劉海彬，谷新運(yùn)，徐 燦，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

工廠(chǎng)化穴盤(pán)育苗是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，生產(chǎn)中大量使用的育苗穴盤(pán)，通常簡(jiǎn)稱(chēng)穴盤(pán)[1-3]，我國(guó)多采用聚苯乙烯吸塑穴盤(pán)[2]?，F(xiàn)階段我國(guó)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不足的問(wèn)題日益突出，迫切需要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的機(jī)械化和自動(dòng)化，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率[4]。

穴盤(pán)自動(dòng)播種機(jī)、自動(dòng)播種生產(chǎn)線(xiàn)需要擺放育苗穴盤(pán)，草莓育苗過(guò)程中幼苗從小盤(pán)移栽到大盤(pán)的環(huán)節(jié)也有擺放育苗穴盤(pán)的需求[5-6]。育苗穴盤(pán)的擺放工作枯燥費(fèi)時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，有必要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。現(xiàn)階段僅少數(shù)機(jī)型能實(shí)現(xiàn)吸塑育苗穴盤(pán)的自動(dòng)擺放[7]。

氣力吸取技術(shù)在氣吸式播種機(jī)中廣泛使用，通常采用真空發(fā)生器和真空泵等真空元件[8-9]。此外，其他農(nóng)業(yè)裝備中也經(jīng)常應(yīng)用氣力吸取方法，除用于播種外，還可用于嫁接裝備[10]、番茄采摘末端執(zhí)行器[11]，以及植物組培苗的拾取[12-13]等。真空吸盤(pán)在其他行業(yè)中也有廣泛使用[14]。

現(xiàn)階段，低成本的吸塑育苗穴盤(pán)在我國(guó)仍廣泛使用，能實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)擺放的機(jī)型互有優(yōu)劣卻沒(méi)有在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用。因此，有必要開(kāi)展相關(guān)研究，探索新的育苗穴盤(pán)自動(dòng)擺放方式，研制適用的育苗穴盤(pán)自動(dòng)擺放機(jī)。本研究針對(duì)國(guó)內(nèi)工廠(chǎng)化穴盤(pán)育苗中常用的50穴育吸塑苗穴盤(pán)，使用穴孔邊界區(qū)域無(wú)圓孔的穴盤(pán)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣吸式育苗穴盤(pán)自動(dòng)擺放機(jī)包括擺放裝置、機(jī)架(含盤(pán)箱)、供盤(pán)輸送帶和控制系統(tǒng)4部分，如圖1所示。

1.輸送帶 2.擺放裝置 3.控制箱 4.育苗穴盤(pán) 5.盤(pán)箱 6.機(jī)架

其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，擺放裝置由真空取盤(pán)裝置和運(yùn)動(dòng)裝置組成；運(yùn)動(dòng)裝置以一對(duì)步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件，水平方向采用繩輪機(jī)構(gòu)，豎直方向采用尼龍繩索和卷?yè)P(yáng)筒。

1.真空取盤(pán)裝置 2.導(dǎo)向桿 3.尼龍繩索 4.運(yùn)動(dòng)裝置 5.水平繩索 6.步進(jìn)電機(jī)一 7. 步進(jìn)電機(jī)二 8.卷?yè)P(yáng)筒 9.控制箱 10.從動(dòng)繩輪 11.氣動(dòng)管 12.育苗穴盤(pán)

1.2 工作原理

擺放機(jī)工作原理：首先將待擺放的育苗穴盤(pán)置于盤(pán)箱中，接通電源后擺放機(jī)自動(dòng)復(fù)位，輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)；按啟動(dòng)鍵后擺放機(jī)開(kāi)始工作，運(yùn)動(dòng)裝置先帶動(dòng)真空取盤(pán)裝置運(yùn)動(dòng)至盤(pán)箱上方，再豎直下降至真空吸盤(pán)吸附到最上層的育苗穴盤(pán)上，吸附位置為育苗穴盤(pán)穴孔的邊界區(qū)域。真空取盤(pán)裝置吸取最上層的穴盤(pán)一起上升至復(fù)位高度，再沿軸支軌運(yùn)動(dòng)至輸送帶上方，將穴盤(pán)擺放到輸送帶上，由輸送帶輸送給播種機(jī)；之后進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)，如此循環(huán)往復(fù)直至完成盤(pán)箱中全部穴盤(pán)的擺放工作。當(dāng)盤(pán)箱中的穴盤(pán)不足10張時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出提示信號(hào)，提醒使用者補(bǔ)充穴盤(pán)或及時(shí)關(guān)機(jī)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 真空取盤(pán)裝置設(shè)計(jì)

