穴盤進給完全依靠人工作業完成，移栽效率低，勞動強度大，很難實現大面積、大規模移栽，直接制約了番茄育苗移栽技術的田間應用與推廣。因此，實現送盤動作和進給動作的自動化，是實現全自動化移栽機迫切需要解決的問題[1-4]。針對此現象，為了提高移栽機自動化程度，并保證工作時機構的穩定性，筆者設計了一種移栽機自動送盤機構。

1 移栽機整體布局及送盤機構的原理

1.1 整體布局

根據移栽機的工作原理和性能要求，其結構主要包括送盤機構、滑道、進給機構及栽植器等。本文設計的移栽機利用自動送盤機構將穴盤層上的穴盤直接分別輸送給3個進給裝置進行作業，可實現移栽3行缽苗。移栽機整體布局如圖1所示。

圖1 移栽機整體布局俯視圖

1.2 送盤機構的工作原理

自動送盤機構主要由機架、穴盤層裝置、鏈輪機構、止動搖桿機構、止動長形鐵片及傳送帶裝置組成[5]，如圖2所示。機架中部均勻布置若干個穴盤層，穴盤層上方放有穴盤，下方與支撐長桿機構連接，支撐長桿機構和傳動鏈連接，通過傳動鏈帶動穴盤層運動，傳動鏈上的鏈輪通過機架上的軸承座固定。傳送帶裝置放置于穴盤層前方，傳送帶傾斜并與穴盤層的傾斜角度相通。當伺服電機驅動傳動鏈轉動時，穴盤層向下移動到工作位置，止動搖桿機構工作，使穴盤自動下滑到傳送帶上，通過穴盤的自重和傳送帶的共同作用使穴盤到取苗輸送裝置入口處，實現穴盤自動化送入取苗輸送裝置。

2 送盤機構的性能試驗設計

2.1 試驗材料及設備

1)試驗材料：新疆石河子大棚內培育的西紅柿穴盤缽苗，番茄穴盤苗品種為“新紅18號”，穴盤苗生長周期為45～48天，缽苗穴盤的規格是8×16穴孔。

2)試驗設備：步進電機2個，傳感器2個，課題組研制的移栽機自動送盤、進給系統試驗臺一臺，自動送盤、進給控制系統一套。其中，步進電機的型號為86BYG350CH -SAKSML-0301，PLC的型號為三菱FX2N-16MR，激光位移傳感器使用的是日本KEYENCE生產的LB1200型激光位移傳感器。

1.機架 2.支撐架 3.傳送帶 4.擋板 5.傳送帶 6.軸承座 7.重力傳感器 8.滑道 9.感應區域 10.限位橫梁 11.電磁鐵 12.止動長形鐵片 13.穴盤 14.穴盤層 15.傳動鏈 16.鏈輪 17.軸承座 18.支撐長桿機構 19.焊接片 20.位置傳感器 21.鏈節 22.連接片 23.角接片 24.止動片 25.搖桿 26.基座 27.銷 28.隔板

2.2 試驗指標

穴盤層輸送的準確率直接影響著后續穴盤是否能夠自動滑落，本試驗的考核指標是該機構送穴盤層的準確性，即穴盤層定位的準確率。由于穴盤層是自上向下輸送穴盤層，所以只分析其在垂直方向產生的誤差。影響穴盤層位置準確度的因素主要有鏈輪機構的輸送速度、穴盤層下降時鏈條的晃動、穴盤層位置傳感器定位精度及穴盤層間歇下降固定步長(500mm)的累積誤差等。

由于在自動送盤機構的設計中穴盤層下降的速度較低，對穴盤層的輸送定位影響不大，故該因素不作為穴盤層位置精度的影響因素。當穴盤層沿著垂直方向向下輸送時，穴盤層下降時鏈條的晃動、穴盤層位置傳感器定位精度及穴盤層間歇下降固定步長(500mm)的誤差影響著穴盤層輸送工作位置的準確性。本方案采用激光位移傳感器測量當穴盤層達到工作位置時穴盤層出口處邊緣水平高度與滑道上邊緣水平高度的差值，然后分析輸送穴盤層到工作位置的準確率，驗證機構的合理性。誤差測量公式為

