溫室辣椒自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 繆 宏1 李孟麗1 徐 浩1 童俊華2 張善文1 戴 敏1 1 揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225000 2 浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 杭州 310000 摘 要 針對(duì)辣椒培育過程中會(huì)出現(xiàn)一定量劣苗影響穴盤苗一致性 且目前移栽機(jī)械自動(dòng)化程度低 移栽效果不 理想的問題 依照農(nóng)藝要求規(guī)范設(shè)計(jì)了機(jī) 電 氣一體的自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng) 闡述了自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)工作原理 和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 結(jié)合傳感器和執(zhí)行器布局和剔補(bǔ)苗運(yùn)行機(jī)制設(shè)計(jì)了補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)軟件和硬件 參照移栽手工 作要求 設(shè)計(jì)氣路系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算 對(duì)45天辣椒幼苗進(jìn)行移栽補(bǔ)苗試驗(yàn) 以水平移動(dòng)速率 取苗深度 含水 率為試驗(yàn)因子 剔苗成功率 移栽成功率為衡量指標(biāo) 設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn) 結(jié)果表明 水平移栽速率對(duì)剔 苗成功率和移栽成功率影響較小 移栽手運(yùn)行平穩(wěn) 剔苗成功率平均值為94 移栽成功率為91 1 表明自動(dòng) 補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)性能可靠 關(guān)鍵詞 辣椒 補(bǔ)苗 移栽 控制系統(tǒng) 中圖分類號(hào) S223 92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1003 188X 2024 01 0067 08 0 引言 溫室穴盤育苗對(duì)機(jī)械化移栽適配度高 近年來在 國內(nèi)外廣泛使用 而辣椒幼苗培育過程中會(huì)產(chǎn)生一定 量的劣質(zhì)苗 不利于商品化生產(chǎn) 需要對(duì)其進(jìn)行剔除 并補(bǔ)進(jìn)優(yōu)質(zhì)苗 1 4 剔補(bǔ)移栽作為辣椒培育過程中的 關(guān)鍵環(huán)節(jié) 勞動(dòng)強(qiáng)度大 工作效率低 故對(duì)剔補(bǔ)作業(yè)的 自動(dòng)化移栽裝備的需求極為迫切 國外移栽機(jī)研制時(shí)間長 已有全自動(dòng)移栽機(jī)械投 產(chǎn)使用 日本 美國 意大利等發(fā)達(dá)國家均研制出適合 本國農(nóng)作物的移栽機(jī) Ferrari Costruzioni Meccaniche Srl開發(fā)的Futural系列自動(dòng)移栽機(jī)使用推桿將秧苗推 出硬秧盤 彈性C形槽捕捉盆栽幼苗 并將其送至柔 性轉(zhuǎn)盤 可完成五行插盤苗的摘栽 且自動(dòng)化程度 高 5 6 Abhijit Khadatkar等人使用開發(fā)的嵌入式系統(tǒng) 針對(duì)當(dāng)?shù)卦灾蔡攸c(diǎn)獲取最優(yōu)運(yùn)行速度和托盤進(jìn)輥角 度 從而精確控制幼苗的放置 7 我國多在小型或中 型溫室進(jìn)行蔬菜培育 采用半自動(dòng)化移栽和手動(dòng)移栽 方式 自動(dòng)化移栽機(jī)的研制仍在實(shí)驗(yàn)室階段 8 韓綠 收稿日期 2022 01 10 基金項(xiàng)目 國家特色蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系 CARS 24 D 03 江蘇省重 點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 BE2020399 江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目 BE2019348 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目 CX 20 2016 作者簡介 繆 宏 1981 男 江蘇無錫人 教授 博士 E mail mh0514 163 com 通訊作者 李孟麗 1997 女 安徽亳州人 碩士研究生 E mail lml10250616 163 com 化等人采用電氣控制系統(tǒng) 經(jīng)由位移傳感器測定取苗 移栽效果 以保證移栽作業(yè)精度 降低漏苗率 移栽成 功率達(dá)90 9 文永雙等人利用光纖傳感器對(duì)苗杯 內(nèi)多種幼苗進(jìn)行檢測以判斷是否漏苗 并設(shè)計(jì)控制系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)苗系統(tǒng)的控制 漏栽率在2 左右 10 近 年來 為提高移栽機(jī)智能水平 國內(nèi)不少學(xué)者結(jié)合機(jī) 