自动移栽机取喂控制系统及其控制方法与流程

本发明属于农业机械自动化领域，具体涉及一种自动移栽机取喂控制系统及其控制方法。

背景技术：

移栽种植可缩短作物的生育过程、提高作物的抗灾抗旱能力、减少需要二次补种现象，同时能够增加作物的生长周期、提高作物产量和质量。我国移栽机具有广阔的市场前景，正式公布的《2012-2014年国家支持推广的农业机械产品目录》显示，纳入目录的移栽机达27个品种、12家企业，目前国内移栽机还以半自动移栽机为主，移栽效率底，人工工作量大，因此省时省力的全自动移栽是今后移栽机具发展的主要方向。

专利cn104737686a公开了一种穴盘苗自动移栽机运动协调控制系统及控制方法，通过plc与继电器相结合，运用继电器通断电实现对移栽机动作的协调控制，控制系统较为复杂，横向进盘机构占空间大不适合大棚作业，移栽效率有限。cn104808573a公开了一种移栽机控制系统，采用电机丝杠结合运用多种位置传感器实现整个移栽过程，但系统中采用6个步进电机动力过多，控制系统成本高，控制流程复杂。cn103294058a公开了一种用于立柱栽培的机器人移栽控制系统及控制方法，仅适用于室内花卉移栽及补苗及坏剔除作业。

技术实现要素：

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种穴盘苗自动取喂控制系统及控制方法，采用步进电机与底盘发动机两个主动力源，将底盘动力源分别传递给栽植鸭嘴及分苗旋杯同时连接充气泵为气缸提供气源，仅运用5个传感器及1个编码器实现各部件间的运动协调。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种自动移栽机取喂控制系统，包含移盘控制系统、取苗控制系统、投苗控制系统、可编程控制器；

移盘控制系统包括步进电机驱动器、纵向移盘步进电机、横向移盘气缸、穴盘位置传感器和穴盘计数器，所述纵向移盘步进电机、横向移盘气缸分别与可编程控制器相连，步进电机驱动器控制纵向移盘步进电机工作，并带动穴盘实现纵向进给，横向移盘气缸带动穴盘实现横向进给；

所述穴盘位置传感器位于取苗爪翻转取苗对应位置，可上下微调，与可编程控制器相连，用于定位穴盘初始进盘位置，触发取苗运动；

所述穴盘计数器通过步进电机正向脉冲触发，步进电机每发出一次正向脉冲，下移次数加一以此记录穴盘下移的行数；

穴盘位置传感器用于定位穴盘初始进盘位置，触发取苗运动；穴盘计数器计量穴盘下移的行数；

取苗控制系统包括取苗机构、电磁阀、磁性开关a、磁性开关b、磁性开关c，取苗机构包括滑槽板、小门架、门型取苗翻转气缸、取苗爪和大门架，取苗爪个数为n，n个取苗爪成排布置，所述滑槽板上开有滑槽、固定设置在所述移栽机的底盘上，所述大门架两个侧臂的底端可转动地装在所述底盘或者与所述底盘相对固定的结构上，并且所述大门架的一个侧臂的底端靠近所述滑槽板或者转动地安装在所述滑槽板上；所述小门架转动安装在所述大门架侧臂的内侧、通过销轴与滑槽连接；所述取苗爪固定安装在所述小门架上；所述门型取苗翻转气缸转动安装在滑槽板或者任何与滑槽板相对固定的结构上，所述门型取苗翻转气缸的推杆的伸出端与大门架转动连接；磁性开关a、磁性开关b以及磁性开关c分别安装于门型取苗翻转气缸的伸出极限位、取苗爪接触钵苗时对应伸出位以及缩回极限位，并分别与可编程控制器相连；所述可编程控制器还分别通过电磁阀与末端执行机构的取苗爪开合气缸、门型取苗翻转气缸相连；

投苗控制系统包括成排的取苗爪平行排列的分苗机构、增量式编码器、光电开关、高速计数器、投苗脉冲寄存器、苗杯计数器、计数允许开关和光电开关状态寄存器，所述取苗爪包括取苗爪针、苗爪开合气缸、电磁阀，所述分苗机构包含串联成环且可随环旋转的多个苗杯，以承接取苗爪投出的苗；

