智能移動式噴藥機的設計

高榮揚，陳 凱

(杭州電子科技大學機械工程學院，浙江杭州 310018)

植保機械對現代農業的發展有著重要的影響[1]。優秀的植保機械使得現在的農業生產更加高效、安全，是推動我國農業現代化的重要因素。我國植保機械發展較為緩慢，目前我國植保機械主要有小型的背負式的噴霧器、迷霧機和自走式的噴藥機，這種機械的主要特點就是噴藥效率慢，作業強度大，而且對人體危害比較嚴重，所以目前我國在中小型噴藥機領域還存在嚴重的不足。到目前為止，先進的植保機械仍舊主要存在于歐美等發達國家，他們的很多設備都使用了目前較為前端的技術，噴藥效率高，自動化程度較高，而且對人體危害性較小[2]。

基于此，筆者研究設計了智能移動式噴藥機。該噴藥機的設計主要針對于中小型大棚內農作物的噴藥，與傳統的背負式的噴霧器和迷霧機相比，該機械不僅提高了噴藥效率，而且自動化程度較高，噴藥過程中對人體危害較小，在一定程度上改善了目前國內中小型噴藥機上的缺陷。

1 傳動系統的結構設計

1.1整體結構設計該傳動系統所要實現的功能：①適用于中遠距離的大棚作物噴藥。②能夠根據不同作物要求調節噴頭到作物的噴藥距離。③能夠根據不同的噴藥行程調節噴頭行走距離。根據這些要求利用solidworks三維繪圖軟件在建模環境下設計了傳動系統的整體結構，如圖1所示。

在設計過程中，底座的各個桿件之間以及桿件與板材之間均采用焊接的連接方式，這樣確保了機械工作過程中的強度要求[3]。利用電動推桿來調節噴架的高度，從而實現不同高度農作物的噴藥需求。

該機械動力方面采用了直流電機來提供牽引力，用蓄電池進行供電，這樣避免了噴藥車行走過程中布線雜亂的問題。噴藥機的后輪底座采用了萬向輪結構，可以方便在噴藥結束后移到下一個位置，前輪使用大的行走輪，保證了噴藥過程中行走的通過性。

1.2鋼絲繩張緊力計算要實現噴架在鋼絲繩上的水平直線往復運動，首先要限制鋼絲繩的懸垂度[4]。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定，將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線，將噴架視為載荷，當噴架處于運行軌道中間位置時，鋼絲繩的懸垂度最大[5]，且噴架運動時是處于兩鋼絲繩中間位置，所以噴架分布在每根鋼絲繩上的重力是一樣的，每根鋼絲繩所受張緊力相等[6]。現只分析單根承重鋼絲繩的張緊力，將該傳動系統簡化如圖2所示。

圖2中，A端視為鋼絲繩的固定端，B端視為鋼絲繩所受拉力端，A、B兩端的距離LAB為鋼絲繩跨距，P點為噴頭載荷所在位置，載荷重力為Fp，于是可得：

載荷P處的鋼絲繩撓度

AP段重心坐標

PB段重心坐標

圖1 傳動系統的整體結構Fig.1 Overall structure of transmission system

圖2 單根鋼絲繩受力模型Fig.2 Stress model of single wire rope

現要求該噴架在傳動過程中下垂度fP≤0.4 m，取噴架行程x0≤30 m，忽略藥管的重量，噴架自重Gp≤50 N，代入公式得張緊力HP≤810 N。

根據鋼絲繩的最大張緊力[7]，計算鋼絲繩的直徑d：

其中當安全系數n=3時，鋼絲繩的選擇系數C=0.07，S為鋼絲繩所受張緊力[8]，由計算結果得知，預選2 mm鋼絲繩符合張緊力的要求。

1.3傳輸系統的工作流程該系統采用的是3根鋼絲繩傳動的機構形式，將承重功能和牽引功能分開。使用2根直徑為2 mm的鋼絲繩作為承重鋼絲繩，再使用1根1 mm的鋼絲繩作為噴架的牽引鋼絲繩，來實現噴架的往復噴藥動作。

