貼接式全自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王哲祿

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325000)

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貼接式全自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王哲祿

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325000)

為了實(shí)現(xiàn)貼接法全自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)的控制，根據(jù)其工作原理設(shè)計(jì)了基于N∶N網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行軟件SFC步進(jìn)順序編程實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：貼接法全自動(dòng)嫁接機(jī)的控制系統(tǒng)工作運(yùn)行情況良好且速度穩(wěn)定，可滿足設(shè)計(jì)的要求。

自動(dòng)嫁接機(jī)；PLC；電機(jī)控制

嫁接是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一門古老而又新興的技藝，其具有克服連作障礙、增強(qiáng)植株的抗病蟲害能力和抗逆性、提高產(chǎn)量等作用。嫁接技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家得到了廣泛的應(yīng)用與推廣[1-2]。由于傳統(tǒng)的嫁接技術(shù)主要靠人工作業(yè)，嫁接作業(yè)具有時(shí)令性，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大且生產(chǎn)效率不高。隨著機(jī)械電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，工程技術(shù)學(xué)促使園藝學(xué)方面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，蔬菜嫁接機(jī)隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)自動(dòng)化的發(fā)展孕育而生，它可以在短時(shí)間內(nèi)將接穗和砧木迅速接合，大大提高了嫁接作物的成活率、嫁接速度及效率。20世紀(jì)90年代，日韓在其國內(nèi)首先開展了自動(dòng)化與蔬菜嫁接結(jié)合技術(shù)的研究和開發(fā)，并進(jìn)行推廣。隨后我國在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授的帶領(lǐng)下也開展了蔬菜嫁接機(jī)的研究。目前我國蔬菜嫁接機(jī)還處于半自動(dòng)到全自動(dòng)的改良階段[3-4]。基于此，筆者采用三菱FX系列PLC[5-6]，以三菱的N∶N網(wǎng)絡(luò)通訊為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一套貼接法嫁接裝置的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，以期為我國蔬菜自動(dòng)化嫁接技術(shù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　全自動(dòng)嫁接機(jī)的工作原理

1.1全自動(dòng)嫁接機(jī)的機(jī)構(gòu)組成全自動(dòng)化嫁接機(jī)的機(jī)構(gòu)部分包括自動(dòng)嫁接裝置和2個(gè)上苗裝置，實(shí)物如圖1、2所示。自動(dòng)嫁接裝置主要完成貼接嫁接的主要?jiǎng)幼?，自?dòng)上苗裝置完成嫁接苗中接穗和砧木的供給。

圖1　貼接法嫁接機(jī)Fig.1　Cut-pasted vegetable grafting robot

圖2　自動(dòng)上苗裝置Fig.2　Automatic seedling feeding device

1.2全自動(dòng)嫁接機(jī)的工作原理全自動(dòng)嫁接機(jī)的工作原理如圖3所示。其工作時(shí)，自動(dòng)上苗裝置自動(dòng)供給接穗和砧木，完成上苗裝載后，自動(dòng)嫁接裝置判別接穗和砧木是否裝載，砧木和接穗分別由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)到切削工位進(jìn)行切削，切削完成后搬運(yùn)到接合工位，感知接穗和砧木就緒后啟動(dòng)接合程序，將嫁接夾送入工位進(jìn)行嫁接，然后嫁接苗下落，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位重新工作。

圖3　全自動(dòng)嫁接機(jī)工作流程Fig.3　Working process of full automatic grafting robot

1.3全自動(dòng)嫁接機(jī)的上苗工作流程及路徑全自動(dòng)嫁接機(jī)的自動(dòng)上苗裝置的上苗工作流程及路徑如圖4所示。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度大，速度快，因此采用二自由度的2-PRR并聯(lián)機(jī)械臂為控制對(duì)象，其主要控制2個(gè)電機(jī)帶動(dòng)滑塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，其模型如圖5所示，其中滑塊3和滑塊7在導(dǎo)桿1上運(yùn)動(dòng)，并與桿4、桿5、桿6、桿7以及工作平臺(tái)2組成平行四邊形結(jié)構(gòu)。