所述增量式编码器装在自动移栽机动力机构的底盘分动箱处，用于根据底盘分动箱的转速测量苗杯的转动，并根据苗杯的转动发出脉冲；

所述光电开关的光电传感器置于分苗机构中的一个苗杯外壁一侧，用于检测苗杯的转动，

所述高速计数器用于对增量式编码器的脉冲进行计数；

所述投苗脉冲寄存器用于存储每个取苗爪对应的投苗脉冲数值；从苗杯旋转方向相反的方向起算，第n个取苗爪对应的投苗脉冲数值an＝[d0+(n-1)×d]×b/c，其中，b等于增量式编码器每转一周高速计数器所产生的脉冲数值，c等于增量式编码器每转一周苗杯对应走过距离，d0等于第1个取苗爪的投苗距离，指投苗功能启动时，第一个取苗爪中心与其后一个苗杯中心之间距离，d等于相邻两个苗杯的中心之间的距离；

所述苗杯计数器根据光电开关产生的上升沿信号对旋转通过的苗杯数量进行计数；

计数允许开关控制苗杯计数器计数的范围，当苗杯计数器的计数大于等于n-2时，将苗杯计数器及高速计数器的计数清零；

光电开关状态寄存器用于寄存光电开关的状态，确保投苗过程中不重复触发投苗程序；

可编程控制器根据穴盘位置传感器的信息指令步进电机驱动器驱动步进电机转动，穴盘随步进电机快速转动纵向进给供苗，穴盘运动到穴盘位置传感器安装位置时，根据穴盘产生上升沿信号，判断纵向快速进盘结束控制步进电机停止转动；并在一次取苗完成后启动横向移盘气缸，使穴盘向左移动一个穴孔的距离，进行二次取苗；再次启动步进电机纵向下移，电机转动距离为指定穴盘苗行间距后，取苗爪取苗；横向移盘与纵向下移交替重复完成整盘取苗。

根据磁性开关a、磁性开关b以及磁性开关c的输入信号，通过电磁阀控制取苗爪开合气缸、门型取苗翻转气缸伸缩，并分别定位投苗触发点，取苗爪开始收缩点以及取苗完成点；

通过高速计数器获得增量式编码器发出的脉冲计数，并根据该脉冲计数、投苗脉冲寄存器中存储的每个取苗爪对应的投苗脉冲数值，发出驱动信号经信号放大器放大后控制所述电磁阀的闭合，通过苗爪开合气缸驱动取苗爪进行投苗动作。

进一步地，光电传感器与外壁距离为0～1mm。

进一步地，取苗爪个数n是穴盘横向单排穴孔数s的整数倍。

进一步地，n是穴盘横向单排穴孔数s的一半，以实现间隔取苗。

进一步地，所述门型取苗翻转气缸可以转动的安装在门型取苗翻转气缸安装板上，所述门型取苗翻转气缸安装板固定设置在滑槽板上，或者所述门型取苗翻转气缸可以安装在底盘上。

进一步地，所述电磁阀为二位五通电磁阀。

进一步地，所述销轴通过双列滚针轴承与滑槽连接。

所述自动移栽机取喂控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：移栽机启动后，动力机构带动栽植器以及苗杯转动，可编程控制器接收瞬时信号并控制取苗爪全部置位张开；

步骤2：可编程控制器指令步进电机驱动器驱动步进电机转动，穴盘随步进电机快速转动纵向进给供苗，运动到穴盘位置传感器安装位置时，其感应到穴盘产生上升沿信号，可编程控制器控制步进电机停止转动，进盘到位；

步骤3：门型取苗翻转气缸对应电磁阀接通，门型取苗翻转气缸开始伸出，取苗爪整排翻转，当门型取苗翻转气缸继续伸出至磁性开关b时，可编程控制器控制电磁阀进而控制取苗爪气缸收缩，使取苗针收缩，开始抓苗；当门型取苗翻转气缸继续伸出至磁性开关c时，取苗针收缩到极限位，抓苗完成；可编程控制器控制取苗翻转气缸缩回，当门型取苗翻转气缸缩回至磁性开关a时，取苗爪位于分苗机构上方，取苗完成；

