輕便型溫室換盤移栽機設計與試驗

趙升燚,劉繼展,周 昕

(江蘇大學 現代農業裝備與技術省部共建教育部重點實驗室,江蘇 鎮江 212013)

0 引言

移栽是溫室育苗重要環節之一,自動化育苗已成為設施農業發展的必然要求[1-2]。溫室育苗環境復雜,由于生菜、番茄、辣椒、黃瓜等蔬菜幼苗生長周期不同,需移栽至不同規格穴盤中,勞動力占用極大、耗時耗力且移栽效率差,嚴重制約了我國育苗產業的自動化和標準化發展[3-6]。因此,溫室換盤移栽設備的研發對降低勞動者負擔和提高生產效率具有重要意義。

穴盤苗自動移栽是一種適合工廠穴盤苗生產的育苗移栽方式,山東、浙江、江蘇、上海等地大型農場育苗模式已由傳統人工變為自動化機器育苗移栽,大大提高了生產效率[7]。近年來,國內外對智能移栽裝備進行了大量研究,國外移栽機技術已經比較成熟,模塊式的開發方式可實現多組取苗爪同時作業,作業效率高,但成本也高。國內所研制的溫室穴盤苗自動移栽機存在定位精度不高、控制性能不穩定、智能化程度較低及穩定性差等問題[8-9]。

為此,自主研制了輕便型溫室換盤移栽機,對主要機構進行設計,對穴盤輸送定位裝置機構、多末端移栽機構、尺寸優化及集成性布局,并開展一系列驗證試驗,保證了高效率的移栽作業。

1 整體設計方案與工作原理

1.1 作業環境

如圖1所示,國內大型溫室育苗已逐漸采用標準規格的穴盤育苗模式,自動化移栽裝備也用到生產線上,只需少量的人工放盤、取盤,即可完成高效率的移栽作業[10]。

圖1 現代化溫室育苗Fig.1 Modern greenhouse nursery

目前,國內日光溫室大棚規格偏向于小型化,長度不宜大于100m,面積小于667m2為宜,與國外溫室規模相差甚遠,自動化作業普及程度更是遠遠不如[11]。同時,國外移栽設備與國內小型化的生產模式并不相符,價格昂貴,體積較大。因此,低成本、易操作的輕便型移栽機的研發可有效提高農戶的生產效率[12-13]。

1.2 總體方案與結構

輕便型溫室換盤移栽機主要由鏈式源穴盤與目標穴盤輸送定位單元、氣動多爪取放苗單元、交互式集成控制單元組成,三維結構如圖2所示。各單元均為模塊化設計,可實現機械與電路的快捷化拆裝,鏈式源穴盤與目標穴盤輸送定位單元、氣動多爪取放苗單元均為獨立的多滾輪移動式設計,大大提高了該機使用的輕便性。

1.顯示器 2.直線模組 3.多末端移栽機構 4.源穴盤輸送面 5.空壓機 6.伺服電機 7.控制柜 8.滾輪圖2 輕便型溫室換盤移栽機三維模型圖Fig.2 Three-dimensional model of an greenhouse sorting-tray transplanter

2 關鍵結構設計

在江蘇溧陽、金壇等地工廠化育苗場,進行了育苗品種、穴盤規格、育苗基質及育苗期等規格與換盤移栽作業需求的調研,本項目換盤移栽的對象為育苗期不同苗齡常見蔬菜與花卉穴盤苗,移栽作業時株高在80～120mm左右,如溫室主要栽培作物中需求量大的番茄、黃瓜及辣椒穴盤苗。根據作業對象特征及作業要求,對移栽機主要執行部件進行具體的結構參數設計。

2.1 氣動多爪取放苗單元

換盤移栽系統要實現自動化作業,需要移栽機構精確地將源穴盤里的移栽苗源移栽至目標穴盤里的空穴孔里,完成取苗、移送、放苗等動作,移栽機構直接決定了移栽的質量和效率,對集成換盤移栽系統至關重要。

2.1.1 現有多爪取放苗方案

多爪取放苗系統通常包括多套取苗爪和橫向水平輸送機構,為適應源穴盤和目標穴盤的穴孔距的差異,還需要加裝復雜的爪距擴展裝置,如圖3所示。爪距擴展裝置的增加導致水平輸送動作部件的復雜笨重,相應的水平承載輸送機構更加龐大,且系統的動作快速性能受到極大限制。

