氣吸式育苗穴盤自動擺放機的設(shè)計與試驗

劉海彬，谷新運，徐 燦，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

工廠化穴盤育苗是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，生產(chǎn)中大量使用的育苗穴盤，通常簡稱穴盤[1-3]，我國多采用聚苯乙烯吸塑穴盤[2]?，F(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)勞動力不足的問題日益突出，迫切需要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的機械化和自動化，提高勞動生產(chǎn)率[4]。

穴盤自動播種機、自動播種生產(chǎn)線需要擺放育苗穴盤，草莓育苗過程中幼苗從小盤移栽到大盤的環(huán)節(jié)也有擺放育苗穴盤的需求[5-6]。育苗穴盤的擺放工作枯燥費時，勞動強度大，有必要實現(xiàn)機械化和自動化。現(xiàn)階段僅少數(shù)機型能實現(xiàn)吸塑育苗穴盤的自動擺放[7]。

氣力吸取技術(shù)在氣吸式播種機中廣泛使用，通常采用真空發(fā)生器和真空泵等真空元件[8-9]。此外，其他農(nóng)業(yè)裝備中也經(jīng)常應(yīng)用氣力吸取方法，除用于播種外，還可用于嫁接裝備[10]、番茄采摘末端執(zhí)行器[11]，以及植物組培苗的拾取[12-13]等。真空吸盤在其他行業(yè)中也有廣泛使用[14]。

現(xiàn)階段，低成本的吸塑育苗穴盤在我國仍廣泛使用，能實現(xiàn)其自動擺放的機型互有優(yōu)劣卻沒有在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。因此，有必要開展相關(guān)研究，探索新的育苗穴盤自動擺放方式，研制適用的育苗穴盤自動擺放機。本研究針對國內(nèi)工廠化穴盤育苗中常用的50穴育吸塑苗穴盤，使用穴孔邊界區(qū)域無圓孔的穴盤。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣吸式育苗穴盤自動擺放機包括擺放裝置、機架(含盤箱)、供盤輸送帶和控制系統(tǒng)4部分，如圖1所示。

1.輸送帶 2.擺放裝置 3.控制箱 4.育苗穴盤 5.盤箱 6.機架

其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，擺放裝置由真空取盤裝置和運動裝置組成；運動裝置以一對步進電機為執(zhí)行元件，水平方向采用繩輪機構(gòu)，豎直方向采用尼龍繩索和卷揚筒。

1.真空取盤裝置 2.導向桿 3.尼龍繩索 4.運動裝置 5.水平繩索 6.步進電機一 7. 步進電機二 8.卷揚筒 9.控制箱 10.從動繩輪 11.氣動管 12.育苗穴盤

1.2 工作原理

擺放機工作原理：首先將待擺放的育苗穴盤置于盤箱中，接通電源后擺放機自動復位，輸送帶轉(zhuǎn)動；按啟動鍵后擺放機開始工作，運動裝置先帶動真空取盤裝置運動至盤箱上方，再豎直下降至真空吸盤吸附到最上層的育苗穴盤上，吸附位置為育苗穴盤穴孔的邊界區(qū)域。真空取盤裝置吸取最上層的穴盤一起上升至復位高度，再沿軸支軌運動至輸送帶上方，將穴盤擺放到輸送帶上，由輸送帶輸送給播種機；之后進入下一個工作循環(huán)，如此循環(huán)往復直至完成盤箱中全部穴盤的擺放工作。當盤箱中的穴盤不足10張時，控制系統(tǒng)會發(fā)出提示信號，提醒使用者補充穴盤或及時關(guān)機。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 真空取盤裝置設(shè)計

真空取盤裝置主要由氣壓回路和吸盤架組成，如圖3所示。氣壓回路由DC24V ZQ370-02PM真空泵、真空破壞閥、空氣濾清器、真空壓力表、真空吸盤、氣動管，以及氣壓快速接頭組成。吸盤架上有導向桿連接件，與一對導向桿連接為一個整體，卷揚筒上的尼龍繩索也固定在連接件上。吸盤架上共有8個真空吸盤安裝孔。相鄰的兩個真空吸盤安裝孔縱向中心距為51.5 mm；橫向中心距為103 mm。試驗中可將真空吸盤安裝在不同的安裝孔，調(diào)整吸附位置。真空吸盤通過吸盤座同真空吸盤安裝板及氣動管連接，吸盤座分為彈簧緩沖型和無緩沖型兩種類型。

