經(jīng)濟類甘蔗小型收獲機設(shè)計

何焯亮 王 濤 林世坤 羅洪峰

（海南大學(xué)機電工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

甘蔗品種眾多，按商業(yè)用途來分無非只有兩類——制糖類甘蔗和經(jīng)濟類甘蔗。它們的收割要求不同：制糖類甘蔗收獲過程可以不顧忌埋在泥土下的頭部，收割時只要沿著地表砍斷即可，收割條件良好，易于實現(xiàn)機械化、規(guī)?；唤?jīng)濟類甘蔗的收獲要求比較高，它不能沿地表直接砍斷，要保留完整干凈的頭部，以確保甘蔗在市場上流通時保鮮時間更長，加之經(jīng)濟類甘蔗的主產(chǎn)地大多為低洼碎離的地理特征，使其難以實現(xiàn)機械化［1－4］。中國在甘蔗收獲機械方面的研究大部分是針對制糖類甘蔗的，僅有少量有關(guān)經(jīng)濟類甘蔗收割機械的研究成果，目前已知廣西農(nóng)機研究所研制的4GZ-1A型甘蔗收獲機［5］，需要配套中型輪式拖拉機工作；采用夾持切割、夾持運輸。但由于輸送流程長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對彎曲和倒伏甘蔗適應(yīng)性較差，不能滿足當(dāng)下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。孫秀花等［6］的基于柔性化的甘蔗收獲機械利用ANSYS軟件將甘蔗進行網(wǎng)格劃分變成柔性體，并利用ADAMS軟件模擬了小型甘蔗收獲機對甘蔗的收獲過程。根據(jù)甘蔗的實際物理特性將其劃分為相應(yīng)柔性體更切合實際，但模擬收獲機的收獲過程僅僅是一種虛擬環(huán)境中的簡化試驗，缺乏細節(jié)，并未設(shè)計出更具形象化的收獲機械。因此，研發(fā)高效、價廉、實用的，集傳統(tǒng)手工松土與削根為一體的經(jīng)濟類甘蔗收獲機，將跨越式地提升經(jīng)濟類甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 設(shè)計思路

由于相關(guān)機具少且落后，經(jīng)濟類甘蔗的收獲多數(shù)通過純手工的方式收割。這種收割方式分為2個步驟：①先用鋤頭把甘蔗頭連根帶土挖出；② 用柴刀將甘蔗頭上的根和泥削干凈。本研究設(shè)計的基于PLC自動控制的小型甘蔗收獲機，采用機械刀楸模仿這種傳統(tǒng)手工收割的方法，借鑒韓浩定等［7］運用液壓驅(qū)動和PLC數(shù)字控制技術(shù)設(shè)計的香蕉秸稈切片裝置，通過PLC芯片指令和限位開關(guān)操作各個電機運行，指導(dǎo)刀具的正確精準(zhǔn)動作，對甘蔗頭部進行松土削根，最終實現(xiàn)甘蔗收獲過程的自動控制。

2 主體結(jié)構(gòu)及其功能

2.1 基本結(jié)構(gòu)

甘蔗收獲機由動力機構(gòu)、控制元件和執(zhí)行元件三大部分組成，其三維結(jié)構(gòu)見圖1。其中，動力機構(gòu)由伺服電機a、伺服電機b及伺服電機c組成，3個伺服電動機均由PLC模塊及其相應(yīng)的限位開關(guān)控制。動力機構(gòu)負責(zé)提供動力，伺服電機a功率較大，其輸出軸經(jīng)鏈傳動與前輪13相連，帶動收獲機器前進或后退；伺服電機b用以控制刀架的上下移動；伺服電機c則控制兩刀楸間的相向運動?？刂圃勺笥蚁尬婚_關(guān)5、夾緊限位開關(guān)7、前進限位開關(guān)8、上下限位開關(guān)10等組成，其任務(wù)是讓工作機構(gòu)相互精確配合，使機器按一定的步驟有序工作。執(zhí)行元件則由刀楸9、后輪11、前輪13等組成，刀楸是該甘蔗收獲機的核心元件，在伺服電動機b、c的帶動下夾緊甘蔗并向下運動，迅速松土并削凈甘蔗（保留頭部）；前后輪的作用則使機器沿一定路徑行駛。