1.升降氣缸 2.取苗爪 3.電磁閥組 4.伺服電機 5.輸送模組 6.展合板圖3 現有多爪變距移栽機構Fig.3 Existing multi-claw variable distance transplanting mechanism

2.1.2 多爪間隔取放苗方案的提出

根據調研,換盤移栽中高密度盤與低密度盤的穴孔距通常存在定比關系, 50孔穴盤(5行10列)的穴孔距為105孔穴盤(7行15列)的1.5倍,如圖4所示。分別以105孔穴盤與50孔穴盤作為源穴盤和目標盤,提出了5爪間隔取放苗方案,即分別以源穴盤的3倍穴孔距間隔取苗、以目標穴盤的2倍穴孔距間隔放苗,實際爪距不變,從而避免了爪距擴展的復雜結構,實現了多爪取苗、水平輸送各環節的輕量化。

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2.1.3 多爪取放苗機構的結構輕量化

根據多爪間隔取放苗方案,開發了無爪距擴展裝置的定爪距5爪取放苗機構,由單氣缸實現5爪的同步升降。5爪開合分別由獨立微型氣缸控制,多爪可靈活配置,以適應不同規格穴盤的需要,并使移栽過程中的實時分選成為可能。機構的三維結構如圖5所示。

1.角碼 2.浮動連接座 3.滑塊 4.取苗爪 5.氣缸連接浮動接頭 6.直線導軌 7.鋁型材 8.筆形氣缸圖5 多爪取放苗機構三維模型圖Fig.5 Three-dimensional model diagram of multi-claw picking and placing seedling mechanism

2.1.4 多爪水平輸送機構的結構輕量化

由于多爪取放苗機構的輕量化,使多爪的水平輸送由單條的直線動作單元實現,如圖6所示。本設計采用了額定速度2.16m/s、動作行程1300mm的同步帶式直線模組,并通過750W交流伺服電機與多組光電限位開關,實現了多爪的高速水平輸送和精確定位控制,多爪加速度最大可達8m/s2。

1.多爪取放苗機構 2.模組工作臺 3.支撐橫架 4.直線模組 5.伺服電機圖6 水平輸送機構三維模型圖Fig.6 Three-dimensional model diagram of horizontal conveying mechanism

2.2 穴盤輸送定位單元

穴盤輸送機構的進給效果和精度直接影響到移栽成功率,作業時需源穴盤輸送機構將源穴盤中的穴盤苗不斷地輸送到取苗爪的取苗位置,并在取苗爪完成整排取苗后,使得源穴盤間歇進給一個穴孔中心距,進入下一個循環的取苗,目標穴盤輸送方式與此相同。從設計成本、合理性的角度考慮,將源穴盤輸送機構與目標穴盤輸送機構統一設計為一種穴盤輸送機構,然后對稱加工制作。

2.2.1 現有穴盤輸送定位方案

現有穴盤輸送定位系統由兩端喂盤取盤短距鏈傳動和長距帶輸送方式構成,造成整個傳送系統需3個伺服電機協調運動,控制復雜且作業線過長。同時,穴盤靠盤底與輸送面間的摩擦力實現長距輸送進給,易造成打滑而影響穴盤進給精度,如圖7所示。

1.喂盤區 2.皮帶輸送面圖7 現有穴盤輸送機構示意圖Fig.7 Schematic diagram of existing tray conveying mechanism

2.2.2 穴盤輸送定位機構輕量化設計

根據現有的移栽輸送機構,設計了一種長距鏈傳動推桿輸送機構,采用二級鏈傳動的方式,單個伺服電機即可實現穴盤的推進,壓縮輸送面長度且降低了電機數量,如圖8所示。

1.短鏈條傳動裝置 2.穴盤推桿 3.福馬腳輪 4.滾輪 5.長鏈條 6.從動軸 7.穴盤 8.導向板 9.導向板高度調節裝置 10.輸送面 11.主動軸圖8 穴盤輸送機構三維圖Fig.8 Three-dimensional schematic diagram of cavitation disk conveying mechanism

