自動嫁接機控制系統設計

　　摘要：鑒于傳統PC機或單片機控制系統在自動嫁接機控制過程中對工作環境要求高，可靠性低，對操作人員技術要求高，推廣性差等問題，設計以PLC為控制器的嫁接機控制系統。包括控制器的硬件設計、軟件設計以及故障的自診斷和自處理程序設計，不僅能克服單片機控制系統存在的缺點，實現手動作業模式下分步控制以及自動控制下的連續作業，提高了工作效率和嫁接的可靠性。

　　關鍵詞：自動嫁接機;控制系統;PLC

　　中圖分類號 TP273 文獻標識碼 B

　　Design of control system of automatic grafting machine

　　Mu Ai-xia Peng Li-ying

　　(Shandong Vocation College of Industry　Shandong Zibo 256414)

　　Abstract: As a traditional PC or SCM system had the features of a strict working condition,a skill manipulator,and poor reliability ,designed of a PLC control system of automatic grafting machine. including controller's hardware design, software design as well as breakdown from diagnosis and from processing and so on, not can only realize under the manual work pattern the stepping control, moreover may realize grafts the process the automatic control, enhanced greatly grafted the efficiency and the reliability.

　　Keywords: automatic grafting machine; control system; PLC

　　對于自動嫁接機的控制，現國內、外采用的大多數為PC機或單片機系統[1]。鑒于PC機和單片機系統存在著諸如對工作環境要求高、抗干擾能力弱、工作可靠性低、對操作人員的技術要求高、推廣性差等缺點[2]。作者開發了以PLC為控制器的嫁接機控制系統，通過程序控制取送苗裝置、切削裝置、夾持裝置等工作部件，克服單片機控制系統存在的缺點，實現連續作業，提高了工作效率和嫁接的可靠性。

　　1 嫁接機總體結構設計

　　接機主要由嫁接機本體、控制器及傳感系統等組成，其結構框架如圖1所示。

　　1.1 嫁接機組成

　　嫁接機主要由四大部分組成：兩個輸苗盤及使苗盤驅動嫁接苗搬送系統;用于抓苗、送苗到達指定位置的機械手搬運裝置;用于砧木和穗木切削的切苗裝置;用于將切割后的砧木和穗木固定在一起的送夾機構和用于排出嫁接苗的排苗輸送帶。供苗臺上設計了兩個工位，每一工位設計一個手爪用來完成砧、穗木的抓取搬運工作，其中手爪抓苗與伸縮由直動氣缸控制。根據嫁接操作的要求，砧木需要單子葉斜切，穗木也需斜切，因此砧、穗木切削機構相似，主要由切削刀桿、擺動馬達軸、彈簧、切削機構支架和切削支撐機構等組成。嫁接機的自動送夾機構主要由推夾氣缸、推送桿、滑塊等組成。

　　1.2 嫁接機的工作過程

　　當操作人員將砧木、穗木苗分別放到各自供苗臺上時，觸動壓電傳感器發出信號，控制機械手氣爪立即抓住苗木，等待切削刀進行切割;為了保證操作的安全性，切削過程切削刀

　　首先在直動氣缸作用下伸出到達切削位置，然后由旋轉馬達(擺動馬達)帶動切削裝置旋轉，實現砧、穗木苗的單支撐切割，以保證穩定的切口斷面，并減少對秧苗的沖擊和損壞;然后切削機構回位，等待下一次切削;此時夾有切削苗的機械手在直動氣缸的作用同時向夾持位置伸出并在切削刀旋轉中心位置結合;送夾機構在直動氣缸作用下，推出一個夾子，以打開狀態送向已經接合的秧苗，當到達夾持位置時，秧苗夾在彈簧作用下閉合，實現砧木、穗木的夾持，最后通過控制手爪氣缸，機械手松開砧木、穗木苗，使已經完成嫁接的秧苗落到秧苗搬運輸送帶，實現秧苗的向外運送，完成苗的嫁接作業[3]。

　　1 穗木輸送電機 2 法蘭盤 3 穗木輸送帶 4 穗木直動氣缸 5 穗木夾持氣爪和傳感器 6 送夾直動氣缸 7 氣缸固定支架 8 秧苗夾筒 9 秧苗夾 10 秧苗夾進給軌道 11 秧苗夾阻尼塊 12 砧木輸送帶 13 軸承座 14 砧木苗盤 15 砧木夾持氣爪 16 直動氣缸固定座 17 氣缸固定支架 18 砧木輸送電機 19 傳感器 20 旋轉切刀 21 切削刀直動氣缸 22 旋轉氣缸 23 氣缸固定支架

　　2 嫁接機控制系統硬件設計

　　嫁接機控制系統的硬件主要由PLC及外部設備組成。PLC在系統中的主要功能是協調各子系統按照嫁接要求進行工作，因此，它既要完成各種邏輯控制，還要進行系統的監控。圖2為自動嫁接機控制系統示意圖。

　　2.1PLC地址、功能端

　　PLC外部有信號輸入端子和輸出端子，信號輸入端子分別接入開關等控制元件;信號輸出端子分別接入電機、氣缸、機械手等執行元件?？刂葡到y中主要地址、功能對應表如表1。

　　2.2 嫁接機輸入輸出接線圖

　　嫁接機輸入輸出接線圖如圖3所示。

　　SA1為工作方式開關，有三個檔位，打向左側為自動模式，中間為停止，打向右側為手動模式。SB1為啟動按鈕，SB2為停止按鈕，SB3為手動切削按鈕，SB4為手動夾持按鈕，SA2為砧木手抓開關，SA3為穗木手抓開關，SA4為砧木直行開關，SA5為穗木直行開關，SA6為切削刀進退開關，SA7為切削刀進退限開關，LK為行程開關，LP2、LP3為故障顯示和工作指示燈，QA為空氣開關，L1為電源火線，N為電源零線，QG為電磁換向閥，控制機械手、氣缸等的動作。

