植物工廠栽培板自動搬運裝置設計及試驗

周亞波 ，毛罕平，胡圣堯，徐賽超

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

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植物工廠栽培板自動搬運裝置設計及試驗

周亞波 ，毛罕平，胡圣堯，徐賽超

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

針對植物工廠采用多層栽培架培育果蔬、人工工作難度較大及自動化水平不高的問題，開發了植物工廠栽培板自動搬運物流系統裝置。該系統采用一種帶吊環的栽培板，導軌和機械手安裝位移傳感器，通過PLC實時采集位移傳感器發出的脈沖信息控制導軌和機械手進行坐標定位，完成叉板和放板動作。對搬運機構進行了定位誤差試驗，通過F檢驗證明速度對試驗誤差有顯著影響，同時根據試驗結果預測了搬運的最佳速度區間范圍。

植物工廠；栽培板；搬運；裝置

0 引言

近年來，植物工廠作為一種新型的生產方式出現，由于植物工廠設備投資大、耗電多，因此研究如何降低成本是植物工廠研究發展的趨勢[1]。實現生產過程的自動化有助于減少成本、提高生產率。北京通州植物工廠開發了一種自動移栽收獲機器人[2]，利用編碼器定位，PLC主從網絡控制。工作時，機器人采用氣動升降和氣動抓手裝置將栽培板從底側托起搬運到相應位置；雖然定位方式比日本神內植物工廠靈活，但只適用于單層栽培床栽培方式。東北農業大學權龍哲等人研發了一種物流化搬運機器人[3]，在栽培架之間過道鋪設導軌，機器人沿著導軌行走，采用滑切式搬運栽培板，但定位難度較大。

本文針對江蘇大學植物工廠的栽培車間，開發了植物工廠栽培板移栽收獲搬運物流系統，該系統利用拉繩位移傳感器定位，采用工業以太網RS485總線網絡控制。與北京通州植物工廠開發的移栽收獲機器人相比，系統定位靈活性更好，采用一種新型的栽培板搬運方式，使得空間操作范圍更廣，也降低了定位難度。

1 系統總體方案設計

1.1 系統總體結構及布局

導軌布置在栽培架上空，主要由相互垂直的靜軌和動軌組成。動軌運動方向與電動小車運動方向垂直，機械手安裝在導軌裝置上。將機械手提取輸送帶上栽培板時主梁與一端軌道梁的交點設為坐標原點位置，定義電動小車A運動方向為X軸方向，動軌運動方向為Y軸方向，機械手升降方向為Z軸方向，系統總體結構如圖1所示。

1.靜軌 2.動軌 3.機械手 4.栽培架 5.輸送帶裝置 6.電動小車A 7.電動小車B

1.2 系統功能分析

機械手的工作模式設定為“定位—取板—定位—放板”，所以搬運機構的工作任務就是通過動軌和電動小車A進行X和Y軸方向坐標定位，然后再通過機械手升降機構進行Z軸方向定位；機械臂叉起栽培板，然后再定位到預定的坐標點，實現機械手對栽培板的定點叉取和預定位置放置。

2 關鍵執行機構設計

2.1 機械手升降機構設計及分析

為了擴大空間作業范圍，提高果蔬的有效栽培面積，采用一種可升降的機械手對多層栽培系統栽培板進行搬運。由于栽培架有4層，每層高80cm，需保證升降行程不小于2.4m，選用一種長度40cm的桿件，采用10級的剪叉桿機構。對機構進一步運動學分析，機構運動分析如圖2所示。利用瞬心法求出剪叉桿活動端速度V與升降速度vB之間的關系。

圖2 剪叉升降機構運動分析簡圖

圖2中：F為絲桿的軸向力；v是剪叉桿活動端速度即絲桿進給的速度。已知B點的運動方向為垂直方向，D點運動為水平方向，故桿BD上B點的瞬時轉動中心為C點。

B點的升降速度為

νB=ω·2rcosα

(1)

桿BD的瞬心角速度為

D點運動速度為

(2)

其中，絲桿的進給速度ν=νD。

根據上式求出剪叉桿機構的升降速度，νB=ν·ctgα。

根據虛位移原理[4]對其進行受力分析，設在絲桿軸向推力F作用下的虛位移為dl，在起升荷載Q作用下的虛位移為dh，分別對上式兩端對α求導，得

dl/dα=-rsinα

(3)

dh/dα=20rcosα

(4)

