轻便型温室换盘移栽机设计与试验.pdf

轻便型温室换盘移栽机设计与试验 赵升燚 刘继展 周 昕 江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室 江苏 镇江 212013 摘 要 针对国内中小型温室的实际生产需要 设计了一种轻便型温室换盘移栽机 提出了多爪间隔定距取放苗 方案 从而大大简化了传统含爪距扩展的多爪取放 输送系统 同时 提出了源盘与目标盘的长距链传动推杆输送 结构 取代了传统三伺服的喂盘取盘短距链传动与长距带组合结构 在实现结构轻量化的同时 有效提高了穴盘输 送的定位精度 整机控制系统实现高度集成化 使用了模块化的软件设计 减少了被控对象和控制流程 并降低了 整机功耗 试验结果表明 源穴盘换行作业平均误差 0 25mm 换盘作业平均误差 0 89mm 目标穴盘换行作业平均 误差 0 31mm 换盘作业平均误差 1 09mm 多爪取放苗机构可高效完成取苗栽苗作业 水平输送机构以 1 5m s 驱 动多爪取放苗机构高速稳定的往复运动 该机的研制为各类温室育苗的移栽作业提供了装备支撑 关键词 移栽机 穴盘 轻便型 温室 中图分类号 S223 9 S625 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2020 11 0051 07 0 引言 移栽是温室育苗重要环节之一 自动化育苗已成 为设施农业发展的必然要求 1 2 温室育苗环境复 杂 由于生菜 番茄 辣椒 黄瓜等蔬菜幼苗生长周期 不同 需移栽至不同规格穴盘中 劳动力占用极大 耗 时耗力且移栽效率差 严重制约了我国育苗产业的自 动化和标准化发展 3 6 因此 温室换盘移栽设备的 研发对降低劳动者负担和提高生产效率具有重要意 义 穴盘苗自动移栽是一种适合工厂穴盘苗生产的育 苗移栽方式 山东 浙江 江苏 上海等地大型农场育 苗模式已由传统人工变为自动化机器育苗移栽 大大 提高了生产效率 7 近年来 国内外对智能移栽装备 进行了大量研究 国外移栽机技术已经比较成熟 模 块式的开发方式可实现多组取苗爪同时作业 作业效 率高 但成本也高 国内所研制的温室穴盘苗自动移 栽机存在定位精度不高 控制性能不稳定 智能化程 度较低及稳定性差等问题 8 9 为此 自主研制了轻便型温室换盘移栽机 对主 收稿日期 2019 05 05 基金项目 江苏省农业自主创新项目 CX 16 1044 江苏省高校自 然科学研究重大项目 A 类 16KJA210002 国家重点研发 计划项目 2018YF0700705 江苏省农业科技支撑重点资 助项目 BE2014406 作者简介 赵升燚 1995 男 安徽滁州人 硕士研究生 E mail 969936897 qq com 通讯作者 刘继展 1976 男 河北衡水人 研究员 博士生导师 E mail liujizhan 163 com 要机构进行设计 对穴盘输送定位装置机构 多末端 移栽机构 尺寸优化及集成性布局 并开展一系列验 证试验 保证了高效率的移栽作业 1 整体设计方案与工作原理 1 1 作业环境 如图 1 所示 国内大型温室育苗已逐渐采用标准 规格的穴盘育苗模式 自动化移栽装备也用到生产线 上 只需少量的人工放盘 取盘 即可完成高效率的移 栽作业 10 图 1 现代化温室育苗 Fig 1 Modern greenhouse nursery 目前 国内日光温室大棚规格偏向于小型化 长 度不宜大于 100m 面积小于 667m 2 为宜 与国外温室 规模相差甚远 自动化作业普及程度更是远远不 如 11 同时 国外移栽设备与国内小型化的生产模式 并不相符 价格昂贵 体积较大 因此 低成本 易操 15 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 11 009 作的轻便型移栽机的研发可有效提高农户的生产效 率 12 13 1 2 总体方案与结构 轻便型温室换盘移栽机主要由链式源穴盘与目标 穴盘输送定位单元 气动多爪取放苗单元 交互式集 成控制单元组成 三维结构如图 2 所示 各单元均为 模块化设计 可实现机械与电路的快捷化拆装 链式 源穴盘与目标穴盘输送定位单元 气动多爪取放苗单 元均为独立的多滚轮移动式设计 大大提高了该机使 用的轻便性 1 显示器 2 直线模组 3 多末端移栽机构 4 源穴盘输送面 5 空压机 6 伺服电机 7 控制柜 8 滚轮 图 2 轻便型温室换盘移栽机三维模型图 Fig 2 Three dimensional model of an greenhouse sorting tray transplanter 2 关键结构设计 在江苏溧阳 金坛等地工厂化育苗场 进行了育 苗品种 穴盘规格 育苗基质及育苗期等规格与换盘 移栽作业需求的调研 本项目换盘移栽的对象为育苗 期不同苗龄常见蔬菜与花卉穴盘苗 移栽作业时株高 在 80 120mm 左右 如温室主要栽培作物中需求量大 的番茄 黄瓜及辣椒穴盘苗 根据作业对象特征及作 业要求 对移栽机主要执行部件进行具体的结构参数 设计 2 1 气动多爪取放苗单元 