智能马铃薯堆垛机的设计

孙景彬，盖金星，李学强，王相友，李 栋

(1.山东理工大学，a.农业工程与食品科学学院；b.电气与电子工程学院，山东 淄博 255091；2.山东希成农业机械科技有限公司，山东 德州 253600)



智能马铃薯堆垛机的设计

孙景彬1a，盖金星2，李学强2，王相友1a，李 栋1b

(1.山东理工大学，a.农业工程与食品科学学院；b.电气与电子工程学院，山东 淄博 255091；2.山东希成农业机械科技有限公司，山东 德州 253600)

马铃薯收获后需要对其入库贮藏，目前马铃薯入库堆垛机械的作业效率较低、成本高，需要大量人工辅助作业。针对这一系列问题，设计了一款具有较高作业效率的智能马铃薯堆垛机。该机可根据所需的堆垛高度进行作业，控制方便，伤薯率低，为马铃薯的长时间贮藏提供了保障。对样机做了相关试验，结果表明：该机满足堆垛要求，且堆垛过程中的伤薯率明显降低，可以控制在1%以下。因此，此款机器的设计对解决农忙时节用工荒、提高马铃薯的入库效率及马铃薯的贮藏品质具有重要意义。

马铃薯；堆垛机；智能；控制；传感器

0 引言

伴随着马铃薯主粮化的战略部署，国内马铃薯的种植面积逐年增加，年产量也达到世界领先水平，实现马铃薯产业的全程机械化迫在眉睫[1]。由于马铃薯的产量很高，为避免其发芽、变质，需要对其进行仓储。但是，当前马铃薯经过分选清选之后的入仓作业还未完全实现机械化，需要大量的劳动力。

目前，国内马铃薯方面的仓储机械尚未成熟，具有代表性的机型主要有姚建辉等设计的装仓堆垛机[2]、内蒙古凌志马铃薯科技有限公司设计的马铃薯堆垛机等。但这些设备仍存在着一些不足：控制部分自动化程度较弱，作业效率较低，易对马铃薯块茎造成损伤。

为了解决马铃薯收获季节的用工荒问题，降低用工成本，最大程度地减少马铃薯仓储过程中产生的不必要损失，提高其贮藏品质，本文设计了一款智能马铃薯堆垛机。该机可以对收获后经过清选分选的马铃薯进行堆垛处理，且堆垛高度可根据不同需求进行人工或自动控制，作业效率明显提高。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

该智能马铃薯堆垛机主要由机架、伸缩式输送单元、电动液压推杆、液压站、主动前轮、万向后轮和总控制箱等部分组成，如图1所示。堆垛机的作业参数如下：水平长度为9.5～14.5m，最大高度为7.5m。

1.伸缩式输送单元 2.机架 3.电动液压推杆 4.进料斗

1.2 工作原理

收获后的马铃薯首先做分选清选处理，然后经多道输送线输运至堆垛机进料斗处，在电动机驱动下输送带将马铃薯运至所需要的高度位置，完成马铃薯的堆垛作业。

其中，伸缩臂升降装置中的电动液压推杆是通过油管路与液压站相连接，靠油缸电机来驱动。机器的移动是由置于两个驱动前轮之上的电机驱动来完成，根据不同的方位需求来完成各个方向的马铃薯堆垛作业。防碰限位传感器置于伸缩输送臂两侧及驱动地轮两侧，用来保证机器的合理作业位置。此外，在下料出口位置设有智能下料系统，可以根据垛堆高度及位置实现自动升降调节，有效降低马铃薯块茎损伤率，基本实现无损堆垛作业。

2 主要零部件的设计

2.1 主输送单元的设计

马铃薯堆垛机的主输送单元是依靠变频电机带动主动辊转动而工作，使置于主动辊上的输送皮带一起运行，其结构如图2所示。其中，V型辊轮根据传送带的受力方向进行设计，以达到有效减小运输过程中的摩擦阻力、降低能耗之目的。

1.主动辊 2.链条 3.主动电机 4.V型辊轮 5.下托带辊

2.2 伸缩传动系统的设计

伸缩传动系统主要由电机、链轮、传动链条、滑轮和滑轮槽等部分组成，如图3所示。

1.电机 2.传动链轮 3.传动链条 4.滑轮槽 5.滑轮 6.伸缩架体

在伸缩传动系统中，电机带动链条来驱动链轮，经传动链条的两端分别铰接到伸缩架体上;驱动链轮的转动使得伸缩架体上的滑轮在槽中的移动，从而实现马铃薯堆垛机伸缩臂的伸长与收缩。

