送盤機(jī)構(gòu)位移誤差檢測及控制系統(tǒng)研究

任 玲，曹衛(wèi)彬，馬 銳，王 寧

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

我國旱地作物的移栽，從穴盤育苗到種苗移栽入土，中間的工作環(huán)節(jié)大多數(shù)依靠人工來完成，勞動強(qiáng)度大，效率低[1]。現(xiàn)有的穴盤苗移栽機(jī)主要以半自動為主，需要人工取苗喂苗，限制了作業(yè)效率的進(jìn)一步提高[2]。國內(nèi)科研人員對取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，取苗機(jī)構(gòu)通過將穴盤內(nèi)的幼苗頂出或者夾持的方式進(jìn)行移栽作業(yè)[3]。針對夾持方式，移栽時取苗手將穴盤內(nèi)缽苗通過夾持的方式取出，并投放到移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)中，完成取苗動作[4]。在這一過程中，取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡和每次的取苗點(diǎn)都是固定的，取苗周期基本相同。針對這個特點(diǎn)，可以通過控制苗盤輸送裝置的間歇運(yùn)動來配合取苗機(jī)構(gòu)的動作，從而完成自動取苗送苗動作。

荷蘭飛梭公司開發(fā)了多功能的自動蔬菜移栽機(jī)，所搭載的移栽控制系統(tǒng)可同時完成多個苗盤的傳輸和栽植，并且可以通過CCD傳感器進(jìn)行空苗檢測和病苗識別[5]。邵琰等人設(shè)計了基于單片機(jī)的幼苗移栽控制系統(tǒng)，從農(nóng)藝要求和實(shí)際情況出發(fā)，在地輪上安裝編碼器計量脈沖數(shù)；移栽機(jī)工作時，根據(jù)移栽的實(shí)時情況，設(shè)定每一個苗移栽位置的距離，在移動完相應(yīng)的距離時，產(chǎn)生觸發(fā)動作的脈沖，完成育苗移栽過程中的取苗、停苗和放苗[6]。胡敏娟設(shè)計了基于LabVIEW的移栽機(jī)輸送控制系統(tǒng)，采用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡的方式，利用傳感器將各種數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)供苗裝置和取苗裝置的聯(lián)合控制[7]。吳儉敏等針對全自動移栽機(jī)的缽苗盤自動送盤和精確定位問題，研制了一種移栽機(jī)缽苗盤驅(qū)動裝置和定位控制系統(tǒng)；利用壓縮空氣作為動力，采用氣液阻尼缸驅(qū)動苗盤的移動，由接近開關(guān)對苗盤定位，PLC為控制核心，觸摸屏作為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了自動取苗[2]。以上通過不同控制方式對苗盤自動輸送進(jìn)行了研究，但在控制精度和通用性方面還存在一定的局限。本文針對取苗手由拖拉機(jī)后輸出軸驅(qū)動、取苗位置固定及取苗頻率可控的取苗方式，設(shè)計了苗盤輸送控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了誤差的檢測和修正。

1 位移誤差檢測及修正

在苗盤輸送過程中，由于移栽機(jī)機(jī)身的振動，各部件之間的摩擦及步進(jìn)電機(jī)控制苗盤輸送時易產(chǎn)生位移誤差。當(dāng)苗盤橫向間歇運(yùn)動時，由于在1個周期內(nèi)要間歇移動7次，若初始位置有偏差，或者位移有偏差，會產(chǎn)生累積誤差，導(dǎo)致送盤位置偏移，可能造成漏苗甚至苗盤損壞，導(dǎo)致下一個周期的取苗過程無法正常進(jìn)行。因此，設(shè)計一種苗盤位移誤差檢測及控制系統(tǒng)，通過檢測苗盤在每個周期的位移偏差，并在1個周期內(nèi)進(jìn)行修正，可以提高苗盤自動移栽機(jī)的移栽質(zhì)量。

選擇基于PLC的編碼器作為位移誤差檢測方法來解決苗盤移栽過程中的位移誤差問題。利用編碼器檢測苗盤的直線位移變化，將位移誤差量轉(zhuǎn)換成電信號；傳感器將電信號通過電路反饋給PLC，PLC啟動誤差修正程序，控制苗盤移動到正確的位置，消除累積誤差。

苗盤位移誤差檢測方案原理：利用伺服系統(tǒng)來對苗盤進(jìn)行驅(qū)動，伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器及編碼器組成。在苗盤正向位移結(jié)束后、反向位移開始前及反向位移結(jié)束后、下一循環(huán)正向位移開始前由伺服系統(tǒng)自帶的編碼器對苗盤位移進(jìn)行誤差檢測。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 苗盤輸送裝置整體架構(gòu)的分析

