整排穴盤(pán)苗移栽機(jī)取送苗裝置的設(shè)計(jì)與研究

馬 銳，曹衛(wèi)彬，任 玲，楊 萌，崔財(cái)豪

(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

新疆移栽方式以半自動(dòng)為主，主要通過(guò)人工投苗到栽植嘴的方式完成取送苗，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率不高，單行頻率小于40株/min[1-2]?，F(xiàn)有旱地自動(dòng)移栽機(jī)多為機(jī)械形式，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，易磨損[3]；取苗手取苗過(guò)程中，同時(shí)控制苗盤(pán)進(jìn)給送苗，存在取苗手運(yùn)動(dòng)與苗盤(pán)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制問(wèn)題[3-7]。韓綠化、毛罕平等[8]利用成熟的直線模組和無(wú)桿氣缸組合方法設(shè)計(jì)出自動(dòng)移栽機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境下的單末端執(zhí)行器有序移栽，移栽效果較好。胡建平等[9]設(shè)計(jì)整體間隔取苗、分散間隔放苗的溫室全自動(dòng)移栽機(jī)，移栽效率高，但成本較高，且不適于大田環(huán)境。韓長(zhǎng)杰等[6]設(shè)計(jì)基于PLC的氣壓驅(qū)動(dòng)穴盤(pán)苗移栽自動(dòng)取喂系統(tǒng)，穴盤(pán)步進(jìn)位移送苗，取苗機(jī)械手翻轉(zhuǎn)擺位取苗，系統(tǒng)取喂苗總可靠率較高，但機(jī)械手與苗盤(pán)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，增大了協(xié)調(diào)控制難度，氣缸振動(dòng)較大，定位精度難以保證[10]。本文提出一種整排夾持式穴盤(pán)苗自動(dòng)取送苗裝置，基于PLC控制，由步進(jìn)電機(jī)與氣缸聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，固定苗盤(pán)，由取苗手完成所有動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化取喂，大大提高移栽效率，降低了生產(chǎn)成本。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

整排夾持式穴盤(pán)苗移栽機(jī)取送苗裝置為二軸笛卡爾運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，采用龍門(mén)架機(jī)械手構(gòu)造，由機(jī)架、送苗機(jī)構(gòu)、整排取苗機(jī)構(gòu)、接苗帶、供苗臺(tái)及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。供苗臺(tái)與接苗帶固定于取送苗機(jī)構(gòu)兩側(cè)，苗盤(pán)置于供苗臺(tái)，整個(gè)取苗過(guò)程苗盤(pán)位置固定，接苗帶采用單排傳送帶構(gòu)成，將缽苗依次送入栽植機(jī)構(gòu)；由平移電機(jī)和升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)的送苗機(jī)構(gòu)完成取苗機(jī)構(gòu)由取苗位置到放苗位置的往返，由三組氣缸驅(qū)動(dòng)的整排取苗機(jī)構(gòu)在取苗位置夾取缽苗和在放苗位置釋放缽苗，整排取苗機(jī)構(gòu)1次夾取整排16個(gè)缽苗，往返8次完成對(duì)1個(gè)苗盤(pán)的取送苗。

1.機(jī)架 2.接苗帶 3.供苗臺(tái) 4.插入氣缸 5.升降軌道 6.平移軌道 7.平移電機(jī) 8.整排取苗機(jī)構(gòu) 9.送苗架 10.間距氣缸 11.升降電機(jī) 12.夾苗氣缸 13.控制箱 14.苗盤(pán)

整排夾持式穴盤(pán)苗移栽機(jī)取送苗裝置取送苗工作過(guò)程分析：

1)平移電機(jī)，升降電機(jī)將整排取苗機(jī)構(gòu)送至接苗帶正上方位置A，間距氣缸氣桿收回，夾苗氣缸氣桿收回，插入氣缸氣桿收回，取送苗裝置進(jìn)入初始狀態(tài)；

2)平移電機(jī)帶動(dòng)整排取苗機(jī)構(gòu)沿平移軌道運(yùn)動(dòng)至苗盤(pán)正上方位置B處；

3)升降電機(jī)帶動(dòng)整排取苗手運(yùn)動(dòng)至取苗位置C處，插入氣缸與夾苗氣缸動(dòng)作，整排取苗機(jī)構(gòu)完成整排對(duì)應(yīng)穴孔夾苗；

4)升降電機(jī)帶動(dòng)整排取苗機(jī)構(gòu)離開(kāi)取苗位置C到達(dá)苗盤(pán)位置正上方B；

5)平移電機(jī)帶動(dòng)整排取苗機(jī)構(gòu)平移運(yùn)動(dòng)到接苗傳送帶位置正上方A，同時(shí)兩間距氣缸動(dòng)作，帶動(dòng)各取苗末端執(zhí)行器向兩端散開(kāi)；