器視覺對(duì)蔬菜幼苗狀態(tài)進(jìn)行檢測 以降低損傷率 提 高移栽精度 11 12 目前 我國研制全自動(dòng)移栽機(jī)存在嚴(yán)重傷苗 漏 苗問題 故在前期穴盤自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ) 上 依照育苗農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)和辣椒幼苗生長特征 結(jié)合機(jī) 器視覺設(shè)計(jì)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)的機(jī) 電 氣一體的控制系統(tǒng) 以 完成補(bǔ)苗作業(yè) 并進(jìn)一步提高辣椒補(bǔ)苗作業(yè)精度 效 率和穩(wěn)定性 1 溫室辣椒自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu) 1 1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 溫室辣椒自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)主要由初始輸送部件 信 息采集部件 分類輸送部件 移栽部件 補(bǔ)苗穴盤輸送 部件及供苗穴盤輸送部件組成 如圖1所示 移栽部 件主要由水平線性模組 移栽手 機(jī)架及豎直氣缸構(gòu) 成 如圖2所示 1 2 工作原理 設(shè)計(jì)的自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)采用輸送帶式移栽機(jī) 將辣 椒育苗穴盤放置在初始輸送部件上輸送到信息采集 部件特定位置后 經(jīng)由信息采集部件獲取辣椒幼苗圖 像 輸送至工控機(jī)進(jìn)行識(shí)別處理以實(shí)現(xiàn)穴盤內(nèi)辣椒幼 76 2024年1月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第1期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 01 012 苗狀態(tài)的判斷 區(qū)分優(yōu)劣苗 記錄位置信息 并將其傳 送至PLC 之后 穴盤經(jīng)由分類輸送部件輸送至補(bǔ)苗 盤輸送部件 到達(dá)預(yù)定位置后停止動(dòng)作 重復(fù)上述動(dòng) 作 將第二盤辣椒幼苗經(jīng)分類輸送部件輸送至供苗盤 輸送部件預(yù)定位置 移栽部件橫跨在供苗盤輸送部 件和補(bǔ)苗盤輸送部件上方 通過水平線性模組和豎直 氣缸使移植手運(yùn)送至最優(yōu)位置剔除補(bǔ)苗穴盤內(nèi)劣質(zhì) 苗 并從供苗穴盤夾取優(yōu)質(zhì)苗補(bǔ)進(jìn) 如此往復(fù) 直至所 有劣質(zhì)苗被剔除 再輸送下一盤辣椒幼苗 1 初始輸送部件 2 信息采集部件 3 分類輸送部件 4 補(bǔ)苗盤輸送部件 5 移栽部件 6 供苗盤輸送部件 圖1 溫室辣椒自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Structure of automatic picking and replenishing seedling transplanting machine for greenhouse pepper 1 左豎直氣缸 2 水平線性模組 3 移栽手 4 油壓吸振器 5 豎直滑軌副 6 齒條 7 齒輪 8 右豎直氣缸 圖2 移栽部件結(jié)構(gòu)圖 Fig 2 Structure diagram of transplanted parts 2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主要由主電控柜 觸摸 屏 PC機(jī) 工控機(jī)和信息采集箱控制柜組成 如圖3所 示 其中 主電控柜由PLC控制器 交換機(jī) 繼電器 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)電源組成 PLC控制器控制繼 電器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)序動(dòng)作 繼電器控制減速電 機(jī)和氣缸時(shí)序動(dòng)作 同時(shí)接收電機(jī)驅(qū)動(dòng)器所反饋的運(yùn) 行狀態(tài)及各傳感器位置信息 PC機(jī)和工控機(jī)通過DVI 通信線連接進(jìn)而與觸摸屏和PLC控制器通過交換機(jī) 進(jìn)行以太網(wǎng)通信 實(shí)現(xiàn)信息傳輸共享 可有效協(xié)調(diào)各 部分完成預(yù)期功能 觸摸屏用于對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān) 控及人工控制調(diào)試 信息采集箱控制柜用于箱內(nèi)照明 度 同時(shí) 箱內(nèi)工業(yè)相機(jī)與工控機(jī)進(jìn)行通信 實(shí)現(xiàn)辣椒 幼苗信息采集 13 圖3 電路系統(tǒng)布局圖 Fig 3 Electrical system layout diagram 2 2 控制系統(tǒng)硬件 為提高控制精度 確定穴盤位置 保證穴盤到達(dá) 預(yù)設(shè)位置 在移栽機(jī)各處布置有傳感器及執(zhí)行器 布 局如圖4所示 其中 X1 X5為SIK光電傳感器 X1 位于初始輸送部件前端輸送帶側(cè)面 用于判斷是否有 穴盤進(jìn)入移栽機(jī) X2與X1同側(cè) 在信息采集箱范圍 內(nèi) 