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定量给料机定量给料机构的设计

发布时间:2017-04-16 09:41:16
     随着设施农业的蓬勃发展,蔬菜育苗技术因具备出苗率高、移栽后病虫害少、缓苗期短、省时、省工等优点,受到了蔬菜栽植业者的欢迎。钵苗定量给料机可延长穴盘苗的生育期,抵御不利气候对幼苗的影响,从而提高穴盘苗移栽的成活率[3-5]。近年来使用较为广泛的钵苗定量给料机有链夹式、导苗管式和吊杯式等[6,7],这些定量给料机主要实现半自动移栽,移栽作业中是借助人力将穴盘苗投入到送苗体系,制约了穴盘苗的移栽质量,不符合现代智能农业的发展趋势[5,8,9]。而钵苗自动定量给料机的开发能够满足从取苗、输送到栽植的自动化,大大节省了劳动成本,提高了移栽质量,已成为蔬菜移栽发展的必然趋势[10]。 
  笔者通过对自动移栽技术进行研究,开发出基于PLC的自动取苗机械手,能够较好地完成自动取苗[11]。在此基础上开发出与机械手相匹配的穴盘定量给料机构,应用PLC控制技术准确地实现穴盘苗输送、投苗及栽植等作业,实现穴盘苗的自动化移栽,对今后开展定量给料机的研发提供理论参考。 
 1 穴盘送苗机构的设计 
 1.1 穴盘的选择与设计要求 
  穴盘定量给料机构的设计核心是应用PLC控制系统实现穴盘苗的精确定位,作业时保持定量给料机械手的位置不变,将穴苗盘及时、准确地送至取苗机械手的取苗点。因此送苗机构的设计须考虑到穴盘的选择和取苗机械手的位置要求,选取穴盘的外形尺寸为280 mm×210 mm,穴苗盘放置为3×4穴。穴口大小为55 mm×55 mm,穴深60 mm。步进定量给料机构针对不同穴距的穴盘,其设计满足以下条件:①穴盘由步进电机带动,实现单向步进输送;②基于PLC控制的步进电机的输送步长可调,可以满足不同尺寸穴盘的要求;③穴盘在Y方向做间歇进给运动,首先沿X方向取出穴盘苗,然后沿Y方向前进一格,同时沿X方向换向移动;④苗盘的限位及定位感应元件相对位置可调,以实现不同规格穴盘的同步定位。 
 1.2 穴盘送苗机构的结构和工作原理 
  定量给料机穴盘苗定量给料机的结构如图1所示,主要包括机架、取苗机械手、定量给料机构、PLC控制系统及栽植机构等。定量给料机工作时,穴盘送苗机构在二维定位平台的控制下移动到取苗点,取苗机构在PLC控制下完成一次取苗,取苗机构和穴盘定位平台相配合依次完成送苗、投苗动作,取苗机构将穴盘苗送到栽植机构完成移栽。 
  穴盘送苗机构由定位平台与机械手组成,其结构如图2所示。穴盘送苗机构是在步进电机的带动下通过PLC控制穴盘横向、纵向的精确定位,将穴盘苗及时、准确地输送至取苗点,然后通过取苗机械手将穴盘苗夹持取出完成自动化移栽。穴苗盘定量给料机构由两个一维线性模组构成二维定位平台,在步进电机驱动下定位平台带动穴苗盘沿X、Y两个方向精确定位,保证穴苗盘的准确送苗,定位速度快,系统重复性好。穴盘定位平台由动力元件、传动链、十字交叉导轨和滚珠丝杠平台等组成,穴盘固定在锥形托盘内,托盘与交叉导轨上的连接法兰固定。传动链将动力从动力元件转换为滑块,电动机的输出通过行星减速器传动滚珠丝杆先旋转运动起来,它把旋转运动转变成了直线方面的运动,从而带动滑块在滑轨上移动,并带动穴盘移动。 
 1.3 关键参数的确定 
 1.3.1 二维定位滑台尺寸 穴苗盘定量给料机构是通过PLC控制二维定位滑台精准运动至机械手的固定取苗点,当机械手完成取苗时,定位滑台在步进电机的带动下向前移动一个穴孔,如此循环反复进行,直至整个穴盘苗全部取完。 