真空取盤(pán)裝置主要由氣壓回路和吸盤(pán)架組成，如圖3所示。氣壓回路由DC24V ZQ370-02PM真空泵、真空破壞閥、空氣濾清器、真空壓力表、真空吸盤(pán)、氣動(dòng)管，以及氣壓快速接頭組成。吸盤(pán)架上有導(dǎo)向桿連接件，與一對(duì)導(dǎo)向桿連接為一個(gè)整體，卷?yè)P(yáng)筒上的尼龍繩索也固定在連接件上。吸盤(pán)架上共有8個(gè)真空吸盤(pán)安裝孔。相鄰的兩個(gè)真空吸盤(pán)安裝孔縱向中心距為51.5 mm；橫向中心距為103 mm。試驗(yàn)中可將真空吸盤(pán)安裝在不同的安裝孔，調(diào)整吸附位置。真空吸盤(pán)通過(guò)吸盤(pán)座同真空吸盤(pán)安裝板及氣動(dòng)管連接，吸盤(pán)座分為彈簧緩沖型和無(wú)緩沖型兩種類(lèi)型。

1.三通快速接頭 2.導(dǎo)向桿連接件 3.氣動(dòng)管 4.吸盤(pán)架 5.真空吸盤(pán)安裝孔 6.直角快速接頭 7.真空吸盤(pán)

2.2 運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)真空取盤(pán)裝置在水平方向和豎直方向兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，均以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件。水平方向的運(yùn)動(dòng)由主動(dòng)繩輪、從動(dòng)繩輪、尼龍繩索、軸支軌及開(kāi)口型直線(xiàn)滾動(dòng)軸承實(shí)現(xiàn)。豎直方向的運(yùn)動(dòng)由卷?yè)P(yáng)筒、尼龍繩索、導(dǎo)向桿及法蘭型直線(xiàn)滾動(dòng)軸承實(shí)現(xiàn)。

繩輪機(jī)構(gòu)如圖4所示，運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)如圖5所示。一對(duì)開(kāi)口型直線(xiàn)滾動(dòng)軸承由安裝板連接為一個(gè)整體，與一對(duì)平行安裝的軸支軌配合使用，公稱(chēng)直徑為12 mm。主動(dòng)繩輪隨步進(jìn)電機(jī)一轉(zhuǎn)動(dòng)；從動(dòng)繩輪由尼龍繩索帶動(dòng)，改變繩索上拉力的作用方向；尼龍繩索兩端均固定在安裝板上；開(kāi)口型直線(xiàn)滾動(dòng)軸承和安裝板等零部件組成的水平運(yùn)動(dòng)部件在尼龍繩索的牽引下可以隨步進(jìn)電機(jī)一的正反轉(zhuǎn)沿軸支軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.從動(dòng)繩輪 2.尼龍繩索 3.軸支軌 4.直線(xiàn)滾動(dòng)軸承 5.安裝板 6.從動(dòng)繩輪

安裝板上裝有一對(duì)公稱(chēng)直徑16mm的法蘭型直線(xiàn)滾動(dòng)軸承，與一對(duì)外徑16mm、內(nèi)徑14mm的06Cr19Ni10不銹鋼導(dǎo)向桿配合使用。步進(jìn)電機(jī)二安裝在安裝板上，其軸上裝有卷?yè)P(yáng)筒，卷?yè)P(yáng)筒使用尼龍繩索工作。導(dǎo)向桿下端與真空取盤(pán)裝置連接為一個(gè)整體，沿法蘭型直線(xiàn)滾動(dòng)軸承在豎直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上升時(shí)由卷?yè)P(yáng)筒上的尼龍繩索牽引。

