萬(wàn)旭，敖娟，肖依夢(mèng)，朱軍，耿威，熊勝

（湖北師范大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，湖北黃石435000）

在戶外電線、高壓電力設(shè)施周?chē)?jīng)常長(zhǎng)有較高的樹(shù)木，為了防止這些過(guò)高的樹(shù)木對(duì)電力設(shè)施造成影響，通常需要對(duì)這些樹(shù)木進(jìn)行剪切。目前市面上銷(xiāo)售的樹(shù)枝剪切機(jī)大多只能通過(guò)人工攀爬或者利用可伸縮長(zhǎng)桿支撐等方式進(jìn)行剪切，人在剪切過(guò)程中極易被落枝砸傷或者從樹(shù)上摔落，還有可能遭受到高壓電流或感應(yīng)電流引起的觸電危害。此外，現(xiàn)有的修剪機(jī)修剪范圍在3～4 m左右，修枝高度不高，人工操作不便，無(wú)法對(duì)高空樹(shù)枝進(jìn)行剪切。因此，研制一種自動(dòng)化水平高、操作簡(jiǎn)便并且能夠勝任高空切枝工作的切枝裝置十分必要。本文著力于研制一種由遙控器遠(yuǎn)程控制的高空切枝裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)高空樹(shù)枝的自動(dòng)化剪切。

1 切枝裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 切枝裝置設(shè)計(jì)要求

切枝裝置剪切的對(duì)象主要是長(zhǎng)得較高的喬木，在實(shí)際剪切時(shí)要能實(shí)現(xiàn)對(duì)喬木橫向樹(shù)枝和豎直樹(shù)干的剪切，并且對(duì)豎直樹(shù)干的剪切要能實(shí)現(xiàn)從樹(shù)干左側(cè)向右側(cè)剪切和從右側(cè)向左側(cè)剪切。因此，切枝機(jī)械手的手抓（鏈鋸）需具備3個(gè)切枝工位。這3個(gè)工位的轉(zhuǎn)換通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速為45°/s的肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)枝的剪切還必須具備X軸平移移動(dòng)、Z軸升降移動(dòng)、Y軸伸縮移動(dòng)以及工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)功能才能完成對(duì)切枝的定位和剪切。

最后，機(jī)械手鏈鋸在切割樹(shù)枝進(jìn)給過(guò)程中還受到進(jìn)給阻力作用。機(jī)械手在剪切表皮粗糙、結(jié)實(shí)、樹(shù)齡較大的樹(shù)木時(shí)，如果進(jìn)給力過(guò)大則鏈鋸極易發(fā)生回彈現(xiàn)象，導(dǎo)致切枝鋸失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞傳動(dòng)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而進(jìn)給力過(guò)小又無(wú)法切入。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)選擇合適的進(jìn)給力以及如何解決“彈回”現(xiàn)象是關(guān)鍵。查閱鏈鋸鋸木參數(shù)可知，切割樹(shù)木的屑片厚度對(duì)鋸切進(jìn)給力有較大影響，屑片厚度最佳值為0.466 5 mm，合理取值為0.32～0.68 mm，與其對(duì)應(yīng)的進(jìn)給力合理取值為6～13 kg[1]。所以，機(jī)械臂可設(shè)置最大進(jìn)給力m=13 kg。故要保證機(jī)械臂正常運(yùn)行必須使其能克服不小于13 kg的進(jìn)給阻力的沖擊。機(jī)械手通過(guò)X軸和Z軸平移運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)橫向、豎向切枝進(jìn)給過(guò)程。故要保證機(jī)械手的正常運(yùn)行，可以適當(dāng)增加X(jué)軸和Z軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩以提高其抗震能力；還可以在結(jié)構(gòu)上采用柔性進(jìn)給機(jī)構(gòu)來(lái)保護(hù)傳動(dòng)裝置。另外，X軸和Z軸滑臺(tái)設(shè)計(jì)要求如表1所示。

表1 X軸、Z軸平臺(tái)設(shè)計(jì)要求Tab.1 Design requirements of X-axis and Z-axis platform

