自動化穴盤育苗移栽機的設(shè)計與試驗

胡 越,王志明,張 合

(南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

0 引言

育苗移栽可提高農(nóng)作物生育期,有效提高社會效益和經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的移栽設(shè)備工作效率較低,限制了經(jīng)濟效益的增加。穴盤育苗移栽機的使用,可以縮短育苗周期,代替手工移栽,降低勞動強度,提高生產(chǎn)效率,進一步提高農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化、工廠化和自動化[1]。日本研制出了純機械式移栽機,但傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計繁瑣,主要依靠凸輪等機械的曲面輪廓完成取苗動作,作業(yè)精度較低,難以適應(yīng)育苗基質(zhì)不同的育苗。意大利研制出的自動移栽機采用氣動方式移栽育苗,但難以解決氣動系統(tǒng)振動較大的問題,定位精度低。我國研制的移栽機是20世紀80年代的半自動式蔬菜移栽機,大多采用人工分方式栽植育苗,人力成本高,勞動強度較大,栽植速度較低[2-4]。

為此,針對國內(nèi)穴盤育苗移栽的現(xiàn)狀,綜合分析對比了國內(nèi)外機械化及自動化移栽機的優(yōu)缺點,設(shè)計了基于CoreXY運動結(jié)構(gòu)和同步帶傳動的自動化穴盤育苗移栽伺服控制平臺。工作時,PLC控制伺服電機驅(qū)動同步帶傳動,使移栽機械手到達育苗上方指定位置,隨后用氣動元件驅(qū)動機械手完成抓/放苗的移栽作業(yè),提高了種苗效率,降低了移栽成本,實現(xiàn)育苗的高效移栽,提高了經(jīng)濟效益。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理

穴盤育苗移栽機主要由伺服驅(qū)動端、十字同步帶傳動端、育苗移栽端和穴盤輸送端等部分組成,如圖1所示。

1.穴盤輸送端 2.伺服驅(qū)動端 3.育苗移栽端 4.十字同步帶傳動端

區(qū)別于傳統(tǒng)在X和Y方向各采用兩臺電機協(xié)調(diào)驅(qū)動的XY移栽平臺,通過借鑒并優(yōu)化3D打印機中CoreXY機構(gòu),即采用單根同步帶作為傳動介質(zhì),僅采用兩臺伺服電機進行驅(qū)動,通過組合兩臺電機不同的旋轉(zhuǎn)運動方式,實現(xiàn)取/放苗機械手在空間XY方向的移動[5]。

1.1 伺服驅(qū)動端

伺服驅(qū)動端主要由西門子1FK7060-2AC71-1FH1-Z J05伺服電機、7:1減速機、BF2型梅花聯(lián)軸器和西門子S7-200 CPU224CN系列PLC組成。其中,伺服電機、配套減速機和PLC作為輸入控制端,采用AF型30齒數(shù)的同步帶輪和8M-HTD型號同步帶(節(jié)線長840mm)傳遞動力到十字同步帶傳動。

1.2 十字同步帶傳動端

十字同步帶傳動端主要由AF型同步帶輪(齒數(shù)30,內(nèi)孔25mm),8M-HTD圓弧同步帶(帶寬30mm,節(jié)線5728mm),AF型張緊輪(內(nèi)孔10mm),直線運動模塊(豎直方向:上銀HGR20R螺栓上鎖式直線導軌和HGW20CC法蘭型滑塊;水平方向:HGR25螺栓上鎖式直線導軌和HGW25CC法蘭型滑塊)組成。

傳動原理:借鑒3D打印機中的運動結(jié)構(gòu)[6],如圖2所示。圖2中,ΔA為左側(cè)伺服電機位移(mm),ΔB為右側(cè)伺服電機位移(mm)。

1.左側(cè)伺服電機 2.左側(cè)同步帶 3.左側(cè)同步帶 4.負載重物 5.右側(cè)同步帶輪組 6.右側(cè)同步帶 7.支撐架 8.右側(cè)伺服電機

此機構(gòu)運動方程中負載重物的X、Y軸位移和電機位移的運動關(guān)系可分別表示為

(1)

ΔA=ΔX+ΔY,ΔB=ΔX-ΔY

(2)

式中 ΔX—負載重物的橫向位移(mm);

ΔY—負載重物的縱向位移(mm);

ΔA—左側(cè)伺服電機位移(mm);

