基質(zhì)塊苗移栽機(jī)擋銷式自動送苗分苗裝置設(shè)計與試驗(yàn).pdf

基質(zhì)塊苗移栽機(jī)擋銷式自動送苗分苗裝置設(shè)計與試驗(yàn) 崔志超 1 2 管春松 2 徐 陶 3 李吉成 1 陳亞勇 1 宋井玲 4 鄭書河 1 1 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 福州 350100 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 南京 210014 3 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所 南京 210014 4 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 淄博 255000 摘 要 針對葉類蔬菜自動移栽送 分苗成功率低和傷苗率高的問題 該研究以甘藍(lán)基質(zhì)塊苗為對象 設(shè)計了一種輸送 帶 擋銷組合式送 分苗裝置 結(jié)合甘藍(lán)基質(zhì)塊苗力學(xué)特性 開展送 分苗過程理論分析 確定裝置穩(wěn)定送 分苗條件和關(guān) 鍵機(jī)構(gòu)工作參數(shù) 搭建試驗(yàn)臺進(jìn)行單因素試驗(yàn) 確定關(guān)鍵因素參數(shù)范圍 選取前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和 擋銷頻率為主要試驗(yàn)因素 以分苗成功率和基質(zhì)塊破損率為評價指標(biāo)進(jìn)行Box Behnken中心組合試驗(yàn) 建立二階回歸模 型 分析各影響因素對指標(biāo)的影響關(guān)系并進(jìn)行綜合優(yōu)化 試驗(yàn)結(jié)果表明 前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速104 r min 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn) 速75 r min 擋銷頻率1 85 s 次時送分苗效果較優(yōu) 臺架驗(yàn)證試驗(yàn)分苗成功率92 73 基質(zhì)塊破損率4 09 田間驗(yàn)證 試驗(yàn)分苗成功率91 81 基質(zhì)塊破損率4 62 兩指標(biāo)的兩次驗(yàn)證試驗(yàn)與優(yōu)化結(jié)果相比誤差值均小于2 表明該裝置 具有較高的穩(wěn)定性 該研究可為蔬菜自動移栽裝備的設(shè)計提供參考 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)械 設(shè)計 試驗(yàn) 基質(zhì)塊苗 移栽機(jī) 自動送 分裝置 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202304202 中圖分類號 S223 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2023 13 0068 12 崔志超 管春松 徐陶 等 基質(zhì)塊苗移栽機(jī)擋銷式自動送苗分苗裝置設(shè)計與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2023 39 13 68 79 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202304202 http www tcsae org CUI Zhichao GUAN Chunsong XU Tao et al Design and experiment of the automatic conveying and separating device for substrate block seedling transplanting machine J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2023 39 13 68 79 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202304202 http www tcsae org 0 引 言 蔬菜是中國僅次于糧食的第二大種植農(nóng)作物 常年 種植面積超2 000萬hm2以上 1 2 其中 以甘藍(lán)為代表 的葉類蔬菜約占蔬菜總種植面積的25 3 育苗移栽是 其主要種植方式 葉類蔬菜要求單株定植 自動化移栽 是解決這一問題的有效途徑 目前葉類蔬菜自動移栽裝 備缺乏或可靠性差 4 6 現(xiàn)有蔬菜缽苗自動移栽機(jī)應(yīng)用在 葉類蔬菜上存在兩方面問題 一是送 分苗方法依賴秧苗 自身優(yōu)勢 適于根系發(fā)達(dá)的茄果類長莖苗 7 8 不適于闊 葉 短莖的葉類蔬菜 二是送 分苗要求精度高 導(dǎo)致機(jī) 器可靠性低 影響栽植效率 因此 亟需探索針對葉類 蔬菜秧苗特點(diǎn)的育苗方式與送 分苗方法 解決葉類蔬菜 優(yōu)質(zhì)高效自動移栽的瓶頸問題 基質(zhì)塊苗是實(shí)現(xiàn)葉類蔬菜自動移栽的有效育苗方式 其載苗塊體規(guī)則 穩(wěn)定性好 苗齡大小與植株形態(tài)對送 分苗效果影響小 9 歐洲國家在基質(zhì)塊育苗移栽方面研 究應(yīng)用較早 意大利Ferrari公司和Hortech公司 法國 CM Ff2 is the friction of the rear conveyor belt on the