1.2 切枝系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高空切枝裝置由液壓升降工作平臺(tái)、切枝機(jī)械手組成，模型如圖1所示。液壓升降平臺(tái)是機(jī)械手實(shí)現(xiàn)高空作業(yè)的支撐平臺(tái)。機(jī)械手具有X軸平移移動(dòng)、Y軸伸縮移動(dòng)、Z軸升降移動(dòng)、肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)功能[2-5]。X軸、Z軸采用固定-支撐方式安裝的滾珠絲杠作為傳動(dòng)裝置，采用2條直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向軌道，每條導(dǎo)軌上有2個(gè)滑塊，滾珠螺母固定在4個(gè)滑塊中間，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)X軸、Z軸運(yùn)動(dòng)。Y軸伸縮移動(dòng)通過(guò)DC24 V電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)。肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)通過(guò)直流減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

圖1 切枝裝置模型圖Fig.1 The model diagram of tree branch sharing device

另外，由于切枝裝置大多在10 kV及以上的高壓電線周?chē)ぷ?，這些高壓電線極易發(fā)生遠(yuǎn)距離放電或產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，人工對(duì)電線旁邊的樹(shù)木進(jìn)行修剪時(shí)難度較大且極不安全，即使是采用機(jī)械操作剪切時(shí)也要做好防護(hù)措施。為此，本項(xiàng)目采用了遠(yuǎn)程遙控方式來(lái)控制機(jī)械手動(dòng)作，并在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上設(shè)計(jì)接地線夾以防止工作人員觸電。此外，還在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和液壓升降平臺(tái)之間設(shè)置耐高壓絕緣墊。

2 升降工作平臺(tái)選型

升降工作平臺(tái)選用山東濟(jì)南金陽(yáng)升降機(jī)械有限公司的剪叉式液壓升降機(jī)。該升降機(jī)可選用多種液壓控制系統(tǒng)，常用有Ⅰ型、Ⅱ型、電磁換向閥和支撐閥液壓控制系統(tǒng)。Ⅱ型液壓控制系統(tǒng)在Ⅰ型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一套備用手動(dòng)泵，適合在無(wú)動(dòng)力情況下手動(dòng)升降。考慮到切枝過(guò)程在戶外進(jìn)行，故本項(xiàng)目選用Ⅱ型液壓控制系統(tǒng)。正常使用時(shí)，將回油閥旋鈕順時(shí)針擰緊，手動(dòng)換向閥手柄拉至“中立”位置，啟動(dòng)柴油機(jī)，然后將換向手柄拉至“起升”位置，工作平臺(tái)即可上升。下降時(shí)，松開(kāi)回油閥旋鈕，升降平臺(tái)即可依靠自身重力作用下降。使用手動(dòng)泵升降時(shí)，將上述操作步驟中“啟動(dòng)柴油機(jī)”改為“壓動(dòng)手柄平臺(tái)”即可。

3 切枝機(jī)械手設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)及選型

3.1.1 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)選擇

落地支架電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)為加厚鍍鋅管材質(zhì)，轉(zhuǎn)盤(pán)直徑在1.0～3.4 m之間，承載力在100～350 kg之間，具有承重能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)。所以，選用直徑為1.2 m的落地支架電動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)作為該切枝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，示意圖如圖2所示。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)選用浙江聯(lián)誼電機(jī)有限公司型號(hào)為63ZY24-15-02/JB100G0832的24 V永磁直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一對(duì)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。在操作時(shí)，通過(guò)PLC對(duì)KM1和KM2控制來(lái)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制。

圖2 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)示意圖Fig.2 The schematic diagram of rotary table

3.1.2 Z軸升降臺(tái)設(shè)計(jì)

如圖3所示，Z軸升降臺(tái)有2個(gè)限位，即Z軸正限和Z軸負(fù)限，其總行程為1 200 mm[2]。Z軸升降臺(tái)通過(guò)Z軸升降電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)由PLC同時(shí)向驅(qū)動(dòng)器2輸入高頻脈沖和方向電平控制電機(jī)正反旋轉(zhuǎn)，經(jīng)柔性聯(lián)軸器傳動(dòng)[3]，帶動(dòng)滾珠絲杠正反旋轉(zhuǎn)，使得Z軸升降滑臺(tái)上的滾珠螺母在絲杠作用下沿著Z軸雙直線導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)。為防止鏈鋸進(jìn)給沖擊下Z軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及鏈鋸的損壞，采用BMA-G零背隙扭力限制器作為聯(lián)軸器傳動(dòng)。當(dāng)聯(lián)軸器受到較大沖擊而過(guò)載時(shí)，聯(lián)軸器將停止傳動(dòng)以保障傳動(dòng)裝置和鏈鋸的安全。

