王哲祿

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325000)

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貼接式全自動蔬菜嫁接機控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王哲祿

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州 325000)

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

自動嫁接機；PLC；電機控制

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)具有時令性，操作人員勞動強度大且生產(chǎn)效率不高。隨著機械電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的發(fā)展，工程技術(shù)學(xué)促使園藝學(xué)方面實現(xiàn)了自動化，蔬菜嫁接機隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)自動化的發(fā)展孕育而生，它可以在短時間內(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的研究。目前我國蔬菜嫁接機還處于半自動到全自動的改良階段[3-4]?；诖耍P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)計一套貼接法嫁接裝置的全自動控制系統(tǒng)，以期為我國蔬菜自動化嫁接技術(shù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1　全自動嫁接機的工作原理

1.1全自動嫁接機的機構(gòu)組成全自動化嫁接機的機構(gòu)部分包括自動嫁接裝置和2個上苗裝置，實物如圖1、2所示。自動嫁接裝置主要完成貼接嫁接的主要動作，自動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Fig.1　Cut-pasted vegetable grafting robot

圖2　自動上苗裝置Fig.2　Automatic seedling feeding device

1.2全自動嫁接機的工作原理全自動嫁接機的工作原理如圖3所示。其工作時，自動上苗裝置自動供給接穗和砧木，完成上苗裝載后，自動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)電機帶動到切削工位進(jìn)行切削，切削完成后搬運到接合工位，感知接穗和砧木就緒后啟動接合程序，將嫁接夾送入工位進(jìn)行嫁接，然后嫁接苗下落，整個系統(tǒng)復(fù)位重新工作。

圖3　全自動嫁接機工作流程Fig.3　Working process of full automatic grafting robot

1.3全自動嫁接機的上苗工作流程及路徑全自動嫁接機的自動上苗裝置的上苗工作流程及路徑如圖4所示。由于并聯(lián)機構(gòu)剛度大，速度快，因此采用二自由度的2-PRR并聯(lián)機械臂為控制對象，其主要控制2個電機帶動滑塊進(jìn)行運動，其模型如圖5所示，其中滑塊3和滑塊7在導(dǎo)桿1上運動，并與桿4、桿5、桿6、桿7以及工作平臺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)機構(gòu)Fig.5　The 2-PRR parallel mechanism

2　控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計

2.1.1PLC的選型及通訊網(wǎng)絡(luò)組建。在綜合考慮全自動嫁接機控制系統(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FX1N-40MT分別作為接穗和砧木自動上苗裝置的控制器，且2種PLC均帶有2個高速脈沖輸出口，便于嫁接裝置和自動上苗裝置中步進(jìn)電機的控制。同時組建N∶N通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖6所示，以嫁接模塊為主站、自動上苗裝置為2個從站進(jìn)行控制。

圖6　全自動上苗裝置控制系統(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。全自動蔬菜嫁接機的控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC、按鈕開關(guān)、氣動電磁閥、步進(jìn)驅(qū)動器等組成，從而控制氣動元件和步進(jìn)電機按照一定的順序進(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立的PLC進(jìn)行控制，故對其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信號名稱Signalname輸出口Outlet控制單元ControlunitX0上苗機構(gòu)開始按鈕Y0、Y2滑塊3電機脈沖、方向X1上苗機構(gòu)停止按鈕Y1、Y3滑塊7電機脈沖、方向X2上苗機構(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/聯(lián)機

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

2.2軟件系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1通訊網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)定。全自動蔬菜嫁接機的控制網(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表示站點號設(shè)置；D8177表示從站點總數(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表示站點號設(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表示站點號設(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。PLC程序的設(shè)計主要是自動上苗裝置和嫁接裝置的控制。控制程序的設(shè)計主要以三菱的GX Developer軟件為平臺，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接收到自動取苗信號時，相應(yīng)地輸出移動高速脈沖以及方向脈沖信號到步進(jìn)電機驅(qū)動器中，從而驅(qū)動2個步進(jìn)電機各自的轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)控制機械臂豎直和水平方向的移動，末端執(zhí)行器完成取苗動作。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　試驗結(jié)果

為了測試全自動嫁接機控制系統(tǒng)的功能特性，進(jìn)行整機聯(lián)機調(diào)試，所選用的接穗采用京欣1號，砧木采用浙蒲2號，以5×10穴盤進(jìn)行培育試驗，自動上苗和嫁接完成苗分別如圖12、13所示。試驗結(jié)果表明，全自動嫁接作業(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，具有很大的實用價值。

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)機械化、機器人化研究。

2016-05-25

S 22

A

0517-6611(2016)19-215-03