1.三通快速接頭 2.導向桿連接件 3.氣動管 4.吸盤架 5.真空吸盤安裝孔 6.直角快速接頭 7.真空吸盤

2.2 運動裝置設(shè)計

運動裝置實現(xiàn)真空取盤裝置在水平方向和豎直方向兩個自由度的運動，均以步進電機為執(zhí)行元件。水平方向的運動由主動繩輪、從動繩輪、尼龍繩索、軸支軌及開口型直線滾動軸承實現(xiàn)。豎直方向的運動由卷揚筒、尼龍繩索、導向桿及法蘭型直線滾動軸承實現(xiàn)。

繩輪機構(gòu)如圖4所示，運動部件結(jié)構(gòu)如圖5所示。一對開口型直線滾動軸承由安裝板連接為一個整體，與一對平行安裝的軸支軌配合使用，公稱直徑為12 mm。主動繩輪隨步進電機一轉(zhuǎn)動；從動繩輪由尼龍繩索帶動，改變繩索上拉力的作用方向；尼龍繩索兩端均固定在安裝板上；開口型直線滾動軸承和安裝板等零部件組成的水平運動部件在尼龍繩索的牽引下可以隨步進電機一的正反轉(zhuǎn)沿軸支軌往復運動。

1.從動繩輪 2.尼龍繩索 3.軸支軌 4.直線滾動軸承 5.安裝板 6.從動繩輪

安裝板上裝有一對公稱直徑16mm的法蘭型直線滾動軸承，與一對外徑16mm、內(nèi)徑14mm的06Cr19Ni10不銹鋼導向桿配合使用。步進電機二安裝在安裝板上，其軸上裝有卷揚筒，卷揚筒使用尼龍繩索工作。導向桿下端與真空取盤裝置連接為一個整體，沿法蘭型直線滾動軸承在豎直方向往復運動，上升時由卷揚筒上的尼龍繩索牽引。

1.開口型直線滾動軸承 2.卷揚筒 3.導向桿 4.步進電機二 5.水平繩索 6.主動繩輪 7.步進電機一 8.軸支軌 9.法蘭型直線滾動軸承 10.從動繩輪 11.安裝板

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

擺放機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。選用STC89C52RC單片機為控制芯片，單片機I/O口通過繼電器控制真空泵的啟動和停止。真空破壞閥為兩位兩通電磁開關(guān)閥，使用24V直流電源，同樣由單片機I/O口通過繼電器控制。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

擺放機以選用HSTM42-1.8-S-33-6-0.95兩相42步進電機為運動部件的執(zhí)行元件，選用ZD-6209-V2C驅(qū)動器與之配套使用。水平方向的運動由步進電機一帶動繩輪正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)，豎直方向的運動由步進電機二帶動卷揚筒正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)。豎直方向運動的行程隨著盤箱中剩余的育苗穴盤數(shù)量的減少而增加，使用一對CHE18-30NA-B710光電開關(guān)檢測真空取盤裝置的行程：一個安裝在吸盤架上，用于控制下降行程；另一個安裝在水平運動部件上，用于控制上升行程。水平方向運動行程固定，由一對安裝在軸支軌兩端的行程開關(guān)檢測運動部件的位置。

擺放機使用RAD50CM對射式光電開關(guān)檢測輸送帶上有無穴盤，當穴盤被輸送帶輸送給播種機時擺放下一張穴盤。擺放機控制系統(tǒng)使用CHE18-30NA-B710光電開關(guān)實時監(jiān)測盤箱中是否有足夠數(shù)量的育苗穴盤。當盤箱中剩余的育苗穴盤數(shù)量不足10張時，引起傳感器輸出信號變化，控制系統(tǒng)會發(fā)出提示信號，提醒使用者及時補充育苗穴盤或及時關(guān)機?？刂葡到y(tǒng)軟件使用C語言編寫。電源開關(guān)接通電源后運動部件自動復位；按下啟動開關(guān)后擺放機開始工作。