2.3 输送带的结构设计

输送带是整个机器中作业的关键部件，本机作业臂为伸缩式结构。输送带的放置尤为关键，与普通的输送带有着明显的不同，其结构形式如图4所示。

图4 输送带的结构

综合考虑防滑、增大输送摩擦力等因素，该输送带表面设计成凸起样式。另外，输送带的缠绕方式根据传动系统的架体进行设计，以便于伸缩架体的前后位置移动。

2.4 缓冲架的设计

马铃薯输送下料部位安装智能缓冲架装置，其结构如图5所示。该机构可以根据马铃薯的垛堆高度，通过伺服电机的驱动实现自动升降控制，其信号的采集通过光电传感器和电容传感器来实现。工作过程中，伺服电机正转时缓冲架伸长，反转时则收缩，进而保证下料高度控制在合理的范围之内，从而降低伤薯率。

图5 下料缓冲架三维示意图

2.5 电机的选型与控制分析

马铃薯堆垛机的动作基本靠电机驱动来实现，因此电机的选型至关重要。本机的选型如表1所示。

表1 电机的选型

2.6 传感器的选型

2.6.1 电容式接近传感器的选择

接近开关分为电感式和电容式。电容式传感器不但能检测金属，还特别适合于非金属的检测，且其感应距离可调。鉴于这些特点，在下料缓冲架的下端选用电容式接近传感器，其实物如图6所示。

图6 电容式接近传感器

当物料接近传感器的感应极片时，极片和物体就构成了一个电容，导致振荡极的状态发生变化，此变化被放大处理后输出一个晶体管开关信号，从而实现电机的相应动作。

2.6.2 光电传感器的选择

光电传感器采用漫反射式，如图7所示。这是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。

图7 光电传感器

2.6.3 行程开关的选择

马铃薯堆垛机的驱动轮两侧，伸缩臂的起止位置都安装行程限位开关。根据需要，选择施耐德ZCKE05C行程开关，如图8所示。

图8 行程开关

安装在地轮两侧的行程开关，当探头触碰到障碍物时，会导致传感器闭合的接点分断，从而控制电机停止驱动，起到限位保护作用。同理，安装于伸缩输送臂上的限位开关实现起止位置的启停保护。

3 控制系统的结构及原理

控制系统的总体结构主要包括主控制模块、检测模块、输送控制模块、行走控制模块和伸缩控制模块等，如图9所示。

图9 控制系统设计图

本系统主要完成对皮带输送、左右行走及机架伸缩时电机的控制，从而实现堆垛机的相关动作。在堆垛过程中，系统会根据检测模块传送的信息进行调整，从而确保机器的合理工作状态。

3.1 控制系统的硬件设计

本系统采用西门子PLCS7-200，CPU型号为224作为主控制模块。总控制箱主要包括PLC总控制模块、变压器、电机控制模块和接触器等，如图10所示。

图10 总控制箱

3.2 控制模块

马铃薯堆垛机的总控制模块对整个控制系统具有系统调控作用，所有子程序经过主控制单元的分配得以实施。主程序控制流程如图11所示。

图11 主程序控制流程

3.2.1 左右摇摆防碰检测原理

本系统采用的是限位光电传感器，将机械位移转变成电信号，使电动机的运行状态得以改变，从而控制机械的动作，起到限位保护的作用。当伸缩输送臂两侧的光电开关检测到左右两侧障碍物时，此光信号被转化后传输到PLC总控制模块，控制电机转动停止，避免与障碍物发生碰撞。左右限位流程图如图12所示。

图12 左右限位流程图

3.2.2 伸缩架控制原理

马铃薯堆垛机的伸缩输送架在执行伸缩动作时，需要对其进行限位控制。当伸缩架运行到限位位置时，限位开关由闭合状态断开，进而控制伸缩电机停止运转。其控制流程如图13所示。

图13 伸缩架控制流程

3.2.3 升降控制原理

堆垛机在上料过程中，随着马铃薯垛的高度增大，输送臂随之升高。现有的马铃薯堆垛机升高控制是依靠人工来完成，误差较大，难以达到精准控制，极易出现输送臂过高或过低的情形。若输送臂与薯垛的距离过大，使得马铃薯产生摔伤或者碰伤，影响其贮藏品质；反之，则与马铃薯发生触碰，形成擦伤。经试验分析，马铃薯的临界损伤高度是380mm[6]，即马铃薯的下落高度不能大于该值。