2根承重鋼絲繩的一端分別固定在子車的鋼絲繩固定處，兩車上分別裝有85 kg的配重，2根鋼絲繩的另一端分別連接在主車上的2個鋼絲繩繞線器上。當母車啟動后，主車上的2個張緊電機轉動后，承重鋼絲繩收到810 N的張力而張緊，此時噴架在兩車上的牽引電機的作用下實現往復噴藥工作。

工作時，按下主車上的啟動按鈕，張緊電機1和張緊電機2正向轉動拉緊2根導軌鋼絲，當主車支撐架上的2個張力開關達到設定值后，分別停止張緊電機1和張緊電機2的轉動，此時借助與張緊電機1和張緊電機2連接的繞線器的自鎖功能，2根導軌鋼絲處于拉緊狀態。當2個張緊電機都停止轉動后，電磁離合器1接通，牽引電機3開始正向轉動，經過牽引鋼絲繩帶動噴架做一次行程的噴藥。當噴架移動至行程末，靠近接近開關1時，電磁離合器1斷開，牽引電機3停止轉動，然后按下松開按鈕，使張緊電機1與張緊電機2接通并反轉一段時間后停止，使2根導軌鋼絲松開，以方便兩小車移動到下個位置做另一次噴藥。

在2個小車移動到下個位置時，按下主車上的啟動按鈕，張緊電機1與張緊電機2正向轉動拉緊兩根導軌鋼絲。然后按下子車的開始按鈕，接通電磁離合器2和電磁離合器3，同時牽引電機4與滾筒電機5正轉，此時噴頭在牽引電機4的拉力下進行第2次的噴藥，藥管由滾筒電機5進行回收，當噴架移動至行程末靠近接近開關2時，電磁離合器2斷開，牽引電機4停止轉動，然后按下主車松開按鈕，使張緊電機1與張緊電機2接通并反轉一段時間后停止，使2根導軌鋼絲松開。

2 可編程邏輯控制器(PLC)控制系統的設計

2.1控制系統硬件配置該控制系統選擇PLC作為控制中心。因為PLC的環境適應性較強，功能容易擴展，而且后期故障處理較為簡單[9]。在該傳送系統中只有數字量的輸入與輸出。根據控制流程，在母車的PLC控制系統有2個輸入按鈕，1個接近開關，1個張力開關，一共4個輸入信號，輸出信號有7個，都是用于電磁閥控制的。在子車的PLC控制系統有2個輸入按鈕，1個接近開關，1個張力開關，一共4個輸入信號，輸出信號有3個，都是用于電磁閥控制的。

綜上參數考慮，選擇S7-200 cpu224XP/CN繼電器輸出型PLC，其外型如圖3所示。

圖3 S7-200PLC cpu224XP/CN

2.2PLC的I/O分配根據該噴藥機要實現的功能，總結該控制系統的各個信號，將控制信號的功能進行分類，然后按照信號執行的先后順序，繪制出PLC的I/O分配表。PLC的外部I/O信號與PLC的I/O接點地址編號見表1和表2。

表1 母車控制系統I/O分配

表2 子車控制系統I/O分配

根據控制系統的I/O分配表，可以繪制出I/O接線圖，主車的I/O接線如圖4所示，子車的I/O接線如圖5所示。

圖4 主車I/O接線圖Fig.4 Wiring diagram of main vehicle I/O

圖5 子車I/O接線圖Fig.5 Wiring diagram of sub car I/O

在PLC的I/O接線圖繪制完成后，就可以進行PLC軟件程序的設計[10]，由于該噴藥機的控制信號都為開關量，而且運動邏輯較為簡單，所以可選擇使用梯形圖進行程序的編寫。

在該系統的PLC程序設計中，使用了西門子s7-200的編程軟件STEP7 MicroWIN V4.0進行梯形圖程序的編寫。由于梯形圖跟電器控制系統的電路圖很相似，直觀易懂，特別適用于開關量邏輯控制，所以PLC編程中梯形圖也是使用較多的語言[11]。

3 結語

該機械的設計有效地提高了中小型大棚內作物打藥效率，而且減少了人工打藥時大面積的藥物接觸對人體造成的傷。

下一步要針對噴藥過程中機械運行的平穩性以及噴藥效率做進一步的優化，改善兩車的升降機構和支撐機構，以適應更遠的噴藥距離。