3 正交試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

為了確定擺放機工作參數(shù)，確定真空泵供電電壓、吸盤間距及是否使用吸盤座緩沖彈簧，開展正交試驗。

3.2 試驗材料與方法

試制氣吸式育苗穴盤自動擺放機樣機一臺，如圖7所示。

1.從動繩輪 2.導向桿 3.步進電機二 4.軸支軌 5.步進電機一 6.輸送帶 7.控制箱 8.真空泵 9.真空取盤裝置 10.育苗穴盤

50穴育苗穴盤25張(清洗后的舊盤，循環(huán)使用)、安泰信APS3005Dm可調(diào)直流穩(wěn)壓電源1臺。為便于試驗中調(diào)節(jié)電壓，使用安泰信APS3005Dm可調(diào)直流穩(wěn)壓電源為真空泵供電，樣機控制系統(tǒng)其他部分不變。

按照表1所示的試驗因素水平開展三因素二水平正交試驗，試驗共4組。試驗中，若運動部件完成一個工作循環(huán)后，育苗穴盤被輸送帶輸送至下一工序則視為擺放成功；以25個工作循環(huán)為1次試驗，每組試驗重復4次，統(tǒng)計各次試驗中的擺放成功率。

3.3 試驗結(jié)果與討論

正交試驗所得結(jié)果如表2所示，方差分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：該試驗條件下吸盤間距、吸盤座緩沖彈簧、真空泵供電電壓3個因素對擺放成功率的影響均不顯著。

表1 試驗因素水平表

表2 正交試驗結(jié)果

表3 正交試驗方差分析

F0.95(1,3)=10.13，F(xiàn)>10.13為顯著。

1)使用4個真空吸盤時，不論吸盤間距大小，育苗穴盤受力均衡，不會因側(cè)偏或晃動導致擺放失敗。因此,吸盤間距對擺放成功率的影響不顯著。從簡化機械結(jié)構(gòu)、減小吸盤架尺寸的角度考慮，應(yīng)當選用較小間距(51.5mm)。

2)因三層風琴型真空吸盤能起到緩沖作用，所以吸盤座緩沖彈簧對擺放成功率的影響不顯著。為減少質(zhì)量，應(yīng)當選用無緩沖彈簧吸盤座。

3)真空泵供電電壓(15.0±0.05)V時，4個真空吸盤提供的吸力仍大于育苗穴盤的重力，故在此試驗水平下真空泵供電電壓對擺放成功率的影響不顯著。鑒于真空泵額定電壓為24 V，供電電壓(15±0.05)V時泵的轉(zhuǎn)速明顯下降，故選擇供電電壓為(18.0±0.05)V。

4 驗證試驗

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

為驗證正交試驗結(jié)果和樣機的工作能力，開展驗證試驗。

4.2 試驗材料與方法

氣吸式育苗穴盤自動擺放機樣機1臺(見圖7)、50穴育苗穴盤25張(清洗后的舊盤，循環(huán)使用)。

試驗采用如下參數(shù)：吸盤個數(shù)為4個，使用直徑9mm三層風琴型真空吸盤,橫向間距103mm，縱向間距51.5mm，吸盤座無緩沖彈簧，真空泵供電電壓為(18.0±0.05)V。

試驗中, 若運動部件完成一個工作循環(huán)后，育苗穴盤被輸送帶輸送至下一工序則視為擺放成功。每組100個工作循環(huán)，重復5組。試驗中使用25張50穴育苗穴盤，每組為盤箱補充穴盤4次。統(tǒng)計各組試驗中擺放機工作的成功率。

4.3 試驗結(jié)果與討論

試驗結(jié)果如表4所示。5組試驗共補充穴盤20次，共擺放500次，僅第4組和第5組中各因尼龍繩索從卷揚筒脫出失敗一次，平均成功率99.6%。

表4 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明：樣機使用4個直徑9mm的三層風琴型真空吸盤，在ZQ370-02PM真空泵供電電壓(18.0±0.05)V的條件下，可實現(xiàn)50穴育苗穴盤的自動擺放。

試驗中擺放失敗兩次，均因為尼龍繩索從卷揚筒脫出。其原因是檢測下降行程的光電接近開關(guān)受環(huán)境光照影響，探測距離變化。因此，應(yīng)當改進對下降行程的控制方法，防止尼龍繩索脫出。

5 結(jié)論

設(shè)計了氣吸式育苗穴盤自動擺放機并試制了樣機，可實現(xiàn)50穴育苗穴盤的自動擺放。給定的試驗條件下，吸盤間距、吸盤座緩沖彈簧、真空泵供電電壓3個因素對擺放成功率的影響均不顯著。 在真空泵供電電壓(18.0±0.05)V的條件下，使用4個9mm三層風琴型真空吸盤，擺放500次，擺放成功率為99.6%。