移栽機取放苗機構的設計與控制

崔財豪，曹衛彬，黃 琳※，曹會兵，陳忠斌，徐道發，高倩倩

（1．北京吉利學院汽車工程學院，北京102202；2．石河子大學機械電氣工程學院）

1 取放苗機構的設計

新疆地區常用的缽苗盤規格通常為128 穴，缽苗緊密排列，相鄰缽苗間距較小，增加了缽苗整排取放的難度。為提高缽苗取放的成功率，設計一種移栽機整排取放苗機構來實現缽苗的整排取放。

單個末端執行器成功夾持缽苗是整排取放苗機構工作的前提，為此設計了一種夾持式末端執行器，缽苗夾持成功率高達96%（基質含水率均值為75%，莖稈含水率均值為79．35%，基質受壓變形的極限力為5．8N 時測得）[1]；由于缽苗排列緊密增大了缽苗整排放置的難度，為提高放苗成功率，設計一種剪叉式分苗機構來實現末端執行器的聚攏和散開，同時保證了各末端執行器的間距一致。取苗時，分苗機構呈聚攏狀態，放苗時，分苗機構呈散開狀態，大大提高了放苗成功率（分苗成功率和放苗準確率均超過96%）[2]；為保證末端執行器位于一條直線上，使用水平直線導軌和滑塊，將單個末端執行器固定在各個滑塊上；為保證取放苗時整排末端執行器垂直上下運行，將水平導軌固定在垂直導軌滑塊上；為應對放苗時缽苗基質與苗針粘連導致缽苗無法因自身重力掉落的情況發生，在整排末端執行器苗針內側放置一根用于退苗的剛性桿，取放苗機構由整排末端執行器、分苗機構、退苗機構、豎直導軌、定位滑塊等組成，取放苗機構如圖1。

機構原理：取苗時，分苗機構聚攏帶動整排末端執行器呈聚攏狀態（各末端執行器與苗盤中某排苗格一一對應），取放苗機構通過豎直導軌和定位滑塊將末端執行器插入基質，末端執行器對苗針向內擺轉，擠壓基質實現缽苗的夾持，缽苗夾持成功后取放苗機構將缽苗從苗盤整排取出；放苗時，分苗機構帶動整排末端執行器呈散開狀態（各末端執行器與輸送帶格一一對應），取放苗機構帶動整排末端執行器至放苗位置，末端執行器對苗針向外擺轉松開缽苗，缽苗在退苗機構和重力的作用下掉落至放苗區域。

動力選擇：苗盤與輸送帶位于同一平面內，取放苗機構帶動整排末端執行器取放苗時垂直方向的行程固定不變；苗針夾持和釋放基質時，末端執行器控制桿帶動苗針的擺轉角度不變，即控制桿在豎直方向上的位置變化不變；由于苗盤格寬和輸送帶格寬為固定值（分別為32 mm、64 mm）、分苗機構沿水平方向伸縮時位移變化亦為固定值。故使用氣缸作為機構的執行元件即可滿足取放苗機構整排取放苗時的定位要求，取放苗機構如圖2。

2 控制系統的構建

為實現缽苗的整排取放，選取氣缸作為執行元件，根據行程和負載不同選取合適的氣缸搭建控制系統。

對各機構的執行氣缸進行選型時，由于機構要求位置變化是固定的，在選擇時盡可能使氣缸行程與機構位移相等，若無等長的氣缸行程應使被選氣缸行程略大于機構位移，使用磁性開關保證行程與位移相等。氣缸選型時，首先考慮的是氣缸活塞桿受到的軸向負載力，為方便氣缸的選擇，引入氣缸負載率：

式中F—軸向負載力；F0—氣缸理論輸出力。氣缸負

載的運動狀態與氣缸負載率的關系如表1。

表1 氣缸負載率和運動狀態關系表 單位：m/s

氣缸理論輸出力的計算公式如下：

氣缸拉力：

氣缸推力：

式中P—工作壓力，一般為0.4 MPa；D—缸徑，mm；d—活塞缸直徑，mm；一般d=0.3D；F0—氣缸理論輸出力，N。

正常工作時速度小于0.2m/s 時，常選取氣缸慣性負載率為0.6；為維持氣缸狀態，常選取阻性負載率為0.8，單作用氣缸伸出時推力為主要作用力，計算氣缸缸徑：

氣缸運動過程中的軸向負載：

其中負載質量為，機構的摩擦系數為μ。

氣缸理論輸出力：

已知各氣缸負載的質量，計算得出各個氣缸的缸徑，并據此查閱相關手冊進行選型，各氣缸個數和具體參數如表2。

電磁閥是用于控制氣缸回路開閉的電動閥門，控制壓縮空氣作用到氣缸實現氣缸活塞桿的伸縮。為同時執行相同動作的執行氣缸配備一個電磁閥以保證其動作一致：8 個夾苗氣缸、2 個取放苗氣缸和2 個退苗氣缸分別共用3 個電磁閥，由于分苗氣缸的行程大于機構位移，除電磁閥外還需使用磁性開關來控制氣缸行程。電磁閥和磁性開關的分別選取亞德客兩位五通電磁閥4V210-08 和磁性開關CS1-J。