substrate blocks group in the continuous conveying zone N F is the vertical inward force of the splint on the substrate block seedlings N Ff is the friction of the splint on the substrate block N FN1 is the support force of the rear conveyor belt on the substrate block seedlings group in the intermittent conveying zone N FN2 is the support force of the rear conveyor belt on the substrate block seedlings group in the continuous conveying zone N Ft is the pushing force of the substrate block seedlings in the continuous conveying zone on the substrate block seedlings in the intermittent conveying zone N is the angle between the rear conveyor belt and the horizontal plane G is the gravity of the substrate block seedling N 圖4 間歇送苗受力分析 Fig 4 Force analysis of intermittent seedlings delivery 聯(lián)立式 3 4 得 F 1n1Gcos n1Gsin 1n2Gcos n2Gsin 2 5 式 3 5 中 1為輸送帶與整排基質(zhì)塊苗的摩擦系 數(shù) 取值0 55 2為夾板與整排基質(zhì)塊苗的摩擦系數(shù) 取值0 5 G為基質(zhì)塊苗重力 取值0 98 N 為基質(zhì)苗 與水平面的夾角 取值12 5 n1為夾緊區(qū)基質(zhì)塊苗的數(shù) 量 取值6株 n2為連續(xù)輸送區(qū)基質(zhì)塊苗的數(shù)量 取值 9株 計 算 得 連 續(xù) 輸 送 區(qū) 基 質(zhì) 塊 苗 的 推 擠 力Ft 6 65 N 夾板夾力F 22 15 N 3 1 3 間歇夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計 如圖5所示 在桿件尺寸 安裝位置等已知的情況 下 夾板的夾力與氣缸 的活塞桿伸展長度密切相關(guān) 夾板的轉(zhuǎn)動角度 受氣缸活塞桿的直接影響 角過大 需要?dú)飧椎某叽缭酱?影響效率和安裝位置 角過小 則影響夾板夾緊力 為此 須分析氣缸在工作位置時 AB 的所需長度和常態(tài)位置時AB的靜態(tài)長度 AO BB CC 工作位置Working position 常態(tài)位置Normal position O y x 1 2 3 4 1 氣缸 2 夾板 3 基質(zhì)塊苗 4 輸送槽固定側(cè) 1 Cylinder 2 Splint 3 Substrate block seedling 4 Fixed side of conveyor chute 注 為夾板由常態(tài)位置到工作位置的轉(zhuǎn)動夾角 A B C為鉸 接點(diǎn) Note is the rotation angle between the normal position and the working position of the splint A B and C are hinge points 圖5 基質(zhì)塊苗被夾緊時機(jī)構(gòu)簡圖 Fig 5 Schematic diagram of the mechanism when the substrate block seedlings are clamped 以氣缸 的鉸接點(diǎn)A為原點(diǎn) 建立平面直角坐標(biāo)系 作B C 延長線與過O點(diǎn)的x軸相交 建立虛擬O 點(diǎn) 根 據(jù)幾何關(guān)系獲得所需坐標(biāo)點(diǎn)O 點(diǎn) C 點(diǎn) B 點(diǎn)的位置 以O(shè) 點(diǎn)為引導(dǎo)點(diǎn)求得LO B 和LO A距離 LO B yB yO LOC cos LBC 6 LO A LOA LOC sin 7 從而推導(dǎo)出氣缸工作行程 LAB L2O B L2O A LOCcos LBC 2 LOA LOCsin 2 8 LAB L2OA LOC LCB 2 9 式 8 9 中LOA為夾板下固定點(diǎn)到氣缸 固定點(diǎn) 的距離 取值40 mm LOC為夾板下固定點(diǎn)到折點(diǎn)距離 第 13 期 崔志超等 基質(zhì)塊苗移栽機(jī)擋銷式自動送苗分苗裝置設(shè)計與試驗(yàn) 71 取值95 mm LBC為夾板上固定點(diǎn)到折點(diǎn)距離 取值 38 mm 取值30 計算得氣缸 常態(tài)位置總長度 LAB 139 mm 工作位置總長度LAB 149 mm 可選用寧 波亞德客自動化工業(yè)有限公司生產(chǎn)的B06 MI 16 10SCA 復(fù)動型氣缸 3 2 自動分苗機(jī)構(gòu) 自動分苗機(jī)構(gòu)是將整排基質(zhì)塊苗按照一定頻率進(jìn)行 逐塊分離 