任 玲，曹衛(wèi)彬，馬 銳，王 寧

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

我國(guó)旱地作物的移栽，從穴盤育苗到種苗移栽入土，中間的工作環(huán)節(jié)大多數(shù)依靠人工來完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低[1]?，F(xiàn)有的穴盤苗移栽機(jī)主要以半自動(dòng)為主，需要人工取苗喂苗，限制了作業(yè)效率的進(jìn)一步提高[2]。國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，取苗機(jī)構(gòu)通過將穴盤內(nèi)的幼苗頂出或者夾持的方式進(jìn)行移栽作業(yè)[3]。針對(duì)夾持方式，移栽時(shí)取苗手將穴盤內(nèi)缽苗通過夾持的方式取出，并投放到移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)中，完成取苗動(dòng)作[4]。在這一過程中，取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和每次的取苗點(diǎn)都是固定的，取苗周期基本相同。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，可以通過控制苗盤輸送裝置的間歇運(yùn)動(dòng)來配合取苗機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而完成自動(dòng)取苗送苗動(dòng)作。

荷蘭飛梭公司開發(fā)了多功能的自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)，所搭載的移栽控制系統(tǒng)可同時(shí)完成多個(gè)苗盤的傳輸和栽植，并且可以通過CCD傳感器進(jìn)行空苗檢測(cè)和病苗識(shí)別[5]。邵琰等人設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的幼苗移栽控制系統(tǒng)，從農(nóng)藝要求和實(shí)際情況出發(fā)，在地輪上安裝編碼器計(jì)量脈沖數(shù)；移栽機(jī)工作時(shí)，根據(jù)移栽的實(shí)時(shí)情況，設(shè)定每一個(gè)苗移栽位置的距離，在移動(dòng)完相應(yīng)的距離時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)動(dòng)作的脈沖，完成育苗移栽過程中的取苗、停苗和放苗[6]。胡敏娟設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的移栽機(jī)輸送控制系統(tǒng)，采用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡的方式，利用傳感器將各種數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)供苗裝置和取苗裝置的聯(lián)合控制[7]。吳儉敏等針對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)的缽苗盤自動(dòng)送盤和精確定位問題，研制了一種移栽機(jī)缽苗盤驅(qū)動(dòng)裝置和定位控制系統(tǒng)；利用壓縮空氣作為動(dòng)力，采用氣液阻尼缸驅(qū)動(dòng)苗盤的移動(dòng)，由接近開關(guān)對(duì)苗盤定位，PLC為控制核心，觸摸屏作為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)取苗[2]。以上通過不同控制方式對(duì)苗盤自動(dòng)輸送進(jìn)行了研究，但在控制精度和通用性方面還存在一定的局限。本文針對(duì)取苗手由拖拉機(jī)后輸出軸驅(qū)動(dòng)、取苗位置固定及取苗頻率可控的取苗方式，設(shè)計(jì)了苗盤輸送控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了誤差的檢測(cè)和修正。

1 位移誤差檢測(cè)及修正

在苗盤輸送過程中，由于移栽機(jī)機(jī)身的振動(dòng)，各部件之間的摩擦及步進(jìn)電機(jī)控制苗盤輸送時(shí)易產(chǎn)生位移誤差。當(dāng)苗盤橫向間歇運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于在1個(gè)周期內(nèi)要間歇移動(dòng)7次，若初始位置有偏差，或者位移有偏差，會(huì)產(chǎn)生累積誤差，導(dǎo)致送盤位置偏移，可能造成漏苗甚至苗盤損壞，導(dǎo)致下一個(gè)周期的取苗過程無法正常進(jìn)行。因此，設(shè)計(jì)一種苗盤位移誤差檢測(cè)及控制系統(tǒng)，通過檢測(cè)苗盤在每個(gè)周期的位移偏差，并在1個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行修正，可以提高苗盤自動(dòng)移栽機(jī)的移栽質(zhì)量。

選擇基于PLC的編碼器作為位移誤差檢測(cè)方法來解決苗盤移栽過程中的位移誤差問題。利用編碼器檢測(cè)苗盤的直線位移變化，將位移誤差量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；傳感器將電信號(hào)通過電路反饋給PLC，PLC啟動(dòng)誤差修正程序，控制苗盤移動(dòng)到正確的位置，消除累積誤差。

苗盤位移誤差檢測(cè)方案原理：利用伺服系統(tǒng)來對(duì)苗盤進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器及編碼器組成。在苗盤正向位移結(jié)束后、反向位移開始前及反向位移結(jié)束后、下一循環(huán)正向位移開始前由伺服系統(tǒng)自帶的編碼器對(duì)苗盤位移進(jìn)行誤差檢測(cè)。