自動移栽機(jī)苗盤輸送系統(tǒng)主要由5部分組成，分別為穴苗苗盤及盤架、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、動力傳動裝置及移栽機(jī)機(jī)架。

橫向傳動裝置的分析：該裝置步進(jìn)電機(jī)通過直徑24mm、長38mm的剛性聯(lián)軸器與規(guī)格為直徑15mm、長1 000mm、導(dǎo)程10mm的滾珠絲桿連接，由螺母連接滑塊和絲桿并將滑塊嵌入導(dǎo)軌，如圖1所示。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動1周帶動絲桿轉(zhuǎn)動1周，進(jìn)而使滑塊在導(dǎo)軌上做水平方向步長為10mm的直線運(yùn)動。

1.絲桿 2.滑塊 3.步進(jìn)電機(jī)

縱向傳動裝置的分析：穴盤苗的縱向進(jìn)給是靠鏈?zhǔn)絺鲃酉到y(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2所示。該鏈?zhǔn)捷斔脱b置由主動鏈輪、兩個從動鏈輪及鏈條組成，主動鏈輪與驅(qū)動軸相連，驅(qū)動軸通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連，由控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動來給整個輸送裝置提供動力。夾持式取苗手作為取苗機(jī)構(gòu)，移栽時取苗手將穴盤內(nèi)的缽苗通過夾持的方式取出，并投放到移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)中，完成取苗動作[4]。在這一過程中，取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡和每次的取苗點(diǎn)都是固定的，取苗周期基本相同；而送苗裝置要配合取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，則送苗裝置的送苗點(diǎn)固定，且每棵苗的輸送間隔時間要小于取苗周期。

1.步進(jìn)電機(jī) 2.苗盤支架導(dǎo)軌 3.步進(jìn)電機(jī)支架 4.電感式接近開關(guān) 5.主動輪 6.苗盤支架 7.從動輪 8.護(hù)苗板 9.鏈條

2.2 傳動系統(tǒng)的控制要求

根據(jù)夾持式取苗機(jī)構(gòu)的特性，當(dāng)取苗機(jī)構(gòu)位置固定,送苗機(jī)構(gòu)完成橫向和縱向兩個方向的苗盤輸送，準(zhǔn)確地移動穴盤至取苗手取苗位置。

選擇苗盤規(guī)格為 8×16 格，苗盤縱列兩端帶有卡槽，外形尺寸為 280mm×540mm，每個苗盤穴口的大小為 32mm×32mm，相鄰穴孔中心距為32mm。

苗盤輸送裝置橫向傳動控制：移栽機(jī)輸送機(jī)構(gòu)工作時，該部分進(jìn)行橫向間歇式的往復(fù)運(yùn)動。以苗盤左下方的第1個穴孔作為初始位置，從初始位置開始，待取苗手取走第1株幼苗后，控制苗盤向左移動32mm，將第2株幼苗移動到取苗位置，進(jìn)行取苗動作。如此向左移動共計7次，即完成苗盤第1行橫向共8株幼苗的夾取；繼而控制苗盤縱向向下移動32mm,即將下一行右側(cè)第1個穴孔移至取苗位置，待取走右側(cè)第1株幼苗后，控制苗盤進(jìn)行橫向右移32mm，進(jìn)行取苗。如此往復(fù)，直到幼苗取完為止。

苗盤輸送裝置縱向傳動控制：每當(dāng)橫向傳動系統(tǒng)完成1行共8株幼苗的夾取后，由電感式接近開關(guān)判定苗盤橫向到達(dá)邊緣，縱向傳動裝置需要及時縱向進(jìn)給32mm，然后苗盤橫向輸送機(jī)構(gòu)反向進(jìn)行間歇式給苗動作；待取苗手再次完成該橫行最后一棵幼苗的抓取后，苗盤縱向傳動裝置繼續(xù)縱向進(jìn)給32mm，共重復(fù)進(jìn)給15次。苗盤的移動軌跡如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個苗盤輸送控制系統(tǒng)由限位開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、觸摸屏和控制器作為該控制系統(tǒng)的硬件，以此完成送苗裝置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。選擇三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC，當(dāng)苗盤要進(jìn)行橫向和縱向移動時，由苗盤輸送控制器三菱FX2N系列PLC向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送一定數(shù)量的電脈沖，驅(qū)動器根據(jù)脈沖數(shù)量驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動機(jī)械部分轉(zhuǎn)動，最終使得固定在滑塊上的苗盤完成移動。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 苗盤的運(yùn)動軌跡Fig.3 Trajectories of seedling dish