换盘移栽系统要实现自动化作业 需要移栽机构 精确地将源穴盘里的移栽苗源移栽至目标穴盘里的 空穴孔里 完成取苗 移送 放苗等动作 移栽机构直 接决定了移栽的质量和效率 对集成换盘移栽系统至 关重要 2 1 1 现有多爪取放苗方案 多爪取放苗系统通常包括多套取苗爪和横向水平 输送机构 为适应源穴盘和目标穴盘的穴孔距的差 异 还需要加装复杂的爪距扩展装置 如图 3 所示 爪距扩展装置的增加导致水平输送动作部件的复杂 笨重 相应的水平承载输送机构更加庞大 且系统的 动作快速性能受到极大限制 1 升降气缸 2 取苗爪 3 电磁阀组 4 伺服电机 5 输送模组 6 展合板 图 3 现有多爪变距移栽机构 Fig 3 Existing multi claw variable distance transplanting mechanism 2 1 2 多爪间隔取放苗方案的提出 根据调研 换盘移栽中高密度盘与低密度盘的穴 孔距通常存在定比关系 50 孔穴盘 5 行 10 列 的穴 孔距为 105 孔穴盘 7 行 15 列 的 1 5 倍 如图 4 所 示 分别以 105 孔穴盘与 50 孔穴盘作为源穴盘和目 标盘 提出了 5 爪间隔取放苗方案 即分别以源穴盘 的 3 倍穴孔距间隔取苗 以目标穴盘的 2 倍穴孔距间 隔放苗 实际爪距不变 从而避免了爪距扩展的复杂 结构 实现了多爪取苗 水平输送各环节的轻量化 a b 图 4 穴盘示意图 Fig 4 Schematic diagram of cavitation disk 25 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 2 1 3 多爪取放苗机构的结构轻量化 根据多爪间隔取放苗方案 开发了无爪距扩展装 置的定爪距 5 爪取放苗机构 由单气缸实现 5 爪的同 步升降 5 爪开合分别由独立微型气缸控制 多爪可 灵活配置 以适应不同规格穴盘的需要 并使移栽过 程中的实时分选成为可能 机构的三维结构如图 5 所 示 1 角码 2 浮动连接座 3 滑块 4 取苗爪 5 气缸连接浮动接头 6 直线导轨 7 铝型材 8 笔形气缸 图 5 多爪取放苗机构三维模型图 Fig 5 Three dimensional model diagram of multi claw picking and placing seedling mechanism 2 1 4 多爪水平输送机构的结构轻量化 由于多爪取放苗机构的轻量化 使多爪的水平输 送由单条的直线动作单元实现 如图 6 所示 本设计 采用了额定速度 2 16m s 动作行程 1300mm 的同步 带式直线模组 并通过 750W 交流伺服电机与多组光 电限位开关 实现了多爪的高速水平输送和精确定位 控制 多爪加速度最大可达 8m s 2 1 多爪取放苗机构 2 模组工作台 3 支撑横架 4 直线模组 5 伺服电机 图 6 水平输送机构三维模型图 Fig 6 Three dimensional model diagram of horizontal conveying mechanism 2 2 穴盘输送定位单元 穴盘输送机构的进给效果和精度直接影响到移栽 成功率 作业时需源穴盘输送机构将源穴盘中的穴盘 苗不断地输送到取苗爪的取苗位置 并在取苗爪完成 整排取苗后 使得源穴盘间歇进给一个穴孔中心距 进入下一个循环的取苗 目标穴盘输送方式与此相 同 从设计成本 合理性的角度考虑 将源穴盘输送 机构与目标穴盘输送机构统一设计为一种穴盘输送 机构 然后对称加工制作 2 2 1 现有穴盘输送定位方案 现有穴盘输送定位系统由两端喂盘取盘短距链传 动和长距带输送方式构成 造成整个传送系统需 3 个 伺服电机协调运动 控制复杂且作业线过长 同时 穴盘靠盘底与输送面间的摩擦力实现长距输送进给 易造成打滑而影响穴盘进给精度 如图 7 所示 1 喂盘区 2 皮带输送面 图 7 现有穴盘输送机构示意图 Fig 7 Schematic diagram of existing tray conveying mechanism 2 2 2 穴盘输送定位机构轻量化设计 根据现有的移栽输送机构 设计了一种长距链传 动推杆输送机构 采用二级链传动的方式 单个伺服 电机即可实现穴盘的推进 压缩输送面长度且降低了 电机数量 如图 8 所示 1 短链条传动装置 2 穴盘推杆 3 福马脚轮 4 滚轮 5 长链条 6 从动轴 7 穴盘 8 导向板 9 导向板高度调节装置 10 输送面 11 主动轴 图 8 穴盘输送机构三维图 Fig 8 Three dimensional schematic diagram of cavitation disk conveying mechanism 35 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 长距链输送结构两端各安装有张紧装置 调节长 链条的张紧度 从而降低长链条高速传动中的横向振 动 用调心球轴承的自动调心性补偿链轮轴的不同心 度和轴挠度造成的误差 以保证链轮与链节滚子之间 的啮合效果 