一種新型移栽機(jī)苗盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

楊 萌，曹衛(wèi)彬，劉凱強(qiáng)，馬 銳，趙宏政

(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

新疆地處我國(guó)西北地區(qū)，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，適宜番茄與辣椒等作物的生長(zhǎng)。但由于無(wú)霜期短，溫度變化率大，不宜于早播[1-3]。育苗移栽技術(shù)作為一種培植技術(shù)，可以延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)期，能有效地避開(kāi)春寒，提高幼苗成活率，具有顯著的節(jié)本、增產(chǎn)、增收效果[3-4]。

番茄自動(dòng)移栽機(jī)作為一種移栽機(jī)具，可以很好地將穴盤(pán)內(nèi)的番茄幼苗移栽到大田中進(jìn)行大面積種植[6-9]。目前，課題組研究開(kāi)發(fā)的番茄移栽機(jī)在苗盤(pán)縱向輸送裝置是由變速箱分配動(dòng)力給連桿機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)間歇機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)鏈輪鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)苗盤(pán)向下進(jìn)給，橫向輸送裝置由變速箱分配動(dòng)力給絲杠帶動(dòng)苗盤(pán)橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)與動(dòng)力分配復(fù)雜，且機(jī)械結(jié)構(gòu)在磨損后會(huì)影響苗盤(pán)縱向與縱向進(jìn)給的精度，使取苗手不能準(zhǔn)確取苗。因此，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于Arduino單片機(jī)的新型移栽機(jī)苗盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)，具有穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單、能適應(yīng)大田作業(yè)環(huán)境且能夠滿足取苗機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確夾取番茄幼苗的移栽作業(yè)要求。該系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確地控制苗盤(pán)輸送裝置橫向與縱向的進(jìn)給送苗，為移栽機(jī)苗盤(pán)輸送裝置的研究提供了一個(gè)新的思路。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

全自動(dòng)鋪膜覆土移栽機(jī)使用工藝成熟的128穴(16行8列)的軟苗盤(pán)，采用取苗手不運(yùn)動(dòng)而苗盤(pán)運(yùn)動(dòng)的送苗方式。要求苗盤(pán)輸送裝置可以獨(dú)立而且方便地安裝于現(xiàn)有的旱地移栽機(jī)，且動(dòng)力來(lái)源獨(dú)立于拖拉機(jī)后輸出軸。為適應(yīng)一帶一膜雙行的移栽機(jī)作業(yè)要求，機(jī)身設(shè)計(jì)有兩只取苗手同時(shí)取苗，所以需要同時(shí)對(duì)兩個(gè)苗盤(pán)進(jìn)行橫向和縱向進(jìn)給控制。

為了控制兩個(gè)苗盤(pán)的移動(dòng)誤差，本設(shè)計(jì)將兩個(gè)苗盤(pán)按照取苗手中心線的間距焊接在一個(gè)滑動(dòng)軌道上，在保證焊接精度和強(qiáng)度的情況下，本設(shè)計(jì)將滑臺(tái)上的滑塊與移栽機(jī)苗盤(pán)的滑動(dòng)軌道相連接，即可以使絲杠每次進(jìn)給的距離與兩個(gè)苗盤(pán)進(jìn)給的距離一致。為保證每次進(jìn)給精度，系統(tǒng)使用一個(gè)兩相四線制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠控制兩個(gè)苗盤(pán)的橫向移動(dòng)。苗盤(pán)的縱向位移通過(guò)另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪以及與鏈輪對(duì)應(yīng)的鏈條繼而帶動(dòng)苗盤(pán)縱向運(yùn)動(dòng)。使用步進(jìn)電機(jī)的目的是保證每次位移的精度，在本設(shè)計(jì)要求中，苗盤(pán)每次橫向和縱向的進(jìn)給距離都是32mm，在大田中作業(yè)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的使用有助于保證精度及減小控制誤差。

針對(duì)旱地移栽機(jī)苗盤(pán)架和吸塑工藝制成的苗盤(pán)特點(diǎn)，系統(tǒng)主要由電感式傳感器、Arduino 單片機(jī)(控制核心)、電源、苗盤(pán)架、鏈輪、步進(jìn)電機(jī)、滑臺(tái)及絲杠組成，如圖1所示。根據(jù)取苗手的取苗頻率對(duì)苗盤(pán)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。其中，步進(jìn)電機(jī)A通過(guò)聯(lián)軸器與鏈輪相連接控制兩個(gè)苗盤(pán)架同時(shí)縱向運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)B通過(guò)聯(lián)軸器與滑臺(tái)絲杠相連接對(duì)兩個(gè)苗盤(pán)架橫向運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行控制。系統(tǒng)各功能模塊分解如圖2所示。

