自動移栽機整排取苗間隔投苗控制系統設計與試驗

胡建平 常 航 楊麗紅 韓綠化 毛罕平 張思偉

(1.江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室， 鎮江 212013; 2.江蘇省農業裝備與智能化高技術研究重點實驗室， 鎮江 212013)

0 引言

蔬菜穴盤缽苗移栽技術因具有諸多優勢而受到廣泛推廣，但我國現階段主要以半自動化移栽機械為主，需人工完成取苗、投苗過程，不僅耗費勞動力，而且人工作業存在速度有限、易疲勞的缺點，制約了移栽效率的提高[1]。因此實現取、投自動化是推動半自動移栽機械向全自動化方向發展的重要環節。目前我國現有的全自動移栽機采用的取投方式主要為頂桿頂出式[2]、插入夾取式[3～5]和頂出夾取式[6～9]。

韓長杰等[8]設計的穴盤苗移栽機自動取喂系統中采用翻轉擺位式取苗機械手實現缽苗的取投，依靠翻轉氣缸和擺位氣缸控制機械手實現取苗位和投苗位的姿態變換，扎放苗氣缸控制柔性取苗針的伸縮完成苗的整排夾取、整排投放動作，由間歇運動式苗杯接苗，該控制系統簡單、易于實現，缺點是氣缸控制取苗位與投苗位姿態轉換過程缺少控制，取苗精準度難以保證。吳儉敏等[9]設計的蔬菜移栽穴盤苗自動輸送裝置，運用曲柄連桿式頂苗機構將苗缽頂出后，夾苗裝置翻轉夾苗，該裝置由凸輪與齒輪齒條合成機構控制夾苗爪的往復翻轉，開合凸輪控制夾苗爪的開合，而上述取投控制采用純機械控制，因此機構相對復雜，動力需依靠單獨傳動系統輸送，對控制精度的影響還有待進一步驗證。魏新華等[10]研制的穴盤苗全自動移栽機運動協調控制系統采用伺服電動機驅動直線模組控制取苗機械手在取、放苗位置之間做縱向往復運動，氣動部件的驅動完成取放苗動作，缽苗直接由苗爪投入導苗筒后落入栽植器，每個苗爪可單獨完成取、放苗動作，無需分苗環節，但單個取苗機械手無法達到快速取苗要求。嚴宵月等[11]設計的整排取苗間隔投苗裝置，運用6個凸輪控制6個取苗爪落苗時序，結構簡單，但機械控制調整不方便，對不同穴孔數的穴盤苗需要不同結構的凸輪控制，并且凸輪輪廓磨損后影響取苗、投苗精度。

綜上所述，移箱、取苗、投苗和分苗是自動移載機的關鍵技術，本文在嚴宵月等[11]設計的純機械式控制整排取苗、間隔投苗基礎上，設計一種門型整排取投苗裝置，并結合機、電、氣控制技術設計一種整排取苗間隔投苗控制系統，該系統通過與移箱機構、旋轉分苗機構的運動協調配合，實現自動取苗、投苗和分苗運動。

1 取苗投苗系統結構與控制原理

1.1 取苗投苗系統結構組成

取苗投苗系統包括門型取苗機構、取苗末端執行器、移箱機構、旋轉分苗機構及控制系統，如圖1所示。

圖1 取苗投苗系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of picking and casting system1.移箱機構 2.滑槽側板 3.翻轉門架 4.取苗爪 5.取苗爪安裝板 6.分苗杯架 7.鏈傳動裝置 8.分苗杯 9.安裝機架 10.分苗機構驅動鏈

圖2 取苗機構運動簡圖Fig.2 Trajectory diagram of picking mechanism

門型取苗機構主要由滑槽側板、翻轉門架(含翻轉機構)，取苗爪安裝板、翻轉氣缸以及取苗爪組成，其機構運動簡圖如圖2所示。取苗機構[12-13]中的翻轉過程依靠雙作用氣缸AB來驅動，氣缸AB一端A與滑槽側板固定架轉動副連接，另一端B與翻轉門架桿OB轉動副連接，氣缸AB伸縮帶動門架桿OB擺動，同時連桿CE一端軸承E在滑槽內滑動，兩者復合運動形成取苗軌跡，最終取苗機構驅動連桿CE上的取苗爪FG沿取苗軌跡做取苗、移苗運動。運用Pro/E軟件對取苗機構進行運動仿真分析，拾取取苗爪爪針末端點得到其運動軌跡線即為取苗機構取苗軌跡，運動軌跡末端有一段直線GG′即為取苗爪垂直穴盤插入缽體取苗的位移。

為了控制取苗爪的開合和推苗動作，氣缸AB上安裝3個取苗狀態行程開關I1、I2、I3，其中行程開關I1、I3分別安裝在氣缸伸縮兩端極限位置，行程開關I2位置根據取苗爪垂直插入穴盤的行程來確定，由圖2分析可知，當取苗爪插入穴盤取苗行程為GG′時，對應氣缸伸出量為AB′長度減去AB的長度，由此可確定磁性開關I2的安裝位置。