該機(jī)構(gòu)執(zhí)行部件采用氣壓傳動為直接動力配 合多連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動 如圖6所示 栽植器沿運(yùn) 動軌跡呈逆時針轉(zhuǎn)動 當(dāng)接近傳感器未檢測到栽植器 即 兩栽植器間隔處 時 PLC控制電磁換向閥左路接通 氣缸 活塞桿伸出 擋銷擺出前輸送帶上方實(shí)現(xiàn)放苗 基質(zhì)塊苗由m1處被送至m2處 呈待取狀態(tài) 當(dāng)栽植器 轉(zhuǎn)至接近傳感器檢測域時PLC控制電磁換向閥右路接通 氣缸 活塞桿縮回 擋銷擺入前輸送帶上方實(shí)現(xiàn)擋苗 此時栽植器取走前輸送帶端部基質(zhì)塊苗 依次循環(huán) m1 m2 1 2 3 9 4 5 68 7 10 11 1 空氣壓縮機(jī) 2 儲氣罐 3 電磁換向閥 4 基質(zhì)塊苗 5 前輸送帶 6 氣缸 7 擋 銷 8 擋銷連桿 9 接近傳感器 10 栽植器 11 栽植器運(yùn)動軌跡 1 Air compressor 2 Air storage tank 3 Electromagnetic directional valve 4 Substrate block seedling 5 Front conveyor belt 6 Cylinder 7 Stop pin 8 Stop pin linkage 9 Proximity sensor 10 Planter 11 Motion trajectory of the planter 注 為栽植器轉(zhuǎn)動角速度 rad s 1 m1為待分苗點(diǎn) m2為分苗運(yùn)動 終點(diǎn) Note is the rotation angular speed of the planter rad s 1 m1 is the wait separating seedlings point m2 is the end point of separating seedling movement 圖6 自動分苗機(jī)構(gòu)示意圖 Fig 6 Schematic diagram of automatic seedling separation mechanism 3 2 1 穩(wěn)定分苗條件 為保證擋銷處于擋苗狀態(tài)時 前輸送帶上始終存有 基質(zhì)塊苗供分苗 要求前輸送帶速度大于栽植器轉(zhuǎn)動速 度 但前輸送帶速度過快會使基質(zhì)塊苗在接觸擋銷瞬間 發(fā)生傾翻 如圖7所示 對基質(zhì)塊接觸擋銷的瞬間進(jìn)行 分析 擋銷對基質(zhì)塊質(zhì)心 8 F3d Ff3 b2 F4d 0 F3 F4 Ff3 0 Ff3 FN3 G 8 F3 G 2 G b4d F4 G 2 G b4d 10 式中d為擋銷到基質(zhì)塊質(zhì)的垂直距離 mm 如圖7a理想狀態(tài)下 兩擋銷對基質(zhì)塊質(zhì)心所形成的 力矩與力臂相等 且合力與基質(zhì)塊質(zhì)心位于同一水平線 不會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)力矩 因此基質(zhì)塊不存在傾翻的可能 實(shí) 際生產(chǎn)中 基質(zhì)塊育苗期間塊體之間難免存在差異 兩 擋銷合力難保位于每個基質(zhì)塊的質(zhì)心位置 若出現(xiàn)偏差 則出現(xiàn)傾翻的可能 基質(zhì)塊在慣性力的作用下會翻轉(zhuǎn)到 圖7b狀態(tài) 基質(zhì)塊碰到擋銷前 基質(zhì)塊所受力對擋銷的 力矩為0 基質(zhì)塊碰到擋銷后 基質(zhì)塊所受力對擋銷的 力矩還為0 滿足能量守恒定律 27 當(dāng)基質(zhì)塊苗處于臨 界傾翻狀態(tài)時基質(zhì)塊苗損失的動能轉(zhuǎn)化為勢能 F3 F4 G 擋銷 Stop pin擋銷 Stop pin FN3 Ff3 Ff3 FN3 G F5 前輸送帶 Front conveyor belt a 基質(zhì)塊苗接觸擋銷時理想狀態(tài) a Ideal state when a substrate block is in contact with the stop pin b 基質(zhì)塊苗發(fā)生傾倒時臨界狀態(tài) b substrate block seedling is in critical state when tipping occurs 注 F3 F4分別為理想狀態(tài)下?lián)蹁N對基質(zhì)塊苗的平衡推力 N FN3為前輸 送帶對基質(zhì)苗的支撐力 N Ff3為前輸送帶對基質(zhì)塊苗的摩擦力 N F5為 臨界傾倒?fàn)顟B(tài)下?lián)蹁N對基質(zhì)塊苗的推力 N 為臨界傾倒?fàn)顟B(tài)下基質(zhì)塊苗 與前輸送帶之間的夾角 Note F3 and F4 are the equilibrium thrust of the stop pin on the substrate block seedlings under ideal conditions N FN3 is the support force of the front conveyor belt on the substrate seedlings N Ff3 is the frictional force of the front conveyor belt on the substrate block seedlings N F5 is the thrust of the stop pin on the substrate block seedling in the