由虛位移原理，得Q·dh+2F·dl=0，將聯立，可求得

F=-Q·dh/(2dl)=10Q·ctgα

(5)

試驗過程中1塊栽培板上有9棵生菜，經估算荷載Q=104.86N，由機構的兩極限位置估算得

15°<α<75°，0.27

因此，計算得到F的大小為283.122N﹤F﹤3 911.28N。

2.2 驅動機構設計

為了保證機械手能夠準確定位到各層栽培架高度，采用步進電機控制絲桿進給量，其結構如圖3所示。

1.步進電機 2.支座 3.滑塊 4.導桿 5.絲桿

假設絲桿勻速運行，絲桿的扭矩[5]計算得

Ta=(Fa·I)/(2×3.14×n1)

(6)

其中，Ta為驅動扭矩(N·mm)；I為絲杠導程(mm)；n1為進給絲杠的正效率。Fa為軸向負載，取n1=0.95，I=5mm。

由Ta=(F·I)/(2×3.14·n1)得

Tamin==237.28N· mm

Tamax==3277.98N·mm

由上述絲桿滑塊機構受力分析可得，步進電機的扭矩為

T=Ta/ηe

(7)

其中，ηe為絲桿滑塊機構傳動的總效率[6]，則有

ηe=η1η2η3

(8)

其中，η1為滑塊移動的效率；η2為聯軸器的傳動效率；η3為導軌不平行傳動效率。取η1=0.95、η2=0.95、η3=0.75，經計算步進電機所需的扭矩為T=4.85N·m選用86BYG250-98型步進電機，靜扭矩為6.0N·m。

2.3 機械手末端執行器及動作路徑

該末端執行器主要由電磁換向閥、微型真空泵和一對帶活塞桿的氣缸組成，結構如圖4所示。

1.電磁換向閥 2.軸承座 3.氣缸 4.微型真空泵 5.活塞桿

為了便于移栽和收獲，本系統采用帶吊環的泡沫板作為栽培板，收獲時，機械手采用可伸縮的機械臂，將栽培板從栽培槽上取出，其運動過程如圖5所示。

圖5 機械手取板運動過程

機械手有兩個機械臂，當需要從栽培架中栽培槽上取出栽培板時，兩根機械臂伸出分別穿過栽培板上的 4個吊環后，機械手垂直向上運動，使栽培板與栽培槽分離。

3 系統控制方案設計

在電動小車A和B上分別安裝有位移傳感器，用來測量其行程，電動小車A和B分別通過變頻器進行控制。電動小車B帶著動軌沿著Y軸方向行走，電動小車A與機械手一起沿著X軸方向行走，步進電機控制剪叉機構的收張來完成機械手的升降，剪叉機構上安裝位移傳感器以測量其升降行程。通過系統默認的距離值與傳感器的實測值比較，控制電動小車A和B與機械手升降機構的運動；系統采用PC作上位機，PLC作控制器進行控制，位移傳感器發出的脈沖信號通過PLC回饋給步進電機和變頻器，完成電動小車A和B以及機械手升降機構的定位。系統的定位結構如圖6所示。

圖6 坐標定位控制結構圖

基于TCP/IP協議的以太網通訊方式是面向對象的連接，PLC之間不存在主從關系，對系統進行擴展時僅需在對象層面對組態進行修改[7]。分別對PLC站點進行地址分配，建立一個局域網。系統上位機PC通過TCP/IP協議與搬運機構和輸送機構PLC站點連接，PLC通過RS485通訊連接現場傳感器等設備，通過上位機組態對各PLC站點進行順序控制，網絡結構如圖7所示。

圖7 系統網絡結構圖

4 試驗設計與分析

栽培板搬運工作是整個系統設計的核心，必須滿足機械手準確定位取板、高效搬運的作業要求，考慮速度與誤差之間的關系，對機構運動參數進行優化，并進行導軌平面定位和機械手升降定位的速度單因素試驗，驗證裝置的可行性。試驗裝置安裝如圖8所示。