用于判斷穴盤是否到達(dá)采集圖像信息預(yù)設(shè)位置 X3位于分類輸送部件輸送帶后端 用于判斷穴盤是否 進(jìn)入分類輸送部件 X4 X5分別位于補(bǔ) 供苗輸送部 件中部 用于判斷補(bǔ) 供苗穴盤是否到達(dá)作業(yè)預(yù)設(shè)位 置 X6和X7為磁性開關(guān) 用于檢測氣缸運(yùn)動(dòng)行程 X6 控制豎直氣缸下行 X7控制豎直氣缸上行 YM1和 YM2為減速電機(jī) YM1為始苗電機(jī) 控制初始輸送部 件輸送帶動(dòng)作 YM2用于控制分類輸送部位輸送帶運(yùn) 動(dòng) YM3 YM6為伺服電機(jī) YM3 YM6為WANTO ROBOT直線模組驅(qū)動(dòng)電機(jī) 由專用CP2系列伺服驅(qū) 動(dòng)器驅(qū)動(dòng) YM3帶動(dòng)直線模組運(yùn)動(dòng)控制分類輸送部 件機(jī)架移動(dòng) 配合YM2電機(jī)帶動(dòng)分類部件輸送帶移 動(dòng) 實(shí)現(xiàn)供 取苗盤分類 YM6所帶動(dòng)直線模組為移栽 手水平移動(dòng)模組 YM4 YM5由臺(tái)達(dá)ASBA B2 0421 伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 分別用于驅(qū)動(dòng)補(bǔ)苗盤輸送帶和供苗 盤輸送帶 YQ1和YQ2為亞德客氣缸 YQ1用于控制 移栽手開閉 YQ2包含兩個(gè)氣缸 分別位于移栽部件 86 2024年1月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第1期 機(jī)架兩側(cè) 用于實(shí)現(xiàn)移栽手上下移動(dòng)行程控制 圖4 傳感器與執(zhí)行器布局 Fig 4 Sensor and actuator layout diagram 自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)由三菱FX5U 64MT型PLC接受 上位機(jī)信號(hào) 控制補(bǔ)苗移栽動(dòng)作 如圖5所示 該P(yáng)LC 為32位輸入32位輸出 AC電源型 24V 晶體管 漏 型 輸入 輸入輸出接口編號(hào)為八進(jìn)制 模塊 X 為輸 入 模塊 Y 為輸出 工作時(shí) 通過輸入接口依次接收 X1 X7傳感器位置信號(hào) YM3 YM6伺服電機(jī)作業(yè)反 饋及報(bào)警信號(hào)及電源信號(hào) 輸出接口依次輸出YM4 YM6伺服電機(jī)的移動(dòng)位置編號(hào)信號(hào) 方向信號(hào) 脈沖 信號(hào) YM1 YM2電機(jī)及氣缸繼電器時(shí)序控制信號(hào) 14 YM3 YM6電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器為直線模組CP2系列驅(qū)動(dòng) 器 接收到傳感器傳送的到位信息后 PLC向驅(qū)動(dòng)器 輸入方向信號(hào) 脈沖信號(hào) 位置編碼信號(hào)控制電機(jī)依 照指令完成相應(yīng)動(dòng)作 穴盤和移栽手到達(dá)指定位置 再使繼電器控制氣缸動(dòng)作完成剔苗補(bǔ)苗作業(yè) 圖5 控制系統(tǒng)電路圖 Fig 5 Electrical schematic diagram of control system 2 3 控制系統(tǒng)軟件 控制系統(tǒng)軟件由復(fù)位程序 通訊程序 穴盤信息 采集程序和移栽程序5部分組成 需要在GX works3 程序編寫 復(fù)位程序的功能是在運(yùn)行異常情況下使 移栽機(jī)各部分回復(fù)至初始位置 避免因程序運(yùn)行錯(cuò)誤 造成設(shè)備損壞 PLC輸入輸出以刷新方式控制 程序 運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)接收各傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行狀 態(tài)信息反饋 驅(qū)動(dòng)器輸出報(bào)警信號(hào)時(shí) 相應(yīng)部位回復(fù) 至初始位置 反饋異常情況并分析原因 問題處理后 程序重新運(yùn)行 以保證移栽精度及程序運(yùn)行準(zhǔn)確 性 15 通訊程序部分包括PLC與工控機(jī) 觸摸屏 PC機(jī) 間的通訊 PLC通過以太網(wǎng)與各部分進(jìn)行通信 基于 Scoket通訊協(xié)議 使用TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議時(shí) 確 定各部分通信對(duì)方側(cè)端口號(hào)及PLC內(nèi)CPU模塊端口 號(hào) 按照通訊需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收 穴盤信息采集程序主要對(duì)輸送至信息采集部件的 穴盤進(jìn)行圖像采集 檢測到穴盤到位信號(hào)后 相機(jī)采 集圖像并傳輸至工控機(jī) 工控機(jī)對(duì)辣椒幼苗穴盤圖像 進(jìn)行處理 以單個(gè)穴孔內(nèi)葉面積同穴孔面積比值為依 據(jù)進(jìn)行優(yōu)劣苗評(píng)價(jià) 穴盤規(guī)格為6 12 用 1 0 分別 代表幼苗的優(yōu)劣 以一維數(shù)據(jù)形式輸出處理結(jié)果 存 儲(chǔ)在txt文件內(nèi) 通過以太網(wǎng)傳輸至PLC控制器內(nèi)存 