圖4　上苗路徑Fig.4　Seedling feeding path

圖5　2-PRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)Fig.5　The 2-PRR parallel mechanism

2　控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1.1PLC的選型及通訊網(wǎng)絡(luò)組建。在綜合考慮全自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)的工作模塊、通訊連接、步進(jìn)控制、I/O口數(shù)量等因素后，選用三菱PLC的FX2N-48MT作為嫁接模塊的控制器，選用1對(duì)FX1N-40MT分別作為接穗和砧木自動(dòng)上苗裝置的控制器，且2種PLC均帶有2個(gè)高速脈沖輸出口，便于嫁接裝置和自動(dòng)上苗裝置中步進(jìn)電機(jī)的控制。同時(shí)組建N∶N通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖6所示，以嫁接模塊為主站、自動(dòng)上苗裝置為2個(gè)從站進(jìn)行控制。

圖6　全自動(dòng)上苗裝置控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)Fig.6　Communication network of the control system for full automatic seedling feeding device

2.1.2PLC的I/O分配。全自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)的控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC、按鈕開關(guān)、氣動(dòng)電磁閥、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器等組成，從而控制氣動(dòng)元件和步進(jìn)電機(jī)按照一定的順序進(jìn)行工作。工作中嫁接裝置和砧木接穗上苗裝置均分別由獨(dú)立的PLC進(jìn)行控制，故對(duì)其I/O分配比較方便。嫁接裝置控制系統(tǒng)I/O分配見表1，砧木接穗自動(dòng)上苗裝置I/O分配見表2。

表1　嫁接裝置控制系統(tǒng)I/O分配

表2砧木接穗自動(dòng)上苗裝置I/O分配

Table 2I/O allocation for full automatic seedling feeding device of stock and scion

輸入口Inlet信號(hào)名稱Signalname輸出口Outlet控制單元ControlunitX0上苗機(jī)構(gòu)開始按鈕Y0、Y2滑塊3電機(jī)脈沖、方向X1上苗機(jī)構(gòu)停止按鈕Y1、Y3滑塊7電機(jī)脈沖、方向X2上苗機(jī)構(gòu)復(fù)位開關(guān)Y4嫁接苗夾持氣缸X3限位傳感器X4復(fù)位傳感器1X5復(fù)位傳感器2X6單動(dòng)/聯(lián)機(jī)

2.1.3PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。在嫁接裝置和上苗裝置中均用到了步進(jìn)電機(jī)，其中接穗砧木上苗裝置機(jī)械臂中分別用到了2個(gè)，嫁接裝置中進(jìn)行嫁接苗搬運(yùn)的機(jī)械臂也用到了2個(gè)。該系統(tǒng)選用的是SH-20403型的驅(qū)動(dòng)器和56BYG250C型的混合式步進(jìn)電機(jī)，采用PLSY指令脈沖頻率和脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行電機(jī)控制，通過步進(jìn)電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上苗和嫁接整個(gè)過程。

2.2軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1通訊網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)定。全自動(dòng)蔬菜嫁接機(jī)的控制網(wǎng)絡(luò)以N∶N為基礎(chǔ)，設(shè)定以嫁接裝置為主站0，以砧木上苗裝置為從站1，以接穗上苗裝置為從站2，在通訊網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行軟件設(shè)定，如圖7～9所示。

注：M8038表示N∶N網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置；D8176表示站點(diǎn)號(hào)設(shè)置；D8177表示從站點(diǎn)總數(shù)設(shè)置；D8178表示設(shè)置模式范圍；D8179表示重試次數(shù)；D8180表示通信超時(shí)設(shè)置。Notes：M8038 is N∶N network parameter setting；D8176 is station number setting；D8177 is total number setting of auxiliary stations；D8178 is the range of setting mode；D8179 is the retries；D8180 is timeout setting of communication.圖7　嫁接裝置主站0軟件設(shè)定Fig.7　Setting of software 0 for main station of grafting robot