critical tipping state N The angle between the substrate block seedling and the front conveyor belt in the critical dumping state 圖7 基質(zhì)塊苗接觸擋銷的瞬間受力 Fig 7 Force at moment substrate block seedling contact with stop pin 動能 Ek的變化 Ek mv 2 2 11 勢能 Em的變化 Em mg 26 6664 p2 2 bsin 45 b 2 37 7775 12 動能轉(zhuǎn)化為勢能 Ek Em 13 整理得 v gb p 2sin 45 1 14 式 11 14 中m為基質(zhì)塊苗的質(zhì)量 取值100 g v為基質(zhì)塊苗獲得的輸送速度 m s 當(dāng) 45 時 基質(zhì) 塊苗為臨界傾倒?fàn)顟B(tài) 計算得輸送速度v 0 16 m s 所 以 要保證基質(zhì)塊苗接觸擋銷時不會發(fā)生傾翻 需保證 前輸送帶速度小于基質(zhì)塊苗理論輸送速度 3 2 2 分苗機(jī)構(gòu)設(shè)計 擋銷的擺動角度 直接影響分苗效果 擋銷擺入前 輸送帶上方與基質(zhì)塊前進(jìn)面保持平行接觸時視為理想擋 苗狀態(tài) 擋銷擺出前輸送帶上方遠(yuǎn)離基質(zhì)塊體時視為理 72 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2023 年 想放苗狀態(tài) 在擋銷與連接組件尺寸 安裝位置均已知 的情況下 通過計算擋銷擺角 和擺桿擺角 可間接 求得連桿兩端點(diǎn)繞支點(diǎn)擺動的直線距離 從而得出所需 氣缸的工作行程 如圖8所示 以O(shè)2和O3各為坐標(biāo)原點(diǎn)分別建立平 面直角坐標(biāo)系 獲得所需坐標(biāo)點(diǎn)H H E E 的位置 H O3 B I G G G K K H F F e x y前輸送帶Front conveyor belt 放苗狀態(tài) Seedling release status 擋苗狀態(tài) Seedling blocking status M N 轉(zhuǎn)軸 Rotation shaft 轉(zhuǎn)軸 Rotation shaft 擋銷 Stop pin a 擋銷工作狀態(tài)簡圖 a Schematic diagram of working state of stop pin b 擋銷整體簡圖 b Overall schematic diagram of the stop pin D E O2 G H O3 E E G 氣缸 Cylinder y x 注 B為前輸送帶寬度 mm I為前輸送帶中心線到O3距離 mm K為 擋銷擋苗時的極限點(diǎn) K 為擋銷放苗時的極限點(diǎn) M為前輸送帶外側(cè) N 為前輸送帶內(nèi)側(cè) F F 分別為擋銷中點(diǎn) H H 分別為擋銷的鉸接點(diǎn) O3 為擋銷轉(zhuǎn)軸 為擋銷放苗狀態(tài)下與y軸的夾角 為擋銷擺角 E E E 分別為氣缸 的活塞和擺桿的下鉸接點(diǎn)之間的工作位置 G G G 分別為擋銷的連桿和擺桿的上鉸接點(diǎn)之間的工作位置 O2為擺桿轉(zhuǎn) 軸 為擺桿的擺角 D為氣缸 與機(jī)架鉸接點(diǎn) e為G G 到 x 軸的 距離 Note B is the width of the front conveyor belt mm I is the distance from the center line of the front conveyor belt to O3 mm K is the limit point when the stop pin stops the seedling K is the limit point when the stop pin is released M is the outside of the front conveyor belt N is the inside of the front conveyor belt F and F is the midpoint of the stop pin H and H is the hinge point of the stop pin O3 is the shaft of the stop pin is the angle between the stop pin and the y axis during seedling released is the swing angle of the stop pin E E and E are the working positions between the piston of cylinder II and the lower hinge point of the swing rod G G and G is the working positions between the connecting rod of the gear pin and the upper hinge point of the swing rod O2 is the shaft of the swing rod is the swing angle of the swing rod D is the hinge point between cylinder II and the frame e is the distance from G G to the x axis 圖8 擋銷工作原理簡圖 