水稻工廠化育秧播種流水線疊盤裝置的研究設計

許 多 ， 盧進勇 ， 倪忠進

（1.浙江農林大學光機電工程學院，浙江 杭州 311300；2.杭州久安安全生產技術服務有限公司，浙江 杭州 311300）

0 引言

《中共中央 國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》明確提出了“堅持農民主體地位”的基本原則，要求“充分尊重農民意愿，切實發揮農民在鄉村振興中的主體作用”[1]。我國人多地少，水稻作為世界三大糧食作物之一，對保障我國糧食安全具有非常重大的意義。由于水稻生產勞動強度大，且受農業從業人口轉移、勞動力成本上升、農業生產資料價格上漲等因素的影響[2]，水稻生產逐漸從人工向機械化發展的需求迫在眉睫，其中工廠化育秧是水稻機械化生產過程中的關鍵環節[3]。構建水稻育秧流水線，為提高我國水稻生產效率、節省水稻生產過程中的人力資源成本發揮了重要作用，同時，其還具有成本低、效率高、質量穩定等特點[4]。但是，目前水稻育秧流水線中秧盤大多由人工逐個取放，該過程不僅作業強度大，而且制約著工廠化育秧的整體生產效率[5]。當前市面上的秧盤疊盤裝置大多從國外進口，其成本高昂、結構復雜、維修困難，嚴重阻礙了水稻工廠化育秧產業的推廣與發展。

本文針對水稻工廠化育秧中的疊盤環節設計了一種疊盤機構，同時編寫了配套PLC控制程序，可改善當前水稻育秧流水線疊盤環節中振動過大而導致的疊盤易錯位等問題，并簡化整體結構，降低了水稻育秧流水線疊盤裝置的生產成本。以期為水稻工廠化育秧高產高效提供參考，促進水稻育秧流水線疊盤環節技術創新，切實解決農業從業勞動力不足和水稻育秧效率低等問題[6]。

1 整體設計

疊盤裝置是水稻育秧流水線系統中最重要的組成部分之一。一般情況下，運輸傳送帶以9 m/min～13 m/min速度將一塊總質量約為4 kg、尺寸大小為595 mm×295 mm的覆土育秧盤送至疊盤機區域以5 m/s～7 m/s的速度進行疊放，直到疊放數量達到設定數量（根據后續工序機械臂運力而定，本文以5盤一次為例），成垛卸下送入下一工序。

市面上的水稻育秧流水線疊盤裝置多在盤下部設置一個直線電機直接抬升覆土盤。這類疊盤裝置在抬升覆土盤時，抬升裝置與覆土盤接觸時造成的沖擊易導致覆土盤中被均勻排種的種子發生錯位，影響后續育秧。針對上述問題，本文設計了一種新型的水稻育秧流水線疊盤裝置。