ΔB—右側(cè)伺服電機位移(mm)。

由于單根同步帶的節(jié)線長度不變性,左右兩側(cè)電機同向旋轉(zhuǎn)時,機械手在X軸方向移動;兩臺電機反向旋轉(zhuǎn)時機械手在Y軸方向移動。由于采用兩臺電機進行驅(qū)動,相比較于單軸電機的驅(qū)動方式[7],平攤減輕了電機的負載,降低了同步軸對扭矩、跨度和剛度的要求;相比較于XY方向分別采用兩臺電機的四軸驅(qū)動方式[8-9],大大優(yōu)化了控制系統(tǒng)的復雜度,降低了對各軸電機的協(xié)調(diào)控制要求,從機械結(jié)構(gòu)和控制方式上對傳統(tǒng)移栽機進行了優(yōu)化。

基于CoreXY運動結(jié)構(gòu)設(shè)計的十字同步帶傳動端(見圖3),整體傳動端采用單根開口同步帶,從左端同步帶輪和右端同步帶輪接入開口同步帶,經(jīng)過中間的鏈接板上的4個張緊輪張緊同步帶,豎直同步帶輪通過豎直方鋼管上的開口槽可以調(diào)節(jié)同步帶張進程度,保證機構(gòu)緊密性及較小傳動誤差。同步帶在下方同步帶壓板處被壓緊,實現(xiàn)開口同步帶的固定[10],優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.同步帶壓板 2.水平導軌 3.左端同步帶輪 4.左伺服電機 5.張緊輪 6.豎直同步帶輪 7.豎直方鋼管 8.開口槽 9.鏈接板 10.右伺服電機 11.右端同步帶輪 12.同步帶

根據(jù)CoreXY運動結(jié)構(gòu)原理,左右伺服電機順時針旋轉(zhuǎn),育苗移栽端在X方向移動;逆時針旋轉(zhuǎn)組合,其在Y方向移動。因此,僅通過兩個伺服電機的協(xié)調(diào)運動即可實現(xiàn)育苗移栽端在空間上的移動。

1.3 育苗移栽端

育苗移栽端主要由筆形氣缸、亞德客4V110-06-A-I型三位五通出線式電磁閥、雙夾片式移栽機械手和機械手組成,如圖4所示。

橫移調(diào)節(jié)板上設(shè)有弧形槽,可以調(diào)節(jié)機械手固定板的傾斜角度,從而滿足實際的育苗移栽作業(yè)條件。直線運動模組和齒輪齒條模塊裝配到一起,機械手固定板上裝配有步進電機和雙夾片式移栽機械手。

步進電機驅(qū)動齒輪齒條模塊傳動,通過直線運動模組,機械手可做縱向直線運動,到達育苗盤的上方位置;之后,筆形氣缸驅(qū)動機械手在豎直方向上完成抓取和釋放育苗。

1.育苗盤 2.橫移調(diào)節(jié)板 3.筆形氣缸 4.步進電機 5.機械手裝配板 6.齒輪齒條模塊 7.直線運動模 8.雙夾片式移栽機械手

1.4 穴盤輸送端

穴盤輸送端主要由西門子1FK7015直流電機及減速機、鏈齒輪及配套鉸鏈、到位傳感器、穴盤U型支撐板、育苗盤組成,如圖5所示。穴盤輸送端采用直流電機和鏈輪傳動,以540mm為一段間隔在鏈節(jié)前后兩端設(shè)置穴盤推桿,直流電機驅(qū)動鏈輪傳動,鏈節(jié)上的穴盤推桿推動盤在穴盤頂板上做直線運動,穴盤推桿可以較大程度地減弱因皮帶打滑對育苗移栽精確度的影響,提高移栽機械手的移栽效率[11-12]。

1.直流電機及配套減速機 2.鏈輪 3.鏈節(jié) 4.穴盤推桿 5.穴盤 6.穴盤限位板 7.穴盤架 8.穴盤頂板

2 運動控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)綜述

伺服電機驅(qū)動器傳遞旋轉(zhuǎn)信號給伺服電機,內(nèi)置的旋轉(zhuǎn)編碼器對電機旋轉(zhuǎn)反饋控制,電機驅(qū)動十字同步帶傳動端,帶動育苗移栽端中的機械手在穴盤上方做橫縱向往復運動,機械手在穴盤移動方向上由近至遠一次抓取育苗。機械手通過到位傳感器從初始標記點上方開始作業(yè),每次按列取苗,傳感器的標記到位信號重新對機械手空間定位,盡可能較小累計誤差,從而確保機械手的定位精度[13]。機械手采用兩指夾鉗式抓取育苗,筆形氣缸驅(qū)動機械手縱向下移、出針、苗針機械抓緊和上移4步完成取苗動作;放苗動作由機械手針頭的張開和縮回兩步完成。