Fig 8 Schematic diagram of working principle of stop pin 計算得出擋銷擺角 cos 1 LNO3L O3K cos 1 LMO3L O3K 15 由H點(diǎn) H 點(diǎn)坐標(biāo)和擋銷擺角 推導(dǎo)出G 到G 的位 移距離 LG G LO3H 26 6664 0B BBB p2 2 sin 1C CCCA LO3H 2LGH 0B BBB p2 2 cos 2e LO3H 1C CCCA 0B BBB cos p2 2 1C CCCA 37 7775 16 計算得出擋銷擺桿擺角 cos 1 2LO2G 2 L G G 2 2LO2G 2 17 由E 點(diǎn) E 點(diǎn)坐標(biāo)和擺桿擺角 推導(dǎo)出氣缸 活塞 桿的行程為 LE E 2LO2E sin 2 18 LO3H LO3H LNO3 LMO3 LO3K LO3K LO2G LO2G LO2G LO2E LO2E LO2E 式 15 18 中 為擋銷鉸接點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的 距離 取值30 mm 為前輸送帶近轉(zhuǎn)軸側(cè)到轉(zhuǎn)軸的 距離 取值30 mm 為前輸送帶外側(cè)到轉(zhuǎn)軸的距離 取值55 mm 為擋銷末端到轉(zhuǎn)軸的距離 取 值80 mm LGH為擋銷連桿長度 取值80 mm e 9 mm 取 值 50 mm 取 值 77 mm 取值45 計算得氣缸 的活塞工作行程LE E 18 5 mm 連桿 往復(fù)行程LG G 12 mm 24 4 13 8 根據(jù)LE E 距 離可選用寧波亞德客自動化工業(yè)有限公司生產(chǎn)的B06 MI 20 20 SCA型復(fù)動型氣缸 3 3 控制系統(tǒng) 3 3 1 控制原理 控 制 系 統(tǒng) 采用CP1H X40DT D型PLC program mable logic controller 控制 控制器與觸屏輸入顯示器連 接實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互 并通過控制信號啟動和調(diào)整間歇送苗 機(jī)構(gòu) 自動分苗機(jī)構(gòu)以及立直栽苗機(jī)構(gòu)工作 各部分機(jī) 構(gòu)內(nèi)在組成和機(jī)構(gòu)之間的能量供給關(guān)系 信號通路方向 和秧苗栽植處理過程的空間處理過程如圖9所示 夾板 氣壓源 系統(tǒng)控 制機(jī)構(gòu) 間歇送苗機(jī)構(gòu) 立直栽苗機(jī)構(gòu) 整排基質(zhì)塊苗 秧苗移栽 電源 電磁閥 后輸送帶步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 雙排鏈?zhǔn)?栽植器步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 擋銷 自動分苗機(jī)構(gòu) 電磁閥 前 側(cè)輸送帶步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 接近傳感器 顯示器 急停開關(guān) 停止開關(guān) 信號方向Signal direction 能量提供方向Direction of energy supply 秧苗動作方向Movement direction of seedlings 圖9 控制原理圖 Fig 9 Diagram of control principle 其中 送 分 栽苗機(jī)構(gòu)之間的控制和反饋信號實(shí)現(xiàn) 如下 人機(jī)交互結(jié)構(gòu)的輸入和輸出信號通過VGA video graphics array 1987 視頻信號實(shí)現(xiàn) 輸入的數(shù)字則 轉(zhuǎn)化為PLC的寄存器和E2PROM electrically erasable programmable read only memory 寄存器內(nèi) 控制系統(tǒng)對 第 13 期 崔志超等 基質(zhì)塊苗移栽機(jī)擋銷式自動送苗分苗裝置設(shè)計與試驗(yàn) 73 電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過PWM pulse width modulation 信 號與電機(jī)驅(qū)動器通訊實(shí)現(xiàn)控制 此外 接近傳感器和 PLC之間的通訊方式為BCD8421編碼的串口數(shù)字信號 接近傳感器通過紅外線檢測傳感器與每個周期上的栽植 器距離轉(zhuǎn)化為BCD8421的數(shù)字信號 并以閾值來判斷每 個栽植器的實(shí)際動作周期 實(shí)現(xiàn)間歇送苗機(jī)構(gòu) 自動分 苗機(jī)構(gòu)和直立栽苗機(jī)構(gòu)的動作起點(diǎn)和周期保持同步 接收PLC系統(tǒng)控制信號的電機(jī)驅(qū)動器輸出電機(jī)控制 信號 驅(qū)動后輸送帶給基質(zhì)塊苗提供前進(jìn)的速度 電磁 閥在接收到控制信號后 驅(qū)動夾板間歇對秧苗夾緊 實(shí) 現(xiàn)間歇送苗和整齊排列 前輸送帶和側(cè)輸送帶同步運(yùn)行 給秧苗提供運(yùn)輸速度 使得秧苗的運(yùn)動方向和輸送的末 端位置有較高的穩(wěn)定性 栽植器的運(yùn)動周期與自動分苗 機(jī)構(gòu)分苗動作的周期對應(yīng) 若該部分的時間周期出現(xiàn)偏 差時 