圖1 小型經(jīng)濟類甘蔗收獲機的基本結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The basic structure of small economic type sugarcane harvester

刀架是收獲機的主要結(jié)構(gòu)，用于對甘蔗的夾持、莖葉的剔除以及甘蔗根部的削凈，它由刀楸、支承架、限位開關(guān)、伺服電機組成，見圖2。從圖2中可以看到，刀楸由兩個半圓形刀具組成，刀具下端加工成堅硬鋒利的刀鋒；兩伺服電機的主軸帶有螺紋并與刀楸的支承套配合，實現(xiàn)螺紋螺桿連接。

圖3為圖2所示刀架的俯視圖，從圖3中可以看到，當(dāng)伺服電機帶動主軸旋轉(zhuǎn)，刀楸就會在螺紋螺桿的帶動下相向運動，夾住甘蔗。相向運動不可能無止境地進行，當(dāng)?shù)堕笨拷揭欢ǔ潭?，被夾緊的甘蔗就會觸碰到刀楸上的夾緊限位開關(guān)6（見圖2），使相向運動停止，進行下一個工步。

2.2 自動收獲工作過程及工作原理

收獲機的工作過程可分步表示如下：① 當(dāng)人為觸發(fā)啟動按鈕時，伺服電機a接通，電機轉(zhuǎn)動，通過鏈傳動驅(qū)動收獲機向前前進；② 車子在前進的過程中，前方的甘蔗觸及壓力傳感器，機器停止前進同時伺服電機c正轉(zhuǎn)，刀楸中的兩半圓柱形刀具便相向移動，將甘蔗夾緊；③ 刀具觸及甘蔗時夾緊限位開關(guān)斷開，刀具停止相向運動，此時甘蔗被夾緊，伺服電機b正轉(zhuǎn)，刀具開始下行，刀楸在削除甘蔗葉的同時深入泥土，削根挖土，最終達到整株甘蔗與泥土分離的目的；此時，定時器T0開始激發(fā)，定時3s（是考慮人身安全和工作效率的綜合結(jié)果），在此期間，人工將已削干凈的甘蔗從土里迅速移除，這里需要說明的是，定時期間刀楸在泥土里，距離人手較遠，同時甘蔗已整株挖出，移除較易；④ 定時一到，電機b開始反轉(zhuǎn)，刀具上升并觸及上行限位開關(guān)，電機c反轉(zhuǎn)，刀具迅速分離，等待下一次的插割工作；⑤ 當(dāng)?shù)毒叻蛛x到位后，觸及收割機前行啟動開關(guān)，電機a再次接通，收獲機繼續(xù)前行，收割下一顆甘蔗。以上所述為一個工作流程，收獲機以此為單位不間斷工作。甘蔗收獲機的自動工作流程圖及對應(yīng)的PLC順序功能見圖4。

圖2 刀架示意圖Figure 2 Schematic diagram of turret

圖3 刀楸觸發(fā)相向運動示意圖Figure 3 Schematic diagram of tools’relative motion

3 行程反饋及PLC控制系統(tǒng)

3.1 限位開關(guān)的行程反饋控制

在實際生產(chǎn)中，將行程開關(guān)［8］安裝在預(yù)先安排的位置，當(dāng)裝于生產(chǎn)機械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。收獲機的前進與停止、刀楸的上行與下行、甘蔗的夾緊與松開，都需要各個相對應(yīng)的行程開關(guān)與伺服電機有機配合，根據(jù)運動部件的行程位置進行反饋控制而切換電路的電器，從而實現(xiàn)對每個運動部件運動行程的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)刀具對甘蔗的精準(zhǔn)切削動作。

圖4 自動工作流程圖Figure 4 Automatic work flow chart

3.2 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計及I/O接線

由于PLC采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式［9］，用它控制收獲機的運行，圖4所示的自動工作流程就變得可行。為了實現(xiàn)整個甘蔗收獲機系統(tǒng)精準(zhǔn)有效的自動控制，收獲機的控制系統(tǒng)核心將采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N－32M系列PLC［10］來完成。先用STL（步進梯形指令）方法編寫甘蔗收獲機自動收割的控制程序，再將程序?qū)隤LC芯片中，最后將芯片接入主電路中對收獲機進行實時控制。其I/O接線圖見圖5。其中轉(zhuǎn)換條件和輸出分別為：