圖3 X軸、Z軸移動(dòng)滑臺(tái)Fig.3 X-axis and Z-axis sliding platform

滾珠絲杠副選型計(jì)算如下：

1）導(dǎo)程L計(jì)算如下：

當(dāng)L=20 mm時(shí)，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為

2）軸向最大負(fù)載。假定Z軸滾珠螺母完成一次升降運(yùn)動(dòng)為一個(gè)工作周期，在一個(gè)周期內(nèi)下降時(shí)的加速階段和勻速階段為機(jī)械手的切枝過(guò)程，根據(jù)受力分析及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知上升加速階段時(shí)軸向負(fù)載最大，即

其中

式中：a為加速度；其余參數(shù)見(jiàn)表1。

3）滾珠絲桿預(yù)選。預(yù)選導(dǎo)程為20 mm，軸徑為20 mm，溝槽谷徑d=17.5 mm，額定動(dòng)載荷Ca=7 700 N，型號(hào)為BLK 2020V-3.6的滾珠絲桿。

4）絲杠軸的選擇。①絲杠軸全長(zhǎng)：

式中：l為最大行程，l=1 200 mm；a0為滑臺(tái)長(zhǎng)度，a0=150 mm；b0為余量，b0=60 mm；c0為軸端尺寸，c0=120 mm。

②容許軸向負(fù)載F為

式中：λ1為由滾珠絲杠的安裝方式?jīng)Q定的系數(shù)，λ1=19.9（絲杠安裝方式為固定-支撐）；l1為負(fù)載與受力點(diǎn)之間間距，取l1=1 400 mm。

③由危險(xiǎn)速度決定的容許轉(zhuǎn)速為

式中：λ2為由滾珠絲杠的安裝方式?jīng)Q定的系數(shù)，λ2=15.1（螺母安裝方式為固定-固定）；l2為支撐點(diǎn)間間距，取l2=1 260 mm。

④由D值決定的容許速度：

式中：D為滾珠中心直徑，D=20.75 mm。

5）選取滾珠絲杠型號(hào)為BLK 2020V-3.6ZZ+1530L C7 T。

3.1.3 X軸移動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)

X軸移動(dòng)臺(tái)包含2個(gè)限位，即X軸正限和X軸負(fù)限，其總行程為1 200 mm[2]。X軸移動(dòng)臺(tái)與Z軸升降臺(tái)基本相同，X軸升降臺(tái)通過(guò)X軸升降電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)由PLC同時(shí)向驅(qū)動(dòng)器1輸入高頻脈沖和方向電平控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。滾珠絲杠副選型計(jì)算如下：

假定X軸滾珠螺母完成一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)為一個(gè)工作周期，在一個(gè)工作周期內(nèi)的返程加速階段和返程勻速階段為機(jī)械手切枝過(guò)程。根據(jù)受力分析及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析知返程加速時(shí)軸向負(fù)載最大，則

FX=Ma+ μMg+f+mg=213 N （8）

易知FX的最大軸向負(fù)載值小于FZ=572 N，又由于X軸和Z軸的滾珠絲杠副的選型要求相同，則X軸可選用與Z軸相同型號(hào)的滾珠絲杠副，所選型號(hào)為BLK 2020V-3.6ZZ+1530L C7 T。

3.1.4 Y軸伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

Y軸伸縮機(jī)構(gòu)選用臺(tái)灣65 W電動(dòng)推桿進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以高枝鋸的輕質(zhì)薄皮伸縮桿作為Y軸機(jī)械臂[3]。推桿的工作電壓為DC24 V，行程為880 mm，其推力和拉力均為300 N，最大伸縮速度為52 mm/s。另外，推桿內(nèi)部?jī)啥搜b有限位開(kāi)關(guān)，推桿伸縮到限即停止。推桿通過(guò)接觸器KM4和KM5控制其電機(jī)正反轉(zhuǎn)，在運(yùn)行途中推桿可在任意位置暫停。

