全自動移栽機輸送機構的設計

摘要：針對全自動移栽機的穴盤輸送和精確定位問題，設計了可適應不同規格穴盤的自動輸送機構。通過PLC控制系統控制步進電動機，實現穴盤苗的精確定位和輸送。機械手、輸送機構和栽植機構在控制系統作用下相互配合，完成自動移栽。最后進行了穴苗盤自動輸送機構的性能試驗，驗證了穴盤輸送機構的合理性。

關鍵詞：輸送機構；定位平臺；全自動移栽機

中圖分類號：S223.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）15-3995-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.049

Abstract： According to the hole tray conveying and precise positioning of full automatic transplanter， an adaptive different size hole tray automatic transport mechanism was designed. The transport mechanism realized the hole tray seedling of precise positioning and transport by PLC control of stepping motor. Manipulator， transport mechanism and institutions planting cooperated with each other in control system to complete the automatic transplanting. Finally， the performance experiments were carried out， the hole tray transport mechanism is verified for its rationality.

Key words： transportation mechanism； positioning stage； full automatic transplanter

隨著設施農業的蓬勃發展，蔬菜育苗技術因具備出苗率高、移栽后病蟲害少、緩苗期短、省時、省工等優點，受到了蔬菜栽植業者的歡迎[1，2]。缽苗移栽機可延長穴盤苗的生育期，抵御不利氣候對幼苗的影響，從而提高穴盤苗移栽的成活率[3-5]。近年來使用較為廣泛的缽苗移栽機有鏈夾式、導苗管式和吊杯式等[6，7]，這些移栽機主要實現半自動移栽，移栽作業中是借助人力將穴盤苗投入到送苗體系，制約了穴盤苗的移栽質量，不符合現代智能農業的發展趨勢[5，8，9]。而缽苗自動移栽機的開發能夠滿足從取苗、輸送到栽植的自動化，大大節省了勞動成本，提高了移栽質量，已成為蔬菜移栽發展的必然趨勢[10]。

筆者通過對自動移栽技術進行研究，開發出基于PLC的自動取苗機械手，能夠較好地完成自動取苗[11]。在此基礎上開發出與機械手相匹配的穴盤輸送機構，應用PLC控制技術準確地實現穴盤苗輸送、投苗及栽植等作業，實現穴盤苗的自動化移栽，對今后開展全自動移栽機的研發提供理論參考。

1 穴盤送苗機構的設計

1.1 穴盤的選擇與設計要求

穴盤輸送機構的設計核心是應用PLC控制系統實現穴盤苗的精確定位，作業時保持移栽機械手的位置不變，將穴苗盤及時、準確地送至取苗機械手的取苗點。因此送苗機構的設計須考慮到穴盤的選擇和取苗機械手的位置要求，選取穴盤的外形尺寸為280 mm×210 mm，穴苗盤放置為3×4穴。穴口大小為55 mm×55 mm，穴深60 mm。步進輸送機構針對不同穴距的穴盤，其設計滿足以下條件：①穴盤由步進電機帶動，實現單向步進輸送；②基于PLC控制的步進電機的輸送步長可調，可以滿足不同尺寸穴盤的要求；③穴盤在Y方向做間歇進給運動，首先沿X方向取出穴盤苗，然后沿Y方向前進一格，同時沿X方向換向移動；④苗盤的限位及定位感應元件相對位置可調，以實現不同規格穴盤的同步定位。

1.2 穴盤送苗機構的結構和工作原理

全自動移栽機穴盤苗移栽機的結構如圖1所示，主要包括機架、取苗機械手、輸送機構、PLC控制系統及栽植機構等。移栽機工作時，穴盤送苗機構在二維定位平臺的控制下移動到取苗點，取苗機構在PLC控制下完成一次取苗，取苗機構和穴盤定位平臺相配合依次完成送苗、投苗動作，取苗機構將穴盤苗送到栽植機構完成移栽。

