植物工厂生菜自动化采收系统的设计及试验

发布时间：2017-12-11 12:20

  本文关键词：植物工厂生菜自动化采收系统的设计及试验

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【摘要】：近年来,植物工厂逐步实现了自动环境调控、智能网络控制及生产流程规范等,但自动化生产程度不高,其在叶菜类采收自动化设备和系统的研究较少,传统的叶菜采收机械和采收系统无法在植物工厂生菜采收作业中使用,存在机构庞大和价格昂贵等缺点。本研究以江苏大学植物工厂背景,以生菜作为研究对象,对生菜的力学特性进行测试,研制一种适用于植物工厂的生菜自动化采收系统,包括输送装置、移动机构、末端执行机构和控制系统的设计与开发,同时对采收系统进行安装调试及性能测试。主要研究内容及结果如下:(1)生菜力学特性测试以营养液水培生菜作为研究对象,对其抗压位移特性、茎部剪切力学特性进行测试,并分别测试硅胶、橡胶与PU聚氨酯这3种保护性材料和生菜叶片间的最大静摩擦系数。结果表明,当压缩位置逐渐上移,生菜抗压能力也会随之增强,在60mm、80mm和100mm处生菜的抗压力峰值分别为19.851N、21.368N及34.143N;剪切力峰值与速率和角度都成负相关,当剪切速率为1mm/s、1.5 mm/s及2 mm/s时,平均最大剪切力分别为20.253N、19.642N及18.776N,当剪切角度为0°、5°及10°时,平均最大剪切力分别为20.865N、20.143N及19.725N;当加载速率增加时,生菜茎部直径对于剪切力峰值的影响越不明显。硅胶、橡胶和PU聚氨酯与生菜叶片之间的最大静摩擦系数分别为0.774、0.726和0.611,由此可知,硅胶最适合在生菜采收作业中作为保护材料。(2)采收系统执行机构和控制系统设计对生菜自动化采收系统整体进行设计及布局,对输送装置、压板装置、XYZ三坐标直角运动机构和末端执行机构进行了结构设计和参数计算,其中,设计2种不同的末端执行机构,分别为双曲柄滑块平移型机构和齿轮啮合转动型机构,并对其进行结构设计与工作参数的确定。进行系统控制方法的确定,选取PLC作为系统的控制方案,并根据采收作业的要求对本系统中使用的相关硬件(传感器、PLC和工业触摸屏)进行合理选型。(3)采收系统性能试验对生菜自动化采收系统分别进行了移位精度试验、采收性能试验和振动测试,试验结果表明:系统采收作业可靠,XYZ实测位移量与9孔(3×3)栽培板上孔穴间隔及Z方向设定值没有显著性差别,随着采收速率的增加,显著性越明显,即采收速率越小,定位精度越高,即满足采收作业的精度要求,当采收效率分别为135颗/h、180颗/h及270颗/h时,X方向的位移差平均值依次为200.20、200.27和200.41;Y方向的位移差平均值依次为200.23、200.29和200.38;Z方向的位移差平均值依次为30.20、30.24和30.37;针对所设计的两套不同末端执行机构开展自动采收性能试验,发现在相同作业效率下,齿轮啮合转动型末端执行机构的采收成功率高于双曲柄滑块型末端执行机构;当作业效率为135、180、270颗/h时,齿轮型啮合转动末端执行机构的采收成功率分别为94.4%、91.6%、83.3%,通过试验结果可知:当系统的采收作业效率提升时,采收成功率随之减小。针对于装配齿轮啮合转动型末端执行机构的采收系统进行振动测试,由分析结果可知:当系统采收效率增大至270颗/h时,系统振动显著,工作稳定性也随之降低,导致采收成功率仅为83.3%,夹持器底板的某阶固有频率和系统电机的激振频率相近,导致夹持器底板存在共振的可能。则在实际工作中,为平衡采收效率和采收成功率,采收工作效率应介于135-180颗/h之间,不应超过270颗/h。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S225.92

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本文编号：1278441