儲(chǔ) 移栽程序是控制系統(tǒng)主程序 作用是剔除穴盤內(nèi) 劣質(zhì)苗并補(bǔ)進(jìn)健康優(yōu)質(zhì)苗 信息采集部件采集完數(shù) 據(jù)后 將穴盤按順序分別輸送至供苗輸送部件和補(bǔ)苗 輸送部件 收到傳感器到位信號(hào)后 對(duì)位于補(bǔ)苗輸送 部件的穴盤進(jìn)行剔補(bǔ)苗處理 剔除穴盤內(nèi)劣質(zhì)苗 并 將供苗輸送部件上穴盤內(nèi)健康苗補(bǔ)進(jìn) 按排處理 同 步幼苗狀態(tài)信息 確定劣質(zhì)苗穴孔位置 從左到右依 次剔除補(bǔ)苗穴盤本排劣質(zhì)苗至劣苗回收箱內(nèi) 然后 確定供苗穴盤此排幼苗狀態(tài) 從右至左依次補(bǔ)入補(bǔ)苗 穴盤相應(yīng)空出穴孔內(nèi) 確定補(bǔ)苗穴盤一排剔補(bǔ)工作 96 2024年1月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第1期 結(jié)束后 輸送帶帶動(dòng)穴盤前進(jìn)一個(gè)穴孔的距離 依上 述步驟剔除劣質(zhì)苗后 確定供苗穴盤在當(dāng)前位置優(yōu)質(zhì) 苗數(shù)量 若數(shù)量不足 移栽完當(dāng)前排穴孔內(nèi)優(yōu)質(zhì)苗 后 輸送帶帶動(dòng)供苗穴盤移動(dòng)一個(gè)相鄰穴孔中心距距 離 獲取下一排幼苗狀態(tài) 確定優(yōu)質(zhì)苗孔數(shù) 接著 補(bǔ) 至補(bǔ)苗穴盤內(nèi) 重復(fù)上述工作 直至補(bǔ)苗穴盤處理完 畢后 輸送出該盤 移入下一盤 繼續(xù)工作 若供苗穴 盤處理完畢后 同樣補(bǔ)進(jìn)下一盤 補(bǔ)苗流程如圖6所 示 圖6 補(bǔ)苗機(jī)制流程圖 Fig 6 Flow chart of replanting mechanism 為使移栽手移動(dòng)至每排相應(yīng)穴孔位置 對(duì)幼苗進(jìn) 行準(zhǔn)確剔補(bǔ) 需要保證移栽手位置定點(diǎn)準(zhǔn)確性 移栽 手固定在直線模組滑塊上 依靠直線模組左右移動(dòng) 通過WANTO ROBOT 設(shè)計(jì)控制軟件設(shè)定驅(qū)動(dòng)器目標(biāo) 位置 驅(qū)動(dòng)器支持16點(diǎn)位運(yùn)行 指定IP0 IP3這4個(gè) 信號(hào) 通過二進(jìn)制方式組合得到需要運(yùn)行的點(diǎn)位信 號(hào) 每個(gè)輸入點(diǎn)代表一個(gè)bit位 取0或者1 IP0為最 低位 IP3為最高位 位置編號(hào) IP3 23 IP2 22 IP1 21 IP0 OP0 OP4為完成位置點(diǎn)編號(hào)信號(hào) 編碼方 式相同 PLC可以通過檢測該信號(hào)判斷位置指令是否 完成 移植手需要保證到達(dá)兩盤全部穴孔位置及劣 苗收集箱 供苗苗盤和補(bǔ)苗穴盤為6 12型穴盤 目標(biāo) 位置以絕對(duì)坐標(biāo)指定 設(shè)置為13個(gè) 需要移動(dòng)至相應(yīng) 位置時(shí)PLC向驅(qū)動(dòng)器輸入所需移動(dòng)的相對(duì)位置編碼 和方向信號(hào) 使其移動(dòng)至相應(yīng)穴孔上方 切換方向時(shí) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入信號(hào)需要在方向輸入信號(hào)改變 后2 s后再輸出 2 4 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)氣路系統(tǒng) 16 如圖7所示 其中 氣 動(dòng)執(zhí)行元件主要有移栽升降氣缸 左豎直氣缸和右豎 直氣缸 左右豎直氣缸型號(hào)相同 兩缸并聯(lián) 同步動(dòng) 作 繼電器接收到PLC控制信號(hào)后 由三位五通電磁 閥6控制兩氣缸同步動(dòng)作 以完成水平線性模組在豎 直方向移動(dòng)作業(yè) 調(diào)整移栽手取苗位置 移栽升降氣 缸可依據(jù)作業(yè)要求控制移栽手的閉合 氣缸通過三位 五通電磁閥7的左右兩位變換實(shí)現(xiàn)移栽手下行或上 行 從而完成移栽手的張開 閉合 實(shí)現(xiàn)剔補(bǔ)苗作業(yè) 氣源三聯(lián)件包括空氣過濾器 減壓閥和油霧器 為油 路提供穩(wěn)定清潔空氣 并潤滑氣動(dòng)元件 閥通過匯流 板連接 匯流板通過氣動(dòng)接頭 啟動(dòng)軟管將氣體分配 至需氣電磁閥內(nèi) 1 氣源 2 三聯(lián)件 3 匯流板 4 左豎直氣缸 5 右豎直氣缸 6 7 三位五通電磁閥 8 移栽升降氣缸 圖7 氣路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig 7 Schematic diagram of pneumatic system 左豎直氣缸 右豎直氣缸僅對(duì)移栽手進(jìn)行初步的 位置調(diào)整 行程小 安裝空間窄 選用薄型缸 其氣缸 軸向負(fù)載力為293 3N 豎直布置 工作壓力為 0 7MPa 由式 1 計(jì)算得出推力最小缸徑為28 6mm 選擇缸徑40mm 所需作業(yè)距離為60mm 一般需要增 加一定余量 依氣缸行程列表選取氣缸行程為80mm 故而選擇型號(hào)為亞德客ACE40 80薄型氣缸 單缸雙作用氣缸的推力為 F p D 2 4 1 式中 F 活塞伸出時(shí)的推力 N p 氣缸工作壓力 Pa D 活塞直徑及氣缸內(nèi)徑 m 氣缸的負(fù)載率 取0 65 