穴盤送苗機構由定位平臺與機械手組成，其結構如圖2所示。穴盤送苗機構是在步進電機的帶動下通過PLC控制穴盤橫向、縱向的精確定位，將穴盤苗及時、準確地輸送至取苗點，然后通過取苗機械手將穴盤苗夾持取出完成自動化移栽。穴苗盤輸送機構由兩個一維線性模組構成二維定位平臺，在步進電機驅動下定位平臺帶動穴苗盤沿X、Y兩個方向精確定位，保證穴苗盤的準確送苗，定位速度快，系統重復性好。穴盤定位平臺由動力元件、傳動鏈、十字交叉導軌和滾珠絲杠平臺等組成，穴盤固定在錐形托盤內，托盤與交叉導軌上的連接法蘭固定。傳動鏈將動力從動力元件轉換為滑塊，電動機的輸出通過行星減速器傳動滾珠絲桿先旋轉運動起來，它把旋轉運動轉變成了直線方面的運動，從而帶動滑塊在滑軌上移動，并帶動穴盤移動。

1.3 關鍵參數的確定

1.3.1 二維定位滑臺尺寸 穴苗盤輸送機構是通過PLC控制二維定位滑臺精準運動至機械手的固定取苗點，當機械手完成取苗時，定位滑臺在步進電機的帶動下向前移動一個穴孔，如此循環反復進行，直至整個穴盤苗全部取完。

定位滑臺尺寸的確定要依據機械手的位置、穴盤的尺寸和取苗速度的要求而定，如圖3所示。定位十字滑臺的中心應能滿足當穴盤到達取苗終點時候與機械手不發生干涉，并保證機械手能夠準確地夾持穴盤苗并取出，完成自動化移栽。十字交叉導軌的缸體長283 mm，行程長150 mm，馬達標配100 W，輸出軸徑8 mm。定位滑臺的導軌行程長根據穴盤的尺寸大小來選擇行程長應能夠保證穴盤在縱向和橫向進給的最大長度要求，并且穴苗盤不會和機械手發生干涉。根據PLC程序，機械手從穴盤的初始位置依“S”形走完整個穴盤，當取苗完成后，為了補償步進電機中間取苗的丟步，穴盤運動到接近開關的位置程序使得穴苗盤回到取苗的初始位置。

1.3.2 接近開關的位置 在機械手取苗完成后，為了補償步進電機中間取苗的丟步，在十字導軌的X、Y方向上各固定一個接近開關，當穴盤運動到接近開關的位置時，接近開關被觸發，向系統發出信號，編碼器反饋，確保穴盤回到取苗的初始位置。接近開關的作用主要有兩點：①前1排穴盤苗頂完時，被接近開關感應，進入下一穴盤苗；②當機械手完成一個穴盤的取苗時，返回起點的過程中觸發接近開關，即可保證穴盤正確感應定位。對于不同規格的穴盤，改變接近開關的位置，可保證正確感應定位。

1.3.3 輸送機構的電動機選型 電動機的選型應從二維定位滑臺和穴盤的輸送速度要求這兩個方面來選擇。穴盤苗輸送速度45 mm/s，最大負載3 kg，步進電機速率為14. 659 7 r/min。步進電動機和減速機配合使用，選用的步進電動機型號為DB2204MA，其電壓為DC 6～36 V，驅動電流為0～1.5 A/相，最高的反應頻率為200 kpps，線圈電流在步進脈沖停止并且超過100 ms時會自動減小一半。電動機的選型以適應二維定位滑臺的移動速度為依據，各參數的選擇應保證定位平臺的送苗輸送速度。

2 輸送機構的自動控制系統及流程

輸送機構的自動控制系統是實現取苗機構與穴盤輸送機構配合完成自動化移栽的系統，PLC系統包括接近開關、PLC編程系統、送苗步進電機、限位開關、電磁閥等。PLC取苗機構在氣動元件驅動下完成取苗動作，并按編程信息實現對輸送機構的控制，通過行程開關實現送苗機構的準確定位。在全自動移栽機輸送機構中，通常選用步進電動機驅動定位滑臺移動，而閉環控制系統則是由驅動機構和行程開關、限位開關組成。該全自動移栽機輸送機構應用PLC編程進行調節，簡單閉環步進定位系統的基本框圖如圖4所示。