圖4 苗盤輸送控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure diagram of seedling tray conveying control system

3.2 步進(jìn)電機(jī)的選型

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，具有步距角恒定、誤差不累計等優(yōu)點(diǎn)[5]。橫移選擇兩相4根引出線的57BYGH78-401A型步進(jìn)電機(jī)，額定電流為3A，步距角1.8°，輸出力矩1.8N·m，機(jī)身長度78mm，出軸長度21mm，出軸軸徑8mm，出軸方式為單出軸，出線方式為二相四根引出線。縱移選擇86HBP150AL4-TK0B 型步進(jìn)電機(jī)。該步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為12 N·m，輸入電壓 24～80 V，電流為4 A，相電阻為0.84 Ω，步距角1.8°，配套的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器型號為 2HD8080。

選擇直流步進(jìn)電機(jī)作為整個送苗機(jī)構(gòu)動力，主要靠改變頻率來控制電機(jī)速度，通過對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿}沖設(shè)定，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，達(dá)到間歇送苗的目的。

由公式(1)進(jìn)行軸向負(fù)載的計算，即

F=FA+mg×(sinα+μcosα)

(1)

其中，F(xiàn)A為0，絲桿與平臺的夾角為0°，送苗裝置與幼苗總質(zhì)量為40kg，鋼材料之間的摩擦因數(shù)為0.05。代入計算得F=19.6N，則預(yù)負(fù)載F0為6.53N。

再由公式(2)計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即

(2)

其中，PB為絲桿的導(dǎo)程10mm，絲杠的效率為0.9。計算得TL=0.378N·m。

結(jié)合負(fù)載及加速轉(zhuǎn)矩對動力的要求，要實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，需在PLC與電機(jī)之間添加驅(qū)動器。橫移步進(jìn)電機(jī)選擇TB6600型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，輸入電壓為DC9～42V ，額定電流為4A， 采用速度自適應(yīng)電路，具有電流自動尋優(yōu)功能。其細(xì)分?jǐn)?shù)為6 400，具備過流、過壓、欠壓、短路及脫機(jī)(ENA)保護(hù)功能。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器PUL和DIR兩個接口分別接收來自控制器的脈沖信號和方向信號，并將其轉(zhuǎn)化為角位移，控制步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。

3.3 傳感器選型

本系統(tǒng)傳感器選擇上海克特傳感器科技有限公司生產(chǎn)的LJ18A3-8-Z/BX電感式接近傳感器(又稱接近開關(guān))，其圓柱直徑18mm、檢測距離8mm、工作電壓DC 6～36 V，為NPN三線常開式輸出。采用兩個電感式接近開關(guān)分別安裝在苗盤輸送裝置的支架兩側(cè)，用于感應(yīng)苗盤距離靠近開關(guān)的位置。若這個值小于等于接近開關(guān)的感應(yīng)距離，即可判斷苗盤右到位和苗盤左到位。當(dāng)移動到位時，開關(guān)動作，PLC收到信號后，停止向控制橫向移動的步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號，并同時向控制縱向移動的步進(jìn)電機(jī)發(fā)送信號來完成苗盤的向下進(jìn)給。控制電路接線圖如圖5所示。

4 軟件結(jié)構(gòu)以及仿真流程

4.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用三菱GX Developer開發(fā)工具對PLC進(jìn)行程序編寫，編程語言選擇梯形圖，安裝GX Simulator6仿真插件對梯形圖進(jìn)行仿真，并通過三菱配套觸摸屏軟件GT Designer 3設(shè)計觸摸屏界面以便直觀地觀察仿真結(jié)果。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5 控制電路接線圖Fig.5 Diagram of control circuit wiring

圖6 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of software structure

將兩個電感式接近開關(guān)分別安裝在苗盤輸送裝置的支架兩側(cè)，用于判斷苗盤何時需要進(jìn)行下移動作，即判斷苗盤的右到位和左到位。當(dāng)苗盤移動到達(dá)左右邊界時，傳感器輸出開關(guān)信號給PLC，在本設(shè)計中用狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)啟動、停止、電機(jī)左到位及電機(jī)右到位。應(yīng)用定時器對電機(jī)移動時間及取苗手取苗時間進(jìn)行計時，設(shè)定電機(jī)做間歇性進(jìn)給運(yùn)動時，運(yùn)動一次的時間為1s，即電機(jī)將苗盤的下一個穴孔的中心線與取苗手中心線(位移32mm)對齊用時1s，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動供取苗手抓取幼苗時間為2s，計時到達(dá)設(shè)定值之后觸點(diǎn)動作。應(yīng)用計數(shù)器來累加苗盤左移、苗盤右移及苗盤下移的次數(shù)，當(dāng)苗盤右移(左移)次數(shù)到達(dá)7時，執(zhí)行電機(jī)下移，且右到位(左到位)時計次清零，方便下一行的左移(右移)計數(shù);當(dāng)下移次數(shù)達(dá)到16時，一個苗盤的送苗結(jié)束。

