崔財(cái)豪，曹衛(wèi)彬，陳忠斌，曹會(huì)兵

（1.北京吉利學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京102202；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

1 取送苗機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器為單個(gè)缽苗的夾持機(jī)構(gòu)，通過(guò)苗針擺轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)夾放苗動(dòng)作，完成缽苗的夾持和釋放；基本剪叉單元組成的分苗機(jī)構(gòu)通過(guò)并聯(lián)方式增大機(jī)構(gòu)在水平方向的擴(kuò)展能力，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在水平方向上的聚攏和分散[1-2]，以此為基礎(chǔ)的取放苗機(jī)構(gòu)僅可在固定位置實(shí)現(xiàn)缽苗的整排取放，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整排末端執(zhí)行器的水平定位，即無(wú)法確定取苗和放苗的實(shí)時(shí)位置。為此基于伺服電機(jī)和同步帶直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)了一種適用于整排自動(dòng)移栽機(jī)的“Π”型取送苗機(jī)構(gòu)，在缽苗夾持、釋放、聚攏和分散的前提下，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的水平定位，完成缽苗的取送過(guò)程。

末端執(zhí)行器為缽苗夾持機(jī)構(gòu)，僅實(shí)現(xiàn)缽苗的夾持和釋放；分苗機(jī)構(gòu)在夾持和釋放前調(diào)整缽苗的間隔定位，僅實(shí)現(xiàn)整排末端執(zhí)行器的聚攏和分散（取苗時(shí)聚攏，放苗時(shí)分散）；末端執(zhí)行器垂直方向的運(yùn)動(dòng)依靠取放苗機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，將整排末端執(zhí)行器插入基質(zhì)或?qū)⒗徝缯湃〕?；“Π”型取送苗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了取苗定位、放苗定位和缽苗輸送：取苗前實(shí)現(xiàn)整排末端執(zhí)行器的取苗定位（與各苗盤格成排對(duì)應(yīng)），送苗時(shí)將缽苗從取苗位置輸送至放苗位置，放苗前實(shí)現(xiàn)整排末端執(zhí)行器的放苗定位（輸送帶）。取送苗機(jī)構(gòu)三維圖如圖1，將兩條同步帶模組平行放置，通過(guò)連接軸和聯(lián)軸器構(gòu)成二維雙軌同步的“Π”型結(jié)構(gòu)，使兩個(gè)滑臺(tái)同步實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的水平定位。

機(jī)構(gòu)原理：取苗時(shí)，分苗機(jī)構(gòu)呈聚攏狀態(tài)，“Π”型雙軌同步帶將末端執(zhí)行器定位至待取苗盤某行正上方，取放苗機(jī)構(gòu)下行將苗針插入基質(zhì)中，末端執(zhí)行器動(dòng)作夾緊基質(zhì)并將缽苗從苗盤取出，同步帶實(shí)現(xiàn)放苗定位，將缽苗送至放苗位置，此時(shí)分苗機(jī)構(gòu)動(dòng)作使缽苗分散，取放苗機(jī)構(gòu)下行并釋放缽苗，至此完成單排缽苗的取送工作，重復(fù)執(zhí)行并改變?nèi)∶绾头琶缥恢眉纯赏瓿烧P缽苗的取送。

動(dòng)力選擇：苗格深度不變，使用薄型氣缸即可實(shí)現(xiàn)缽苗的夾取和釋放，苗盤尺寸不變，分苗機(jī)構(gòu)使用迷你氣缸作為執(zhí)行元件即可實(shí)現(xiàn)缽苗的分散和聚攏，同理末端執(zhí)行器的上下行亦可使用氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。而機(jī)構(gòu)的水平定位精度要求較高，且行程不固定，故采用伺服電機(jī)為機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力以提高其定位精度。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)建

以PLC為核心控制器構(gòu)建控制系統(tǒng)，分析其控制需求共用到伺服電機(jī)和氣缸兩種執(zhí)行元件：PLC驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)“Π”型二維雙軌實(shí)現(xiàn)送苗機(jī)構(gòu)的水平定位；由于晶體管型PLC無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電磁閥，故使用中間繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的控制，進(jìn)而控制整排末端執(zhí)行器的開(kāi)合、分苗機(jī)構(gòu)的分散和聚攏以及取放苗機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，另使用磁性開(kāi)關(guān)改變氣缸的實(shí)際行程，使用接近開(kāi)關(guān)提供位置反饋信息，系統(tǒng)框架如圖2。

系統(tǒng)共有11個(gè)執(zhí)行氣缸，根據(jù)需求為其配備3個(gè)電磁閥：末端執(zhí)行器共用1個(gè)電磁閥，取放苗氣缸共用1個(gè)電磁閥，分苗單用1個(gè)氣缸，另配備氣壓源、儲(chǔ)氣罐、三聯(lián)件、氣壓表、減壓閥和消聲器等構(gòu)成氣動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)共1個(gè)伺服電機(jī)，選用與之配套的伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的水平定位，各元件規(guī)格如表1。