　　圖3嫁接機輸入輸出接線圖

　　Fig. 3 wiring diagram of input and output system of grafting machine

　　3 嫁接機控制系統軟件設計

　　嫁接機控制部分主要包括氣缸、機械手、切削及夾持裝置等的控制[6]。其控制系統流程如圖4所示。

　　圖4嫁接機控制系統流程圖

　　Fig4 flow chart of control system of grafting machine

　　為了便于調試，本系統設計為手動模式和自動模式兩種工作方式[7]，在調試階段，采用手動模式，可以實現單步單個動作的控制，便于程序的修改;在自動模式下工作流程如下：

　　流程說明：準備就緒，按下“啟動”鍵，若工作指示燈亮，說明能正常開始工作了。此時可通過工作方式開關選擇嫁接機工作方式。由傳感器檢測砧、穗木苗到位情況，若到位，則砧、穗木苗接通，機械手抓苗，做好切削準備;切削機構直動氣缸直行，由行程開關決定到限位置，若到位，則由擺動馬達控制砧、穗木苗旋轉切削;切削刀復位，抓苗機械手由直動氣缸推送秧苗至夾持位置，完成砧、穗木苗的夾持、貼接;最后機械手手指汽缸控制機械手松開秧苗，通過傳送帶將苗木送出，機械手復位[8]。

　　本設計采用歐姆龍公司開發的CPM2AE-60CDR-A可編程控制器，60點主機，輸入36點，繼電器輸出24點。自動嫁接機實現工作過程時，其關鍵模塊是取送苗機構、切削機構和送夾機構三大模塊。設計過程中，對這三個模塊分別進行了設計和調試，達到了預期的效果。

　　4 故障的檢測與診斷

　　可編程序控制器的可靠性很高，本身有完善的自診斷功能，可編程序控制器如出現故障，借助自診斷程序可以方便的找到故障的部位與部件，更換后就可以恢復正常工作?？删幊绦蚩刂破魍獠康妮斎?、輸出元件，如限位開關、電磁閥、接觸器等的故障率遠遠高于可編程序控制器本身的故障率，而這些元件出現故障后，可編程序控制器一般不能覺察出來，不會自動停機，可能使故障擴大，直至強電保護裝置動作后停機，有時甚至會造成設備和人身事故[9]。停機后，查找故障也要花費很多時間。為了及時發現故障，在沒有釀成事故之前使可編程序控制器自動停機和報警，也為了方便查找故障，提高維修效率，設計自動保護程序實現故障的自診斷和自處理。

　　設備在各自工步的動作所需的時間一般是不變的，即使變化也不會太大，因此可以以這些時間為參考，在可編程序控制器發出輸出信號，相應的外部執行機構開始動作時啟動一個定時器定時，定時器的設定值比正常情況下該動作的持續時間長20%左右。若該執行的動作時間超過對應定時器的設定時間，可編程序控制器還沒有接收到動作結束信號，定時器延時接通的常開觸點發出故障信號，該信號停止正常的循環程序，起動報警和故障顯示，使操作人員和維修人員能順速判別故障的種類，及時采取排除故障的措施。

　　5 結論及展望

　　該裝置與其他嫁接機相比具有結構簡單，動作準確，嫁接效率高、抗干擾能力強等優點。

　　開發出基于PLC的嫁接自動控制系統。不僅能實現手動作業模式下分步控制，還可以實現嫁接過程的自動控制，實現故障的自診斷，與目前國內的單片機控制系統相比，提高了工作效率和嫁接的可靠性。樣機試驗結果表明，此裝置的嫁接速度可達1200株/小時，較單片機控制的嫁接機的嫁接速度500株/小時，效率提高了1倍多。

　　為了適應不同形狀、苗齡的砧木、穗木，可將嫁接機械手設計成柔性手臂，能夠根據苗的莖桿形狀改變作業姿勢，保證不同的嫁接苗的嫁接成功率。

　　參 考 文 獻：

　　[1] 張鐵中,徐麗明. 大有前景的蔬菜自動嫁接[J]. 機器人技術與應用.2001, 2: 14-15

　　[2] 辜松.江林斌.國內外蔬菜嫁接機的發展現狀[J].東北農業大學學報，2007.12.

　　[3] 龍濤, 雙向式自動嫁接機的研究[D]. 中國農業大學 2005

　　[4] 陸鑫盛,周洪編著. 氣動自動化系統的優化設計. 上?？茖W技術文獻出版社. 2003,5

　　[5] 宋玉秋.丁宏玉.辛明金.蔬菜嫁接機夾苗機械手機構設計與仿真.安徽農業科學2007, 35(18)：5651-5652

　　[6] 李明.苗木嫁接機切削機構試驗研究與設計[D].長沙:湖南農業大學,2002

　　[7] 劉寶偉,辜松. 2JC-500型自動嫁接機接穗夾持與切削機構[J]. 農機化研究. 2008,2: 119-120

　　[8] Kurata,K. Cultivation of grafted vegetables II: Development of grafting robots in Japan Hort science1 994,29:240-244

　　[9] Masato Suzuki, Akihiko Onoda and Ken Kobayashi. Development of the Gafting Robot for Cucumber, Seedlings. Proceedings of International Conference for Agricultural Machinery &Process Engineering. 1993,10: 19-22.