移栽升降氣缸控制移栽手動(dòng)作 帶動(dòng)彈簧針式移 栽手伸縮從而實(shí)現(xiàn)移栽手開閉來進(jìn)行缽苗的夾取 左 豎直氣缸 右豎直氣缸動(dòng)作完成后移栽手底端位于穴 盤基質(zhì)表面10mm位置 本文所用72孔穴盤穴孔深 度為45mm 夾取部位應(yīng)在穴孔中下部 選用型號(hào)為 MA20 50的迷你氣缸 Qca 0 0157 D2L d2Ld N p 0 1 2 07 2024年1月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第1期 式中 Qca 平均耗氣量 L min L 氣缸行程 cm Ld 換氣閥與氣缸之間的配管長度 cm d 配管內(nèi)徑 cm N 氣缸動(dòng)作頻率 p 工作壓力 MPa 平均耗氣量是由氣缸內(nèi)部容積和氣缸每分鐘的往 復(fù)次數(shù)所得出的耗氣量 一般用于選擇空氣壓縮機(jī) 由式 2 可得左豎直氣缸 右豎直氣缸完成一次行程 的平均耗氣量為101 24L min 移栽升降氣缸完成一 次行程的平均耗氣量為19 643L min 氣源由空氣壓 縮機(jī)提供 為保障整個(gè)氣路系統(tǒng)的正常運(yùn)行 依照整 個(gè)氣路系統(tǒng)工作時(shí)的平均耗氣量 加上一定的備用余 量 考慮平均運(yùn)行效率 選擇容積流量為200L min的 OTS 1200 2 60L 空氣壓縮機(jī) 3 臺(tái)架試驗(yàn) 3 1 試驗(yàn)條件 試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院智能農(nóng)機(jī)裝備實(shí)驗(yàn) 室內(nèi)完成 試驗(yàn)臺(tái)架如圖8所示 試驗(yàn)對(duì)象為在實(shí)驗(yàn) 室內(nèi)以6 12穴盤培育的苗齡45天的?；?號(hào)辣椒 苗 辣椒苗距離基質(zhì)表面平均高度為112mm 培育基 質(zhì)由泥炭 蛭石 珍珠巖按照3 1 1的比例混合而 成 試驗(yàn)用苗如圖9所示 圖8 試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物圖 Fig 8 Physical drawing of test bench 圖9 45d辣椒苗 Fig 9 45 days pepper seedlings 為驗(yàn)證自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)工作的可靠性 考慮補(bǔ)苗相 關(guān)因素的影響 17 18 通過design export軟件設(shè)計(jì)正交 試驗(yàn) 分析移栽手水平移動(dòng)速度vH 取苗深度H 含水 率C對(duì)補(bǔ)苗效果的影響程度及相互間影響 影響因子 及水平如表1所示 每組試驗(yàn)測試兩盤辣椒幼苗 以 有效夾取穴孔內(nèi)基質(zhì)70 以上為指標(biāo)的剔苗成功率 T 綜合移栽成功率Q作為衡量移栽效果的指標(biāo) 則 T N1N 0 100 3 Q L1L 0 100 4 式中 N1 有效夾取缽苗數(shù) 株 N0 移栽爪夾取劣苗總數(shù) 株 L1 有效剔補(bǔ)苗數(shù) 株 L0 總剔補(bǔ)苗數(shù) 株 表1 試驗(yàn)因子和水平 Table 1 Factors and levels of test 水平 水平運(yùn)行速度 vH m s 1 取苗深度 H mm 含水率 C 1 0 1 30 50 0 0 2 35 60 1 0 3 40 70 3 2 試驗(yàn)結(jié)果分析 試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2所示 表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果 Table 2 Experimental scheme and results 序號(hào) vH m s 1 H mm C T Q 1 0 2 40 50 93 4 90 4 2 0 2 40 70 90 1 88 1 3 0 1 30 60 94 8 90 9 4 0 2 35 60 96 3 94 1 5 0 2 30 70 89 6 87 6 6 0 3 40 60 95 6 92 7 7 0 3 35 70 91 7 89 8 0 2 35 60 95 9 94 3 9 0 3 30 60 94 5 91 5 17 2024年1月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第1期 續(xù)表2 序號(hào) vH m s 1 H mm C T Q 10 0 1 35 50 94 89 4 11 0 1 40 60 95 1 92 1 12 0 2 35 60 96 5 93 8 13 0 3 35 50 93 9 89 9 14 0 1 35 70 92 1 88 7 15 0 2 35 60 95 8 93 9 16 0 2 35 60 96 1 94 2 17 0 2 30 50 92 7 88 4 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果 在移栽速率0 1 0 3m s 取苗深 度30 40mm 含水率50 60 范圍內(nèi) 剔苗成功率可 達(dá)到89 6 以上 平均值94 0 移栽成功率可達(dá)到 89 6 以上 平均值為91 1 建立剔苗成功率T 移 栽成功率Q同水平移動(dòng)速度vH 取苗深度H 含水率C 之間的多元非線性回歸模型為 T 96 12 0 037vH 0 33H 1 31C 