步骤4：取苗完成后，横向移盘气缸伸出，向左移动一个穴孔距离，打开允许下移开关，并给苗杯计数器赋个>n-2的初始值，使增量式编码器对应高速计数器清零，高速计数器重新从零计数，苗杯计数器也清零；当高速计数器值大于等于投苗脉冲寄存器中设定的第一个取苗爪投苗脉冲数值时，第一个取苗爪对应的取苗爪气缸推动该取苗爪张开，进行投苗；当高速计数器值大于等于投苗脉冲寄存器中设定的第二个取苗爪投苗脉冲数值时，第二个取苗爪对应的取苗爪气缸推动该取苗爪张开，进行投苗；依次至第n个取苗爪投苗；

步骤5：最后一个取苗爪投完后，打开允许计数开关，苗杯计数器从零开始计数，同时触发门型取苗翻转气缸再次翻转取苗，重复一次步骤3；

步骤6：取苗完成后，由于允许下移开关打开，禁止左移，可编程控制器给步进电机驱动器相对位移信号控制步进电机转动指定角度，穴盘向下移动一个穴孔距离，穴盘计数器值加1，同时允许下移开关关闭。当苗杯计数器计数值>＝n-2，光电开关产生上升沿信号时，使增量式编码器对应高速计数器清零，高速计数器重新从零计数，苗杯计数器也清零；当高速计数器值大于等于投苗脉冲寄存器中设定的第一个取苗爪投苗脉冲数值时，第一个取苗爪对应的取苗爪气缸推动该取苗爪张开，进行投苗；当高速计数器值大于等于投苗脉冲寄存器中设定的第二个取苗爪投苗脉冲数值时，第二个取苗爪对应的取苗爪气缸推动该取苗爪张开，进行投苗；依次至第n个取苗爪投苗；最后一个取苗爪投完后，打开允许计数开关，苗杯计数器从零开始计数；

步骤7：重复步骤3到步骤6，当穴盘计数器值>所用穴盘的行数-1时，所述步进电机转动退盘，对下一盘苗进行二次进盘；

步骤8：重复步骤2到步骤7，直至系统关闭。

该自动移栽机取喂控制系统中，可编程控制器连接并控制步进电机驱动器、横向移盘气缸、穴盘苗位置传感器、高速计数器、苗杯计数器、控制阀、取苗爪开合气缸、门型取苗翻转气缸及磁性开关a、磁性开关b和磁性开关c，以实现移盘控制系统、取苗控制系统和投苗控制系统的配合动作。简单省时，取放苗速度快、带苗稳，苗落入苗杯准确率高，调节维修方便。

附图说明

图1为本发明所述自动移栽机取喂控制系统总体结构示意图。

图2为本发明所述自动移栽机取喂控制系统取苗结构示意图。

图3为本发明所述自动移栽机取喂控制系统图。

图4为本发明所述自动移栽机取喂控制系统流程图。

图中：

1-底盘、2-供苗机构、232-横向移盘气缸、243-纵向移盘步进电机、25-穴盘位置传感器、3-取苗机构、31-滑槽板、311-滑槽、32-小门架、33-门型取苗翻转气缸、34-取苗爪、341-取苗爪开合气缸、342-取苗爪开合气缸的推杆、343-取苗爪针、35-大门架、36-磁性开关a、37-磁性开关b、38-磁性开关c、4-分苗机构、44-苗杯、46-光电传感器、47-增量式编码器、62-底盘分动箱。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图3所示，本发明所述的自动取喂控制系统，包括可编程控制器(plc)、移盘控制系统、取苗控制系统和投苗控制系统。移盘控制系统包括步进电机驱动器、纵向移盘步进电机243、横向移盘气缸232、穴盘位置传感器25和穴盘计数器。步进电机驱动器、纵向移盘步进电机243、横向移盘气缸232构成移栽机的供苗机构2；所述纵向移盘步进电机243、横向移盘气缸232分别与可编程控制器相连，步进电机驱动器控制纵向移盘步进电机243工作，并带动穴盘实现纵向进给，横向移盘气缸232带动穴盘实现横向进给。所述穴盘位置传感器25位于取苗爪34翻转取苗对应位置，与可编程控制器相连，用于定位穴盘初始进盘位置，触发取苗运动。所述穴盘计数器根据步进电机发出正向脉冲信号记录穴盘下移的行数。穴盘苗的行数为m。穴盘苗位置传感器用于定位穴盘初始进盘位置，触发取苗运动；穴盘计数器计量穴盘下移的行数。