1.開(kāi)口型直線(xiàn)滾動(dòng)軸承 2.卷?yè)P(yáng)筒 3.導(dǎo)向桿 4.步進(jìn)電機(jī)二 5.水平繩索 6.主動(dòng)繩輪 7.步進(jìn)電機(jī)一 8.軸支軌 9.法蘭型直線(xiàn)滾動(dòng)軸承 10.從動(dòng)繩輪 11.安裝板

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

擺放機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。選用STC89C52RC單片機(jī)為控制芯片，單片機(jī)I/O口通過(guò)繼電器控制真空泵的啟動(dòng)和停止。真空破壞閥為兩位兩通電磁開(kāi)關(guān)閥，使用24V直流電源，同樣由單片機(jī)I/O口通過(guò)繼電器控制。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

擺放機(jī)以選用HSTM42-1.8-S-33-6-0.95兩相42步進(jìn)電機(jī)為運(yùn)動(dòng)部件的執(zhí)行元件，選用ZD-6209-V2C驅(qū)動(dòng)器與之配套使用。水平方向的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)一帶動(dòng)繩輪正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，豎直方向的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)二帶動(dòng)卷?yè)P(yáng)筒正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。豎直方向運(yùn)動(dòng)的行程隨著盤(pán)箱中剩余的育苗穴盤(pán)數(shù)量的減少而增加，使用一對(duì)CHE18-30NA-B710光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)真空取盤(pán)裝置的行程：一個(gè)安裝在吸盤(pán)架上，用于控制下降行程；另一個(gè)安裝在水平運(yùn)動(dòng)部件上，用于控制上升行程。水平方向運(yùn)動(dòng)行程固定，由一對(duì)安裝在軸支軌兩端的行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的位置。

擺放機(jī)使用RAD50CM對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)輸送帶上有無(wú)穴盤(pán)，當(dāng)穴盤(pán)被輸送帶輸送給播種機(jī)時(shí)擺放下一張穴盤(pán)。擺放機(jī)控制系統(tǒng)使用CHE18-30NA-B710光電開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盤(pán)箱中是否有足夠數(shù)量的育苗穴盤(pán)。當(dāng)盤(pán)箱中剩余的育苗穴盤(pán)數(shù)量不足10張時(shí)，引起傳感器輸出信號(hào)變化，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出提示信號(hào)，提醒使用者及時(shí)補(bǔ)充育苗穴盤(pán)或及時(shí)關(guān)機(jī)?？刂葡到y(tǒng)軟件使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。電源開(kāi)關(guān)接通電源后運(yùn)動(dòng)部件自動(dòng)復(fù)位；按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)后擺放機(jī)開(kāi)始工作。

3 正交試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了確定擺放機(jī)工作參數(shù)，確定真空泵供電電壓、吸盤(pán)間距及是否使用吸盤(pán)座緩沖彈簧，開(kāi)展正交試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)材料與方法

試制氣吸式育苗穴盤(pán)自動(dòng)擺放機(jī)樣機(jī)一臺(tái)，如圖7所示。

1.從動(dòng)繩輪 2.導(dǎo)向桿 3.步進(jìn)電機(jī)二 4.軸支軌 5.步進(jìn)電機(jī)一 6.輸送帶 7.控制箱 8.真空泵 9.真空取盤(pán)裝置 10.育苗穴盤(pán)

50穴育苗穴盤(pán)25張(清洗后的舊盤(pán)，循環(huán)使用)、安泰信APS3005Dm可調(diào)直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)。為便于試驗(yàn)中調(diào)節(jié)電壓，使用安泰信APS3005Dm可調(diào)直流穩(wěn)壓電源為真空泵供電，樣機(jī)控制系統(tǒng)其他部分不變。

按照表1所示的試驗(yàn)因素水平開(kāi)展三因素二水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)共4組。試驗(yàn)中，若運(yùn)動(dòng)部件完成一個(gè)工作循環(huán)后，育苗穴盤(pán)被輸送帶輸送至下一工序則視為擺放成功；以25個(gè)工作循環(huán)為1次試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)4次，統(tǒng)計(jì)各次試驗(yàn)中的擺放成功率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