0 2HvH 0 075vHC 0 050HC 0 18vH2 1 3H2 3 37C2 5 Q 94 06 0 25vH 0 61H 0 59C 0 05vHC 0 38HC 0 82vH2 1 44H2 3 99C2 6 回歸模型方差分析表明 見表3和表4 剔苗成功 率回歸模型影響極顯著 P值小于0 0001 失擬項(xiàng)P值 大于0 05 模型擬合效果好 19 由試驗(yàn)因子的P值可 知 含水率和取苗深度對(duì)剔苗成功率影響顯著 水平移 動(dòng)速度對(duì)其影響比較小 各影響因子相互間影響程度 低 說明剔苗成功率大小主要與含水率和取苗深度有 關(guān) 移栽成功率回歸模型P值表明影響極顯著 失擬項(xiàng) P值大于0 05表明擬合程度高 而水平移動(dòng)速度 取苗 深度 含水率的P值均小于0 05 影響顯著 特別是取 苗深度和含水率對(duì)移栽成功率影響較大 另外HC vH2 H2 C24項(xiàng)P值均小于0 01 表明對(duì)移栽成功率影響極 顯著 含水率和取苗深度間交互作用顯著 表3 剔苗成功率方差分析 Table 3 Variance analysis of the success rate of seedlings removal 方差 來源平方和自由度均方差P值 模型71 93 9 7 99 0 0001 vH 0 011 1 0 011 0 7926 續(xù)表3 方差 來源平方和自由度均方差P值 H 0 85 1 0 85 0 0498 C 13 78 1 13 78 0 0001 HvH 0 16 1 0 16 0 3372 vHC 0 023 1 0 023 0 7108 HC 0 01 1 0 01 0 8042 vH2 0 13 1 0 13 0 3795 H2 7 09 1 7 09 0 0002 C2 47 89 1 47 89 0 0001 失擬0 73 3 0 24 0 1611 誤差0 33 4 0 082 總和72 99 16 注 代表該項(xiàng)極顯著 P 0 01 代表該項(xiàng)顯著 P 0 05 表4 移栽成功率方差分析 Table 4 Variance analysis of the success rate of transplanting 方差 來源平方和自由度均方差P值 模型90 79 9 10 09 0 0001 vH 0 5 1 0 5 0 0299 H 3 1 3 0 0003 C 2 76 1 2 76 0 0004 HvH 0 023 1 0 023 0 8525 vHC 0 01 1 0 01 0 7123 HC 0 56 1 0 56 0 0236 vH2 2 81 1 2 81 0 0004 H2 8 76 1 8 76 0 0001 C2 67 12 1 67 12 0 0001 失擬0 3 3 0 1 0 2142 誤差0 17 4 0 043 總和91 26 16 注 代表該項(xiàng)極顯著 P 0 01 代表該項(xiàng)顯著 P 0 05 根據(jù)模型分析結(jié)果 繪制交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖 20 見圖10 含水率與取苗深度對(duì)移栽成功率交互響 27 2024年1月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第1期 應(yīng)曲面圖如圖10 a 所示 取苗深度由30mm增至 40mm過程中 移栽成功率先升后降 在35mm左右達(dá) 到最大值 這是由于在中下部夾取幼苗能增加移栽成 功率 但越向下基質(zhì)堅(jiān)實(shí)度越好 同穴孔材料粘結(jié)程度 越高 使得移栽成功率下降 不同含水率下移栽成功率 變化趨勢同取苗深度相似 在60 時(shí)達(dá)到最高移栽成 功率 原因是含水量增高會(huì)增加基質(zhì)與穴盤的粘附性 夾取基質(zhì)時(shí)穴孔底部和側(cè)邊基質(zhì)易粘在穴孔內(nèi)部難以 帶出 含水率降低基質(zhì)間粘附力減小 不易形成完整基 質(zhì)塊 而取苗深度在最高值時(shí) 取苗深度增加 含水率 增加 仍能有較大移栽成功率 這是由于取苗深度增加 后能夠直接取出底部附近基質(zhì) 降低粘附力增大帶來 的影響 含水率與水平移栽速率對(duì)移栽成功率交互響 應(yīng)曲面圖如圖10 b 所示 水平移動(dòng)速率整體影響下 移栽成功率變化不大 說明移栽手運(yùn)行平穩(wěn) 而含水率 低 速率小時(shí) 移栽成功率低是由于此時(shí)基質(zhì)塊內(nèi)部內(nèi) 聚力小 移栽手移動(dòng)過程中會(huì)有少量基質(zhì)散落降低移 栽成功率 a b 圖10 交互效應(yīng)響應(yīng)曲面圖 Fig 10 Interaction effect response surface 4 結(jié)論 1 針對(duì)自動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu) 結(jié)合辣椒培育標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計(jì) 了基于PLC的機(jī) 電 氣一體的溫室辣椒幼苗自動(dòng)補(bǔ) 苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了劣苗剔除和優(yōu)質(zhì)苗補(bǔ)進(jìn)間的 協(xié)調(diào)配合 2 以45天的辣椒幼苗作為試驗(yàn)對(duì)象 通過 Design export軟件設(shè)計(jì)在不同水平移動(dòng)速度 取苗深 度和含水率水平下正交試驗(yàn) 