長距鏈輸送結構兩端各安裝有張緊裝置,調節長鏈條的張緊度,從而降低長鏈條高速傳動中的橫向振動;用調心球軸承的自動調心性補償鏈輪軸的不同心度和軸撓度造成的誤差,以保證鏈輪與鏈節滾子之間的嚙合效果,從而降低長鏈條傳動中的縱向振動,進而保證了長鏈條能平穩和精確地帶動穴盤推桿推動穴盤進給。

3 “輕便”控制系統設計

3.1 設計目標

針對移栽機控制對象較多、運動復雜、作業精度較高等問題,設計了一種輕簡型控制系統,即模塊化的程序框架,可實現伺服電機高精度運動、傳感器信號的采集反饋、氣動單元協調控制。設計目標為：

1)易操作。控制面板一鍵作業、一鍵急停操作,便于用戶控制。

2)全自動作業模式。取苗、輸送、栽苗、換行、換盤等無停歇自動作業。

3)精確運動、高效率作業。穴盤可精準間歇供給,多爪移栽模塊橫向、縱向運動精確定位,各模塊間協調運動。

4)能耗降低。電力與氣體消耗降低。

3.2 硬件設計

根據穴盤定位裝置及多末端移栽模塊輕便型結構設計,電機處負載遠遠減小,直線模組及輸送板選用750W松下伺服電機作為動力輸出源,功率遠小于荷蘭Visser溫室換盤移栽機電機功率,如圖9所示。

圖9 伺服電機Fig.9 Servo motor

由于傳統換盤移栽機需實現模擬量信號輸入、5～6軸運動伺服和超過20路氣動元件的集成控制,通常需由工控機、多軸運動控制卡、48路數字量輸入輸出卡構成龐大復雜的控制系統。通過輕簡化設計,移栽機動力元件數有效壓縮為3軸交流伺服和6路氣動,同時借助目前PLC集成脈沖、晶體管、繼電器輸出和多軸獨立脈沖控制的優勢[14-15],構建為基于多軸運動增強型PLC的小型化集成控制系統。因此,本機選用多軸運動增強型PLC作為主控制器,實現伺服電機精確運動、傳感器信號采集與反饋、氣缸開合等功能。在簡化控制系統硬件設計基礎上, PLC控制器的輸出口、輸入口數量也大大減少,如表1所示。

表1 PLC端口分配表Table 1 PLC port allocation table

3.3 軟件設計

整機控制系統包括伺服電機驅動脈沖信號、傳感器信號采集與反饋、電磁閥通斷控制,從而實現執行機構高精度協調運動。因此,設計一種應用于換盤移栽機的模塊化軟件,有利于樣機的開發與調試,模塊化軟件框圖,將整個移栽機軟件部分化為控制面板單元、穴盤輸送定位單元、水平輸送定位單元及氣動取放苗單元,分別按照設定的子模塊程序進行同步運動。控制系統原理框圖如圖10所示。

圖10 控制系統原理圖Fig.10 Control system schematic diagram

在移栽機硬件設計基礎上,圍繞幼苗種類、穴盤規格不同的問題,實現了多末端移栽模塊精確運動并停止在對應作業點。結合移栽機各結構參數,分析出移栽機各運動單元的先后作業順序,如圖11所示。

圖11 系統運動流程圖Fig.11 Flow chart of system motion

移栽機控制系統硬件基于PLC開發,軟件平臺集成伺服運動控制模塊。例如,DRVI指令輸出指定頻率脈沖數,用來實現穴盤逐行進給及換盤;PLSF指令輸出變頻脈沖,控制模組移送過程中加減速時間。根據移栽作業流程可知：控制單次移栽作業中電機的先后運動速度、距離,以及各氣缸進氣、出氣通斷時間,即可完成移栽機各執行機構的聯動協調。

4 樣機與驗證

4.1 樣機開發

根據移栽機整體機械結構設計及關鍵結構參數計算,完成了輕便型溫室換盤移栽機的開發,如圖12所示。為簡化整機框架結構及減小質量,選用標準工業鋁型材作為框架,質量小、承受力強。輸送板質量承受支架尺寸為40mm×40mm,整機質量承受支架尺寸為80mm×80 mm,皆為空心矩形管。同時,在此硬件結構上可進行檢測、分選、棄苗、補栽等功能模塊擴展,實現溫室分選-移栽-補栽系統集成式設計,滿足用戶功能擴展需求。