3.1.5 肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手肘關(guān)節(jié)模型如圖4所示，肘關(guān)節(jié)上安裝有3個(gè)限位開(kāi)關(guān)及支撐Y軸機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的交叉滾子軸承。肘關(guān)節(jié)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一對(duì)齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，其中主動(dòng)輪為1.5模30齒電機(jī)凸臺(tái)齒輪，外徑為32 mm；從動(dòng)輪為1模120齒雙平面齒輪，外徑為122 mm。驅(qū)動(dòng)時(shí)由PLC同時(shí)向驅(qū)動(dòng)器3輸入高頻脈沖和方向電平控制步進(jìn)電機(jī)正反旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)主從齒輪旋轉(zhuǎn)。肘關(guān)節(jié)作用是負(fù)責(zé)3個(gè)切枝工位的轉(zhuǎn)換。在切枝時(shí)，肘關(guān)節(jié)不能向其他工作位置轉(zhuǎn)換，否則將發(fā)生鏈鋸卡死、損壞等不良現(xiàn)象。因此，在切枝時(shí)防止肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)是保護(hù)鏈鋸和肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵。為此，肘關(guān)節(jié)的電機(jī)上加裝了DC24 V電磁制動(dòng)器，在電機(jī)失電的情況下制動(dòng)器會(huì)緊緊抱住電機(jī)軸端以防止肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而起到保護(hù)鏈鋸和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用。

圖4 肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.4 The design drawing of elbow joint rotating mechanism

3.1.6 接近開(kāi)關(guān)傳感器選型

接近開(kāi)關(guān)的作用是避免與被檢測(cè)物體產(chǎn)生直接接觸而損壞機(jī)械手和物料[4]。本項(xiàng)目選用深圳滬工自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的直流三線常開(kāi)滬工電感式接近開(kāi)關(guān)，型號(hào)為L(zhǎng)J18A3-8-Z/BX，該開(kāi)關(guān)可以檢測(cè)8 mm距離內(nèi)的物體。當(dāng)有物體擋住時(shí)，開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)；當(dāng)無(wú)物體擋住時(shí)，開(kāi)關(guān)一直斷開(kāi)。

3.1.7 切枝鏈鋸選型

切枝鏈鋸選用YAT亞特品牌的YT4389型DC40 V充電式高枝鋸。該鏈鋸采用無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，相比于傳統(tǒng)電機(jī)震動(dòng)更小、噪聲更低、無(wú)火花。電鋸的鏈條采用10寸進(jìn)口奧利根鏈條，鏈速高達(dá)9 m/s。切枝鏈鋸在剪切較大的樹(shù)木時(shí)可能發(fā)生夾鋸現(xiàn)象。當(dāng)正轉(zhuǎn)遇阻夾鋸時(shí)，采用切割電機(jī)帶動(dòng)鏈鋸鏈條反轉(zhuǎn)，同時(shí)X軸或Z軸朝反向移動(dòng)即可退出鏈鋸。鏈鋸反轉(zhuǎn)采用點(diǎn)動(dòng)方式控制，直接由遙控器無(wú)線接收模塊控制。

3.2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型

3.2.1 X軸、Z軸電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型

1）旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩校核。

①返程勻速時(shí)X軸有最大摩擦轉(zhuǎn)矩為

式中：L為滾珠絲杠導(dǎo)程，L=20 mm；η為滾珠絲杠效率，η=0.9；A為減速比，A=1。

②上升勻速時(shí)Z軸有最大摩擦轉(zhuǎn)矩為

根據(jù)摩擦轉(zhuǎn)矩選擇北京時(shí)代超群有限公司的型號(hào)為86EBP147ALC-TK0的86閉環(huán)伺服步進(jìn)電機(jī)，其速度控制方式采用直線型勻加勻減速控制曲線[6-7]。電機(jī)保持力矩為8.5 N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

③加速所需的轉(zhuǎn)矩。每個(gè)單位長(zhǎng)度上的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