測試移栽機(jī)的剔補(bǔ)苗效 果 試驗(yàn)表明 移栽機(jī)剔苗成功率平均值為94 0 移栽成功率平均值為91 1 剔苗成功率和移栽成 功率主要受含水率和取苗深度的影響 受水平移動(dòng)速 率的影響不大 在含水率60 取苗深度35mm 水平 移動(dòng)速率0 2m s時(shí)達(dá)到最大值 分別為96 5 94 3 表明移栽手在直線模組帶動(dòng)下移動(dòng)平穩(wěn) 自 動(dòng)補(bǔ)苗機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高 且整體移栽效果好 性能可靠 參考文獻(xiàn) 1 陳殿奎 蔬菜機(jī)械化育苗的現(xiàn)狀與展望 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào) 1990 4 20 25 2 胡雙燕 胡敏娟 王佳 辣椒穴盤苗機(jī)械化移栽研究進(jìn)展 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2021 42 8 24 31 3 崔志超 管春松 楊雅婷 等 蔬菜機(jī)械化移栽技術(shù)與裝 備研究現(xiàn)狀 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2020 41 3 85 92 4 王寧 任玲 李江全 等 穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗技術(shù)研 究現(xiàn)狀與展望 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2021 42 1 59 66 5 韓綠化 毛罕平 趙慧敏 等 蔬菜穴盤育苗底部氣吹式 缽體松脫裝置設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2019 35 4 37 45 6 WEN YONGSHUANG Design of a traction double row fully automatic transplanter for vegetable plug seedlings J Com puters and electronics in agriculture 2021 182 106017 7 KHADATKAR ABHIJIT Development of embedded automat ic transplanting system in seedling transplanters for precision agriculture J Artificial intelligence in agriculture 2021 5 175 184 8 QIZHI YANG GUANLONG HUANG XINYI SHI et al De sign of a control system for a mini automatic transplanting machine of plug seedling J Computers and electronics in agriculture 2020 169 C 105226 9 韓綠化 毛罕平 胡建平 等 溫室穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè) 計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2016 47 11 59 67 10 文永雙 張宇 田金元 等 蔬菜移栽缽苗檢測與缺苗補(bǔ) 償系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2020 51 S1 123 129 11 蔣煥煜 施經(jīng)揮 任燁 等 機(jī)器視覺在幼苗自動(dòng)移缽作 業(yè)中的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2009 25 5 127 131 37 2024年1月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第1期 12 周昕 溫室穴盤苗智能分選 移栽 補(bǔ)栽一體機(jī)設(shè)計(jì)與 試驗(yàn) D 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 2019 13 徐浩 基于深度學(xué)習(xí)溫室辣椒種苗剔補(bǔ)移栽裝備設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) D 揚(yáng)州 揚(yáng)州大學(xué) 2021 14 韓長杰 肖立強(qiáng) 徐陽 等 辣椒穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2021 37 13 20 29 15 宋磊 陽尚宏 黃彬 等 穴盤苗取投送苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) J 農(nóng)機(jī)化研究 2021 43 2 180 184 16 倪有亮 金誠謙 劉基 全自動(dòng)移栽機(jī)取送苗系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 31 23 10 19 17 劉繼展 李茂 李男 等 草莓穴盤苗移栽末端執(zhí)行器設(shè) 計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2016 47 11 49 58 18 