穴盤移栽端步進電機驅(qū)動鏈條,鏈條間的穴盤推桿橫向推動穴盤做橫向間歇式直線進給運動。鏈條模塊橫向按列進給1次穴盤,通過傳感器標記穴盤停靠位置,傳遞給上位機,等待運動控制信號實現(xiàn)育苗的識別和后續(xù)抓取操作[14]。

上位機基于OPENCV機器視覺庫構(gòu)建了育苗圖像收集與運算系統(tǒng)。當機械手進行抓苗操作時,搭載的攝像頭拍攝收集育苗圖像,傳遞給上位機進行分析運算。若判定為劣質(zhì)苗,則氣動控制機械手丟棄;若為正常苗,則當育苗運動到苗盤上方時,機械手氣動松開,育苗進入苗盤坑,完成移栽操作[15-16]。

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

運動控制系統(tǒng)主要由西門子PLC運動控制器、電機旋轉(zhuǎn)編碼器、伺服電機、配套減速器、機械手位置識別傳感器、育苗盤到位傳感器、鏈節(jié)驅(qū)動步進電機、機械手行程開關(guān)、筆形氣缸、氣功電磁閥和兩夾片式機械手組成[17]。控制系統(tǒng)的電氣接線圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)電氣接線圖

采用西門子S7-200型號的CPU224CNPLC控制器,伺服電機選用西門子1FK7060-2AC71-1FH1-Z J05型號的永磁同步交流伺服電機和配套7:1減速機,穴盤電機選用西門子1FK7015直流伺服電機,編碼器選用歐姆龍的E6B2-CWZ5C增量式編碼器。西門子S7-200PLC控制器通過I/O口依次輸出電機驅(qū)動脈沖信號、穴盤輸送端傳感器到位信號、筆形氣缸行程信號,穴盤端和伺服驅(qū)動端的電機接受PLC脈沖信號完成運動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制[18-19]。筆形氣缸選用亞德客4V110-06-A-I型三位五通出線式電磁閥,通過PLC輸出信號給繼電器完成控制,當各端機械手完成穴盤最后1列的取苗操作時,蜂鳴器報警,提示補給穴盤[20]。

2.3 驅(qū)動電機控制參數(shù)整定

西門子PLC控制器含有運動控制模塊,可以調(diào)用MAP模塊庫定位電機運動位置。通過調(diào)用Q0_X_CTRL模塊設(shè)計電機開/關(guān)頻率(VSS)、最大加速時間(ADT)和最大頻率(VM)等限定電機運動狀態(tài),通過Move模塊設(shè)定電機旋轉(zhuǎn)方向、運動步數(shù)(N)和初始轉(zhuǎn)速(V)[21]。

驅(qū)動端伺服電機運動參數(shù)設(shè)計:根據(jù)控制平臺限定的移栽速度,設(shè)定VSS=60Hz、VM=15 000Hz、ADT=0.080s。

取36株/(min·行)為育苗移栽速度,兩個雙夾片式機械手協(xié)調(diào)完成取/放苗,設(shè)定周期Ts=2.0s。由于移栽端豎直下行、機械手出針、加緊、移栽端豎直上升、機械手松開和收針6個動作需要按順序依次完成,預留每個動作時間為0.1s,機械手單程移栽育苗的行程時間Tsg=0.60s,則

(3)

式中Nmax—負載重物橫向位移(mm);

Lmax—單次最大行程(mm);

Dz—同步帶輪中徑(mm);

Nl—旋轉(zhuǎn)編碼器線數(shù)(個)。

取Lmax=400,Dz=22,Nl=900,由此計算可得Nmax=5208mm,則

(4)

式中Nmax—負載重物橫向位移(mm);

Tsg—機械手單行程時間(s);

V—電機頻率 (Hz)。

由此計算取電機頻率V=1015Hz。

移栽端步進電機運動參數(shù)設(shè)計:根據(jù)控制平臺限定的穴盤傳輸速度要求,取VSS=60Hz、VM=15 000Hz、ADT=0.15s。電機單次進給穴盤行程為50.0mm,橫向進給1列和1個穴盤的行程為450mm,則