X0：收獲機檢測正常，人為啟動，主電機a接通；

X1：甘蔗觸及車的前進限位開關(guān)，電機a斷開，電機c接通正轉(zhuǎn)；

X2：甘蔗觸到刀具的夾緊限位開關(guān)，電機c斷開，電機b接通正轉(zhuǎn)；

X3：刀具下行到位觸及下行限位開關(guān)，電機b斷開，時間繼電器T0接通開始計時；

X4：刀具上行到位觸及上行限位開關(guān)，電機b斷開，電機c接通反轉(zhuǎn)；

X5：刀具觸及左右限位開關(guān)，電機c斷開，電機a接通；

X6：延時時間到了，延時開關(guān)閉合，接通電機b反轉(zhuǎn)；

Y0：電機a接通車子前行；

Y1：電機c正轉(zhuǎn)，刀具相向移動；

Y2：電機b正轉(zhuǎn)，刀具下行；

Y3：電機b反轉(zhuǎn)，刀具上行；

Y4：電機c反轉(zhuǎn)，刀具分離；

Y5：時間繼電器T0接通，開始延時3s；

COM、COM1：電源接口。

圖5 甘蔗收獲機PLC外部接線圖Figure 5 Sugarcane harvester PLC external wiring diagram

4 結(jié)論

（1）中國地少人多的人文特點以及東南地帶低洼碎離的地理特征，很大程度限制了中國甘蔗種植業(yè)的機械化發(fā)展。此款小型經(jīng)濟類甘蔗收獲機以中國目前小規(guī)模小經(jīng)營的甘蔗生產(chǎn)模式為基礎(chǔ)而設(shè)計，簡單輕便，基本能實現(xiàn)對經(jīng)濟類甘蔗的合理收獲，為經(jīng)濟類甘蔗的收獲機械化提供了參考依據(jù)。

（2）當(dāng)然，此甘蔗收獲機在自動的循環(huán)工作中，其本身的精準(zhǔn)控制以及性能穩(wěn)定性比較難把握；加上其本身的精準(zhǔn)控制及其容易受到甘蔗地平整狀況和甘蔗生長狀態(tài)等外在因素的影響，因此收獲機在運作時很有必要實現(xiàn)收獲機的自動反饋控制以及施以必要的人為校正。另外，由于缺乏實際操作數(shù)據(jù)，收獲機模型有待進一步完善。制作樣機并投入生產(chǎn)，獲取試驗數(shù)據(jù)將是下一步亟需完成的工作。而在甘蔗收獲機的研制過程中不僅要提高其性能，還要利用先進工藝、先進技術(shù)和材料降低制造成本，從而實現(xiàn)甘蔗收割的機械化、智能化?？傊呓?jīng)濟效益和高社會效益的甘蔗收割機必將成為未來發(fā)展的主流。

1 張華，羅俊，袁照年，等.甘蔗機械化種植的農(nóng)藝技術(shù)分析［J］.中國農(nóng)機化學(xué)報，2013（1）：78～81.

2 莫建霖，劉慶庭.我國甘蔗收獲機械化技術(shù)探討［J］.農(nóng)機化研究，2013（3）：12～18.

3 鄭文秀.廣西甘蔗生產(chǎn)機械化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展思路［J］.農(nóng)機科技推廣，2003（3）：28～29.

4 孫登峰，朱燕，邱燁.淺談我國甘蔗種植機械化技術(shù)應(yīng)用［J］.農(nóng)機市場，2013（9）：37～38.

5 王光炬，喬艷輝，呂勇.甘蔗收獲機械的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2007（8）：21～22.

6 孫秀花，梁式，胡珊珊.基于柔性化的小型甘蔗收獲機的仿真技術(shù)［J］.機械設(shè)計與制造，2005（7）：62～64.

7 韓浩定，張燕，閆二樂.香蕉秸稈切片裝置及其控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.食品與機械，2014，30（2）：106～108.

8 羅圣國，黃少顏，龔溎義，等.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊指導(dǎo)書［M］.第2版.北京：高等教育出版社，2012.

9 廖常初，可編程序控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.第5版.重慶：重慶大學(xué)出版社，2012.

10 李艷，鄭鳳翼.輕松解讀三菱FX2N系列PLC原理與應(yīng)用［M］.第1版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.