注：M8038表示N∶N網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置；D8176表示站點(diǎn)號(hào)設(shè)置。Notes：M8038 is N∶N network parameter setting；D8176 is station number setting.圖8　 砧木上苗從站1軟件設(shè)定Fig.8　Setting of software 1 for auxiliary station of stock seedling feeding

注：M8038表示N∶N網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置；D8176表示站點(diǎn)號(hào)設(shè)置。Notes：M8038 is N∶N network parameter setting；D8176 is station number setting；圖9　接穗上苗從站2軟件設(shè)定Fig.9　Setting of software 2 for auxiliary station of scion seedling feeding

2.2.2PLC程序的設(shè)計(jì)。PLC程序的設(shè)計(jì)主要是自動(dòng)上苗裝置和嫁接裝置的控制?？刂瞥绦虻脑O(shè)計(jì)主要以三菱的GX Developer軟件為平臺(tái)，采用SFC順序功能圖進(jìn)行程序編寫，以工作“步”為中心，根據(jù)轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行邏輯處理。當(dāng)PLC接收到自動(dòng)取苗信號(hào)時(shí)，相應(yīng)地輸出移動(dòng)高速脈沖以及方向脈沖信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，從而驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)各自的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械臂豎直和水平方向的移動(dòng)，末端執(zhí)行器完成取苗動(dòng)作。編程取苗流程如圖10所示。

根據(jù)嫁接裝置的過程，其順序功能狀態(tài)如圖11所示，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換以其內(nèi)部時(shí)間繼電器和傳感器為條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換。S0為系統(tǒng)初始狀態(tài)，然后進(jìn)行并行控制，S10、S20分別為接穗和砧木的裝載狀態(tài)，S11、S21分別為接穗和砧木的夾持搬運(yùn)狀態(tài)，S12、S22分別為接穗和砧木的切削狀態(tài)，S13和S23分別為接穗和砧木的搬運(yùn)至貼合狀態(tài)，S30～S33分別為推嫁接夾、松開嫁接夾具、接穗砧木氣爪松開、系統(tǒng)復(fù)位。

3　試驗(yàn)結(jié)果

為了測試全自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)的功能特性，進(jìn)行整機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試，所選用的接穗采用京欣1號(hào)，砧木采用浙蒲2號(hào)，以5×10穴盤進(jìn)行培育試驗(yàn)，自動(dòng)上苗和嫁接完成苗分別如圖12、13所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，全自動(dòng)嫁接作業(yè)平均速度為700株/h，成功率達(dá)85%。

4　小結(jié)

該研究設(shè)計(jì)的以三菱PLC的N∶N通訊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)工作簡單，穩(wěn)定性高，可大大提高工作效率，具有很大的實(shí)用價(jià)值。

圖10　編程取苗流程Fig.10　Programmed seedling pick-up process

圖11　嫁接裝置順序功能Fig.11　Sequence function of grafting robot

圖12　自動(dòng)上苗Fig.12　Automatic seedling feeding

圖13　嫁接完成苗Fig.13　Grafting of completed seedlings

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Design and Realization of Full Automatic Control System for Cut-pasted Vegetable Grafting Robot

WANG Zhe-lu

(Wenzhou Vocational and Technical College, Wenzhou, Zhejiang 325000)

To realize the control of cut-pasted vegetable grafting robot, N∶N network based control system was designed according to its operating principle, combining with software SFC stepped programming. Test results indicate that the automatic control system for grafting robot meets the design requirements, its operation is excellent, and operating speed is steady.

Full automatic vegetable grafting robot; PLC; Motor control

王哲祿(1987-)，男，浙江樂清人，助教，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化、機(jī)器人化研究。

2016-05-25

S 22

A

0517-6611(2016)19-215-03