溫室大棚鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)及裝備

杜 嬋，蘇安晉，杜 娟

(1.山西農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原030031； 2.太原科技大學(xué)，山西 太原030031)

0 引言

在我國(guó)溫室大棚的使用中，普通農(nóng)戶采用最多的是簡(jiǎn)易拱棚，拱棚的骨架大多數(shù)是由金屬焊接而成，由于在骨架制作過(guò)程中投入了大量的人力和物力，導(dǎo)致建造大棚的費(fèi)用成倍增加，拱棚骨架制作技術(shù)一直是亟待解決的問(wèn)題。鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)及裝備是制作鋼骨架最有效的方法[1-2]。

1 背景與意義

溫室大棚種植技術(shù)對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的農(nóng)業(yè)都有重要意義。溫室(greenhouse)，又稱暖房，能透光和保溫(或加溫)，是用來(lái)栽培植物的設(shè)施。在不適宜植物生長(zhǎng)的季節(jié)，能提供溫室生育期和增加產(chǎn)量，多用于低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉及林木等植物栽培或育苗等。眾所周知，溫室大棚還具有增溫保墑、防病抗蟲和抑制雜草等作用，具有顯著的增產(chǎn)效果[3]。

溫室大棚技術(shù)已成為我國(guó)北方旱作農(nóng)業(yè)應(yīng)用最為廣泛的農(nóng)藝技術(shù)之一，我國(guó)溫室大棚始于20世紀(jì)70年代末80年代初，面積由90年代初的40 hm2發(fā)展到現(xiàn)在15.6萬(wàn)hm2，增加了4 000多倍，占世界的42.8%，并且還在持續(xù)以10%的速度遞增，到2010年我國(guó)溫室大棚種植面積已躍居世界第一。我國(guó)溫室大棚技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了巨大效益，但溫室大棚骨架建造也成為影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重大問(wèn)題。由于溫室大棚骨架的制作使用較為落后，技術(shù)缺乏，使用壽命一般都不長(zhǎng)，帶來(lái)了一系列資源浪費(fèi)問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)溫室大棚骨架一般3～5年需更換一次，極大地增加了溫室大棚的投資使用成本，造成巨大的浪費(fèi)，且存在較大的安全隱患。

因此，系統(tǒng)分析梳理溫室大棚種植技術(shù)和溫室骨架建造的特點(diǎn)及防控技術(shù)對(duì)于其合理利用具有重要意義。尋找溫室骨架制作新技術(shù)是各國(guó)政府及全球植保和環(huán)保等諸多科學(xué)領(lǐng)域科技工作者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和開發(fā)應(yīng)用前景

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家由于有雄厚的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，基本建造的都是大型、現(xiàn)代化的玻璃溫室，溫室建造的運(yùn)作主要靠溫室工程公司，具有國(guó)際輸出能力的溫室工程公司約有78家，其主要作用是“集中組裝”，而不是“制造”，其造價(jià)較昂貴[4]。

隨著溫室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，以及溫室大棚農(nóng)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，溫室大棚建造技術(shù)的需求量也將逐漸擴(kuò)大，必將有力地推動(dòng)先進(jìn)的溫室大棚制作設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用和促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)大棚骨架的制作基本上還是人工操作，效率低、安全性差且對(duì)環(huán)境影響大。部分大棚骨架采用進(jìn)口技術(shù)，主要是裝備回國(guó)后進(jìn)行組裝，存在價(jià)格昂貴、占地面積大、零部件更換仍需全部進(jìn)口及售后服務(wù)無(wú)法保證等弊端。

由于我國(guó)農(nóng)民普遍收入少，且我國(guó)的農(nóng)業(yè)投入產(chǎn)出比非常低，限制了農(nóng)民對(duì)新技術(shù)的承受能力。目前我國(guó)溫室基本都是日光溫室骨架，以竹木、手工焊接金屬和水泥預(yù)制桿為主，強(qiáng)度較低，但價(jià)格便宜，農(nóng)民廣泛采用[5]。因此溫室建設(shè)和骨架的研發(fā)可以借鑒的國(guó)外經(jīng)驗(yàn)很少，只能根據(jù)我國(guó)國(guó)情自行研制。

國(guó)內(nèi)對(duì)鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)掌握的較少，目前還沒(méi)有完備的自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接裝置。將焊接的焊槍裝在焊接小車上，小車在軌道上行走，通過(guò)光控開關(guān)控制焊接開停，此裝置便于人工操作，省時(shí)省力，可極大地提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，使用安全。此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)還屬于空白，可達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并可獲得專利。

隨著溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展，連片溫室越來(lái)越多，使得鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)服務(wù)成為可能，該設(shè)備在溫室農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，可大幅降低制作勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鋼骨架的牢固性和延長(zhǎng)更換周期。在目前勞動(dòng)力價(jià)格急劇上漲的前提下，對(duì)節(jié)約成本和增加利潤(rùn)具有重要的意義，對(duì)溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

3 裝備組成、原理、工作過(guò)程及優(yōu)點(diǎn)

3.1裝備組成

鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備由焊接小車、焊接軌道、光控開關(guān)、焊接電源和控制系統(tǒng)等組成[6]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1.1焊接電源

鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備可根據(jù)焊接速度和技術(shù)要求，選用合適的焊接電源。該產(chǎn)品選用上海凌興工業(yè)器材有限公司氣保焊機(jī)，型號(hào)為NB-500 W，其尺寸為650 mm×322 mm×671 mm，凈質(zhì)量50 kg，額定電壓380 V，額定容量27.5 kW，電流范圍40～500 A。