从而降低长链条传动中的纵向振动 进 而保证了长链条能平稳和精确地带动穴盘推杆推动 穴盘进给 3 轻便 控制系统设计 3 1 设计目标 针对移栽机控制对象较多 运动复杂 作业精度 较高等问题 设计了一种轻简型控制系统 即模块化 的程序框架 可实现伺服电机高精度运动 传感器信 号的采集反馈 气动单元协调控制 设计目标为 1 易操作 控制面板一键作业 一键急停操作 便于用户控制 2 全自动作业模式 取苗 输送 栽苗 换行 换 盘等无停歇自动作业 3 精确运动 高效率作业 穴盘可精准间歇供 给 多爪移栽模块横向 纵向运动精确定位 各模块间 协调运动 4 能耗降低 电力与气体消耗降低 3 2 硬件设计 根据穴盘定位装置及多末端移栽模块轻便型结构 设计 电机处负载远远减小 直线模组及输送板选用 750W 松下伺服电机作为动力输出源 功率远小于荷 兰 Visser 温室换盘移栽机电机功率 如图 9 所示 图 9 伺服电机 Fig 9 Servo motor 由于传统换盘移栽机需实现模拟量信号输入 5 6 轴运动伺服和超过 20 路气动元件的集成控制 通 常需由工控机 多轴运动控制卡 48 路数字量输入输 出卡构成庞大复杂的控制系统 通过轻简化设计 移 栽机动力元件数有效压缩为 3 轴交流伺服和 6 路气 动 同时借助目前 PLC 集成脉冲 晶体管 继电器输出 和多轴独立脉冲控制的优势 14 15 构建为基于多轴运 动增强型 PLC 的小型化集成控制系统 因此 本机选 用多轴运动增强型 PLC 作为主控制器 实现伺服电机 精确运动 传感器信号采集与反馈 气缸开合等功能 在简化控制系统硬件设计基础上 PLC 控制器的输出 口 输入口数量也大大减少 如表 1 所示 表 1 PLC 端口分配表 Table 1 PLC port allocation table 输入口 说明 输出口 说明 X0 作业 Y0 直线模组脉冲 X1 停止 Y1 源穴盘输送板脉冲 X2 直线模组限位 1 Y2 目标盘输送板脉冲 X3 直线模组限位 2 Y3 笔形气缸电磁阀 X4 直线模组限位 3 Y10 直线模组方向 X5 激光传感器 1 Y11 源穴盘输送板方向 X6 激光传感器 2 Y12 目标盘输送板方向 X7 磁性开关 1 Y13 取苗爪电磁阀 1 X10 磁性开关 2 Y14 取苗爪电磁阀 2 X11 磁性开关 3 Y15 取苗爪电磁阀 3 Y16 取苗爪电磁阀 4 Y17 取苗爪电磁阀 5 3 3 软件设计 整机控制系统包括伺服电机驱动脉冲信号 传感 器信号采集与反馈 电磁阀通断控制 从而实现执行 机构高精度协调运动 因此 设计一种应用于换盘移 栽机的模块化软件 有利于样机的开发与调试 模块 化软件框图 将整个移栽机软件部分化为控制面板单 元 穴盘输送定位单元 水平输送定位单元及气动取 放苗单元 分别按照设定的子模块程序进行同步运 动 控制系统原理框图如图 10 所示 图 10 控制系统原理图 Fig 10 Control system schematic diagram 45 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 在移栽机硬件设计基础上 围绕幼苗种类 穴盘 规格不同的问题 实现了多末端移栽模块精确运动并 停止在对应作业点 结合移栽机各结构参数 分析出 移栽机各运动单元的先后作业顺序 如图 11 所示 图 11 系统运动流程图 Fig 11 Flow chart of system motion 移栽机控制系统硬件基于 PLC 开发 软件平台集 成伺服运动控制模块 例如 D VI 指令输出指定频 率脉冲数 用来实现穴盘逐行进给及换盘 PLSF 指令 输出变频脉冲 控制模组移送过程中加减速时间 根 据移栽作业流程可知 控制单次移栽作业中电机的先 后运动速度 距离 以及各气缸进气 出气通断时间 即可完成移栽机各执行机构的联动协调 4 样机与验证 4 1 样机开发 根据移栽机整体机械结构设计及关键结构参数计 算 完成了轻便型温室换盘移栽机的开发 如图 12 所 示 为简化整机框架结构及减小质量 选用标准工业 铝型材作为框架 质量小 承受力强 输送板质量承 受支架尺寸为 40mm 40mm 整机质量承受支架尺寸 为 80mm 80 mm 皆为空心矩形管 同时 在此硬件 结构上可进行检测 分选 弃苗 补栽等功能模块扩 展 实现温室分选 移栽 补栽系统集成式设计 满 足用户功能扩展需求 1 补栽机构 2 检测装置 图 12 样机实物图 Fig 12 Transplanting machine 将移栽机控制系统部件安装在移栽机底部质量承 受框架上方 有效利用了移栽机空间资源 整机采用 电动 气动两种动力驱动方式 直线模组及输送板处 电机采用 220V 交流电源驱动 多末端移栽机构采用 气动驱动 样机尺寸 质量 功率与荷兰 Visser 公司 PIC O MAT PC21 型全自动换盘移栽机相比 尺 寸缩小 能耗降低 结构简化 样机详细参数如表 2 所 示 表 2 样机参数对比 Table 2 Comparison of prototype parameters 类别 