分苗機構主要由分苗杯架、鏈傳動裝置、分苗杯組成，分苗杯固定于帶耳鏈條上，完成接苗、帶苗、落苗功能[14]；工作時底盤動力經由分動箱輸送給分苗機構與栽植機構，兩者傳動比為

(1)

式中n1——分苗杯轉速n2——栽植器轉速

a——單行栽植鴨嘴個數

z——分苗杯傳動鏈輪齒數

b——苗杯對應供給的栽植行數

分苗杯隨底盤前進做連續旋轉運動，門型取苗機構翻轉門架以兩側壁底端連接點為圓心做圓弧擺動，與此同時取苗爪安裝板由于其一側連接的銷軸上的軸承沿滑槽滾轉運動，使取苗爪能沿垂直插入傾斜60°的穴盤取苗[15]。

1.2 取苗投苗控制原理

根據取苗投苗機械系統工作原理，基于PLC控制器設計取苗投苗控制系統[13，15-18]，取苗、投苗動作采用氣動控制方式，取苗、投苗、分苗協調控制通過苗盤到位傳感器、取苗狀態行程開關I1、I2、I3、分苗杯到位傳感器、增量式編碼器、電磁閥等控制元件來實現，圖3為控制系統電路圖。

圖3 取苗投苗控制系統電路Fig.3 Control system electrical schematic diagram of picking and casting system

自動移栽機工作時，通過檢測翻轉氣缸的行程位置來獲取取苗機構所處狀態：翻轉取苗、夾苗、帶苗返回。每個取苗爪開合驅動氣缸均由單獨電磁閥控制[13]，既可整投整取，也可針對于非間歇運動的分苗機構實現有序間隔投苗，并依據分苗杯速度自動調整投苗時間點。每個苗爪投苗位置點由分苗杯傳感器與增量式編碼器控制，分苗杯傳感器采用漫反射式光電傳感器，安裝在機架上，當分苗杯運動到傳感器位置時，接收到反射光信號而產生高電壓，從而實現分苗杯定位以及對走過苗杯進行計數的功能；增量式編碼器安裝在分苗杯傳動鏈輪軸上，可實時監測分苗鏈輪轉動速率，獲取分苗杯運動參數(包括速度、位移)。分苗杯傳感器檢測苗杯到特定位置后，編碼器產生信號開始清零計數，計數值相當于分苗杯位移，當分苗杯移動量達到設定值時，取苗爪上的直線氣缸伸出推動取苗爪投苗。

2 整排邊插邊夾取苗控制

圖4 取苗控制流程圖Fig.4 Flow chart of picking control system

整排取苗控制流程圖如圖4所示，當苗盤到位后，翻轉氣缸伸出推動取苗爪翻轉取苗，此過程中，當取苗爪翻轉至爪針剛接觸缽苗時磁性開關I2產生信號，執行夾苗指令，開合驅動氣缸收縮，并在苗爪繼續插入缽體過程中苗爪收縮完畢，夾取完成后磁性開關I3產生信號，翻轉氣缸縮回，苗爪沿原軌跡將缽苗拔出帶至豎直位置，磁性開關I1產生信號后執行投苗指令[16]。

3 整排有序投苗控制

3.1 投苗位置點對應編碼計數值計算

嚴宵月等[11]設計的間隔投苗方法是通過計算取苗爪逐個推后時間tn，并以此為依據設計安裝凸輪控制投苗時間點。該投苗控制方式的缺點是由凸輪控制的取苗爪逐個推后投苗時間一致、不變，所要求的分苗杯旋轉速度也必須保持恒定，這對實際作業的移栽機來說很難保證。本文設計的有序投苗控制系統，以投苗位置量為恒定值，投苗推遲時間點隨速度變化而變化[16]。

如圖5所示，當光電傳感器I4檢測到分苗杯杯棱，此時第1個投苗杯的投苗點與第1個取苗爪之間距離為a1，第2個投苗杯的投苗點與第2個取苗爪之間距離為a2；且a2+d1=a1+d2。由上可知a1、a2關系式a2=a1+Δd(Δd=d2-d1)，同理可得a3=a1+2Δd、a4=a1+3Δd…an=a1+(n-1)Δd。因此，在分苗杯向右移動過程中，當第1個苗杯走過距離a1時，第1個苗爪投苗，第2個苗杯走過距離a2時，第2個苗爪投苗，以此類推至最后一個苗爪投苗。

分苗杯走過距離運用編碼器檢測，編碼器與分苗杯通過傳動系統聯動，分苗杯移動一定距離編碼轉動對應的角度，產生的信號由高速計數器C620采用雙向計數法記入[19]，流程如圖6所示。

圖6 投苗控制流程圖Fig.6 Flow chart of casting control system

本文中編碼器通過同步帶與栽植機構減速器連接，兩者傳動比為i1，栽植機構與分苗杯減速器傳動比為i0，則

(2)

式中n3——編碼器轉速

設分苗杯每運動1 mm高數計數器產生的脈沖信號計數量為C，簡稱為毫米脈沖量；又設分苗杯鏈輪轉i1i0圈，對應編碼器轉1圈，由此推出毫米脈沖量C的計算公式為

(3)