1.補栽機構 2.檢測裝置圖12 樣機實物圖Fig.12 Transplanting machine

將移栽機控制系統部件安裝在移栽機底部質量承受框架上方,有效利用了移栽機空間資源,整機采用電動、氣動兩種動力驅動方式。直線模組及輸送板處電機采用220V交流電源驅動,多末端移栽機構采用氣動驅動。樣機尺寸、質量、功率與荷蘭Visser公司(PIC-O-MAT PC21)型全自動換盤移栽機相比,尺寸縮小、能耗降低、結構簡化,樣機詳細參數如表2所示。

表2 樣機參數對比Table 2 Comparison of prototype parameters

4.2 驗證試驗

4.2.1 試驗背景與方法

2019年3月,在江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室,對樣機主要機構進行了精度誤差試驗,驗證作業精度是否滿足移栽作業要求,具體包括穴盤間歇進給精度試驗、多爪移栽機構作業精度試驗,以及加減速過程移栽機構振動性能試驗。

1)穴盤間歇進給精度試驗。源穴盤單次逐行需進給36.5mm,目標盤單次逐行需進給51mm,換盤均需進給665mm。PLC控制器發送設定距離的脈沖數,電機帶動推桿將穴盤進給相應的距離,輸送面上方導向板標記當前行穴孔中心位置;該行向前進給后重新標記,數顯游標卡尺測量兩處標記點的距離,與設定的運動距離進行對比,得出換行、換盤作業誤差,如圖13所示。對上述進給進行10次重復試驗,記錄每次誤差值。

圖13 穴盤間歇進給試驗Fig.13 Hole disc intermittent feeding test

2)多爪移栽機構作業精度試驗。直線模組在取苗區、栽苗區的光電限位開關用于控制多爪移栽機構在對應作業點停止。移栽機構在運動過程中依次在3處取苗點停止,進行取苗作業;依次在2處栽苗點停止,進行栽苗作業,如圖14所示。判斷模組在高速運動狀態下的作業點定位精度,是否可以進行完整地取苗、栽苗作業。

圖14 多爪移栽機構作業精度試驗Fig.14 Precision test of multi-jaw transplanting mechanism

圖15 加減速狀態試驗Fig.15 Acceleration and deceleration condition test

3)加減速過程移栽機構振動性能試驗。在勻加速/減速模式下,PLC控制器設定最大速度V,加減速時間t,電機達到不同的加減速狀態。5個取苗爪均攜帶有穴盤苗,驗證不同的加、減速度狀態下,苗坨是否會由于慣性在加減速過程中脫落。

4.2.2 試驗結果與分析

試驗結果表明：源穴盤換行作業平均誤差0.25mm,換盤作業平均誤差0.89mm;目標穴盤換行作業平均誤差0.31mm,換盤作業平均誤差1.09mm,滿足穴盤間歇進給作業要求。直線模組驅動多爪移栽執行機構速度可達1.5m/s穩定輸送,并精準停在對應的光電限位開關處,取苗爪可進行完整的取苗、栽苗作業;隨著直線模組速度的提高,取苗損傷率也隨著上升。

在模組加減速過程中,加速狀態下無明顯振動,取苗爪可穩定夾苗。減速狀態中,減速時間越短,振動幅度越大,在3m/s2減速時無明顯振動,無苗坨脫落情況;5m/s2減速振動明顯,并無苗坨脫落;8m/s2減速時振動強烈,發生苗坨下墜情況。

綜上所述,移栽機各執行機構可實現高速運動狀態下的協調性配合,作業精度誤差均在設計誤差范圍內,完全符合實際生產的需要。

5 結論

1)根據溫室育苗移栽機的結構和作業原理,分析了自動作業系統的需求,完成了移栽機結構的設計。

2)針對現有換盤移栽機的尺寸能耗等問題,對主要部件結構優化和作業區域集成化,機身尺寸為2930mm×2760mm×2060mm(長×寬×高),質量為800kg,實現了換盤移栽機的小型化及輕量化。

3)為驗證溫室換盤移栽機主要結構性能,進行了穴盤進給精度、移栽模塊運動精度、橫向輸送加減速狀態下夾苗穩定性等一系列驗證試驗。結果表明：自主設計的移栽機可以很好實現溫室穴盤苗的高速移栽作業需求。