1.鏈輪 2.滑臺(tái)絲杠 3.接近開(kāi)關(guān)A 4.步進(jìn)電機(jī)B 5.步進(jìn)電機(jī)A 6.苗盤(pán)架 7.苗盤(pán) 8接近開(kāi)關(guān)B圖1 機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Mechanical structure diagram

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the system

2 工作原理與驅(qū)動(dòng)控制

2.1 工作原理

系統(tǒng)使用兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)作為信號(hào)輸入，接近開(kāi)關(guān)A作為定位傳感器使用，接近開(kāi)關(guān)B提供每次取苗手取苗結(jié)束后的完成信號(hào)。在上一次結(jié)束移栽后，停機(jī)時(shí)苗盤(pán)位置不固定，所以在下一次移栽開(kāi)始前，需要將苗盤(pán)移動(dòng)到初始位置，即移栽機(jī)的最左側(cè)。當(dāng)苗盤(pán)與接近開(kāi)關(guān)A的距離為4.0mm時(shí)，接近開(kāi)關(guān)A發(fā)出信號(hào)，苗盤(pán)停止運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入正常送苗程序。在每次啟動(dòng)時(shí)，控制苗盤(pán)先回到取苗初始位置，再開(kāi)始執(zhí)行苗盤(pán)位移程序，這樣設(shè)計(jì)的目的是因?yàn)閱纹瑱C(jī)在掉電后沒(méi)有記憶功能，當(dāng)移栽結(jié)束而苗盤(pán)沒(méi)有停止在初始位置時(shí)，再次開(kāi)始移栽則會(huì)導(dǎo)致苗盤(pán)橫向位移時(shí)序出錯(cuò)。

在移栽開(kāi)始后，在取苗手插入基質(zhì)時(shí)，接近開(kāi)關(guān)B開(kāi)始發(fā)送信號(hào)，并且一直持續(xù)到取苗手與缽苗離開(kāi)苗盤(pán)。苗盤(pán)的橫向運(yùn)動(dòng)在每次接近開(kāi)關(guān)B信號(hào)停止后開(kāi)始，即取信號(hào)的下降沿為有效信號(hào)。與接近開(kāi)關(guān)B發(fā)出信號(hào)苗盤(pán)運(yùn)動(dòng)相比，這樣設(shè)計(jì)避免了高速移栽時(shí)苗盤(pán)與取苗手的干涉，苗盤(pán)只在取苗手投苗的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)，提高了取苗成功率。當(dāng)控制核心接收到接近開(kāi)關(guān)B發(fā)出的下降沿信號(hào)后，控制核心向步進(jìn)電機(jī)控制器B發(fā)出設(shè)定好的方向和進(jìn)給脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)控制器B將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)并帶動(dòng)苗盤(pán)向右運(yùn)動(dòng)。在橫向運(yùn)動(dòng)7次后取完一排(8株)穴盤(pán)苗后，在接近開(kāi)關(guān)B發(fā)出的第8次下降沿信號(hào)時(shí)，控制核心發(fā)出信號(hào)控制給步進(jìn)電機(jī)控制器A發(fā)送方向脈沖和進(jìn)給脈沖。步進(jìn)電機(jī)控制器A將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)并帶動(dòng)苗盤(pán)縱向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)接近開(kāi)關(guān)B發(fā)出第9次下降沿信號(hào)后，控制核心向步進(jìn)電機(jī)控制器B發(fā)送進(jìn)給脈沖信號(hào)和與前7次運(yùn)動(dòng)相反的方向脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)控制器B控制步進(jìn)電機(jī)B向左運(yùn)動(dòng)1次，重復(fù)7次后，苗盤(pán)回到最左端。在接近開(kāi)關(guān)B發(fā)出第16個(gè)下降沿信號(hào)后，控制核心發(fā)出信號(hào)控制給步進(jìn)電機(jī)控制器A發(fā)送方向脈沖和進(jìn)給脈沖，步進(jìn)電機(jī)控制器A將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)并帶動(dòng)苗盤(pán)縱向運(yùn)動(dòng)。至此，苗盤(pán)完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。苗盤(pán)位移軌跡如圖3所示。