式中p——鏈條節距

N——編碼器轉一圈產生脈沖數

將毫米脈沖量C乘以取苗爪對應投苗距離就得到取苗爪投苗脈沖數

fn=C[a1+d3+(n-1)Δd]

(4)

3.2 不同栽植頻率下投苗點的設定

為保證苗缽在下落到分苗杯內時，不碰到杯壁，選取缽苗一半高度落入杯中，其中心線與杯中心線重合時為最佳投苗狀態。又缽苗下落過程中，分苗杯仍繼續運動，因此為保證苗缽處于最佳投苗狀態，同一取苗爪在不同栽植頻率下，其第1個投苗位置距離a1值需不同，a1值與推苗時間t1、缽苗脫離下落時間t2有關[16]。

若將缽苗下落時間t2內的自由落體運動與分苗杯勻速橫向移動復合為苗缽的拋物線運動，則取苗爪末端與分苗杯杯口的高度為

(5)

式中v0——氣缸推苗速度

分苗杯在時間t1+t2內的橫向移動距離

x=vm(t1+t2)

(6)

式中vm——分苗杯橫向移動速度

設高度H為50 mm、氣缸推苗速度v0為0.54 m/s，移栽機栽植頻率為40～70 株/min，根據栽植頻率與苗杯配合關系，計算得到不同栽植頻率下對應分苗杯橫向速度vm以及第1個接苗分苗杯橫向移動距離x，如表1所示。

由表1可知，栽植頻率從40株/min增加到70株/min時，對應橫向移動距離差為12.45 mm，栽植頻率每增加5株，對應偏移Δx約為2 mm。

以栽植頻率60株/min為基準，計算出最佳投苗狀態下的投苗位置點距離a1為55 mm，栽植頻率為50株/min時，最佳投苗狀態下的投苗位置點距離a1為53 mm，依次類推。將a1代入式(4)，分別計算出72孔穴盤與128孔穴盤、不同栽植頻率下首個取苗爪對應最佳投苗位置的脈沖計數f1，如表2所示。在對應栽植頻率下，當編碼器計數達到其投苗脈沖值時，取苗爪投苗。

表2 不同栽植頻率下初始投苗脈沖計數f1Tab.2 Inceptive impulse of casting in different planting frequencies

4 取苗投苗試驗

4.1 試驗條件

2017年4月15日，在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試驗地進行取投苗控制系統性能試驗，如圖7所示。試驗苗為津研七號黃瓜苗，如圖8所示，育苗盤選用72孔和128孔兩種標準穴盤，育苗苗齡20 d，平均苗高為92.4 mm。

圖7 取苗投苗性能試驗Fig.7 Performance experiment photo of picking and casting

圖8 試驗用穴盤苗Fig.8 Tray and seedlings for experiment

4.2 試驗指標與結果分析

4.2.1試驗指標

依據取苗工作循環動作流程，將取苗失敗率S1、投苗失敗率S2、取投苗綜合成功率S作為試驗評價指標[20]。計算公式為

(7)

(8)

S=(1-S1-S2)×100%

(9)

式中N0——取苗總數

N1——取苗末端執行器未夾出缽苗的數目

N2——被取苗末端執行器夾出的缽苗未能成功投苗的個數

4.2.2試驗結果分析

由試驗結果(表3)可知，在栽植頻率40～70株/min范圍內，72、128孔穴盤苗的取苗投苗綜合成功率均高于95%，總平均值為97.98%。當栽植頻率在40株/min時，兩種穴盤苗的取投苗綜合成功率為99.31%和99.22%，當栽植頻率提升至70 r/min時，取投苗綜合成功率為95.15%和96.88%，總體上，隨著栽植頻率的提高，取苗失敗率、投苗失敗率均有所提高，而取苗投苗綜合成功率有所下降，造成這一現象的主要原因是：隨著栽植頻率的提升，完成單次取苗工作的時間越來越短，取苗時間不變的情況下，相應投苗時間改變，苗爪未到投苗位置就投苗，導致投苗失??；同時由于取苗頻率加快，相應的取苗停頓間隔縮短，夾苗穩定性降低。

表3 不同栽植速度下取苗投苗成功率

5 結論

(1)結合設計的自動移栽機械，闡述了取苗、投苗以及分苗機械系統結構及工作原理，基于PLC設計了整排取苗間隔投苗運動控制系統，該控制系統實現了整排苗缽邊插邊夾，完成低速高效取苗；各取苗爪的開合相互獨立，針對連續運動的分苗部件實現有序間隔投苗，且適應不同穴盤及栽植頻率。

(2)采用20 d苗齡的黃瓜穴盤苗為試驗對象，在不同栽植頻率下進行取苗、投苗性能試驗，結果表明：在栽植頻率40～70株/min范圍內，72、128孔穴盤苗的取苗投苗綜合成功率平均值為97.98%。72孔穴在栽植頻率40株/min下，取投苗綜合成功率達99.31%，即使將栽植頻率提高到70株/min，取投苗綜合成功率也能達到95.15%，證明該控制系統可行，達到了高效自動移栽目的。

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