接近傳感器通過PID控制間歇送苗機(jī)構(gòu)和自動分 苗機(jī)構(gòu)的送苗速度來調(diào)節(jié) 3 3 2 控制流程 系統(tǒng)控制流程 圖10 主要通過PLC控制器及其通 訊部件來實(shí)現(xiàn) 主要包括 初始化 速度控制 秧苗移 栽控制 中斷處理和速度控制算法 系統(tǒng)初始化 讀取時 鐘 用戶界面初始化 運(yùn)動狀態(tài)歸零 啟動 速度寄存器修改為用戶 輸入的數(shù)值 讀取歷史送苗數(shù)據(jù)為當(dāng) 前工作速度 用戶按下啟動 Y N 輸入新秧苗動作周期 更新歷史存儲器為輸入 關(guān)閉所有電機(jī) 停止 完成當(dāng)前運(yùn)行周期 停止 保存所有數(shù)據(jù) 中斷1 中斷2 N Y 按照當(dāng)前工作速度輸出 控制信號周期 顯示警報LED 蜂鳴器 接近傳感器檢測每個秧 苗的動作時間周期 計算與預(yù)設(shè)的偏差 偏差超過閾值 偏差過大 跳轉(zhuǎn)至中斷2 停止工作 調(diào)整輸送帶速度 用戶按下急停按鈕 用戶按下停止按鈕 N N Y Y 圖10 控制流程圖 Fig 10 Flow chart of control 由于系統(tǒng)需要將初始電位 時間基準(zhǔn) 界面顯示 運(yùn)動起始值與周期校準(zhǔn)同步 因此在系統(tǒng)上電啟動后 首先進(jìn)入系統(tǒng)初始化階段 包含系統(tǒng)的初始化 時鐘初 始化 用戶界面初始化及運(yùn)動狀態(tài)歸零初始化 初始化 階段結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入指令等待狀態(tài) 由于秧苗移栽控制 需要特定的開始時間和運(yùn)行周期 此時需要用戶輸入啟 動指令或速度修改指令 若用戶輸入速度后并按下啟動 系統(tǒng)則按照用戶新輸入的速度值運(yùn)行并更新歷史數(shù)據(jù)值 如果用戶直接啟動系統(tǒng)則讀取歷史存儲的速度數(shù)據(jù)值進(jìn) 行啟動 使得系統(tǒng)運(yùn)行時保持與啟動前的最后一次運(yùn)行 一致的速度運(yùn)行 此外 系統(tǒng)在運(yùn)行過程中 可以通過 中斷跳轉(zhuǎn)進(jìn)行急停和停止操作 當(dāng)執(zhí)行急停時 系統(tǒng)會 立即停止 若指令為停止 系統(tǒng)則完成最后一個工作周 期后 逐步慢速停止 其中 急停和停止的中斷等級不 同 急停的中斷等級優(yōu)先于停止指令 這保證急停的觸 發(fā)會在最快的速度下停止系統(tǒng)的所有動作 最大限度減 少意外事故的發(fā)生 3 3 3 PID控制算法 由于分苗和栽苗機(jī)構(gòu)部分互相獨(dú)立驅(qū)動 而栽苗機(jī) 構(gòu)在動作的過程中容易受到環(huán)境的不均勻阻力干擾 例如 不同的土壤硬度帶來的阻力差異 除此以外 電壓變化 和控制信號也可能存在著周期性的隨機(jī)性干擾 這些干 擾產(chǎn)生的微小位移差異會在周期性動作下產(chǎn)生積累作用 進(jìn)而影響整體的栽苗動作 為使分苗和栽苗機(jī)構(gòu)部分的 速度保持穩(wěn)定一致 避免由于受外力和其他干擾的誤差導(dǎo) 致秧苗的漏送和多送問題 本文運(yùn)用了PID proportion integral derivative 控制算法 28 對間歇送苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)行 速度進(jìn)行控制調(diào)整 實(shí)現(xiàn)分苗和栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動之間的 速度保持一致 4 性能試驗(yàn) 4 1 試驗(yàn)條件與指標(biāo) 為驗(yàn)證所設(shè)計自動送 分苗裝置的實(shí)際分苗效果 以 步進(jìn)電機(jī)為動力源分別驅(qū)動前 后輸送帶 以電磁換向 閥控制氣缸驅(qū)動擋銷與夾板 并搭建試驗(yàn)臺 試驗(yàn)獲取 裝置最優(yōu)參數(shù)組合 如圖11所示 試驗(yàn)用苗為苗齡 30 d的甘藍(lán)基質(zhì)塊苗 基質(zhì)塊為棱長40 mm立方體 基 質(zhì)塊之間無粘連 串根 送 分苗過程中 秧苗傾斜產(chǎn)生 的力矩不影響試驗(yàn)效果 試驗(yàn)地點(diǎn)為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng) 業(yè)機(jī)械化研究所東區(qū)實(shí)驗(yàn)室 2 3 4 7 56 1 1 前輸送電機(jī) 2 電磁換向閥 3 后輸送電機(jī) 4 基質(zhì)塊苗 5 間歇送苗機(jī)構(gòu) 6 自 動分苗機(jī)構(gòu) 7 栽植器 1 Front conveyor motor 2 Electromagnetic directional valve 3 Rear conveyor motor 4 Substrate block seedlings 5 Intermittent conveying seedlings mechanism 6 Automatic seedling separation mechanism 7 Planter 圖11 自動送 分苗臺架試驗(yàn) Fig 11 Bench test of automatic conveying and separating 由理論分析可知 影響送 分苗效果的主要因素與前 后輸送帶送苗速度和擋 放苗頻率有關(guān) 因此 以前 后 輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和擋銷頻率為試驗(yàn)因素 以分苗成功率 和基質(zhì)塊破損率為評價指標(biāo)進(jìn)行性能試驗(yàn) 分苗成功率Y1為單株分離且保持完整 豎直狀態(tài)的 苗塊NF占整排基質(zhì)塊苗N的比例 基質(zhì)塊破損率Y2為分苗過程中基質(zhì)塊因外部受力基 質(zhì)散落質(zhì)量大于基質(zhì)塊苗總質(zhì)量1 3的基質(zhì)苗塊NP占總 74 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2023 年 株數(shù)N的比例 29 4 2 單因素試驗(yàn) 通過自動送 分苗試驗(yàn)臺預(yù)試驗(yàn) 前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速 設(shè)置為88 99 110 121 132 r min 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn) 速設(shè)置為66 73 79 86 92 r min 擋銷頻率設(shè)置為 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 s 次 分別設(shè)計以下單因素試驗(yàn) 每組試驗(yàn)選用120株基質(zhì)塊苗進(jìn)行測試 重復(fù)試驗(yàn)3次 取平均值 當(dāng)對其中1個因素進(jìn)行試驗(yàn)時 另外2個因 素各取中間值 分別考察各因素對對分苗成功率和基質(zhì) 塊破損率的影響 由圖12a和圖12c可知前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速和擋銷頻 率對分苗成功率與基質(zhì)塊破損率的影響波動范圍較大 前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速在99 121 r min 擋銷頻率在1 8 2 2 s 次時分苗成功率和基質(zhì)塊破損率綜合性較佳 88 99 110 121 13287 88 89 90 91 92 93 94 95 分苗成功率 Success rate of seedling separation 基質(zhì)塊破損率 Substrate block breakage rate 前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速 Front conveyor belt motor speed r min 1 分苗成功率 Success rate of seedling separation 3 4 5 6 7 基質(zhì)塊破損率 Substrate block breakage rate 66 0 73 0 79 5 86 0 92 090 91 92 93 94 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速 Rear conveyor belt motor speed r min 1 分苗成功率 Success rate of seedling separation 3 4 5 6 基質(zhì)塊破損率 Substrate block breakage rate 1 6 1 8 2 0 2 2 2 488 90 92 94 96 擋銷頻率 Frequency of stop pin s 次 1 a 前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速 a Front conveyor belt motor speed b 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速 b Rear conveyor belt motor speed c 擋銷頻率 c Frenquency of spot pin 分苗成功率 Success rate of seedling separation 2 3 4 5 6 7 8 基質(zhì)塊破損率 Substrate block breakage rate 圖12 單因素試驗(yàn)結(jié)果 Fig 12 Single factor test results 圖12b后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速對分苗成功率整體影響波 動范圍較小 轉(zhuǎn)速越高分苗成功率越高 但高轉(zhuǎn)速時對 基質(zhì)塊破損率影響較大 綜合分析分苗成功率和基質(zhì)塊 破損率試驗(yàn)結(jié)果 當(dāng)73 86 r min時綜合性較佳 4 3 多因素試驗(yàn) 4 3 1 試驗(yàn)設(shè)計 為獲得最優(yōu)參數(shù)組合 驗(yàn)證上述3因素交互作用對 分苗效果的影響 采用三因素三水平Box Behnken響應(yīng) 曲面分析法 30 31 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果 選取前輸送帶 電機(jī)轉(zhuǎn)速99 110 121 r min 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速73 79 5 86 r min 擋銷頻率1 8 2 0 2 2 s 次設(shè)計試驗(yàn) 試驗(yàn)因素水平如表1所示 試驗(yàn)共17組 每組試驗(yàn)重 復(fù)3次 