圖3 苗盤(pán)位移軌跡圖Fig.3 Seeding trays displacement graph

2.2 驅(qū)動(dòng)控制

為配合單片機(jī)的工作，選擇工作電壓為5V的NPN型常開(kāi)式接近開(kāi)關(guān)，相較于傳統(tǒng)的工作電壓為24V的接近開(kāi)關(guān)減少了電壓放大電路，使得接近開(kāi)關(guān)可以直接接在單片機(jī)的I/O口上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)I/O口 信號(hào)直接讀取移栽工作信號(hào)，控制移栽流程。其工作時(shí)序如圖4所示。

圖4 工作時(shí)序圖Fig.4 Timing diagram

苗盤(pán)的縱向位移由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)鏈輪控制，阻尼較大，所以使用一個(gè)扭矩為8N·m的兩相四線步進(jìn)電機(jī)控制。苗盤(pán)的橫向位移由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠控制，絲杠選用臺(tái)灣TBI公司生產(chǎn)的滾珠絲杠，極大地減小了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的扭矩。所以，為了節(jié)省能源，控制苗盤(pán)橫向運(yùn)動(dòng)選用一個(gè)扭矩為1.8N·m的步進(jìn)電機(jī)。使用步進(jìn)電機(jī)是為了提高苗盤(pán)的進(jìn)給精度，標(biāo)準(zhǔn)穴盤(pán)的每一個(gè)穴孔的規(guī)格為32mm×32mm，當(dāng)進(jìn)給誤差超過(guò)5%即±1.60mm時(shí)，取苗手就會(huì)對(duì)穴孔造成破壞，影響取苗成功率，而步進(jìn)電機(jī)可以將每次進(jìn)給的誤差控制在±1.60mm以內(nèi)。

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給的控制，可以直接通過(guò)Arduino單片機(jī)I/O口發(fā)送脈沖，經(jīng)過(guò)放大電路后就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。但是，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)因?yàn)楣β史糯箅娐分械难訒r(shí)產(chǎn)生累計(jì)誤差，并且這樣的驅(qū)動(dòng)程序會(huì)極大地占用CPU的運(yùn)行空間?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)還可以選擇使用成熟的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，這樣只需要給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)脈沖信號(hào)就可以使電機(jī)正常運(yùn)動(dòng)，節(jié)省了單片機(jī)的I/O口并減少了CPU的工作量。因此，使用兩個(gè)北京時(shí)代超群公司步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)Arduino單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)器直接發(fā)出兩個(gè)幅值為+5V脈沖信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。軟件流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)電源使用兩個(gè)DC12V12ah的電瓶串聯(lián)成一個(gè)DC24V的電源作為整套系統(tǒng)的電源裝置，對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制器供電；通過(guò)一個(gè)DC24V轉(zhuǎn)DC5V的模塊對(duì)Arduino單片機(jī)進(jìn)行供電。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow disgram

3 端口配置

Arduino單片機(jī)相比較傳統(tǒng)51單片機(jī)具有開(kāi)源(即軟硬件全部開(kāi)放)的優(yōu)勢(shì)，使得使用者可以從相關(guān)網(wǎng)站獲取大量的共享資源；函數(shù)庫(kù)多樣且成熟，使得程序指令的編寫(xiě)得到了極大地簡(jiǎn)化，也減少了系統(tǒng)的故障概率[5]，提高了本設(shè)計(jì)的可靠性。

Arduino UNO是Arduino USB接口的最新版本具有14路數(shù)字I/O口(其中6路可做PWM輸出)和6路模擬輸入輸出口，16MHz晶振，1個(gè)USB口，支持I2C接口，處理器為ATmega328。程序編譯使用 Arduino IDE編寫(xiě)，這款編譯器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，庫(kù)函數(shù)豐富，非常適合編寫(xiě)步進(jìn)電機(jī)的控制程序。

本設(shè)計(jì)功能使用單片機(jī)6個(gè)I/O口，I/O分配如表1所示。

表1 I/O分配表

4 電機(jī)控制參數(shù)的計(jì)算

由于本設(shè)計(jì)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，所以只需要控制單片機(jī)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器的脈沖就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。本設(shè)計(jì)的苗盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)，橫向與縱向每次進(jìn)給的距離均為32mm，使用時(shí)代超群公司生產(chǎn)的86系列步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，步距角1.8°，絲桿螺距20mm，鏈輪直徑80mm。為保證電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)器統(tǒng)一設(shè)置為16細(xì)分模式。橫向位移脈沖計(jì)算，即