缽苗的夾持和釋放（末端執(zhí)行器）、缽苗的分散和聚攏（分苗機(jī)構(gòu)）以及缽苗的取放（取放苗機(jī)構(gòu)）均通過(guò)執(zhí)行氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣動(dòng)三聯(lián)件、電磁換向閥、節(jié)流閥、氣缸等組成：空壓機(jī)為氣動(dòng)系統(tǒng)提供足夠流量和壓力的壓縮空氣，儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存氣體并穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，由過(guò)濾器、減壓閥和油霧器組成的氣動(dòng)三聯(lián)件對(duì)壓縮的空氣進(jìn)行處理[3]。減壓閥可實(shí)現(xiàn)各氣缸壓力的調(diào)節(jié)，氣缸均由二位五通電磁閥控制，并由節(jié)流閥調(diào)節(jié)速度，完成缽苗的取送工作[4]，氣壓驅(qū)動(dòng)原理如圖3。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置表

電控系統(tǒng)硬件電路由PLC、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、接近開(kāi)關(guān)、磁性開(kāi)關(guān)、中間繼電器、電磁閥、開(kāi)關(guān)電源等組成。PLC通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)整排機(jī)械手的水平定位，通過(guò)中間繼電器控制電磁換向閥實(shí)現(xiàn)缽苗的整排取送，編碼器、磁性開(kāi)關(guān)和接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電機(jī)脈沖反饋、氣缸行程定位和原點(diǎn)定位，各按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)開(kāi)始、終止、復(fù)位及手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換的控制，指示燈、警報(bào)器在程序運(yùn)行有誤時(shí)提醒操作人員進(jìn)行安全檢查，系統(tǒng)硬件電路接線如圖4。

整排取送苗系統(tǒng)適用于型號(hào)為16×8穴格的苗盤，孔尺寸為32 mm×32 mm。由于機(jī)構(gòu)為8個(gè)末端執(zhí)行器，故整排取送16次可完成整張苗盤中缽苗的取送工作，由于孔尺寸較小，機(jī)構(gòu)的精度要求相對(duì)較高。

苗盤就位后系統(tǒng)開(kāi)始工作，確定機(jī)構(gòu)位置并檢查各輸出狀態(tài)，若有偏差或錯(cuò)誤自行校正，正確初始狀態(tài)（機(jī)構(gòu)位于水平原點(diǎn)位置、末端執(zhí)行器位于頂部且苗針張開(kāi)、分苗機(jī)構(gòu)聚攏）確定后，先進(jìn)行首行缽苗的整排取送：控制器確定取送苗行數(shù)，送苗機(jī)構(gòu)將整排末端執(zhí)行器正向移動(dòng)至取苗位置，取放苗氣缸動(dòng)作將苗針插入基質(zhì)中，將缽苗整排取出并送至放苗區(qū)域（末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡為“Π”型），釋放缽苗后回原點(diǎn)，相應(yīng)氣缸動(dòng)作使機(jī)構(gòu)與初始同狀態(tài)，至此第一行缽苗取送完畢。其余行的取送過(guò)程與首行類似，僅在水平定位有差別，關(guān)系如下：

其中l(wèi)—該次定位與原點(diǎn)的位移；l0—首行與放苗（輸送帶）的固定位移；N—取送苗次數(shù)。

控制系統(tǒng)主程序如圖5。

3 試驗(yàn)

選擇MPS-S-550MM-P的拉繩位移傳感器考察取送苗機(jī)構(gòu)的水平定位精度，試驗(yàn)前確保夾苗氣缸行程和壓力的處于最佳工作狀態(tài)，選擇穴盤苗格距的倍數(shù)（32 mm、64 mm、128 mm、256 mm、512 mm）做定位精度測(cè)試，每個(gè)行程進(jìn)行5次試驗(yàn)，結(jié)果如表2。

表2 水平定位精度測(cè)試

表2可以得出最大的定位精度誤差為1.16%，小于整排末端執(zhí)行器水平定位所允許的最大相對(duì)誤差（1.25%），表明基于伺服電機(jī)的“Π”型二維雙軌送苗機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)缽苗的整排水平定位。

4 結(jié)論

在末端執(zhí)行器、分苗機(jī)構(gòu)和取放苗機(jī)構(gòu)可靠性滿足工作需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于伺服電機(jī)和同步帶直線導(dǎo)軌的適用于整排式全自動(dòng)移栽機(jī)的“Π”型取送苗機(jī)構(gòu)，并以PLC為核心控制器構(gòu)建控制系統(tǒng)。

使用拉繩位移傳感器考察取送苗機(jī)構(gòu)的水平定位精度，選擇穴盤苗格距的倍數(shù)做定位精度測(cè)試，得出最大的定位精度誤差小于整排末端執(zhí)行器水平定位所允許的最大相對(duì)誤差，表明“Π”型二維雙軌送苗機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)缽苗的整排水平定位。