則絲杠軸全長(zhǎng)S=1 530 mm下的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

滾珠絲杠作用于電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下式：

角加速度如下式：

則加速所需的轉(zhuǎn)矩為

④最大總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算。返程加速時(shí)X軸有最大總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

上升加速時(shí)Z軸有最大總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型。根據(jù)上述計(jì)算可知，總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值TZ大于TX，預(yù)選電機(jī)轉(zhuǎn)矩必須大于TZ=2 191 N·mm。另外，電機(jī)應(yīng)具有滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的10%以上，即電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于6.95×10-5kg·m2。驅(qū)動(dòng)電機(jī)若選用傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)力矩將隨轉(zhuǎn)速增大而急劇下降，電機(jī)將無(wú)法高速啟動(dòng)并且啟動(dòng)時(shí)將出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。另外，鏈鋸在切枝時(shí)也不能克服切枝進(jìn)給阻力的沖擊，極有可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受損。為解決這一問(wèn)題，本方案采用帶編碼器的閉環(huán)伺服步進(jìn)電機(jī)和新一代DSP數(shù)字式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，以閉環(huán)控制方式驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂。對(duì)照?qǐng)D5所示的步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線圖可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為4.0 N·m，滿足要求。故可選用北京時(shí)代超群有限公司型號(hào)為86EBP147ALC-TK0的86閉環(huán)伺服步進(jìn)電機(jī)作為X軸和Z軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并用ZDM-2HA865閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器對(duì)該電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖5 86BEP系列步進(jìn)電機(jī)矩頻曲線圖Fig.5 T—n curve of 86BEP series stepping motor

伺服步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用的是先進(jìn)的矢量型閉環(huán)控制技術(shù)[8]，通過(guò)與閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)上的編碼器組成閉環(huán)系統(tǒng)，可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋的信號(hào)進(jìn)行采樣，構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，保障了步進(jìn)電機(jī)的性能。另外，Z軸步進(jìn)電機(jī)還加裝DC24 V電磁制動(dòng)器。X軸和Z軸步進(jìn)電機(jī)選用8細(xì)分，每給1 600脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)1圈。X軸和Z軸步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 X軸、Z軸電機(jī)控制電路圖Fig.6 X-axis and Z-axis motor control circuit diagram

3.2.2 肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電機(jī)選型

肘關(guān)節(jié)總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，可選用無(wú)錫三拓電氣設(shè)備公司的型號(hào)為57HS4120A4-XG5-10的57行星減速步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)減速比為10的行星減速器XG5-10。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選用DM542，控制時(shí)采取16細(xì)分，每發(fā)送3 200個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為300 r/min。步進(jìn)電機(jī)控制電路圖與X軸、Z軸相似，區(qū)別在于它無(wú)信號(hào)線。

3.3 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 I/O分配與PLC選型

PLC的I/O點(diǎn)分配情況如表2、表3所示[2-5]。

表2 PLC輸入點(diǎn)分配Tab.2 Input points allocation of PLC

表3 PLC輸出點(diǎn)分配Tab.3 Output points allocation of PLC

本設(shè)計(jì)需要一個(gè)數(shù)字量輸入口為22點(diǎn)、數(shù)字量輸出口為11點(diǎn)的可編程控制器。德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7-200 SMART系列小型PLC機(jī)型豐富，能實(shí)現(xiàn)三軸100 kHz高速脈沖輸出，并且能通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制向?qū)нM(jìn)行編程[9]。因此，選用SMART系列的CPU ST40作為本方案的PLC，輸出為24 V晶體管型。該P(yáng)LC的數(shù)字量輸入口為24點(diǎn)，數(shù)字量輸出口為16點(diǎn)。

3.3.2 PLC外部接線

本方案選用了16路控制器及遙控器控制PLC輸入信號(hào)。PLC的輸入端與輸出端均采用DC24 V作為輸入輸出電壓。具體連接情況如圖7所示。

圖7 PLC外部接線圖Fig.7 The external wiring diagram of PLC

3.3.3 遙控控制機(jī)構(gòu)