6)升降電機(jī)帶動(dòng)整排取苗手到達(dá)放苗位置D，夾持氣缸與插入氣缸歸位，整排取苗機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)接苗帶柵格放苗；

7)升降電機(jī)反轉(zhuǎn)整排取苗手到達(dá)初始位置，間距氣缸歸位，回到初始狀態(tài)，完成1次取苗動(dòng)作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與仿真分析

2.1 送苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

送苗機(jī)構(gòu)完成所有送苗動(dòng)作，將缽苗從取苗位置C沿路徑CBAD移送至放苗位置D，取苗位置C與放苗位置D位于同一水平面上，臺(tái)架初始位置為接苗帶正上方A點(diǎn)。依照上述設(shè)計(jì)原則，送苗機(jī)構(gòu)由平移輸送機(jī)構(gòu)和升降輸送機(jī)構(gòu)組成，平移輸送機(jī)構(gòu)由平移電機(jī)、平移軌道、齒輪組、平移傳動(dòng)軸、送苗架及齒輪齒條構(gòu)成，如圖2所示。

1.齒輪齒條 2.升降電機(jī) 3.同步帶 4.平移傳動(dòng)軸 5.升降傳動(dòng)軸 6.送苗架 7.取苗手支撐架 8.平移電機(jī) 9.齒輪組 10.平移軌道 11.升降軌道 12.鏈輪鏈條 13.升降滑塊 14.送苗定位傳感器 15.取苗定位傳感器

送苗架兩側(cè)上端與平移軌道上滑塊固定，平移傳動(dòng)軸兩端分別安裝齒輪齒條機(jī)構(gòu)，通過(guò)齒輪組將動(dòng)力傳遞給平移傳動(dòng)軸，帶動(dòng)送苗架在平移軌道上往返，完成由苗盤(pán)位置正上方B到接苗帶位置正上方A的間歇往復(fù)運(yùn)動(dòng)。垂直升降結(jié)構(gòu)由取苗支撐架、升降電機(jī)、升降傳動(dòng)軸、同步帶、升降軌道、鏈輪鏈條及升降滑塊構(gòu)成。升降傳動(dòng)軸兩端分別安裝鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)，升降滑塊與鏈條固定并可以隨鏈條運(yùn)動(dòng)完成升降，內(nèi)部的取苗支撐架兩側(cè)分別與相應(yīng)升降滑塊固定。升降電機(jī)通過(guò)同步帶驅(qū)動(dòng)升降傳動(dòng)軸，帶動(dòng)取苗支撐架沿升降軌道垂直升降，完成取苗支撐架在豎直方向上的間歇往復(fù)運(yùn)動(dòng)。1次送苗過(guò)程中，整排機(jī)械手需要完成1次往返，兩次升降。

2.2 整排取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，新疆辣椒采用的苗盤(pán)多為128穴(16×8)，穴孔上邊長(zhǎng)32mm，下邊長(zhǎng)14mm，高45mm，穴形呈近四棱臺(tái)形。接苗帶為單排傳送帶，傳送帶上安裝有隔板，與傳送帶兩側(cè)的擋板組成柵格，柵格中心距為52mm。整排取苗機(jī)構(gòu)帶有16個(gè)末端執(zhí)行器，采用同一控制對(duì)苗盤(pán)16穴孔1次整排取苗，將缽苗放入接苗帶對(duì)應(yīng)柵格中。

依照上述設(shè)計(jì)原則，整排取苗機(jī)構(gòu)由插入夾持機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器和定位滑軌機(jī)構(gòu)組成，如圖3所示。其中，插入夾持機(jī)構(gòu)由取苗支撐架、插入氣缸、插入控制桿、側(cè)安裝架、夾持控制桿及夾持氣缸構(gòu)成。插入夾持機(jī)構(gòu)由兩組氣缸驅(qū)動(dòng)，插入氣缸兩兩對(duì)稱(chēng)固定于取苗支撐架兩側(cè)，其氣桿與插入控制桿固定，夾持氣缸兩兩對(duì)稱(chēng)固定于側(cè)安裝架內(nèi)側(cè)，其氣桿與夾持控制桿固定。側(cè)安裝架外側(cè)穿過(guò)取苗支撐架與插入控制桿固定，其內(nèi)側(cè)固定夾持控制桿，夾持控制桿分上層桿、下層桿，兩層間留有間隙，下層桿中間部分鏤空，左右兩端與夾持氣缸氣桿固定。夾持氣缸驅(qū)動(dòng)夾持控制桿完成對(duì)整排多個(gè)末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)，插入氣缸帶動(dòng)整排末端執(zhí)行器在取苗位置完成插入穴孔動(dòng)作，在放苗位置氣桿收回，產(chǎn)生振動(dòng)，輔助缽苗下落。

