自动嫁接机控制系统设计

　　摘要：鉴于传统PC机或单片机控制系统在自动嫁接机控制过程中对工作环境要求高，可靠性低，对操作人员技术要求高，推广性差等问题，设计以PLC为控制器的嫁接机控制系统。包括控制器的硬件设计、软件设计以及故障的自诊断和自处理程序设计，不仅能克服单片机控制系统存在的缺点，实现手动作业模式下分步控制以及自动控制下的连续作业，提高了工作效率和嫁接的可靠性。

　　关键词：自动嫁接机;控制系统;PLC

　　中图分类号 TP273 文献标识码 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

　　对于自动嫁接机的控制，现国内、外采用的大多数为PC机或单片机系统[1]。鉴于PC机和单片机系统存在着诸如对工作环境要求高、抗干扰能力弱、工作可靠性低、对操作人员的技术要求高、推广性差等缺点[2]。作者开发了以PLC为控制器的嫁接机控制系统，通过程序控制取送苗装置、切削装置、夹持装置等工作部件，克服单片机控制系统存在的缺点，实现连续作业，提高了工作效率和嫁接的可靠性。

　　1 嫁接机总体结构设计

　　接机主要由嫁接机本体、控制器及传感系统等组成，其结构框架如图1所示。

　　1.1 嫁接机组成

　　嫁接机主要由四大部分组成：两个输苗盘及使苗盘驱动嫁接苗搬送系统;用于抓苗、送苗到达指定位置的机械手搬运装置;用于砧木和穗木切削的切苗装置;用于将切割后的砧木和穗木固定在一起的送夹机构和用于排出嫁接苗的排苗输送带。供苗台上设计了两个工位，每一工位设计一个手爪用来完成砧、穗木的抓取搬运工作，其中手爪抓苗与伸缩由直动气缸控制。根据嫁接操作的要求，砧木需要单子叶斜切，穗木也需斜切，因此砧、穗木切削机构相似，主要由切削刀杆、摆动马达轴、弹簧、切削机构支架和切削支撑机构等组成。嫁接机的自动送夹机构主要由推夹气缸、推送杆、滑块等组成。

　　1.2 嫁接机的工作过程

　　当操作人员将砧木、穗木苗分别放到各自供苗台上时，触动压电传感器发出信号，控制机械手气爪立即抓住苗木，等待切削刀进行切割;为了保证操作的安全性，切削过程切削刀

　　首先在直动气缸作用下伸出到达切削位置，然后由旋转马达(摆动马达)带动切削装置旋转，实现砧、穗木苗的单支撑切割，以保证稳定的切口断面，并减少对秧苗的冲击和损坏;然后切削机构回位，等待下一次切削;此时夹有切削苗的机械手在直动气缸的作用同时向夹持位置伸出并在切削刀旋转中心位置结合;送夹机构在直动气缸作用下，推出一个夹子，以打开状态送向已经接合的秧苗，当到达夹持位置时，秧苗夹在弹簧作用下闭合，实现砧木、穗木的夹持，最后通过控制手爪气缸，机械手松开砧木、穗木苗，使已经完成嫁接的秧苗落到秧苗搬运输送带，实现秧苗的向外运送，完成苗的嫁接作业[3]。

　　1 穗木输送电机 2 法兰盘 3 穗木输送带 4 穗木直动气缸 5 穗木夹持气爪和传感器 6 送夹直动气缸 7 气缸固定支架 8 秧苗夹筒 9 秧苗夹 10 秧苗夹进给轨道 11 秧苗夹阻尼块 12 砧木输送带 13 轴承座 14 砧木苗盘 15 砧木夹持气爪 16 直动气缸固定座 17 气缸固定支架 18 砧木输送电机 19 传感器 20 旋转切刀 21 切削刀直动气缸 22 旋转气缸 23 气缸固定支架

　　2 嫁接机控制系统硬件设计

　　嫁接机控制系统的硬件主要由PLC及外部设备组成。PLC在系统中的主要功能是协调各子系统按照嫁接要求进行工作，因此，它既要完成各种逻辑控制，还要进行系统的监控。图2为自动嫁接机控制系统示意图。

　　2.1PLC地址、功能端

　　PLC外部有信号输入端子和输出端子，信号输入端子分别接入开关等控制元件;信号输出端子分别接入电机、气缸、机械手等执行元件。控制系统中主要地址、功能对应表如表1。

　　2.2 嫁接机输入输出接线图

　　嫁接机输入输出接线图如图3所示。

　　SA1为工作方式开关，有三个档位，打向左侧为自动模式，中间为停止，打向右侧为手动模式。SB1为启动按钮，SB2为停止按钮，SB3为手动切削按钮，SB4为手动夹持按钮，SA2为砧木手抓开关，SA3为穗木手抓开关，SA4为砧木直行开关，SA5为穗木直行开关，SA6为切削刀进退开关，SA7为切削刀进退限开关，LK为行程开关，LP2、LP3为故障显示和工作指示灯，QA为空气开关，L1为电源火线，N为电源零线，QG为电磁换向阀，控制机械手、气缸等的动作。