2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 苗盤輸送裝置整體架構(gòu)的分析

自動(dòng)移栽機(jī)苗盤輸送系統(tǒng)主要由5部分組成，分別為穴苗苗盤及盤架、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置及移栽機(jī)機(jī)架。

橫向傳動(dòng)裝置的分析：該裝置步進(jìn)電機(jī)通過直徑24mm、長(zhǎng)38mm的剛性聯(lián)軸器與規(guī)格為直徑15mm、長(zhǎng)1 000mm、導(dǎo)程10mm的滾珠絲桿連接，由螺母連接滑塊和絲桿并將滑塊嵌入導(dǎo)軌，如圖1所示。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1周帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)1周，進(jìn)而使滑塊在導(dǎo)軌上做水平方向步長(zhǎng)為10mm的直線運(yùn)動(dòng)。

1.絲桿 2.滑塊 3.步進(jìn)電機(jī)

縱向傳動(dòng)裝置的分析：穴盤苗的縱向進(jìn)給是靠鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,如圖2所示。該鏈?zhǔn)捷斔脱b置由主動(dòng)鏈輪、兩個(gè)從動(dòng)鏈輪及鏈條組成，主動(dòng)鏈輪與驅(qū)動(dòng)軸相連，驅(qū)動(dòng)軸通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連，由控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來給整個(gè)輸送裝置提供動(dòng)力。夾持式取苗手作為取苗機(jī)構(gòu)，移栽時(shí)取苗手將穴盤內(nèi)的缽苗通過夾持的方式取出，并投放到移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)中，完成取苗動(dòng)作[4]。在這一過程中，取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和每次的取苗點(diǎn)都是固定的，取苗周期基本相同；而送苗裝置要配合取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，則送苗裝置的送苗點(diǎn)固定，且每棵苗的輸送間隔時(shí)間要小于取苗周期。

1.步進(jìn)電機(jī) 2.苗盤支架導(dǎo)軌 3.步進(jìn)電機(jī)支架 4.電感式接近開關(guān) 5.主動(dòng)輪 6.苗盤支架 7.從動(dòng)輪 8.護(hù)苗板 9.鏈條

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的控制要求

根據(jù)夾持式取苗機(jī)構(gòu)的特性，當(dāng)取苗機(jī)構(gòu)位置固定,送苗機(jī)構(gòu)完成橫向和縱向兩個(gè)方向的苗盤輸送，準(zhǔn)確地移動(dòng)穴盤至取苗手取苗位置。

選擇苗盤規(guī)格為 8×16 格，苗盤縱列兩端帶有卡槽，外形尺寸為 280mm×540mm，每個(gè)苗盤穴口的大小為 32mm×32mm，相鄰穴孔中心距為32mm。

苗盤輸送裝置橫向傳動(dòng)控制：移栽機(jī)輸送機(jī)構(gòu)工作時(shí)，該部分進(jìn)行橫向間歇式的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。以苗盤左下方的第1個(gè)穴孔作為初始位置，從初始位置開始，待取苗手取走第1株幼苗后，控制苗盤向左移動(dòng)32mm，將第2株幼苗移動(dòng)到取苗位置，進(jìn)行取苗動(dòng)作。如此向左移動(dòng)共計(jì)7次，即完成苗盤第1行橫向共8株幼苗的夾取；繼而控制苗盤縱向向下移動(dòng)32mm,即將下一行右側(cè)第1個(gè)穴孔移至取苗位置，待取走右側(cè)第1株幼苗后，控制苗盤進(jìn)行橫向右移32mm，進(jìn)行取苗。如此往復(fù)，直到幼苗取完為止。

苗盤輸送裝置縱向傳動(dòng)控制：每當(dāng)橫向傳動(dòng)系統(tǒng)完成1行共8株幼苗的夾取后，由電感式接近開關(guān)判定苗盤橫向到達(dá)邊緣，縱向傳動(dòng)裝置需要及時(shí)縱向進(jìn)給32mm，然后苗盤橫向輸送機(jī)構(gòu)反向進(jìn)行間歇式給苗動(dòng)作；待取苗手再次完成該橫行最后一棵幼苗的抓取后，苗盤縱向傳動(dòng)裝置繼續(xù)縱向進(jìn)給32mm，共重復(fù)進(jìn)給15次。苗盤的移動(dòng)軌跡如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)苗盤輸送控制系統(tǒng)由限位開關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏和控制器作為該控制系統(tǒng)的硬件，以此完成送苗裝置控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。選擇三菱FX2N系列晶體管輸出型PLC，當(dāng)苗盤要進(jìn)行橫向和縱向移動(dòng)時(shí)，由苗盤輸送控制器三菱FX2N系列PLC向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送一定數(shù)量的電脈沖，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)脈沖數(shù)量驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使得固定在滑塊上的苗盤完成移動(dòng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 苗盤的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Trajectories of seedling dish