定位滑軌機(jī)構(gòu)由間距導(dǎo)軌、間距滑塊、間距氣缸、間距氣缸安裝架及定位柵構(gòu)成。間距導(dǎo)軌和間距氣缸安裝架兩端分別與側(cè)安裝架固定，間距氣缸對(duì)稱(chēng)安裝在間距氣缸安裝架上，兩氣桿分別與定位柵兩端固定，間距滑塊依次固定在定位柵節(jié)點(diǎn)上，定位柵為平行四邊形結(jié)構(gòu)，可以隨氣缸驅(qū)動(dòng)改變滑塊間距，且滑塊間距相等。末端執(zhí)行器采用兩指鉗夾式結(jié)構(gòu)，由套筒、苗針、夾持連桿，控制桿組成；套筒與間距滑塊固定，套筒下部?jī)啥伺c分別與兩苗針上端鉸接，末端執(zhí)行器隨間距滑塊在間距滑軌上運(yùn)動(dòng)。夾持連桿上端為一圓臺(tái)，嵌入夾持控制桿上下層間隙中，中部細(xì)桿向下穿過(guò)套筒并在套筒正下方與苗針中部鉸接，控制桿推動(dòng)夾持連桿改變苗針傾斜角度完成夾苗放苗。

1.插入控制桿 2.插入氣缸 3.取苗支撐架 4.夾取控制桿 5.間距氣缸 6.控制桿 7.氣缸安裝架 8.滑塊 9.定位柵 10.滑軌 11.夾持氣缸 12.側(cè)安裝架 13.套筒 14.控制連桿 15.苗針

2.3 移栽動(dòng)平臺(tái)仿真分析

整排取苗對(duì)送苗機(jī)構(gòu)定位精度要求較高，基于ADAMS對(duì)移栽機(jī)平移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，分析不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的定位精度。將在SolidWorks中簡(jiǎn)化的模型倒入Adams中，添加相應(yīng)約束；對(duì)送苗平臺(tái)分別加以二次多項(xiàng)式、三次多項(xiàng)式等函數(shù)作為平移運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，對(duì)取苗手運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析；每個(gè)作業(yè)循環(huán)包括往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間及間歇時(shí)間，總計(jì)為6s。在ADAMS后處理模塊中調(diào)用仿真結(jié)果，以送苗架質(zhì)心為標(biāo)記點(diǎn)，生成送苗平移運(yùn)動(dòng)水平位移、速度、加速度曲線，如圖4～圖6所示。兩種不同驅(qū)動(dòng)方式下，對(duì)于位移變化影響不大，速度和加速度差異較為明顯。二次函數(shù)驅(qū)動(dòng)下，速度峰值較大且在峰值速度處出現(xiàn)尖點(diǎn)；三次多項(xiàng)式函數(shù)驅(qū)動(dòng)下，加速度峰值較大，在峰值處出現(xiàn)尖點(diǎn)。綜合速度與加速度曲線考慮，二次函數(shù)驅(qū)動(dòng)下加速度出現(xiàn)斷崖式變化，均保持在較高值；三次函數(shù)驅(qū)動(dòng)下呈現(xiàn)先增加后減少的變化規(guī)律，結(jié)合步進(jìn)電機(jī)矩頻特性，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高快速下降，速度較大時(shí)，三次函數(shù)驅(qū)動(dòng)下曲線加速度更小，速度變化更加平緩，更加適合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖4 取送苗裝置平移運(yùn)動(dòng)位移曲線Fig.4 Horizontal displacement curves of picking-up and delivering seedlings mechanism

圖5 取送苗裝置平移運(yùn)動(dòng)速度曲線Fig.5 Horizontal velocity curves of picking-up and delivering seedlings mechanism

圖6 取送苗裝置平移運(yùn)動(dòng)加速度曲線Fig.6 Horizontal acceleration curves of picking-up and delivering seedlings mechanism

3 控制方案及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成及硬件選型

針對(duì)所設(shè)計(jì)的取送苗裝置，送苗運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，由傳感器完成定位，整排取放苗采用電磁閥通斷控制結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)回路控制。硬件主要由PLC控制器、觸摸屏、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、插入控制電磁閥、間距控制電磁閥、夾取控制電磁閥、插入氣缸、夾取氣缸、間距氣缸及到位檢測(cè)傳感器等組成，如圖7所示。