3.1.2焊接小車

焊接小車包括基架、行走輪、送絲機(jī)構(gòu)、送氣裝置和光控開關(guān)等。基架用于固定送絲機(jī)構(gòu)、送氣裝置和光控開關(guān)等，使這些零件更緊湊的結(jié)合在一起，減小設(shè)備的體積。行走輪能行走在軌道上，使焊接小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走。通過(guò)光控開關(guān)控制焊機(jī)的開和關(guān)，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化。

3.1.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由ARM處理器、光控傳感器、顯示器(LED)及執(zhí)行元件等組成。ARM處理器是一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令集(RISC)處理器架構(gòu)，其顯著特點(diǎn)是速度快、功耗低、功能強(qiáng)且價(jià)格低廉，顯示器支持32位的ARM指令集和16位的Thurnb指令集，支持仿真和跟蹤，集成有16 kB靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)、128 kB的Flash程序存儲(chǔ)器、4個(gè)通用并行IO口、2個(gè)(12C)串口、2個(gè)全雙工串行核口(SPI)、2個(gè)32位定時(shí)器及脈寬調(diào)制單元(PMW)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘，中斷控制器和ADZ轉(zhuǎn)換器等功能部件[7]。利用ARM處理器進(jìn)行設(shè)備的編程、程序輸入和調(diào)試，控制算法采用常用的PID算法，為了控制方便，小車行走速度(焊接速度和空走速度)、送絲速度和送氣量設(shè)定均可通過(guò)鍵盤修改，并在LED顯示器上顯示。為了達(dá)到控制效果，設(shè)置了光控傳感器，傳感器將測(cè)得的光信號(hào)通過(guò)傳輸線送到控制系統(tǒng)，由ARM經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，在LED上顯示光的強(qiáng)度值，并對(duì)采集到的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和實(shí)時(shí)控制。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的光強(qiáng)度時(shí)開始焊接，小車速度和焊接速度保持一致；當(dāng)光的強(qiáng)度超出設(shè)定值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉焊機(jī)停止工作，小車?yán)^續(xù)行走，尋找下一個(gè)焊接目標(biāo)，依次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3.1.4主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.2工作原理

鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備是骨架制作最有效的方法，其工作原理如圖2所示。焊接時(shí)，在焊絲與焊件之間產(chǎn)生電弧。焊絲自動(dòng)送進(jìn)，被電弧熔化形成熔滴并進(jìn)入熔池，CO2氣體經(jīng)噴嘴噴出，包圍電弧和熔池，起著隔離空氣和保護(hù)焊接金屬的作用[8]。同時(shí)，CO2氣體還參與治金反應(yīng)，在高溫下的氧化性有助于減少焊縫中的H2。

3.3工作過(guò)程

開啟電源開關(guān)，焊接小車沿軌道行走，光控傳感器將測(cè)得的光信號(hào)通過(guò)傳輸線送到控制系統(tǒng)，由ARM經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，在LED上顯示光強(qiáng)度值，并對(duì)采集到的光強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和實(shí)時(shí)控制，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的光強(qiáng)度時(shí)開始焊接，此時(shí)，小車速度和焊接速度保持一致；當(dāng)光強(qiáng)度超出設(shè)定值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉焊機(jī)停止工作，小車?yán)^續(xù)行走，尋找下一個(gè)焊接目標(biāo)，依次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)骨架焊接[9]。程序算法如圖3所示。

3.4裝備優(yōu)點(diǎn)

鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)光控傳感器測(cè)得光信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)控制小車的速度和焊機(jī)的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接[10]。此外，鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備還可減小工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動(dòng)成本，使焊縫成型穩(wěn)定。鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備與現(xiàn)階段的手工焊相比具有如下優(yōu)勢(shì)。

(1)穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長(zhǎng)度等對(duì)焊接結(jié)果起決定作用。采用自動(dòng)焊接時(shí)對(duì)于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的影響較小，降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時(shí)，焊接速度和焊絲伸長(zhǎng)等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。

(2)改善工人的勞動(dòng)條件。采用自動(dòng)焊接，工人只是用來(lái)裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對(duì)于手工焊來(lái)說(shuō)工人不再搬運(yùn)笨重的焊接設(shè)備，使工人從大強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)。

(3)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。自動(dòng)焊機(jī)器沒(méi)有疲勞，1天可24 h連續(xù)生產(chǎn)。另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用自動(dòng)焊焊接，效率提高的更加明顯。

(4)產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。自動(dòng)焊的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。

(5)可縮短產(chǎn)品改型換代的周期，減小相應(yīng)的設(shè)備投資。可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。自動(dòng)焊可以通過(guò)修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)新型光控傳感器，使鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備能夠在焊接和停止之間、在小車行走速度和焊接速度之間自動(dòng)切換，提高了工作效率和設(shè)備的安全性。

(2)焊接小車與焊接電源有效合理選配，使鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備質(zhì)量輕、熱效高，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接的工作效率。

(3)鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備質(zhì)量輕，將送絲機(jī)構(gòu)和送氣裝置安裝在移動(dòng)小車上，能靈活移動(dòng)。

(4)新型鋼骨架自動(dòng)彎折和自動(dòng)焊接技術(shù)裝備配備了ARM處理器和LED顯示器，便于設(shè)定和操控焊接電流、電壓和焊絲外伸長(zhǎng)度，能達(dá)到很好的焊接效果，提高產(chǎn)品質(zhì)量。