圖4 苗盤輸送控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure diagram of seedling tray conveying control system

3.2 步進(jìn)電機(jī)的選型

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，具有步距角恒定、誤差不累計(jì)等優(yōu)點(diǎn)[5]。橫移選擇兩相4根引出線的57BYGH78-401A型步進(jìn)電機(jī)，額定電流為3A，步距角1.8°，輸出力矩1.8N·m，機(jī)身長(zhǎng)度78mm，出軸長(zhǎng)度21mm，出軸軸徑8mm，出軸方式為單出軸，出線方式為二相四根引出線?？v移選擇86HBP150AL4-TK0B 型步進(jìn)電機(jī)。該步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為12 N·m，輸入電壓 24～80 V，電流為4 A，相電阻為0.84 Ω，步距角1.8°，配套的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為 2HD8080。

選擇直流步進(jìn)電機(jī)作為整個(gè)送苗機(jī)構(gòu)動(dòng)力，主要靠改變頻率來控制電機(jī)速度，通過對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿}沖設(shè)定，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，達(dá)到間歇送苗的目的。

由公式(1)進(jìn)行軸向負(fù)載的計(jì)算，即

F=FA+mg×(sinα+μcosα)

(1)

其中，F(xiàn)A為0，絲桿與平臺(tái)的夾角為0°，送苗裝置與幼苗總質(zhì)量為40kg，鋼材料之間的摩擦因數(shù)為0.05。代入計(jì)算得F=19.6N，則預(yù)負(fù)載F0為6.53N。

再由公式(2)計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即

(2)

其中，PB為絲桿的導(dǎo)程10mm，絲杠的效率為0.9。計(jì)算得TL=0.378N·m。

結(jié)合負(fù)載及加速轉(zhuǎn)矩對(duì)動(dòng)力的要求，要實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，需在PLC與電機(jī)之間添加驅(qū)動(dòng)器。橫移步進(jìn)電機(jī)選擇TB6600型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，輸入電壓為DC9～42V ，額定電流為4A， 采用速度自適應(yīng)電路，具有電流自動(dòng)尋優(yōu)功能。其細(xì)分?jǐn)?shù)為6 400，具備過流、過壓、欠壓、短路及脫機(jī)(ENA)保護(hù)功能。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器PUL和DIR兩個(gè)接口分別接收來自控制器的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為角位移，控制步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。

3.3 傳感器選型

本系統(tǒng)傳感器選擇上?？颂貍鞲衅骺萍加邢薰旧a(chǎn)的LJ18A3-8-Z/BX電感式接近傳感器(又稱接近開關(guān))，其圓柱直徑18mm、檢測(cè)距離8mm、工作電壓DC 6～36 V，為NPN三線常開式輸出。采用兩個(gè)電感式接近開關(guān)分別安裝在苗盤輸送裝置的支架兩側(cè)，用于感應(yīng)苗盤距離靠近開關(guān)的位置。若這個(gè)值小于等于接近開關(guān)的感應(yīng)距離，即可判斷苗盤右到位和苗盤左到位。當(dāng)移動(dòng)到位時(shí)，開關(guān)動(dòng)作，PLC收到信號(hào)后，停止向控制橫向移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，并同時(shí)向控制縱向移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)發(fā)送信號(hào)來完成苗盤的向下進(jìn)給?？刂齐娐方泳€圖如圖5所示。

4 軟件結(jié)構(gòu)以及仿真流程

4.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用三菱GX Developer開發(fā)工具對(duì)PLC進(jìn)行程序編寫，編程語(yǔ)言選擇梯形圖，安裝GX Simulator6仿真插件對(duì)梯形圖進(jìn)行仿真，并通過三菱配套觸摸屏軟件GT Designer 3設(shè)計(jì)觸摸屏界面以便直觀地觀察仿真結(jié)果。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5 控制電路接線圖Fig.5 Diagram of control circuit wiring

圖6 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of software structure

將兩個(gè)電感式接近開關(guān)分別安裝在苗盤輸送裝置的支架兩側(cè)，用于判斷苗盤何時(shí)需要進(jìn)行下移動(dòng)作，即判斷苗盤的右到位和左到位。當(dāng)苗盤移動(dòng)到達(dá)左右邊界時(shí)，傳感器輸出開關(guān)信號(hào)給PLC，在本設(shè)計(jì)中用狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停止、電機(jī)左到位及電機(jī)右到位。應(yīng)用定時(shí)器對(duì)電機(jī)移動(dòng)時(shí)間及取苗手取苗時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，設(shè)定電機(jī)做間歇性進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)一次的時(shí)間為1s，即電機(jī)將苗盤的下一個(gè)穴孔的中心線與取苗手中心線(位移32mm)對(duì)齊用時(shí)1s，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)供取苗手抓取幼苗時(shí)間為2s，計(jì)時(shí)到達(dá)設(shè)定值之后觸點(diǎn)動(dòng)作。應(yīng)用計(jì)數(shù)器來累加苗盤左移、苗盤右移及苗盤下移的次數(shù)，當(dāng)苗盤右移(左移)次數(shù)到達(dá)7時(shí)，執(zhí)行電機(jī)下移，且右到位(左到位)時(shí)計(jì)次清零，方便下一行的左移(右移)計(jì)數(shù);當(dāng)下移次數(shù)達(dá)到16時(shí)，一個(gè)苗盤的送苗結(jié)束。

