整排移栽機“Π”型取送苗系統的設計與控制

崔財豪，曹衛彬，陳忠斌，曹會兵

（1.北京吉利學院汽車工程學院，北京102202；2.石河子大學機械電氣工程學院）

1 取送苗機構方案設計

末端執行器為單個缽苗的夾持機構，通過苗針擺轉實現夾放苗動作，完成缽苗的夾持和釋放；基本剪叉單元組成的分苗機構通過并聯方式增大機構在水平方向的擴展能力，實現末端執行器在水平方向上的聚攏和分散[1-2]，以此為基礎的取放苗機構僅可在固定位置實現缽苗的整排取放，無法實現整排末端執行器的水平定位，即無法確定取苗和放苗的實時位置。為此基于伺服電機和同步帶直線導軌設計了一種適用于整排自動移栽機的“Π”型取送苗機構，在缽苗夾持、釋放、聚攏和分散的前提下，實現機構的水平定位，完成缽苗的取送過程。

末端執行器為缽苗夾持機構，僅實現缽苗的夾持和釋放；分苗機構在夾持和釋放前調整缽苗的間隔定位，僅實現整排末端執行器的聚攏和分散（取苗時聚攏，放苗時分散）；末端執行器垂直方向的運動依靠取放苗機構來實現，將整排末端執行器插入基質或將缽苗整排取出；“Π”型取送苗機構實現了取苗定位、放苗定位和缽苗輸送：取苗前實現整排末端執行器的取苗定位（與各苗盤格成排對應），送苗時將缽苗從取苗位置輸送至放苗位置，放苗前實現整排末端執行器的放苗定位（輸送帶）。取送苗機構三維圖如圖1，將兩條同步帶模組平行放置，通過連接軸和聯軸器構成二維雙軌同步的“Π”型結構，使兩個滑臺同步實現機構的水平定位。

機構原理：取苗時，分苗機構呈聚攏狀態，“Π”型雙軌同步帶將末端執行器定位至待取苗盤某行正上方，取放苗機構下行將苗針插入基質中，末端執行器動作夾緊基質并將缽苗從苗盤取出，同步帶實現放苗定位，將缽苗送至放苗位置，此時分苗機構動作使缽苗分散，取放苗機構下行并釋放缽苗，至此完成單排缽苗的取送工作，重復執行并改變取苗和放苗位置即可完成整盤缽苗的取送。

動力選擇：苗格深度不變，使用薄型氣缸即可實現缽苗的夾取和釋放，苗盤尺寸不變，分苗機構使用迷你氣缸作為執行元件即可實現缽苗的分散和聚攏，同理末端執行器的上下行亦可使用氣缸來實現。而機構的水平定位精度要求較高，且行程不固定，故采用伺服電機為機構提供動力以提高其定位精度。

2 控制系統的構建

以PLC為核心控制器構建控制系統，分析其控制需求共用到伺服電機和氣缸兩種執行元件：PLC驅動伺服電機，進而驅動“Π”型二維雙軌實現送苗機構的水平定位；由于晶體管型PLC無法直接驅動電磁閥，故使用中間繼電器驅動電磁閥實現對氣缸的控制，進而控制整排末端執行器的開合、分苗機構的分散和聚攏以及取放苗機構的動作，另使用磁性開關改變氣缸的實際行程，使用接近開關提供位置反饋信息，系統框架如圖2。

系統共有11個執行氣缸，根據需求為其配備3個電磁閥：末端執行器共用1個電磁閥，取放苗氣缸共用1個電磁閥，分苗單用1個氣缸，另配備氣壓源、儲氣罐、三聯件、氣壓表、減壓閥和消聲器等構成氣動系統。系統共1個伺服電機，選用與之配套的伺服驅動器來實現機構的水平定位，各元件規格如表1。

缽苗的夾持和釋放（末端執行器）、缽苗的分散和聚攏（分苗機構）以及缽苗的取放（取放苗機構）均通過執行氣缸來實現。氣動驅動系統主要由空壓機、儲氣罐、氣動三聯件、電磁換向閥、節流閥、氣缸等組成：空壓機為氣動系統提供足夠流量和壓力的壓縮空氣，儲氣罐儲存氣體并穩定系統壓力，由過濾器、減壓閥和油霧器組成的氣動三聯件對壓縮的空氣進行處理[3]。減壓閥可實現各氣缸壓力的調節，氣缸均由二位五通電磁閥控制，并由節流閥調節速度，完成缽苗的取送工作[4]，氣壓驅動原理如圖3。

表1 控制系統硬件配置表

電控系統硬件電路由PLC、伺服電機、伺服驅動器、接近開關、磁性開關、中間繼電器、電磁閥、開關電源等組成。PLC通過伺服驅動器控制伺服電機實現整排機械手的水平定位，通過中間繼電器控制電磁換向閥實現缽苗的整排取送，編碼器、磁性開關和接近開關實現電機脈沖反饋、氣缸行程定位和原點定位，各按鈕實現對系統開始、終止、復位及手/自動轉換的控制，指示燈、警報器在程序運行有誤時提醒操作人員進行安全檢查，系統硬件電路接線如圖4。

整排取送苗系統適用于型號為16×8穴格的苗盤，孔尺寸為32 mm×32 mm。由于機構為8個末端執行器，故整排取送16次可完成整張苗盤中缽苗的取送工作，由于孔尺寸較小，機構的精度要求相對較高。

苗盤就位后系統開始工作，確定機構位置并檢查各輸出狀態，若有偏差或錯誤自行校正，正確初始狀態（機構位于水平原點位置、末端執行器位于頂部且苗針張開、分苗機構聚攏）確定后，先進行首行缽苗的整排取送：控制器確定取送苗行數，送苗機構將整排末端執行器正向移動至取苗位置，取放苗氣缸動作將苗針插入基質中，將缽苗整排取出并送至放苗區域（末端執行器運動軌跡為“Π”型），釋放缽苗后回原點，相應氣缸動作使機構與初始同狀態，至此第一行缽苗取送完畢。其余行的取送過程與首行類似，僅在水平定位有差別，關系如下：

其中l—該次定位與原點的位移；l0—首行與放苗（輸送帶）的固定位移；N—取送苗次數。

控制系統主程序如圖5。

3 試驗

選擇MPS-S-550MM-P的拉繩位移傳感器考察取送苗機構的水平定位精度，試驗前確保夾苗氣缸行程和壓力的處于最佳工作狀態，選擇穴盤苗格距的倍數（32 mm、64 mm、128 mm、256 mm、512 mm）做定位精度測試，每個行程進行5次試驗，結果如表2。

表2 水平定位精度測試

表2可以得出最大的定位精度誤差為1.16%，小于整排末端執行器水平定位所允許的最大相對誤差（1.25%），表明基于伺服電機的“Π”型二維雙軌送苗機構可以實現缽苗的整排水平定位。

4 結論

在末端執行器、分苗機構和取放苗機構可靠性滿足工作需求的基礎上，設計了一種基于伺服電機和同步帶直線導軌的適用于整排式全自動移栽機的“Π”型取送苗機構，并以PLC為核心控制器構建控制系統。

使用拉繩位移傳感器考察取送苗機構的水平定位精度，選擇穴盤苗格距的倍數做定位精度測試，得出最大的定位精度誤差小于整排末端執行器水平定位所允許的最大相對誤差，表明“Π”型二維雙軌送苗機構可以實現缽苗的整排水平定位。