马铃薯堆垛机的下料缓冲架上安装光电传感器和电容式接触传感器。光电传感器用来检测缓冲架与薯堆的最大安全距离，电容式接触传感器用来检测最小接触距离，进而通过调整传感器的响应参数实时监测薯垛与缓冲架的距离；然后，经PLC总控制模块实现对电机的控制，完成缓冲架的升降动作。该系统的控制流程如图14所示。

4 马铃薯堆垛机的性能测试

4.1 试验条件

在河北省沽源县某马铃薯种植区仓库对设计的马铃薯堆垛机做了相关试验，主要试验指标有机器的最大作业能力、单位能耗、伤署率及机器故障率等。

图14 升降控制流程

4.2 试验结果

经过大量的堆垛试验，将试验数据整理分析，结果如表2所示。

表2 试验结果分析表

表2中，机器故障率计算公式为

故障率=(t1+t2)/tz×100%

(1)

式中t1—停机等待时间；

t2—维修所用时间；

tz—计划用机时间。

通过数据分析可知：该马铃薯堆垛机的作业能力明显提升，机器的能耗降低，机器故障率有所改善。机器作业过程中对马铃薯的损伤率大幅度降低，为马铃薯的高质量贮藏提供了保障。

5 结论

1)设计的马铃薯堆垛机智能防碰系统，通过上下机器摇摆监测模块采集位置信息，经PLC模块分析和处理后，控制电机的动作，进而实现自动限位与防碰控制。

2)智能下料系统采用光电传感器和电容传感器的协调控制，避免机器与马铃薯的接触造成碰伤，以及距离过高致使马铃薯摔伤，为马铃薯的无损堆垛提供了可能。

3)输送架的升降采用油缸电机来控制，可实现机器输送臂的自动调整，精确度较高，替代了传统的人工控制方式。

4)试验结果表明：该机基本满足马铃薯堆垛入库作业要求，为智能化马铃薯堆垛装备的研制提供了参考。其对于提高堆垛效率、减轻劳动强度及降低马铃薯储藏环节的损失具有重要意义。

[1] 柳俊. 我国马铃薯产业技术研究现状及展望[J]. 中国农业科技导报，2011，13(5)：13-18.

[2] 姚建辉，郁超，王文明，等. 装仓堆垛机的研究设计[J].农机化研究，2010，32(9)：89-91.

[3] 李学强，卢延芳，苏国粱，等. 多功能马铃薯清选输送机的设计[J].湖北农业科学，2016，55(7)：1832-1835.

[4] 徐茂森，龙新平，祝叶，等.射流式马铃薯输送泵性能试验[J].农业工程学报，2016，32(11)：48-53.

[5] 李紫辉，尚琴琴，杨颖，等.马铃薯挖掘机横向输送系统的设计[J].农机化研究，2016，38(10)：74-78.

[6] 洪翔，万陈，王军. 一种马铃薯临界损伤跌落高度的测定方法[J].包装学报，2012(3)：30-33.

[7] 徐菱，劳扬健，王金诺.基于PLC的堆垛机控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术，2005(1)：72-73.Abstract ID:1003-188X(2017)10-0144-EA

The Design of an Intelligent Potato Stacker

Sun Jingbin1a, Gai Jinxing2, Li Xueqiang2, Wang Xiangyou1a, Li Dong1b

(1.Shandong University of Technology a.School of Agricultural Engineering and Food Science; b.College of Electrical and Electronic Engineering, Zibo 255091, China; 2.Shandong Xicheng Agricultural Machinery Science and Technology Co.Ltd., Dezhou 253600, China)

Potato need to be storage after harvesting, but the storage space is relatively shortage, so often need to be stacking. At present, the piling efficiency is low, cost is high, the labor intensity is big.So,this paper designed an intelligent potato stacker with high efficiency.This machine can operate according to the stacking height with lower injury rate, has provided the safeguard for the potato storage for a long time. And the prototype has been made relevant experiments, the experimental results show that the machine satisfied the requirement of stacking with significantly lower injury rate of potato in the process of piling. Accordingly,the design of this machine is of great significance to solve the problem of labor shortage and improve the efficiency and the quality of potato storage.

potato; stacking machine; intelligent; control; sensor

2016-09-22

国家“十三五”重点研发计划项目(2016YFD0701603-02)；山东省农机化装备研发创新项目(2016YF034)

孙景彬(1992-)，男，山东滨州人，硕士研究生，(E-mail)1414599006@qq.com。

王相友(1961-)，男，山东高密人，教授，博士生导师，(E-mail)wxy@sdut.edu.cn。

S229+.2

A

1003-188X(2017)10-0144-05