控制系統通過PLC控制穴苗盤的輸送，調節穴盤輸送的行程，以適應不同規格的苗盤，控制系統的工作流程如圖5所示。啟動前，設定a、b、n數值，穴盤先橫向移動，直至第1排穴孔全部取苗，同時PLC控制電磁閥使機械手完成取苗，取苗的時間即為穴盤輸送間隔時間；接著縱移一格，并計數1次；如此反復直至最后一個穴盤苗被取出（a×b），此時計數為n-1次，穴盤中的苗株全部取出。穴盤輸送至接近開關時，接近開關觸發，給系統一個信號，保證穴盤復位到取苗初始位置。

3 穴盤輸送機構的試驗及結果

針對全自動穴盤苗移栽機的輸送機構定位的準確性，在江蘇省現代農業工程裝備中心進行了驗證試驗。預先設定PLC發出的編碼器脈沖，在控制程序中輸入暫停功能，工作時，步進電機啟動，穴盤運動到設定步長后，由定位傳感器產生信號，PLC停止發送脈沖信號，輸送暫停，這時測量穴盤前進距離；測量完成后，繼續運行程序；電機驅動穴盤再運動到設定步長，如此循環。在預先設定的脈沖數下測量10次步長的距離，將步長數據記錄下來，根據這些數據計算步長距離的標準差、平均值和穩定性系數，如表1所示。由表1數據分析可知，穩定性系數均大于99%，證明該穴盤輸送機構具有較高的穩定性，理論步長稍小于實際步長，但滯后距離小于阻尼缸，并且比較固定。

4 小結

設計了全自動移栽機的自動輸送機構試驗臺，該機構由PLC程序控制，步進機驅動苗盤，通過編碼調節脈沖數，適應不同規格的穴盤，實現了穴盤的準確定位及精確輸送。進行了穴盤輸送機構試驗臺的精確輸送試驗，試驗結果表明，該輸送試驗臺能夠自動進行取苗、送苗及投苗的試驗，驗證了該輸送機構的合理性及定位控制的穩定性。

參考文獻：

[1] 張振國，曹衛彬，王 僑，等.穴盤苗自動移栽機的發展現狀與展望[J].農機化研究，2013（5）：237-241.

[2] 王培培，李冠峰，劉小文，等.我國農業機械化經營模式的分類研究[J].農機化研究，2013（4）：245-248.

[3] 董 微，周增產，卜云龍，等.穴盤苗自動移栽機研發與應用[J].農業工程，2014，4（4）：120-124.

[4] 金 鑫，李樹君，楊學軍，等.蔬菜穴盤苗取苗機構分析與參數優化[J].農業機械學報，2013，44（S1）：1-6.

[5] 盧勇濤，李亞雄，劉 洋，等.國內外移栽機及移栽技術現狀分析[J].新疆農機化，2011（3）：29-32.

[6] 武 科，陳永成，畢新勝.幾種典型的移栽機[J].新疆農機化，2009（3）：12-14.

[7] 俞高紅，劉炳華，趙 勻，等.橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗自動移栽機構的運動機理分析[J].農業機械學報，2011，42（4）：53-57.

[8] 張 冕，姬江濤，杜新武.國內外移栽機研究現狀與展望[J].農業工程，2012，2（2）：21-23.

[9] 董 哲，李樹君，顏 華，等.變步長穴苗盤精準步進輸送的研究與試驗[J].農機化研究，2014（11）：91-94.

[10] 張會娟，胡志超，吳 峰，等.國內育苗移栽機械概況與發展思考[J].江蘇農業科學，2010（6）：570-572.

[11] 王艷莉，劉永華，于 泓.穴盤苗自動取苗機械手的設計與仿真試驗研究[J].江蘇農業科學，2015（6）：409-412.