(5)

式中L—穴盤進給行程(mm);

φ—步進電機步距角,取0.20°;

Dl—驅(qū)動鏈輪和從動鏈輪中徑(mm)。

取Dl=75.6mm,φ=0.20°,則

(6)

式中V—電機頻率(Hz);

N—步進電機脈沖數(shù)(個);

T—電機運行時間(s)。

由此計算可得:單次進給穴盤時,N=379,V=260Hz;進給1列和1個穴盤時,N=3 410,V=2 352Hz。

3 移栽試驗與結(jié)果

3.1 試驗條件

移栽試驗選在南京市玄武區(qū)南京理工大學機械工程學院,由于穴盤通過步進電機在穴盤頂板上進給,可以在室內(nèi)進行試驗,以保證試驗地勢平坦。試驗溫度為27℃,試驗采用540mm×280mm×40mm (長×寬×高)的4×8孔育苗盤,育苗選用15天的西紅柿苗。苗盤縱向間距設(shè)定為300mm,橫向間距設(shè)定為400mm,移栽平均速度保持在1m/s左右。試驗現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 育苗移栽試驗圖

3.2 試驗方法

試選取3個型號尺寸為2 500mm×400mm×126mm (長×寬×高)的U型板支撐育苗盤,每個U型板縱向放置1個穴盤,穴盤間距為300mm。啟動移栽控制系統(tǒng)后,步進電機驅(qū)動鏈輪,縱向進給1個穴盤,當穴盤到達指定位置后,到位傳感器通過I/O口發(fā)出電磁信號經(jīng)過PLC到達上位機的圖像運動處理系統(tǒng),上位機采集育苗圖像并識別出移栽目標苗,經(jīng)過通訊接口控制運動協(xié)調(diào)系統(tǒng)按照1m/s的速度驅(qū)動機械手進行移栽作業(yè)。從采集的第1個育苗開始,依次記錄匯總移栽時間、移栽次數(shù)、成功次數(shù)和育苗總株數(shù),直到完成穴盤最后1個育苗;隨后,機械手回到初始位置到位傳感器標記坐標點,準備下一組苗盤的移栽試驗。

試驗效果測定方法為

(7)

式中A—移栽成功率(%);

Sc—機械手成功移栽育苗數(shù)(株);

Sα—育苗總數(shù)(株)。

3.3 試驗結(jié)果

多組移栽試驗表明:該移栽伺服控制平臺下,伺服電機運行較為平穩(wěn),運動沖擊較小,育苗定位準確;機械手氣動取苗、移栽、放苗動作協(xié)調(diào)穩(wěn)步運行,動作準確度較高;步進電機可縱向平穩(wěn)地進給苗盤。育苗移栽結(jié)果如表1所示。

表1 育苗移栽結(jié)果

由表1可知:當平均移栽速度為38.75株/min·行時,機械手平均移栽成功率為96.53%,基本達到38株/min·行的標定移栽速度。由于受穴盤中育苗健康狀況和基質(zhì)土壤的影響,25株育苗未能成功移栽。相比較于第1組,第2移栽速度略高于平均移栽速度38.75/min·行,移栽成率較高;第3組相比較于第1組和第2組,由于移栽速度較快,機械手抓/放育苗動作和伺服平臺整體運動不協(xié)調(diào),導致育苗移栽失敗。

4 結(jié)論

1)基于西門子PLC和3D打印機中的運動結(jié)構(gòu),設(shè)計了新型十字同步帶傳動機構(gòu),優(yōu)化了伺服運動系統(tǒng)的控制復雜度,簡化了移栽機整體結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了伺服電機和穴盤步進電機的驅(qū)動和定位控制,完成了機械手空間定位、取/放育苗、定位穴盤和移栽育苗等一系列動作的協(xié)調(diào)控制。

2)伺服電機驅(qū)動機械手完成不同育苗盤間的往復運動,并配合氣動元件達到了38.75株/min·行的抓/放苗移栽速度和96.53%的平均移栽成功率。當移栽速度明顯高于38.75株/min·行時,機械手氣動動作和伺服平臺運動不協(xié)調(diào),致使移栽成功率明顯降低。此外,育苗健康狀況和土壤基質(zhì)也是移栽成功率的影響因素。