遙控機(jī)構(gòu)由一個(gè)16鍵遙控器和一個(gè)16路無(wú)線智能接收控制器組成。遙控機(jī)構(gòu)采用遙控器的每一個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)一路控制器，控制該路繼電器的吸合與斷開(kāi)。遙控機(jī)構(gòu)工作方式有5種，即信號(hào)自鎖、非鎖、互鎖、1～8路自鎖與9～16路非鎖并存、1路自鎖與2～16路非鎖并存，它們分別通過(guò)遙控器1～5號(hào)鍵學(xué)習(xí)。在本方案中，16路控制器中每路控制器的工作方式均為非鎖。另外，16路控制器的輸入電壓和自身工作電壓均采用DC24 V電壓，具體接線情況如圖8所示。

圖8 16路無(wú)線智能接收控制器Fig.8 The 16-way wireless intelligent reception controller

3.4 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電路如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主電路電氣原理圖Fig.9 The electrical schematic diagram of the main circuit of the system

3.5 PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

由于機(jī)械手面臨的切枝環(huán)境復(fù)雜、切枝場(chǎng)所不固定，機(jī)械手無(wú)法自動(dòng)完成切枝過(guò)程。操作時(shí)，通過(guò)手動(dòng)操作遙控器控制旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)正反旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手X軸平移、Z軸升降以及Y軸伸縮，這幾種工作方式均為點(diǎn)動(dòng)。遙控控制機(jī)械手肘關(guān)節(jié)正反轉(zhuǎn)、回原點(diǎn)（即回肘關(guān)節(jié)中間限位處）以及電鋸啟動(dòng)和停止為聯(lián)動(dòng)。另外，所有的電機(jī)在正反轉(zhuǎn)控制時(shí)都設(shè)置了軟件互鎖，防止發(fā)生同時(shí)按下正反轉(zhuǎn)按鈕而發(fā)生危險(xiǎn)。

機(jī)械手肘關(guān)節(jié)控制程序如圖10所示。切枝機(jī)械手的X軸、Z軸及肘關(guān)節(jié)電機(jī)均由PLC提供高速脈沖，其運(yùn)行程序由運(yùn)動(dòng)控制向?qū)ЫM態(tài)生成運(yùn)動(dòng)指令，通過(guò)將這些運(yùn)動(dòng)指令置于程序中，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制步進(jìn)電機(jī)的速度和位置。X軸用軸0組態(tài)的AXIS0_CTRL子程序初始化位置模塊和AXIS0_MAN子程序手動(dòng)模式模塊控制。Z軸用軸1組態(tài)的AXIS1_CTRL子程序初始化位置模塊和AXIS1_MAN子程序手動(dòng)模式模塊控制。肘關(guān)節(jié)用軸2組態(tài)的AXIS2_CTRL子程序初始化位置模塊、AXIS2_MAN子程序手動(dòng)模式模塊和AX?IS2_RSEEK子程序查找參考點(diǎn)位置模塊運(yùn)動(dòng)控制。肘關(guān)節(jié)程序相比于X軸、Z軸稍復(fù)雜。

圖10 機(jī)械手肘關(guān)節(jié)控制程序圖Fig.10 The control program diagram of manipulator elbow joint

4 結(jié)論

本文利用機(jī)械設(shè)計(jì)理論、電氣步進(jìn)控制、無(wú)線智能通訊等原理技術(shù)，進(jìn)行了高空電力線路切枝裝置的研制，取得了一系列成果：

1）完成了切枝裝置的整體布局及設(shè)計(jì)工作，并用AutoCAD對(duì)切枝裝置進(jìn)行了三維建模。

2）完成了機(jī)械手X軸、Z軸滾珠絲杠副的計(jì)算及選型；完成了各個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的選型。

3）完成了PLC選型、I/O口分配及外圍電路設(shè)計(jì)；采用了16路無(wú)線智能接收控制器和遙控器控制機(jī)械手；完成了切枝系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)。

4）在STEP 7-MicroWIN SMART軟件中應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制向?qū)?duì)機(jī)械手進(jìn)行了編程。

5）切枝裝置試驗(yàn)表明：在對(duì)高空樹(shù)枝進(jìn)行剪切時(shí)，通過(guò)遙控器操縱能夠順利地將橫向或豎向樹(shù)枝剪切下來(lái)。