式中Ap——穴盤層位置準確率；

H——穴盤層下降位移測量值；

H0——穴盤層下降位移理論值。

2.3 試驗方案及結果

為了測量自動送盤機構穴盤層的位移，在每個穴盤層出口邊緣中間位置設置1個感應片，其被感應部分與水平面平行，在滑道上邊緣并處于感應片的正下方設置1個激光位移傳感器，用于檢測每個穴盤層間歇式下降時位移測量值H。

測量穴盤層輸送準確率的試驗方案如下：安裝好穴盤層位移感應片和激光位移傳感器后，啟動自動送盤機構步進電機；當第1個穴盤層遇到穴盤層位置傳感器(滾輪式行程開關)產生脈沖時，穴盤層被定在工作位置，此時用過激光位移傳感器測得的H值最大，理論上穴盤層向下輸送的距離為H0(500mm),記錄第1個穴盤層的下降位移測量值；緊接著自動送盤機構電機啟動，穴盤層向下輸送，當穴盤層位置傳感器第2次產生脈沖時，第2個穴盤層被定位，記錄第2個穴盤層的下降位移測量值；第3個穴盤層用同樣的方式測得下降位移測量值，將測得的實際數據與理論值進行比較，按照誤差測量公式計算出穴盤層輸送到工作位置的準確率。

自動送盤機構中有3個穴盤層，每完成1組數據測量即得到3個測量值。為了提高試驗數據的可靠性，本次試驗做20組數據測量，即共需要測量60個穴盤層位移數據。

為了敘述方案，引入以下幾個符號，定義如下：H0為穴盤層下降位移理論值(mm)；H為穴盤層下降位移測量值(mm)；H1、H2、H3分別代表第1、第2、第3個穴盤層的位移測量值。

ΔH為偏差值(mm)，ΔH=H-H0。根據本試驗的方案，ΔH即是穴盤層位移的偏差值。其中，ΔH1、ΔH2、ΔH3分別代表第1、第2、第3個穴盤層的位移偏差值。

Ap為穴盤層位置準確率(%)，其中Ap1、Ap2、Ap3分別代表第1、第2、第3個穴盤層的位置準確率。

穴盤層位置準確率測試的數據如表1所示。

表1 穴盤層位置準確率試驗統計數據

2.4 試驗結果與分析

由表1統計出每個穴盤層的偏差ΔH1、ΔH2、ΔH3的最大值分別為2.21、2.06、1.94mm。每個穴盤層位置準確率分別為Ap1=99.79%、Ap2=99.78%、Ap3=99.78%。相對于整個自動送盤機構，其準確率為Ap=99.78%。每個穴盤層的位移偏差分布如圖3～圖5所示。在本次試驗中，每個穴盤層統計了40個位移偏差數據，橫坐標代表每個穴盤位移偏差的數據個數，縱坐標代表其對應的位移偏差值。

圖3 穴盤層位移偏差ΔH1分布圖

圖4 穴盤層位移偏差ΔH2分布圖

圖5 穴盤層位移偏差ΔH3分布圖

從以上3個分布圖中的數據可以看出：自動送盤機構中穴盤層位移偏差的最大值為2.21mm。最大偏差值相對較大的原因是：穴盤層下降時，鏈條帶動穴盤層輕微擺動；不過其產生的誤差仍在可控范圍內，可以將穴盤層工作位置向上微調3mm，即可保證穴盤層上的穴盤在滑落時不發生干涉。由此驗證了本設計方案的合理性。

3 結論

1)設計了一種自動送盤機構，介紹了該種移栽機的整體布局及送盤機構的結構原理，通過穴盤層裝置、鏈輪機構、止動搖桿機構、止動長形鐵片及傳送帶裝置的共同作用實現自動有序送盤功能。

2)設計了送盤機構的試驗方案，針對自動送盤機構的穴盤層位置準確率進行了試驗，通過試驗獲取了試驗數據并對試驗結果進行統計分析。結果表明：自動送盤機構的穴盤層位置準確率達到99.7%以上，驗證了自動送盤機構設計的合理性。

3)通過自動送盤機構的性能試驗，找出了影響試驗性能的不利因素，為提高移栽機自動化性能提供了理論依據。