表2 氣缸參數表

氣動驅動系統由空氣壓縮機、儲氣罐、空氣過濾器、減壓閥、油霧器、電磁換向閥和氣缸等組成?？諌簷C壓縮空氣為氣動系統提供動力，氣動三聯件對壓縮空氣進行處理，減壓閥調節各支路的氣壓，各氣缸通過電磁閥控制活塞桿的伸縮，進而驅動各機構實現缽苗的取放。氣動系統回路如圖3，圖中A1-A8 為夾苗氣缸，B1、B2 為取送苗氣缸，C1、C2 為退苗氣缸、D 為分苗氣缸，DT1-DT4 為二位五通電磁閥，U1-U4 為減壓閥。

控制系統采用三菱MT 型PLC 作為核心控制器，由于MT 型PLC 為是晶體管輸出，其輸出電流較小，無法直接驅動電磁閥，需增加中間繼電器實現對電磁閥的控制?？刂葡到y由PLC、中間繼電器、電磁換向閥、磁性開關等組成，氣動系統回路為氣缸動作提供氣壓，氣缸活塞桿伸縮依靠電磁閥的通斷來實現，PLC 通過中間繼電器控制電磁閥的通斷進而實現對執行元件的控制。

系統工作時，默認苗盤正確放置于待取送區域，取送苗行數已確定，且整排末端執行器已正向移動至取苗位置，此時取放苗系統開始工作：

取苗時，分苗氣缸活塞桿縮回使分苗機構帶動整排末端執行器呈聚攏狀態，取放苗氣缸活塞桿伸出使取放苗機構將末端執行器插入基質，各夾苗氣缸活塞桿縮回控制末端執行器，各對苗針向內擺轉，擠壓基質實現缽苗的夾持，缽苗夾持成功后取放苗氣缸活塞桿縮回將缽苗從苗盤整排取出；放苗時，分苗氣缸活塞桿伸出末端執行器呈散開狀態，取放苗氣缸帶動整排末端執行器至放苗位置，末端執行器各對苗針向外擺轉松開缽苗，缽苗在退苗機構和重力的作用下掉落至放苗區域（靜止的輸送帶），控制流程如圖4。

將控制系統、氣動系統和取放苗機構集成后，按照軟件流程圖編制程序，首先進行模擬運行和低速空載運行，運行無誤時進行試驗驗證，判斷系統是否滿足設計要求。

3 試驗材料與方法

選取50 天苗齡的石番36 號番茄穴盤苗進行試驗，基質含水率均值為75%，此時基質抗壓力較高，易于夾持。選取5 張苗盤（標記NO.1 至NO.5）進行缽苗的整排取放試驗，統計穴苗損傷數量、穴苗取出數量、穴苗取出質量和基質破損和殘留質量，計算綜合傷苗率和夾持成功率，公式如下[4-5]：

式中CSR—綜合傷苗率，GDR—基質破損率，SDR—幼苗損傷率，SPR—夾持成功率，WSD—基質破損和殘留質量，WSE—穴苗取出質量，NS—取苗總數，NDR—穴苗損傷數量，NPR—穴苗取出數量。

表3 試驗統計表

由表3 可知，取放苗機構在取放苗過程中取苗成功率和綜合傷苗率均值為96．4%和1．8%，表明該機構在取放苗過程中缽苗掉落較少且對缽苗的損傷很小。分析機構在取放苗時缽苗掉落的原因主要是由于機構取苗和分苗速度較快，易造成臺架震動。為此可通過以下兩種方案來解決：（1）在機構合適部位添加緩沖裝置，減小其震動幅度；（2）通過節流閥保證氣缸的工作穩定性。

4 結論

在末端執行器和分苗機構可靠性滿足的前提下，設計了一種適用于整排式全自動移栽機的取放苗機構，并構建其控制系統，實現缽苗的整排取放。

將系統集成并進行試驗驗證，結果表明該取放苗機構能夠滿足缽苗整排取放的要求。