正交試驗(yàn)所得結(jié)果如表2所示，方差分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：該試驗(yàn)條件下吸盤(pán)間距、吸盤(pán)座緩沖彈簧、真空泵供電電壓3個(gè)因素對(duì)擺放成功率的影響均不顯著。

表1 試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)方差分析

F0.95(1,3)=10.13，F(xiàn)>10.13為顯著。

1)使用4個(gè)真空吸盤(pán)時(shí)，不論吸盤(pán)間距大小，育苗穴盤(pán)受力均衡，不會(huì)因側(cè)偏或晃動(dòng)導(dǎo)致擺放失敗。因此,吸盤(pán)間距對(duì)擺放成功率的影響不顯著。從簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、減小吸盤(pán)架尺寸的角度考慮，應(yīng)當(dāng)選用較小間距(51.5mm)。

2)因三層風(fēng)琴型真空吸盤(pán)能起到緩沖作用，所以吸盤(pán)座緩沖彈簧對(duì)擺放成功率的影響不顯著。為減少質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)選用無(wú)緩沖彈簧吸盤(pán)座。

3)真空泵供電電壓(15.0±0.05)V時(shí)，4個(gè)真空吸盤(pán)提供的吸力仍大于育苗穴盤(pán)的重力，故在此試驗(yàn)水平下真空泵供電電壓對(duì)擺放成功率的影響不顯著。鑒于真空泵額定電壓為24 V，供電電壓(15±0.05)V時(shí)泵的轉(zhuǎn)速明顯下降，故選擇供電電壓為(18.0±0.05)V。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果和樣機(jī)的工作能力，開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)材料與方法

氣吸式育苗穴盤(pán)自動(dòng)擺放機(jī)樣機(jī)1臺(tái)(見(jiàn)圖7)、50穴育苗穴盤(pán)25張(清洗后的舊盤(pán)，循環(huán)使用)。

試驗(yàn)采用如下參數(shù)：吸盤(pán)個(gè)數(shù)為4個(gè)，使用直徑9mm三層風(fēng)琴型真空吸盤(pán),橫向間距103mm，縱向間距51.5mm，吸盤(pán)座無(wú)緩沖彈簧，真空泵供電電壓為(18.0±0.05)V。

試驗(yàn)中, 若運(yùn)動(dòng)部件完成一個(gè)工作循環(huán)后，育苗穴盤(pán)被輸送帶輸送至下一工序則視為擺放成功。每組100個(gè)工作循環(huán)，重復(fù)5組。試驗(yàn)中使用25張50穴育苗穴盤(pán)，每組為盤(pán)箱補(bǔ)充穴盤(pán)4次。統(tǒng)計(jì)各組試驗(yàn)中擺放機(jī)工作的成功率。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。5組試驗(yàn)共補(bǔ)充穴盤(pán)20次，共擺放500次，僅第4組和第5組中各因尼龍繩索從卷?yè)P(yáng)筒脫出失敗一次，平均成功率99.6%。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：樣機(jī)使用4個(gè)直徑9mm的三層風(fēng)琴型真空吸盤(pán)，在ZQ370-02PM真空泵供電電壓(18.0±0.05)V的條件下，可實(shí)現(xiàn)50穴育苗穴盤(pán)的自動(dòng)擺放。

試驗(yàn)中擺放失敗兩次，均因?yàn)槟猃埨K索從卷?yè)P(yáng)筒脫出。其原因是檢測(cè)下降行程的光電接近開(kāi)關(guān)受環(huán)境光照影響，探測(cè)距離變化。因此，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)對(duì)下降行程的控制方法，防止尼龍繩索脫出。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了氣吸式育苗穴盤(pán)自動(dòng)擺放機(jī)并試制了樣機(jī)，可實(shí)現(xiàn)50穴育苗穴盤(pán)的自動(dòng)擺放。給定的試驗(yàn)條件下，吸盤(pán)間距、吸盤(pán)座緩沖彈簧、真空泵供電電壓3個(gè)因素對(duì)擺放成功率的影響均不顯著。 在真空泵供電電壓(18.0±0.05)V的條件下，使用4個(gè)9mm三層風(fēng)琴型真空吸盤(pán)，擺放500次，擺放成功率為99.6%。