1.1 方案總體設計

水稻育秧流水線疊盤裝置由輸送機構、抬升機構、支撐與卸載機構三大部分組成。

1）輸送機構為使機械傳動系統振動減小、控制穩定、運行速度較緩，故采用同步帶輸送結構，輸送動力由三相交流異步電動機加蝸輪減速機提供。

2）抬升機構綜合考慮覆土盤的平穩性與成本，采用凸輪提升，提升動力由伺服電機加蝸輪減速機提供。

3）支撐與卸載機構綜合考慮成本、安裝、壽命，采用角鋼支撐，采取電磁閥控制氣缸開合移動支撐架的控制方法，氣缸收縮動力由氣泵提供。

根據上述方案設計，其結構簡圖如圖1所示。

圖1 自動疊盤裝置結構簡圖

1.2 結構設計方案

水稻育秧流水線疊盤裝置主要由氣泵、秧盤輸送機構、秧盤升降機構、秧盤卸載機構、電控箱、機架、電動機等組成，如圖2所示。

圖2 自動疊盤裝置結構設計圖

該裝置的工作流程如下：

1）秧盤通過輸送電機驅動的皮帶送入指定位置觸發到位接近開關，輸送電機停止。

2）升降電機啟動，驅動凸輪沿限位擋板上升，盤上沿頂開支撐架繼續上升。

3）支撐架被頂開后回落，此時凸輪開始下降，盤上升沿下側置于回落的支撐架上沿，一次疊盤流程結束。

4）重復上述疊盤流程，上盤的底部卡口會嵌入下盤的承放處，直至設定次數（本文累計疊放5盤）。

5）在設定的測試上升結束時，氣泵啟動，氣桿回縮（此時5盤皆處在凸輪遠周止處），支撐件繞轉動支點旋轉，直至支撐架無部分在盤的下部。

6）5盤皆通過凸輪沿凸輪下降沿回落至運送輸送帶上，運送輸送帶輸出至運輸平臺，完成運動周期結束。

7）等待機械手取走堆疊完的盤，繼續下一周期的疊盤流程。

2 主要參數

2.1 輸送電機選型

考慮運行條件和控制精度要求，選用Y型三相交流異步電動機。Y型三相交流異步電動機，效率高，可靠性高，在惡劣條件下不用維護也可以安全運轉很多年。

在疊盤機設備中，Y型三相交流異步電動機搭配同步帶傳動，已知同步帶輪直徑D=55 mm，貨物最大重量m=20 kg（一塊覆土盤約4 kg，共5盤），PVC與工程塑料靜摩擦系數δ=0.5，加速度a=2 m/s2，速度v=9 m/min～13 m/min，此處取v=10 m/min，減速機減速比i=9～25，此處取減速比i=12.5，取包含機構效率和減速器效率損耗的結構效率η=0.95。

啟動瞬間需要的驅動力為：

扭矩為：

由此可折算三相交流異步電動機所需的扭矩為：

三相交流異步電動機的額定轉速為：

可折算電機功率為：

綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、價格、重量以及減速器、傳動比等因素，查詢《機械設計手冊》[7]，選定電機型號為Y132S-8三相異步電動機，額定功率Pen=2.2 kW，滿載轉速nm=710 r/min，同步轉速nt=750 r/min。

2.2 升降電機選型

考慮運行條件和控制精度要求，選用伺服電機。伺服電機具有控制精度高、便于PLC系統控制等特點。

在疊盤機設備中，伺服電機搭配凸輪傳動，已知凸輪基圓r=40 mm，行程h=24 mm，推程運動角120°，回程運動角120°，遠休止角60°，近周止角60°。過渡段貨物最大重量m=20 kg（一塊覆土盤重量約4 kg，共5盤），靜摩擦系數δ=0.45，加速度a=2 m/s2，速度v=6 m/s，減速機減速比i=5。

2.2.1 伺服電機額定轉速

伺服電機額定轉速公式為：

2.2.2 啟動瞬間需要的拉力

啟動瞬間需要的拉力為：

扭矩為：

由此可折算伺服電機所需的扭矩為：

可折算電機功率為：

參考三菱電機伺服電機使用手冊[8]，在滿足以上參數要求的情況下，采用MR-J2S-100A型伺服驅動器，選擇電機型號為HF-KE13W1-S100。

3 控制系統設計

3.1 系統交互設計

基于PLC的水稻育秧流水線疊盤裝置系統交互設計具體如圖3所示。

圖3 控制系統接線圖

水稻育秧流水線疊盤裝置運行過程中需先基于PLC程序初始化控制系統，詳細檢測PCU、存儲器、I/O端口等具體狀態，實現系統自主檢測，明確系統各個部分的狀態，然后循環掃描輸入端口信號，合理設置執行參數，進而開始有序運轉。

水稻育秧流水線疊盤裝置是面向多數值的閉環控制系統，所以對于PLC配置的運算速度、可靠性要求相對偏高，因此選擇了型號為三菱FR-FX2N-32MT的PLC。使用了9個輸入端子和8個輸出端子，如表1所示。

表1 軟元件注釋表

續表

3.2 PLC程序

在水稻育秧流水線疊盤裝置編寫自動控制程序前，需就有關技術要求與工藝流程設計控制系統運行流程[9]，具體如圖4所示。

PLC的編程方法因程序設計人員的思維習慣不同而有很大差異，常用的編程方法有梯形圖編程和語句表編程兩種。梯形圖接近繼電器控制的表達形式，語句表則類似于計算機匯編語言，這兩種編程方式均實時反映出繼電器控制的思想。根據水稻育秧流水線疊盤裝置運行流程，本文采用語句表的方式對PLC主體進行編程[10]，具體如表2所示。

表2 指令表

續表

續表

續表

4 結束語

本文設計了一種結構簡單、成本低廉、維修便利，且能有效提高水稻工廠化育秧中的疊盤環節工作效率的裝置；通過理論分析計算，建立了整個疊盤裝置的結構模型，根據理論要求工作參數，配置對應硬件設備；開發了以PLC為核心的控制系統，并編寫了對應的控制程序，該裝置能準確控制秧盤的輸送并自動疊盤；該裝置有效地提高了水稻育秧流水線的生產效率，減輕了工人勞動強度，簡化了機械結構，降低了設備生產成本和維修成本，可為我國水稻工廠化育秧流水線的推廣應用提供支持。