將苗盤第1排的最左邊的育苗穴槽即人為規(guī)定的取苗手初始取苗位置標(biāo)記為N=1，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖Fig.7 Flow chart of software

4.2 苗盤運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)

橫向運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)：由于PLC需要發(fā)脈沖信號來控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，分別完成苗盤的橫向右移和左移。苗盤在橫向做間歇式進(jìn)給運(yùn)動，以向右移動為例：從最左端開始，待第1株幼苗抓取完畢后，向右每完成一格幼苗的輸送(位移為兩個穴槽的間距32mm)，都要停止一段時間，待取苗手抓取完畢后，再進(jìn)行下一株幼苗的輸送。PLC內(nèi)部設(shè)有定時器，且電機(jī)的位移在平均轉(zhuǎn)速(即脈沖頻率)確定的情況與每次移動時間成正比，所以用右移時間來代替位移進(jìn)行輸出顯示。擬定每次進(jìn)給運(yùn)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動時間為1s，并且取苗手在2s之內(nèi)完成幼苗的抓取。

苗盤的縱向移動的實(shí)現(xiàn)：苗盤在縱向做的是向下的間歇性進(jìn)給，每當(dāng)取苗手完成橫向一排的抓取后，苗盤縱向進(jìn)給一格位移32mm。與苗盤的橫移相同，設(shè)定輸出為電機(jī)下移1s，然后停止2s，待取苗手抓取完畢當(dāng)前幼苗后開始橫向移動。以右移為例，當(dāng)苗盤右移次數(shù)達(dá)到7，表示已經(jīng)進(jìn)給到該行最后一格，此時C0開啟，開始進(jìn)行2s計時，本行最后一株幼苗抓取完畢后執(zhí)行電機(jī)下移，該模塊只執(zhí)行一次，然后進(jìn)行下一行的橫向移動；最后一行抓取完畢后要繼續(xù)下移進(jìn)行苗盤回收，一共需要下移16次。將梯形圖的點(diǎn)位與觸摸屏圖形對應(yīng)的模塊連接實(shí)現(xiàn)PLC軟件與觸摸屏軟件聯(lián)合仿真，如圖8所示。

圖8 梯形圖與觸摸屏點(diǎn)位對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Corresponding relations between ladder diagram and touch screen

4.3 觸摸屏仿真實(shí)現(xiàn)

采用三菱HMIGT10系列觸摸屏用于監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，應(yīng)用GT Designer 3軟件設(shè)計觸摸屏界面，與仿真軟件進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。移栽機(jī)的信息實(shí)時通過仿真界面顯示，苗盤移動軌跡應(yīng)用8×4的點(diǎn)陣，用來顯示當(dāng)前取苗的位置，通過取苗位置的變化可以實(shí)時監(jiān)測苗盤移動的位置。電機(jī)參數(shù)顯示模塊可以顯示當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行速度，控制器發(fā)送的橫向移動脈沖數(shù)和縱向移動脈沖數(shù)，以及橫向縱向移動的角度和苗盤的位移量。聯(lián)合仿真界面如圖9所示。

圖9 聯(lián)合仿真界面Fig.9 Interface of joint simulation

5 結(jié)論

對移栽機(jī)苗盤輸送過程中存在位移誤差的問題進(jìn)行分析，采用誤差檢測和補(bǔ)償模塊進(jìn)行修正，并對移栽過程中苗盤的橫向移動和縱向移動進(jìn)行了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時顯示。進(jìn)行了控制電路的實(shí)物連接，對苗盤橫向移動的步長及速度等參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試和修正，對控制效果進(jìn)行了測試。由于拖拉機(jī)轉(zhuǎn)動輸出的最大轉(zhuǎn)速為720r/min，取苗機(jī)構(gòu)取苗周期時間最快為1.2s/株，因此送盤線速度不超過32mm/s，就可以配合取苗機(jī)構(gòu)完成取苗工作。