其中，θ1為橫向轉(zhuǎn)動(dòng)角度；L為需要的進(jìn)給距離(mm)，根據(jù)苗盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)置為32mm；R為鏈輪半徑(mm)，本設(shè)計(jì)中為40mm。則經(jīng)過(guò)計(jì)算θ1應(yīng)為45.89°， 則

其中，N1表示單片機(jī)每次需要發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器的脈沖數(shù)。

縱向位移脈沖的計(jì)算，即

5 苗盤(pán)輸送控制系統(tǒng)送苗精度試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料及裝置

2016年7月，試驗(yàn)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，將苗盤(pán)輸送控制系統(tǒng)安裝在已有的移栽機(jī)樣機(jī)上，電機(jī)與控制核心的電源由電瓶提供；取苗手動(dòng)力來(lái)源于拖拉機(jī)后輸出軸，試驗(yàn)使用約翰迪爾牌454拖拉機(jī)，拖過(guò)控制拖拉機(jī)檔位與油門(mén)來(lái)微調(diào)后輸出軸轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制取苗速度；通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)量不同取苗速度下苗盤(pán)橫向與縱向位移，并通過(guò)串口通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)軟件，得到不同轉(zhuǎn)速下的取苗成功率。苗盤(pán)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 苗盤(pán)輸送控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 The physical picture

5.2 試驗(yàn)設(shè)置及評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)主要通過(guò)改變?nèi)∶缡值娜∶缢俣?，測(cè)試苗盤(pán)的送苗速度與精度的影響，并檢驗(yàn)橫向送苗與縱向送苗主要功能環(huán)節(jié)的可靠性。試驗(yàn)使用Fluke 424D 激光測(cè)距儀，精度0.001m。

5.3 橫向苗盤(pán)輸送試驗(yàn)

苗盤(pán)橫向運(yùn)動(dòng)速度直接受控于取苗手的取苗速度，苗盤(pán)根據(jù)取苗手即P1口發(fā)出的信號(hào)頻率，調(diào)整進(jìn)給速度.所以，當(dāng)取苗手取苗速度過(guò)高時(shí)苗盤(pán)，在沒(méi)有進(jìn)給到位時(shí)取苗手下一次取苗已經(jīng)開(kāi)始，導(dǎo)致了苗盤(pán)與取苗手之間的干涉，干涉嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)苗盤(pán)和取苗手造成不可逆的損傷。苗盤(pán)橫向運(yùn)動(dòng)由兩相步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠控制，步進(jìn)電機(jī)本身的性質(zhì)決定了轉(zhuǎn)速超過(guò)400r/min時(shí)，電機(jī)扭矩快速下降，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)丟步，影響控制精度。通過(guò)改變?nèi)∶缡秩∶缢俣?，測(cè)試其對(duì)苗盤(pán)運(yùn)動(dòng)的影響。

5.4 縱向苗盤(pán)輸送試驗(yàn)

苗盤(pán)的縱向運(yùn)動(dòng)頻率小于苗盤(pán)橫向運(yùn)動(dòng)的頻率，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，苗盤(pán)縱向移動(dòng)兩次。與橫向位移一樣，縱向移動(dòng)也是根據(jù)P1口發(fā)出的信號(hào)來(lái)調(diào)整苗盤(pán)的進(jìn)給頻率，通過(guò)控制拖拉機(jī)后輸出軸轉(zhuǎn)速來(lái)改變?nèi)∶缡秩∶缢俣?，測(cè)試其對(duì)苗盤(pán)運(yùn)動(dòng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了針對(duì)一種穴盤(pán)苗移栽機(jī)的苗盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了苗盤(pán)橫向與縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，提高了苗盤(pán)橫向與縱向的進(jìn)給精度，提高了取苗成功率； 系統(tǒng)整體獨(dú)立于移栽機(jī)取苗與栽植機(jī)構(gòu)， 不需要拖拉機(jī)后輸出軸提供動(dòng)力， 不僅可以配套裝備在新移栽機(jī)上，也可以裝備在現(xiàn)有移栽機(jī)上。

2)以苗齡60天的大螺絲Hydrid F1號(hào)辣椒苗進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：苗盤(pán)輸送控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)要求完成動(dòng)作，測(cè)得苗盤(pán)輸送系統(tǒng)在送苗速度55株/min時(shí)，苗盤(pán)輸送系統(tǒng)可靠性96.23%，平均位移誤差率4.77%。

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