长 mm 宽 mm 高 mm 质量 kg 功率 kW 样机 2930 2760 2060 800 3 Visser 3400 3000 2200 1350 6 4 2 验证试验 4 2 1 试验背景与方法 2019 年 3 月 在江苏大学现代农业装备与技术教 育部重点实验室 对样机主要机构进行了精度误差试 验 验证作业精度是否满足移栽作业要求 具体包括 穴盘间歇进给精度试验 多爪移栽机构作业精度试 验 以及加减速过程移栽机构振动性能试验 1 穴盘间歇进给精度试验 源穴盘单次逐行需 进给 36 5mm 目标盘单次逐行需进给 51mm 换盘均 需进给 665mm PLC 控制器发送设定距离的脉冲数 电机带动推杆将穴盘进给相应的距离 输送面上方导 向板标记当前行穴孔中心位置 该行向前进给后重新 标记 数显游标卡尺测量两处标记点的距离 与设定 的运动距离进行对比 得出换行 换盘作业误差 如图 55 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 13 所示 对上述进给进行 10 次重复试验 记录每次 误差值 图 13 穴盘间歇进给试验 Fig 13 Hole disc intermittent feeding test 2 多爪移栽机构作业精度试验 直线模组在取 苗区 栽苗区的光电限位开关用于控制多爪移栽机构 在对应作业点停止 移栽机构在运动过程中依次在 3 处取苗点停止 进行取苗作业 依次在 2 处栽苗点停 止 进行栽苗作业 如图 14 所示 判断模组在高速运 动状态下的作业点定位精度 是否可以进行完整地取 苗 栽苗作业 图 14 多爪移栽机构作业精度试验 Fig 14 Precision test of multi jaw transplanting mechanism 3 加减速过程移栽机构振动性能试验 在匀加 速 减速模式下 PLC 控制器设定最大速度 V 加减速 时间 t 电机达到不同的加减速状态 5 个取苗爪均携 带有穴盘苗 验证不同的加 减速度状态下 苗坨是否 会由于惯性在加减速过程中脱落 4 2 2 试验结果与分析 试验结果表明 源穴盘换行作业平均误差 0 25mm 换盘作业平均误差 0 89mm 目标穴盘换行作业平均误 差 0 31mm 换盘作业平均误差 1 09mm 满足穴盘间歇 进给作业要求 直线模组驱动多爪移栽执行机构速度 可达 1 5m s 稳定输送 并精准停在对应的光电限位开 关处 取苗爪可进行完整的取苗 栽苗作业 随着直线模 组速度的提高 取苗损伤率也随着上升 图 15 加减速状态试验 Fig 15 Acceleration and deceleration condition test 在模组加减速过程中 加速状态下无明显振动 取苗爪可稳定夹苗 减速状态中 减速时间越短 振 动幅度越大 在 3m s 2 减速时无明显振动 无苗坨脱落 情况 5m s 2 减速振动明显 并无苗坨脱落 8m s 2 减速 时振动强烈 发生苗坨下坠情况 综上所述 移栽机各执行机构可实现高速运动状 态下的协调性配合 作业精度误差均在设计误差范围 内 完全符合实际生产的需要 5 结论 1 根据温室育苗移栽机的结构和作业原理 分析 了自动作业系统的需求 完成了移栽机结构的设计 2 针对现有换盘移栽机的尺寸能耗等问题 对主 要部件结构优化和作业区域集成化 机身尺寸为 2930mm 2760mm 2060mm 长 宽 高 质量为 800kg 实现了换盘移栽机的小型化及轻量化 3 为验证温室换盘移栽机主要结构性能 进行了 穴盘进给精度 移栽模块运动精度 横向输送加减速 状态下夹苗稳定性等一系列验证试验 结果表明 自 主设计的移栽机可以很好实现温室穴盘苗的高速移 栽作业需求 参考文献 1 黄秋銮 论设施农业发展的现状及对策 J 辣椒杂志 2011 9 2 40 43 2 马炜 闵丽萍 马昌明 设施蔬菜育苗技术 J 农村科 技 2014 4 50 51 3 韩绿化 毛罕平 胡建平 温室穴盘苗自动移栽机设计与 试验 J 农业机械学报 2016 47 11 59 67 4 徐广鹏 张闯闯 杨铁钢 等 一种种苗移栽机自动取苗 送苗装置 J 农机化研究 2016 38 6 249 252 65 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 5 刘凯强 曹卫彬 连国党 等 穴盘苗自动移栽机苗盘输 送装置的设计研究 J 农机化研究 2016 38 4 126 129 6 赵英杰 马振 陈永 等 移栽机自动进给机构的设计研 究 J 农机化研究 2018 40 7 68 71 7 郝金魁 张西群 齐新 等 工厂化育苗技术现状与发展 对策 J 江苏农业科学 2012 40 1 349 351 8 王侨 穴盘苗自动取苗机构控制系统研究 D 石河 子 石河子大学 2013 9 李华 曹卫彬 顾文俊 等 夹持式取苗机构自动控制系 统设计 J 农机化研究 2014 36 7 107 109 10 于亚波 伍萍辉 冯青春 等 我国蔬菜育苗装备研究应 用现状及发展对策 J 农机化研究 2017 39 