如图2所示，取苗控制系统包括取苗机构3、电磁阀、磁性开关a36、磁性开关b37、磁性开关c38。取苗机构3包括滑槽板31、小门架32、门型取苗翻转气缸33、取苗爪34和大门架35，取苗爪34个数为n，n个取苗爪34成排布置。所述滑槽板31上开有滑槽311、固定设置在所述移栽机的底盘1上。所述大门架35两个侧臂的底端可转动地装在所述底盘1或者与所述底盘1相对固定的结构上，并且所述大门架35的一个侧臂的底端靠近所述滑槽板31或者转动地安装在所述滑槽板31上。所述小门架32转动安装在所述大门架35侧臂的内侧、通过销轴与滑槽311连接；所述取苗爪34固定安装在所述小门架32上。所述门型取苗翻转气缸33转动安装在滑槽板31或者任何与滑槽板31相对固定的结构上，所述门型取苗翻转气缸33的推杆342的伸出端与大门架35转动连接。磁性开关a36、磁性开关b37以及磁性开关c38分别安装于门型取苗翻转气缸33的伸出极限位、取苗爪34接触钵苗时对应伸出位以及缩回极限位，并分别与可编程控制器相连；所述可编程控制器还分别通过电磁阀与末端执行机构的取苗爪开合气缸341、门型取苗翻转气缸33相连。

投苗控制系统包括与成排的取苗爪34平行排列的分苗机构4、增量式编码器47、光电开关、高速计数器、投苗脉冲寄存器、苗杯计数器、计数允许开关和光电开关状态寄存器。所述取苗爪34包括取苗爪针343、苗爪开合气缸341、电磁阀，所述分苗机构4包含串联成环且可随环旋转的多个苗杯44，以承接取苗爪34投出的苗。

所述增量式编码器47装在自动移栽机动力机构的底盘分动箱62处，用于根据分苗机构4的底盘分动箱62的转速测量苗杯44的转动，并根据苗杯44的转动发出脉冲。

所述光电开关的光电传感器46置于分苗机构4中的一个苗杯44外壁一侧，用于检测苗杯44的转动，所述高速计数器用于对增量式编码器47的脉冲进行计数。所述投苗脉冲寄存器用于存储每个取苗爪34对应的投苗脉冲数值；从苗杯44旋转方向相反的方向起算，第n个取苗爪34对应的投苗脉冲数值an＝[d0+(n-1)×d]×b/c，其中，b等于增量式编码器47每转一周高速计数器所产生的脉冲数值，c等于增量式编码器47每转一周苗杯44对应走过距离，d0等于第1个取苗爪34的投苗距离，指投苗功能启动时，第一个取苗爪34中心与其后一个苗杯44中心之间距离，d等于相邻两个苗杯44的中心之间的距离。所述苗杯计数器根据光电开关产生的上升沿信号对旋转通过的苗杯44数量进行计数。计数允许开关控制苗杯计数器计数的范围，当苗杯计数器的计数大于等于n-2时，将苗杯计数器及高速计数器的计数清零。光电开关状态寄存器用于寄存光电开关的状态，确保投苗过程中不重复触发投苗程序。

可编程控制器根据穴盘位置传感器25的信息指令步进电机驱动器驱动步进电机转动，穴盘随步进电机快速转动纵向进给供苗，穴盘运动到穴盘位置传感器25安装位置即取苗爪34翻转取苗对应位置时，根据穴盘产生上升沿信号，判断纵向快速进盘结束控制步进电机停止转动；并在一次取苗完成后启动横向移盘气缸232，使穴盘向左移动一个穴孔的距离，进行二次取苗；再次启动步进电机纵向下移，电机转动距离为指定穴盘苗行间距后，取苗爪34取苗；横向移盘与纵向下移交替重复完成整盘取苗。

根据磁性开关a36、磁性开关b37以及磁性开关c38的输入信号，通过电磁阀控制取苗爪开合气缸341、门型取苗翻转气缸33伸缩，并分别定位投苗触发点，取苗爪34开始收缩点以及取苗完成点；通过高速计数器获得增量式编码器47发出的脉冲计数，并根据该脉冲计数、投苗脉冲寄存器中存储的每个取苗爪34对应的投苗脉冲数值，发出驱动信号经信号放大器放大后控制所述电磁阀的闭合，通过苗爪开合气缸驱动取苗爪34进行投苗动作。