  定位滑台尺寸的确定要依据机械手的位置、穴盘的尺寸和取苗速度的要求而定,如图3所示。定位十字滑台的中心应能满足当穴盘到达取苗终点时候与机械手不发生干涉,并保证机械手能够准确地夹持穴盘苗并取出,完成自动化移栽。十字交叉导轨的缸体长283 mm,行程长150 mm,马达标配100 W,输出轴径8 mm。定位滑台的导轨行程长根据穴盘的尺寸大小来选择行程长应能够保证穴盘在纵向和横向进给的最大长度要求,并且穴苗盘不会和机械手发生干涉。根据PLC程序,机械手从穴盘的初始位置依“S”形走完整个穴盘,当取苗完成后,为了补偿步进电机中间取苗的丢步,穴盘运动到接近开关的位置程序使得穴苗盘回到取苗的初始位置。
 1.3.2 接近开关的位置 在机械手取苗完成后,为了补偿步进电机中间取苗的丢步,在十字导轨的X、Y方向上各固定一个接近开关,当穴盘运动到接近开关的位置时,接近开关被触发,向系统发出信号,编码器反馈,确保穴盘回到取苗的初始位置。接近开关的作用主要有两点:①前1排穴盘苗顶完时,被接近开关感应,进入下一穴盘苗;②当机械手完成一个穴盘的取苗时,返回起点的过程中触发接近开关,即可保证穴盘正确感应定位。对于不同规格的穴盘,改变接近开关的位置,可保证正确感应定位。 
 1.3.3 定量给料机构的电动机选型 电动机的选型应从二维定位滑台和穴盘的输送速度要求这两个方面来选择。穴盘苗输送速度45 mm/s,最大负载3 kg,步进电机速率为14. 659 7 r/min。步进电动机和减速机配合使用,选用的步进电动机型号为DB2204MA,其电压为DC 6~36 V,驱动电流为0~1.5 A/相,最高的反应频率为200 kpps,线圈电流在步进脉冲停止并且超过100 ms时会自动减小一半。电动机的选型以适应二维定位滑台的移动速度为依据,各参数的选择应保证定位平台的送苗输送速度。 
 2 定量给料机构的自动控制系统及流程 
 定量给料机构的自动控制系统是实现取苗机构与穴盘定量给料机构配合完成自动化移栽的系统,PLC系统包括接近开关、PLC编程系统、送苗步进电机、限位开关、电磁阀等。PLC取苗机构在气动元件驱动下完成取苗动作,并按编程信息实现对定量给料机构的控制,通过行程开关实现送苗机构的准确定位。在定量给料机定量给料机构中,通常选用步进电动机驱动定位滑台移动,而闭环控制系统则是由驱动机构和行程开关、限位开关组成。该定量给料机定量给料机构应用PLC编程进行调节,简单闭环步进定位系统的基本框图如图4所示。 
  控制系统通过PLC控制穴苗盘的输送,调节穴盘输送的行程,以适应不同规格的苗盘,控制系统的工作流程如图5所示。启动前,设定a、b、n数值,穴盘先横向移动,直至第1排穴孔全部取苗,同时PLC控制电磁阀使机械手完成取苗,取苗的时间即为穴盘输送间隔时间;接着纵移一格,并计数1次;如此反复直至最后一个穴盘苗被取出(a×b),此时计数为n-1次,穴盘中的苗株全部取出。穴盘输送至接近开关时,接近开关触发,给系统一个信号,保证穴盘复位到取苗初始位置。 
 3 穴盘定量给料机构的试验及结果 
  针对全自动穴盘苗定量给料机的定量给料机构定位的准确性,在江苏省现代农业工程装备中心进行了验证试验。预先设定PLC发出的编码器脉冲,在控制程序中输入暂停功能,工作时,步进电机启动,穴盘运动到设定步长后,由定位传感器产生信号,PLC停止发送脉冲信号,输送暂停,这时测量穴盘前进距离;测量完成后,继续运行程序;电机驱动穴盘再运动到设定步长,如此循环。在预先设定的脉冲数下测量10次步长的距离,将步长数据记录下来,根据这些数据计算步长距离的标准差、平均值和稳定性系数,如表1所示。由表1数据分析可知,稳定性系数均大于99%,证明该穴盘定量给料机构具有较高的稳定性,理论步长稍小于实际步长,但滞后距离小于阻尼缸,并且比较固定。 
 4 小结 
  设计了定量给料机的自动定量给料机构试验台,该机构由PLC程序控制,步进机驱动苗盘,通过编码调节脉冲数,适应不同规格的穴盘,实现了穴盘的准确定位及精确输送。进行了穴盘定量给料机构试验台的精确输送试验,试验结果表明,该输送试验台能够自动进行取苗、送苗及投苗的试验,验证了该定量给料机构的合理性及定位控制的稳定性。
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