每 120株基質(zhì)塊苗 取3次平均值記錄數(shù)據(jù) 試驗(yàn)結(jié)果如表2所示 表 1 因素水平表 Table 1 Factors and levels 水平 levels 前輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速 Front conveyor belt motor speed r min 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速 Rear conveyor belt motor speed r min 擋銷頻率 Frequency of stop pin s 次 1 1 99 73 0 1 8 0 110 79 5 2 0 1 121 86 0 2 2 表 2 試驗(yàn)方案及結(jié)果 Table 2 Experimental scheme and results 序號 No 前輸送帶 電機(jī)轉(zhuǎn)速 Front conveyor belt motor speed X1 后輸送帶 電機(jī)轉(zhuǎn)速 Rear conveyor belt motor speed X2 擋銷頻率 Frequency of stop pin X3 分苗成功率 Success rate of seedling separation Y1 基質(zhì)塊破損率 Substrate block breakage rate Y2 1 1 1 0 90 57 4 51 2 1 1 0 88 63 4 37 3 1 1 0 91 02 7 68 4 1 1 0 87 25 7 83 5 1 0 1 92 51 4 52 6 1 0 1 86 44 5 26 7 1 0 1 85 83 7 87 8 1 0 1 89 68 7 55 9 0 1 1 92 66 3 62 10 0 1 1 91 34 8 66 11 0 1 1 88 41 8 91 12 0 1 1 89 47 9 23 13 0 0 0 92 55 4 59 14 0 0 0 93 49 4 37 15 0 0 0 92 74 3 96 16 0 0 0 92 46 3 93 17 0 0 0 93 17 4 44 4 3 2 結(jié)果與分析 運(yùn)用Design Expert8 0 6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分 析 由表3可知 分苗成功率Y1的回歸模型中 回歸項(xiàng) X1 X3 X1X3 X12 X32對方程影響顯著 P 0 05 其 余項(xiàng)影響不顯著 P 0 05 基質(zhì)塊破損率Y2的回歸 模型中 回歸項(xiàng)X2 X3 X2X3 X22 X32其余項(xiàng)影響不顯 著 P 0 05 剔除不顯著項(xiàng) 回歸方程分別為 Y1 92 53 0 99X1 1 2X3 2 48X1X3 2 73X21 1 63X23 19 Y2 4 37 1 5X2 1 44X3 1 18X2X3 1 59X22 1 79X23 20 第 13 期 崔志超等 基質(zhì)塊苗移栽機(jī)擋銷式自動送苗分苗裝置設(shè)計與試驗(yàn) 75 表 3 回歸模型方差分析 Table 3 Variance analysis of regression models 指標(biāo) Indexs 方差來源 Variance source 平方和 Sum of squares 自由度 Degree of freedom 均方差 Mean square F值 F value P值 P value Y1 模型 94 03 9 10 45 22 59 0 000 2 殘差 3 24 7 0 46 失擬項(xiàng) 2 48 3 0 83 4 34 0 095 1 誤差 0 76 4 0 19 Y2 模型 66 24 9 7 36 88 68 0 000 1 殘差 0 58 7 0 083 失擬項(xiàng) 0 23 3 0 076 0 87 0 528 4 誤差 0 35 4 0 088 注 P 0 01 極顯著 P 0 05 顯著 Note P 0 01 highly significant P maxY1 X1 X2 X3 minY2 X1 X2 X3 s t 8 1 X1 1 1 X2 1 1 X3 1 21 優(yōu)化后得到影響因素最佳參數(shù)組合為前輸送帶電機(jī) 轉(zhuǎn)速104 r min 后輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速75 r min 擋銷頻率 1 85s 次 在該參數(shù)組合下分苗成功率93 26 基質(zhì)塊 破損率3 35 采用上述優(yōu)化獲取的最佳參數(shù)組合進(jìn)行 臺架驗(yàn)證試驗(yàn) 重復(fù)試驗(yàn)3次并取平均值作為試驗(yàn)驗(yàn)證 值 試驗(yàn)結(jié)果為 分苗成功率92 73 基質(zhì)塊破損率 4 09 驗(yàn)證值與優(yōu)化結(jié)果分別相差0 53和0 74個百分 點(diǎn) 基本一致 4 3 5 田間試驗(yàn) 將自動送 分苗裝置安裝到基質(zhì)塊苗移栽機(jī)上并于 2022年5月在常熟橫塘蔬菜專業(yè)合作社開展田間驗(yàn)證試 驗(yàn) 圖14 前 后輸送帶分別選用Z11 Z16的05B鏈 輪同步驅(qū)動 電磁換向閥得失電頻率設(shè)為1 85 s 次 設(shè) 置參數(shù)組合為 前輸送帶轉(zhuǎn)速104 r min 后輸送帶轉(zhuǎn)速 75 r