由所述移盘控制系统控制供苗，由取苗控制系统控制取苗，而后由投苗控制系统将穴盘苗投入苗杯44；如图4所示，该自动取喂控制系统的工作流程如下：

步骤1：开始工作；移栽机启动，动力机构带动栽植器以及苗杯44转动，可编程控制器接收瞬时信号并控制取苗爪34全部置位张开；

步骤2：可编程控制器指令步进电机驱动器驱动步进电机转动，穴盘随步进电机快速转动纵向进给供苗，运动到穴盘位置传感器25安装位置时，其感应到穴盘产生上升沿信号，可编程控制器控制步进电机停止转动，进盘到位；

步骤3：门型取苗翻转气缸33对应电磁阀接通，门型取苗翻转气缸33开始伸出，取苗爪34整排翻转，当门型取苗翻转气缸33继续伸出至磁性开关b37时，可编程控制器控制电磁阀进而控制取苗爪34气缸收缩，使取苗针收缩，开始抓苗；当门型取苗翻转气缸33继续伸出至磁性开关c38时，取苗针收缩到极限位，抓苗完成；可编程控制器控制取苗翻转气缸缩回，当门型取苗翻转气缸33缩回至磁性开关a36时，取苗爪34位于分苗机构4上方，取苗完成；

步骤4：取苗完成后，横向移盘气缸232伸出，向左移动一个穴孔距离，打开允许下移开关，并给苗杯计数器赋个>n-2的初始值，使增量式编码器47对应高速计数器清零，高速计数器重新从零计数，苗杯计数器也清零；当高速计数器值大于等于投苗脉冲寄存器中设定的第一个取苗爪34投苗脉冲数值时，第一个取苗爪34对应的取苗爪34气缸推动该取苗爪34张开，进行投苗；当高速计数器值大于等于投苗脉冲寄存器中设定的第二个取苗爪34投苗脉冲数值时，第二个取苗爪34对应的取苗爪34气缸推动该取苗爪34张开，进行投苗；依次至第n个取苗爪34投苗；

步骤5：最后一个取苗爪34投完后，打开允许计数开关，苗杯计数器从零开始计数，同时触发门型取苗翻转气缸33再次翻转取苗，重复一次步骤3；

步骤6：取苗完成后，由于允许下移开关打开，禁止左移，可编程控制器给步进电机驱动器相对位移信号控制步进电机转动指定角度，穴盘向下移动一个穴孔距离，穴盘计数器值加1，同时允许下移开关关闭。当苗杯计数器计数值>＝n-2，光电开关产生上升沿信号时，使增量式编码器47对应高速计数器清零，高速计数器重新从零计数，苗杯计数器也清零；当高速计数器值大于等于投苗脉冲寄存器中设定的第一个取苗爪34投苗脉冲数值时，第一个取苗爪34对应的取苗爪34气缸推动该取苗爪34张开，进行投苗；当高速计数器值大于等于投苗脉冲寄存器中设定的第二个取苗爪34投苗脉冲数值时，第二个取苗爪34对应的取苗爪34气缸推动该取苗爪34张开，进行投苗。依次至第n个取苗爪34投苗。最后一个取苗爪34投完后，打开允许计数开关，苗杯计数器从零开始计数；

步骤7：重复步骤3到步骤6，当穴盘计数器值>所用穴盘的行数时，步进电机转动退盘，对下一盘苗进行二次进盘；

步骤8：重复步骤2到步骤7，直至系统关闭。

通过自动取喂控制系统协调配合可以实现供苗、取苗和投苗，再通过动力机构带动分苗机构4和栽植机构完成送苗和植苗，可以实现完整的自动移栽作业。

目前比较常用的穴盘是6×12或8×16的穴盘，对应的行数分别为6和8。而相应地为了能够将每行穴盘苗分两次取完，取苗机构3上的取苗爪34的数量对应地分别为6个和8个。根据本发明的设计思路，一般技术人员可以想到其他类型穴盘的供苗、取苗和投苗方法，或者基于本发明提供的方法，一般技术人员可以作一些等效替换，例如将每行穴盘苗一次或者分三次取完，相应的控制方法和取苗爪34数量的设置可以容易地得出，在此不做赘述。

本发明的控制系统在实施过程中，可以根据不同的穴盘设计不同的子程序，通过子程序之间的切换来适应不同的穴盘。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。