6 1 6 11 钟钢 国内外温室发展历程 现状及趋势 J 农业科 技与装备 2013 9 68 69 12 王留柱 温室钵苗移栽机机构设计与移栽动平台研究 D 镇江 江苏大学 2016 13 顾俊 温室穴盘苗并联高速移栽机设计与试验 J 镇 江 江苏大学 2017 14 李男 刘继展 高架草莓移栽机控制系统设计与试验 J 农机化研究 2019 41 11 122 126 15 魏新华 包盛 刘晓凯 等 穴盘苗全自动移栽机运动协 调控制系统设计与移栽试验 J 农 业 机 械 学 报 2016 47 12 1 7 Design and Experiment of Portable Greenhouse Transplanting Machine Zhao Shengyi Liu Jizhan Zhou Xin Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology Ministry of Education Jiangsu University Zhen jiang 212013 China Abstract According to the actual production needs of small and medium sized greenhouse in China a portable green house transplanter was designed A multi paw interval and distance pick and place seedling solution scheme has been proposed which greatly simplifies the multi claw pick and place and transport system with the extended claw distance At the same time the long chain transmission push rod conveying structure of the source disk and the target disk is proposed which replaces the traditional three servo feeding disk take up short chain transmission and long distance belt combination structure While achieving lightweight structure the positioning accuracy of the tray conveying is effectively improved The whole machine control system is highly integrated using modular software design reducing the controlled object and control flow and reducing the power consumption of the whole machine The test results show that the average error of the source hole tray shifting operation is 0 25mm and the average error of the disk changing op eration is 0 89mm The average error of the target pallet change operation is 0 31mm and the average error of the change operation is 1 09mm The multi claw picking and placing seedling mechanism can efficiently complete the seed ling planting operation and the horizontal conveying mechanism drives the multi claw picking and placing seedling mechanism to reciprocate at a high speed and stability at 1 5 m s The development of the machine provides equipment support for the transplanting operation of various greenhouse seedlings Key words transplanting machine hole tray portable green house 75 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期