圖7 硬件組成Fig.7 Hardware structure diagram of control system

PLC控制器采用三菱FX-2N32MR，輸入信號(hào)有13個(gè)，輸出信號(hào)有7個(gè)。輸入信號(hào)由電感式接近開(kāi)關(guān)及霍爾開(kāi)關(guān)組成，完成苗盤(pán)就緒檢測(cè)、接苗帶就緒檢測(cè)、取放苗位置檢測(cè)、持苗位置檢測(cè)，以及苗盤(pán)各行位置標(biāo)定。輸出信號(hào)由平移電機(jī)脈沖、平移電機(jī)方向控制信號(hào)，升降電機(jī)脈沖、升降電機(jī)方向控制信號(hào)和相應(yīng)氣缸電磁閥控制信號(hào)組成。其I/O端口定義如表1所示。

送苗機(jī)構(gòu)選型及定位：平移電機(jī)選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為57BYGH115，力矩2N·m，電流3A，步矩角1.8°，驅(qū)動(dòng)器 DQ-2HA860；升降電機(jī)選用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為86BYGH150，力矩12N·m，電流3A，步矩角1.8°，驅(qū)動(dòng)器DQ-2HA860。

表1 PLC端口配置表Table 1 Definition of I/O for PLC

苗盤(pán)就緒檢測(cè)和接苗帶就緒檢測(cè)采用LJ12A3-4-Z/BX三線常開(kāi)接近開(kāi)關(guān)傳感器，取放苗位置檢測(cè)和持苗位置檢測(cè)采用對(duì)射式傳感器HD-DS25CM-3MM，缽苗標(biāo)定采用霍爾式傳感器。缽苗在苗盤(pán)上行距較小，傳感器安裝位置較小且由于傳感器類(lèi)型相同易互相干擾，因此相鄰行采用極性相反的霍爾傳感器，以有效避開(kāi)干擾。傳感器安裝在平移軌道內(nèi)，安裝位置與苗盤(pán)缽苗每行位置標(biāo)定，磁鐵在滑塊對(duì)應(yīng)位置上。對(duì)應(yīng)苗盤(pán)8行缽苗在平移軌道上安裝有8個(gè)傳感器對(duì)取苗手位置進(jìn)行標(biāo)定；整排取苗手在升降軌道上對(duì)應(yīng)安裝有兩個(gè)傳感器，分別對(duì)取苗位置(接苗位置)及持苗位置進(jìn)行標(biāo)定。取苗苗機(jī)構(gòu)選型：插入氣缸選用TPM朝日氣缸TMAL32X50，間距氣缸選型TPM朝日氣缸TMAL32X150，夾持氣缸選型TPM TSDA32X15-B，電磁閥均選用兩位五通電磁閥BLCH4V210-08。氣動(dòng)系統(tǒng)圖如圖8所示。

1.氣壓泵 2 .過(guò)濾器 3.溢流閥 4.夾持氣缸 5.插入氣缸 6.間距氣缸 7.節(jié)流閥 8.電磁閥

3.2 軟件設(shè)計(jì)

苗盤(pán)與接苗帶就緒后，系統(tǒng)首先尋找初始位置A點(diǎn)，通過(guò)持苗位置到位檢測(cè)傳感器和接苗帶位置標(biāo)定傳感器到達(dá)初始位置，送苗動(dòng)作開(kāi)始；送苗機(jī)構(gòu)將整排機(jī)械手由A點(diǎn)沿路徑ABD送至取苗位置D點(diǎn)，待取苗動(dòng)作結(jié)束后，將整排機(jī)械手送回至放苗位置C點(diǎn)，完成放苗動(dòng)作；依次對(duì)8行缽苗取送，最終停止于初始位置。其控制程序流程圖如圖9所示。

圖9 控制程序流程圖Fig.9 Flow chart of control program

觸摸屏界面如圖10、圖11所示。取送苗裝置可工作于兩種模式下，即手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式可對(duì)取送苗裝置的每一種運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制，用于系統(tǒng)調(diào)試；自動(dòng)模式可完成對(duì)苗盤(pán)各行取苗。搭建并調(diào)試控制系統(tǒng)如圖12所示。

圖10 觸摸屏界面Fig.10 Touch screen interface

圖11 觸摸屏界面Fig.11 Touch screen interface

圖12 控制系統(tǒng)測(cè)試圖Fig.12 Test diagram of control system

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種整排夾持式移栽機(jī)取送苗裝置，苗盤(pán)位置固定，由電機(jī)和氣缸聯(lián)合驅(qū)動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)完成取苗送苗動(dòng)作，將穴盤(pán)苗由苗盤(pán)移至接苗帶。對(duì)移栽平臺(tái)進(jìn)行ADAMS仿真，獲得不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的位移、速度及加速度曲線，分析其對(duì)取苗定位精度的影響?；赑LC設(shè)計(jì)取送苗裝置控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)送苗的精準(zhǔn)定位及取送苗各機(jī)構(gòu)的同步協(xié)調(diào)控制，并搭建控制系統(tǒng)完成調(diào)試。