本文關鍵詞：植物工廠生菜自動化采收系統(tǒng)的設計及試驗

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【摘要】：近年來,植物工廠逐步實現了自動環(huán)境調控、智能網絡控制及生產流程規(guī)范等,但自動化生產程度不高,其在葉菜類采收自動化設備和系統(tǒng)的研究較少,傳統(tǒng)的葉菜采收機械和采收系統(tǒng)無法在植物工廠生菜采收作業(yè)中使用,存在機構龐大和價格昂貴等缺點。本研究以江蘇大學植物工廠背景,以生菜作為研究對象,對生菜的力學特性進行測試,研制一種適用于植物工廠的生菜自動化采收系統(tǒng),包括輸送裝置、移動機構、末端執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)的設計與開發(fā),同時對采收系統(tǒng)進行安裝調試及性能測試。主要研究內容及結果如下:(1)生菜力學特性測試以營養(yǎng)液水培生菜作為研究對象,對其抗壓位移特性、莖部剪切力學特性進行測試,并分別測試硅膠、橡膠與PU聚氨酯這3種保護性材料和生菜葉片間的最大靜摩擦系數。結果表明,當壓縮位置逐漸上移,生菜抗壓能力也會隨之增強,在60mm、80mm和100mm處生菜的抗壓力峰值分別為19.851N、21.368N及34.143N;剪切力峰值與速率和角度都成負相關,當剪切速率為1mm/s、1.5 mm/s及2 mm/s時,平均最大剪切力分別為20.253N、19.642N及18.776N,當剪切角度為0°、5°及10°時,平均最大剪切力分別為20.865N、20.143N及19.725N;當加載速率增加時,生菜莖部直徑對于剪切力峰值的影響越不明顯。硅膠、橡膠和PU聚氨酯與生菜葉片之間的最大靜摩擦系數分別為0.774、0.726和0.611,由此可知,硅膠最適合在生菜采收作業(yè)中作為保護材料。(2)采收系統(tǒng)執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)設計對生菜自動化采收系統(tǒng)整體進行設計及布局,對輸送裝置、壓板裝置、XYZ三坐標直角運動機構和末端執(zhí)行機構進行了結構設計和參數計算,其中,設計2種不同的末端執(zhí)行機構,分別為雙曲柄滑塊平移型機構和齒輪嚙合轉動型機構,并對其進行結構設計與工作參數的確定。進行系統(tǒng)控制方法的確定,選取PLC作為系統(tǒng)的控制方案,并根據采收作業(yè)的要求對本系統(tǒng)中使用的相關硬件(傳感器、PLC和工業(yè)觸摸屏)進行合理選型。(3)采收系統(tǒng)性能試驗對生菜自動化采收系統(tǒng)分別進行了移位精度試驗、采收性能試驗和振動測試,試驗結果表明:系統(tǒng)采收作業(yè)可靠,XYZ實測位移量與9孔(3×3)栽培板上孔穴間隔及Z方向設定值沒有顯著性差別,隨著采收速率的增加,顯著性越明顯,即采收速率越小,定位精度越高,即滿足采收作業(yè)的精度要求,當采收效率分別為135顆/h、180顆/h及270顆/h時,X方向的位移差平均值依次為200.20、200.27和200.41;Y方向的位移差平均值依次為200.23、200.29和200.38;Z方向的位移差平均值依次為30.20、30.24和30.37;針對所設計的兩套不同末端執(zhí)行機構開展自動采收性能試驗,發(fā)現在相同作業(yè)效率下,齒輪嚙合轉動型末端執(zhí)行機構的采收成功率高于雙曲柄滑塊型末端執(zhí)行機構;當作業(yè)效率為135、180、270顆/h時,齒輪型嚙合轉動末端執(zhí)行機構的采收成功率分別為94.4%、91.6%、83.3%,通過試驗結果可知:當系統(tǒng)的采收作業(yè)效率提升時,采收成功率隨之減小。針對于裝配齒輪嚙合轉動型末端執(zhí)行機構的采收系統(tǒng)進行振動測試,由分析結果可知:當系統(tǒng)采收效率增大至270顆/h時,系統(tǒng)振動顯著,工作穩(wěn)定性也隨之降低,導致采收成功率僅為83.3%,夾持器底板的某階固有頻率和系統(tǒng)電機的激振頻率相近,導致夾持器底板存在共振的可能。則在實際工作中,為平衡采收效率和采收成功率,采收工作效率應介于135-180顆/h之間,不應超過270顆/h。
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S225.92

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