童俊華 石虎峰 武傳宇 等 穴盤移栽指鏟式末端執(zhí)行 器苗缽基質(zhì)抓取仿真與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2019 50 8 107 116 19 童俊華 孟青新 辜松 等 溫室水培葉菜高速稀植機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2021 37 1 1 9 20 李東賀 彭緒友 廖宇蘭 等 單行木薯塊根收獲機(jī)仿生 鏟的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)機(jī)化研究 2022 44 1 174 182 Design and Experiment of the Control System of Automatic Replanting Seedling Machine for Pepper in Greenhouse Miao Hong1 Li Mengli1 Xu Hao1 Tong Junhua2 Zhang Shanwen1 Dai Min1 1 College of Mechanical Engineering Yangzhou University Yangzhou 235000 China 2 Faculty of Machinery and Au tomatic Zhejiang Sci Tech University Hangzhou 310000 China Abstract A certain amount of poor quality seedlings will appear in the process of pepper cultivation Seedlings grow dif ferently will affect the consistency of plug seedlings In addition due to the low degree of automation of the transplanting machinery the transplanting effect is not ideal In order to solve these problem a machine electricity pneumatic inte grated automatic replanting seedling mechanism control system was designed in accordance with agronomic requirements The working principle and mechanical structure of the automatic replanting seedling mechanism was described Combining the layout of sensors and actuators and the operating mechanism of removing and replanting seedlings the software and hardware of the control system for replanting seedlings was designed According to the work requirements of transplanting claws designed the pneumatic system and performed related calculations The three factor three level orthogonal experi ment were carried out on 45d pepper seedlings with the horizontal moving speed of transplanting claw the depth of seed ling clamping the moisture content as factors the success rate of seedlings removal the success rate of transplanting as the evaluation indexes The results of the orthogonal combination test showed that the horizontal moving speed had little effect on the success rate of seedlings removal and the success rate of transplanting This indicated that the transplanting claw runs smoothly And the automatic replanting seedling machine can achieve an average success rate of seedlings re moval of 94 and the success rate of transplanting of 91 1 which means that the automatic replanting seedling ma chine had reliable performance and met the requirements of replanting operation Key words pepper replanting seedling transplant control system 47 2024年1月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第1期