植物工厂栽培板搬运物流系统的设计及试验

发布时间：2017-10-06 20:23

  本文关键词：植物工厂栽培板搬运物流系统的设计及试验

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【摘要】：近年来,植物工厂在果蔬生产方面,逐步实现了从播种、育苗到移栽、收获等生产过程的自动化。由于植物工厂采用多层栽培架进行果蔬的培育,工作过程中工作人员难以进行高层栽培架上果蔬的移栽和收获。现有国内外开发的用于在这方面果蔬移栽收获装置,存在空间操作范围较小,而且机构庞大,定位灵活性较差等问题。本课题以江苏大学植物工厂为背景,对栽培板搬运物流系统进行了设计和试验研究。先根据作业要求对栽培板搬运物流系统进行总体设计,对系统的各个执行部件进行流水化的作业布局。根据工作任务分析物流系统在移栽和收获过程中的工序流程,基于时间最短原则,对栽培板输送路径进行规划。提出了一种空间3坐标定位系统,然后结合系统的结构组成和工作原理,将控制系统分成搬运机构和输送机构,进行模块化的软硬件设计,并通过各部件间相互协调运作,实现栽培板的搬运和输送。最后进行了搬运机构的定位精度试验、机械手不同高度和载荷以及稳定性相关测试试验研究。主要研究内容如下:(1)基于栽培板输送和搬运作业要求,对执行机构进行流水化的作业布局。提出了一种带吊环的定制泡沫板,对机械手结构、导轨和输送带装置方案进行设计,同时对机械手升降机构进行运动学分析。利用瞬心法求解丝杆进给速度与剪叉升降机构运动速度之间的关系,并对末端执行器提取和放置栽培板运动路径进行设计。根据作业对象,分析机构工作过程中的载荷情况,验证搬运机构的可行性并对机械手升降结构进行稳定性优化。(2)基于植物工厂的流水化的作业布局,在分析控制内容和目标的基础上对控制系统总体结构进行设计。运用单工序时间最短原则,对栽培板输送路径进行了规划。对控制单元进行了选型,并将执行部件分成搬运机构和输送机构两个模块,对各模块进行电路设计和程序设计。采用位移传感器对导轨、机械手进行空间直角坐标系定位,通过脉冲反馈实时比较,确定搬运机构在各方向的运动。分析栽培板输送的各个工序流程,对搬运机构和输送机构进行程序设计,运用组态王对系统进行了监控组态。(3)试验验证。在符合设计要求的情况下,建立栽培板搬运输送作业试验平台,对机构定位误差进行试验验证。首先对影响试验结果的主次因素进行分析。对导轨速度和机械手脉冲周期进行单因素试验,结果表明:两者在提高速度的情况下定位误差都有相应增加,且表现较为显著,并且导轨速度必须控制在0.3m/s以内。为满足定位误差要求,进行了双因素均匀试验,对运动参数进行优选。导轨速度达到0.3m/s时,平均定位误差超过10mm,最大偏差达到13.4mm,机械手定位误差超过允许值。通过试验将导轨速度控制在0.2m/s,脉冲周期300ms时,平均定位误差9.74mm,因素水平控制在以上范围内的符合定位误差要求的试验次数达到91.7%,符合设计的可行性要求。在此基础上进行机械手不同高度、载荷的定位精度试验以及对机械手稳定时间进行了测试,发现机械手机构搬运过程存在摆动等问题,稳定时间较长,对搬运机构存在问题进行分析,对机械手升降机构以及试验对象参数提出了改进方案。
【关键词】：植物工厂 机械手 栽培板 控制系统 搬运 试验
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S22
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景与意义11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 设施农业生产装备国内外研究现状11-15
• 1.2.2 栽培板搬运物流系统国内外研究现状15-17
• 1.3 本文主要研究目的及主要内容17-19
• 1.3.1 本文主要研究目的17
• 1.3.2 本文主要研究内容17-19
• 第2章 搬运物流系统执行机构设计19-35
• 2.1 栽培板搬运物流系统总体方案设计19-21
• 2.2 导轨装置设计21-23
• 2.3 机械手设计及分析23-32
• 2.3.1 升降机构结构设计及分析24-28
• 2.3.2 动力机构设计及分析28-30
• 2.3.3 末端执行机构设计30-32
• 2.4 输送带装置设计32-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 栽培板搬运物流系统控制模块设计35-64
• 3.1 系统控制模块总体方案设计35-45
• 3.1.1 系统空间坐标与定位系统35-36
• 3.1.2 栽培板输送路线规划36-38
• 3.1.3 系统作业模式38-39
• 3.1.4 控制器选择39-40
• 3.1.5 控制单元选型40-42
• 3.1.6 控制模块结构及I/O分配42-45
• 3.2 搬运机构控制模块设计45-52
• 3.2.1 搬运机构控制方案45-46
• 3.2.2 硬件设计46-50
• 3.2.3 程序设计50-52
• 3.3 输送机构控制模块设计52-55
• 3.3.1 输送机构控制方案52-53
• 3.3.2 硬件设计53-54
• 3.3.3 程序设计54-55
• 3.4 系统软件设计55-62
• 3.4.1 总体运动协调控制55-56
• 3.4.2 故障报警控制56-57
• 3.4.3 PLC的通信及网络设计57-61
• 3.4.4 操作界面设计61-62
• 3.5 本章小结62-64
• 第4章 试验研究64-74
• 4.1 搬运机构定位精度试验65-69
• 4.1.1 试验设计及步骤65-67
• 4.1.2 试验数据分析67-69
• 4.2 机械手不同高度定位试验69-72
• 4.2.1 试验设计及步骤69-70
• 4.2.2 试验数据分析70-72
• 4.3 搬运机构稳定时间测试72-73
• 4.3.1 试验设计及步骤72
• 4.3.2 试验数据分析72-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第5章 总结与展望74-76
• 5.1 总结74-75
• 5.2 展望75-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-81
• 已取得科研成果及参加科研课题81

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