　　图3嫁接机输入输出接线图

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

　　3 嫁接机控制系统软件设计

　　嫁接机控制部分主要包括气缸、机械手、切削及夹持装置等的控制[6]。其控制系统流程如图4所示。

　　图4嫁接机控制系统流程图

　　Fig4 flow chart of control system of grafting machine

　　为了便于调试，本系统设计为手动模式和自动模式两种工作方式[7]，在调试阶段，采用手动模式，可以实现单步单个动作的控制，便于程序的修改;在自动模式下工作流程如下：

　　流程说明：准备就绪，按下“启动”键，若工作指示灯亮，说明能正常开始工作了。此时可通过工作方式开关选择嫁接机工作方式。由传感器检测砧、穗木苗到位情况，若到位，则砧、穗木苗接通，机械手抓苗，做好切削准备;切削机构直动气缸直行，由行程开关决定到限位置，若到位，则由摆动马达控制砧、穗木苗旋转切削;切削刀复位，抓苗机械手由直动气缸推送秧苗至夹持位置，完成砧、穗木苗的夹持、贴接;最后机械手手指汽缸控制机械手松开秧苗，通过传送带将苗木送出，机械手复位[8]。

　　本设计采用欧姆龙公司开发的CPM2AE-60CDR-A可编程控制器，60点主机，输入36点，继电器输出24点。自动嫁接机实现工作过程时，其关键模块是取送苗机构、切削机构和送夹机构三大模块。设计过程中，对这三个模块分别进行了设计和调试，达到了预期的效果。

　　4 故障的检测与诊断

　　可编程序控制器的可靠性很高，本身有完善的自诊断功能，可编程序控制器如出现故障，借助自诊断程序可以方便的找到故障的部位与部件，更换后就可以恢复正常工作。可编程序控制器外部的输入、输出元件，如限位开关、电磁阀、接触器等的故障率远远高于可编程序控制器本身的故障率，而这些元件出现故障后，可编程序控制器一般不能觉察出来，不会自动停机，可能使故障扩大，直至强电保护装置动作后停机，有时甚至会造成设备和人身事故[9]。停机后，查找故障也要花费很多时间。为了及时发现故障，在没有酿成事故之前使可编程序控制器自动停机和报警，也为了方便查找故障，提高维修效率，设计自动保护程序实现故障的自诊断和自处理。

　　设备在各自工步的动作所需的时间一般是不变的，即使变化也不会太大，因此可以以这些时间为参考，在可编程序控制器发出输出信号，相应的外部执行机构开始动作时启动一个定时器定时，定时器的设定值比正常情况下该动作的持续时间长20%左右。若该执行的动作时间超过对应定时器的设定时间，可编程序控制器还没有接收到动作结束信号，定时器延时接通的常开触点发出故障信号，该信号停止正常的循环程序，起动报警和故障显示，使操作人员和维修人员能顺速判别故障的种类，及时采取排除故障的措施。

　　5 结论及展望

　　该装置与其他嫁接机相比具有结构简单，动作准确，嫁接效率高、抗干扰能力强等优点。

　　开发出基于PLC的嫁接自动控制系统。不仅能实现手动作业模式下分步控制，还可以实现嫁接过程的自动控制，实现故障的自诊断，与目前国内的单片机控制系统相比，提高了工作效率和嫁接的可靠性。样机试验结果表明，此装置的嫁接速度可达1200株/小时，较单片机控制的嫁接机的嫁接速度500株/小时，效率提高了1倍多。

　　为了适应不同形状、苗龄的砧木、穗木，可将嫁接机械手设计成柔性手臂，能够根据苗的茎杆形状改变作业姿势，保证不同的嫁接苗的嫁接成功率。

　　参 考 文 献：

　　[1] 张铁中,徐丽明. 大有前景的蔬菜自动嫁接[J]. 机器人技术与应用.2001, 2: 14-15

　　[2] 辜松.江林斌.国内外蔬菜嫁接机的发展现状[J].东北农业大学学报，2007.12.

　　[3] 龙涛, 双向式自动嫁接机的研究[D]. 中国农业大学 2005

　　[4] 陆鑫盛,周洪编著. 气动自动化系统的优化设计. 上海科学技术文献出版社. 2003,5

　　[5] 宋玉秋.丁宏玉.辛明金.蔬菜嫁接机夹苗机械手机构设计与仿真.安徽农业科学2007, 35(18)：5651-5652

　　[6] 李明.苗木嫁接机切削机构试验研究与设计[D].长沙:湖南农业大学,2002

　　[7] 刘宝伟,辜松. 2JC-500型自动嫁接机接穗夹持与切削机构[J]. 农机化研究. 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.