圖8 系統裝置安裝圖

4.1 試驗方法

將搬運機構叉取和放置栽培板工位坐標作為參考點，將試驗參考點坐標(Xi，Yj，Zk)寫入到系統程序。試驗過程中，通過PLC實時獲取機構到達各個工位時XYZ軸坐標方向上的位移傳感器發出的脈沖數來確定實際到位坐標，比較搬運機構實際到位坐標與各個參考點的偏差η，進行控制模塊可行性分析。為保證試驗精度，拉繩位移傳感器的拉線應該保持直線方向。

(9)

導軌和機械手運動相對獨立，X和Y軸兩個方向允許誤差相差較大，而導軌電機運動差異性較小，因此試驗主要考慮Y軸定位誤差和Z軸方向定位誤差及交互作用對試驗結果的影響。

4.2 試驗結果分析

將試驗數據導入SPSS，取置信水平α=0.05，進行導軌速度單因素方差分析，得到F=5.69，P-value=0.0014，Fα(3，76)。由F>Fα(3，76)=2.725，P-value<0.01，所以速度對定位誤差的影響非常顯著。試驗結果如表1所示。由表1可知：定位誤差與速度具有一定的正相關性，導軌最優速度在0.2～0.3m/s之間。

表1 導軌定位誤差試驗數據表

將采集的數據導入SPSS得F=21.47，P-value=1.12E-07，Fα(2，57)=3.159，由F>Fα(2，57)=2.725，P-value<0.01，所以速度對定位誤差的影響非常顯著。機械手升降機構定位誤差試驗結果如表2所示，定位誤差隨著電機轉速的增加逐漸增大。

表2 機械手定位誤差試驗數據表

對導軌和機械手進行可重復雙因素的方差分析試驗，每個交互進行20次試驗，試驗結果如表3和表4所示。

表3 交互試驗平均誤差

表4 方差分析試驗結果

通過試驗結果F與Fα的比較，可以得到導軌速度(列)對試驗結果影響顯著，而周期(樣本)和交互作用對試驗結果影響不顯著。

由表3可看出：導軌速度達到0.3m/s時，平均定位誤差超過10mm。試驗過程將速度控制在0.3m/s，步進電機脈沖周期300ms，定位誤差最大為12.8mm，允許誤差范圍內的試驗次數達到91.7%。

5 結論

在對江蘇大學植物工廠果蔬移栽收獲工作任務分析的基礎上，對栽培板搬運物流系統裝置及基于PLC的控制系統方案進行了設計，同時對工作過程中機械手結構進行了運動學和力學分析。

在對栽培板運輸路線進行規劃后，對系統搬運機構導軌和機械手速度進行單因素可行性試驗，通過F檢驗，確定速度對試驗定位誤差影響顯著。為保證在允許的誤差范圍內，導軌速度控制在0.2～0.3m/s之間，步進電機的脈沖周期為100～300ms時搬運效率較高。要提高栽培板搬運效率，需要對搬運機構結構進一步優化。

[1] 毛罕平.設施農業的現狀與發展[J].農業裝備技術, 2007, 33(5):4-9.

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[6] 濮良貴，紀名剛.機械設計(8版)[M].北京：高等教育出版社, 2006.

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Design and Experiment on the Cultivation Plate Auto Transportation Device of Plant Factory

Zhou Yabo，Mao Hanping， Hu Shengyao， Xu Saichao

(Key Laboratory of Modern Agriculture Equipment and Technology，Ministry of Education，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

In view of the problem that the plant factory use shelves cultivating fruits and vegetables，the manual work is difficult and the automation is in low level，so the plate transplanting harvesting handling logistics system of plant factory is developed.The system uses a cultivation plate with the rings, a displacement sensor is installed on guide rails and mechanical hand, through the PLC get pulse information of displacement sensor at the real-time ,control coordinate positioning of the guide rail and the manipulator, so that it can fork and place. The positioning error test was carried out on the moving mechanism, and the F test proved that the speed have a significant effect on the test error. At the same time, the best velocity range of the handling was predicted according to the test results.

plant factory； transportation； transtation device

201-04-11

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD08B03)

周亞波(1990-)，男，湖南湘潭人，碩士研究生，(E-mail)18362886946@163.com。

毛罕平(1961-)，男，浙江寧波人，教授，博士生導師，(E-mail)maohp@ujs.edu.cn。

S238

A

1003-188X(2017)05-0135-05