將苗盤第1排的最左邊的育苗穴槽即人為規(guī)定的取苗手初始取苗位置標(biāo)記為N=1，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖Fig.7 Flow chart of software

4.2 苗盤運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

橫向運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：由于PLC需要發(fā)脈沖信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，分別完成苗盤的橫向右移和左移。苗盤在橫向做間歇式進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以向右移動(dòng)為例：從最左端開始，待第1株幼苗抓取完畢后，向右每完成一格幼苗的輸送(位移為兩個(gè)穴槽的間距32mm)，都要停止一段時(shí)間，待取苗手抓取完畢后，再進(jìn)行下一株幼苗的輸送。PLC內(nèi)部設(shè)有定時(shí)器，且電機(jī)的位移在平均轉(zhuǎn)速(即脈沖頻率)確定的情況與每次移動(dòng)時(shí)間成正比，所以用右移時(shí)間來代替位移進(jìn)行輸出顯示。擬定每次進(jìn)給運(yùn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為1s，并且取苗手在2s之內(nèi)完成幼苗的抓取。

苗盤的縱向移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：苗盤在縱向做的是向下的間歇性進(jìn)給，每當(dāng)取苗手完成橫向一排的抓取后，苗盤縱向進(jìn)給一格位移32mm。與苗盤的橫移相同，設(shè)定輸出為電機(jī)下移1s，然后停止2s，待取苗手抓取完畢當(dāng)前幼苗后開始橫向移動(dòng)。以右移為例，當(dāng)苗盤右移次數(shù)達(dá)到7，表示已經(jīng)進(jìn)給到該行最后一格，此時(shí)C0開啟，開始進(jìn)行2s計(jì)時(shí)，本行最后一株幼苗抓取完畢后執(zhí)行電機(jī)下移，該模塊只執(zhí)行一次，然后進(jìn)行下一行的橫向移動(dòng)；最后一行抓取完畢后要繼續(xù)下移進(jìn)行苗盤回收，一共需要下移16次。將梯形圖的點(diǎn)位與觸摸屏圖形對(duì)應(yīng)的模塊連接實(shí)現(xiàn)PLC軟件與觸摸屏軟件聯(lián)合仿真，如圖8所示。

圖8 梯形圖與觸摸屏點(diǎn)位對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Corresponding relations between ladder diagram and touch screen

4.3 觸摸屏仿真實(shí)現(xiàn)

采用三菱HMIGT10系列觸摸屏用于監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，應(yīng)用GT Designer 3軟件設(shè)計(jì)觸摸屏界面，與仿真軟件進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。移栽機(jī)的信息實(shí)時(shí)通過仿真界面顯示，苗盤移動(dòng)軌跡應(yīng)用8×4的點(diǎn)陣，用來顯示當(dāng)前取苗的位置，通過取苗位置的變化可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)苗盤移動(dòng)的位置。電機(jī)參數(shù)顯示模塊可以顯示當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)行速度，控制器發(fā)送的橫向移動(dòng)脈沖數(shù)和縱向移動(dòng)脈沖數(shù)，以及橫向縱向移動(dòng)的角度和苗盤的位移量。聯(lián)合仿真界面如圖9所示。

圖9 聯(lián)合仿真界面Fig.9 Interface of joint simulation

5 結(jié)論

對(duì)移栽機(jī)苗盤輸送過程中存在位移誤差的問題進(jìn)行分析，采用誤差檢測(cè)和補(bǔ)償模塊進(jìn)行修正，并對(duì)移栽過程中苗盤的橫向移動(dòng)和縱向移動(dòng)進(jìn)行了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。進(jìn)行了控制電路的實(shí)物連接，對(duì)苗盤橫向移動(dòng)的步長(zhǎng)及速度等參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試和修正，對(duì)控制效果進(jìn)行了測(cè)試。由于拖拉機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出的最大轉(zhuǎn)速為720r/min，取苗機(jī)構(gòu)取苗周期時(shí)間最快為1.2s/株，因此送盤線速度不超過32mm/s，就可以配合取苗機(jī)構(gòu)完成取苗工作。