江苏晟邦精密减速机(创新｜植物工厂里的自动化物流系统)

Posted 2023-05-31

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江苏晟邦精密减速机(创新｜植物工厂里的自动化物流系统)

摘要：针对当前植物工厂自动化程度低、人工参与易携带病菌造成污染的问题，开发自动化物流系统，对关键部件输送机构、直角坐标机械臂、末端夹持机构、升降机构、双层栽培架和转向机构进行设计，实现移栽和收获工作过程中苗床的自动搬运。种植区域无人化，有效解决由于工人进入栽培室内作业而带来的病菌污染、作业安全隐患和劳动力成本上升等问题，提高无人植物工厂的智能化水平，促进植物工厂生产模式及产业发展，为实现植物工厂大规模生产奠定基础。

本文综合利用传感、控制、驱动等技术，设计低成本的移动式苗床和立体式多层栽培架，以及相应的物流控制系统，将需要灌溉与生长的移动式苗床送入种植区域的指定地点，将需要收获或处理的移动式苗床输送到作业车间，工人集中高效率操作，或者配合其他自动化设备进行处理。

装置组成

植物工厂自动化物流系统，以栽培生菜为作业对象，主要结构由输送装置、直角坐标机械臂、末端夹持机构、升降机构、双层栽培架和转向机构组成，如图1所示。其中，升降机构Ⅰ、双层栽培架Ⅳ、升降机构Ⅳ构成育苗区循环系统，升降机构Ⅱ、双层栽培架Ⅰ、转向机构Ⅰ、双层栽培架Ⅱ、转向机构Ⅱ、双层栽培架Ⅲ、升降机构Ⅲ构成定植区循环系统。

图1 植物工厂自动化物流系统结构示意图

输送装置

为实现幼苗运至植物工厂培育以及果实采收的无人化，设计输送装置如图2所示。电机选用晟邦电机有限公司的三相减速电机，额定功率为200 W，带刹车功能，采用链传动的方式驱动主动滚筒，从而带动输送带运转。因植物工厂内环境完全密闭，容易腐蚀装置，因此输送带选用耐腐蚀的聚酯材质，输送带宽为250 mm，长为4030 mm，带厚为3 mm，输送带上粘贴橡胶圆环用于固定幼苗的种植杯，防止输送过程中生菜幼苗滑移或者倾倒，利于机械臂定位抓取。两条输送带运动方向相反，一条用于输送幼苗进入植物工厂，一条用于输出培育成熟的生菜。

图2 输送装置结构图

直角坐标机械臂和夹持机构

XYZ 直角坐标机械臂属于笛卡尔运动系统，具有行程大、运行平稳、速度快、精度高的优点。XYZ运动机构由直线运动单元组合构成，由于运动单元是模块结构，可以通过连接件的安装实现多方向多功能的运动要求，3个运动单元经过组装分别构成XYZ 轴。XYZ 轴分别代表水平、横向及竖直方向的运动轴，X 方向由两个相互平行的直线运动单元组成，Y 方向直线运动单元的两端分别固定在 X 轴的两侧导轨上，由伺服电机 x 带动 Y 轴在 X 方向上进行往复运动。Z 方向直线运动单元与 Y 轴上的伺服电机 y 固定，伺服电机 y 带动 Z 轴实现 Y 方向的往复运动，末端夹持机构固定在 Z 轴下端，如图3所示。

根据行程需要，XYZ 方向上的导轨长度分别为1960、1000、790 mm，电机选用三菱750 W伺服电机，额定转速3000 r/min，匹配PF80-40-P2-S2型行星减速机，减速比40，额定输出扭矩110 N·m，额定输入速度3500 r/min，其中伺服电机x根据空间布置需要，匹配精密直角行星减速机。

末端夹持机构采用亚德客 HFT10-30S 气动手指，行程30 mm，即闭合状态下手指间距66 mm，完全张开状态下间距96 mm，加持力为14 N，最高使用频率40 次 /min，搭配自制夹爪，实现种植杯的抓取和投放。

图3 直角坐标机械臂和末端夹持机构

升降机构

立体式多层栽培模式的自动化需要升降机构配合，实现栽培板的上下层搬运，因此，本节对升降机构进行设计，通过气缸驱动升降机构运行，电机采用链传动的方式使输送带运转，实现栽培板的运移，升降机构结构如图4所示。

利用SolidWorks三维建模软件质量测算模块对升降平台进行质量估算，升降气缸选用亚德客SC80-500型，缸径为80 mm，行程为500 mm，使用速度范围30~800 mm/s，使用压力范围0.15~1.00 MPa，满足升降平台的使用需求。

图4 升降机构结构图

双层栽培架

双层栽培架上下两层各配置一套电机减速机组，选用中山市迪威变速机械制造有限公司生产的IF系列蜗轮蜗杆减速器与减速电机组合，产品型号IF050-50-P71B14/V6-7124(0.37-4)-270°，减速器速比1∶50，电机功率为370 W。每层两侧各配置长6.5 m的2.5倍速链条，在电机、减速机、主从动链轮、倍速链条的驱动下，栽培板可获得倍速于链条的移动速度，保证较高的输送效率，而链条可以低速运行，使链条工作平稳、噪声小、磨损小、寿命长。倍速链条运行的前进方向配置QX-2型阻挡气缸，主要用于双层栽培架上栽培板的止停，由于其工作行程固定，因此也叫定程杆气缸。当压缩空气通过控制阀进入气缸上部，使活塞带动挡杆下降，被挡住的栽培板放行。当控制阀放气，活塞在弹簧作用下复位，使下一栽培板被挡住，双层栽培架结构如图5所示。

图5 双层栽培架结构图

转向机构

栽培板在定植区各双层栽培架上的运移需要转向机构配合完成，转向机构分为上下两层，相互独立，可分别执行栽培板在两个双层栽培架上下层的转移动作，转向机构由转向气缸、转盘齿条、转盘齿轮、限位机构、调速电机、链条、输送带组成，如图6所示。转向气缸选用亚德客ACQJ63-140-20SB双轴复动行程可调型气缸，缸径为63 mm，行程为140 mm，可调范围20 mm，搭配F-M18-150F浮动接头与转盘齿条链接，转盘齿条、齿轮相互啮合，输送带分别布置在转向机构上下层的两侧，输送带材质为聚酯，长度为1280 mm，宽为40 mm，带厚为3 mm。电机选用5IK60 RGU-CF微型调速电机，电机功率为60 W。

图6 转向机构结构图

植物工厂生产效率

封闭式植物工厂长为7.2 m，宽为4.5 m，占地面积32.4 ㎡，采用双层栽培架对生菜进行培育，栽培架每层放置5块栽培板，每批可培育生菜250株，按单株叶鲜质量0.15 kg进行估算，每批次产出生菜37.5 kg。生菜的培育周期45天左右，采用分栽的作业模式将显著节约时间成本，在生菜分栽到植物工厂定植区至成熟采收的20天时间内，可进行生菜幼苗的培育。因此，本植物工厂进行连续生产作业时，每批生菜采收的时间间隔仅为20天左右，全年不间断生产，产量可达675 kg；且只需增加栽培架的层数，产量就会成比例增加。