基于PLC控制的種苗機械手系統

曹麗芳，劉存祥

（1.黃河水利職業技術學院，河南開封475004；2.河南農業大學，鄭州450002）

0 引言

當前，我國的旱地作物大多采用直播的方式種植，存在效率低、周期長、單產低等缺點。育苗移栽技術作為一種栽培種植技術，具有直播難以比擬的優越性，可確保秧苗一次性實現苗全、苗齊、苗壯，具有顯著的節本、增產、增收效果[1]。不僅如此，育苗移栽技術還可充分利用光熱資源，提高作物復種指數，具有對氣候的補償作用和使作物生長提前的綜合效益，是我國未來確保農產品供給安全的重要手段[2]。

穴盤育苗移栽技術是從歐美發達國家率先發展起來的。穴盤苗自動移栽是一種適合工廠穴盤苗生產的育苗移栽方式[3]，代表了育苗技術的發展方向。移栽過程要實現機械自動化主要包括有供、取苗和栽植苗的自動化這三個關鍵技術[4]。國內自動移栽技術發展相對落后，對旱地穴盤苗全自動移栽機的研究相對較少，目前的半自動移栽機，受到人工取苗、喂苗速度的限制，單行移栽頻率小于40株/min[5-6]。由于取苗機構是實現全自動移栽的重要部件[7],利用PLC可編控制器作為控制元件實現全自動取苗的機電系統是穴盤育苗移栽技術的一個發展趨勢。由于農業生產環境的特殊性,應用于工業領域的機械手無法直接滿足農業作業的要求[8]。因此，研制結構合理、性能穩定、高效先進的穴盤苗移栽機械手具有重要的生產價值。

1 控制系統的介紹

該系統的應用對象是種苗，種苗高度范圍定為100～200mm。依據各種機械手的特點，該系統選用Y型氣動手指（缸徑16mm）作為取苗的工具，也可以選用液壓、電動和機械式驅動機械手作為取苗的工具。鑒于種苗易于被夾傷，在氣動手指上固定了較軟的海綿墊片。由于單個機械手的寬度為30.6mm,而選用苗盤的規格為10×20（行×列）穴，其外形尺寸為280mm×540mm，所以采用一排固定五個機械手的方案，對種苗進行隔行抓取，一次可以抓取5棵種苗，一行種苗需要兩次抓取。圖1為氣動手指的排布方案。

圖1 氣動手指的排布方案

選用PLC（型號為CP1H-X40DR-A）作為控制單元，通過PLC對相應元件的控制實現機械手自動連續取苗過程，其動作包括帶動機械手自動上升、下降、前移、后移、左移和右移，機械手夾緊、松開。這些動作分別由各自的電磁閥來控制相應執行元件，完成相應的動作。夾取動作的工作過程如圖2所示。

2 控制系統的硬件設計

該機械手控制系統中，總計涉及輸入量16個，輸出量6個，即I/O點數總計為22點。整個氣動機械手一共用到三個氣缸和一個機械手，是由PLC通過七個電磁閥直接對其完成動作控制。其地址分配如表1所示。

圖2 夾取動作工作過程示意圖

表1 輸入輸出地址分配表

3 控制系統的軟件設計

3.1 控制系統的功能

機械手的工作是將苗盤中的棉花幼苗移放到指定位置進行分苗移栽，機械手每次抓5棵，因此要將一個苗盤中的幼苗取完，要分40次才能取完。

機械手的全部動作由氣缸驅動，而氣缸又由相應的電磁閥控制。機械手動作從原點開始，按下啟動按鈕時，機械手沿X軸前進，到第一個位置后，電磁開關發出信號，前進停止；機械手下降，下降到位時，碰動行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止；同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊；夾緊后，上升電磁閥通電，機械手上升；上升到位時，碰動行程開關，上升電磁閥斷電，上升停止；接通X軸電磁閥，機械手沿X軸后退，后退到位時（即最初位置），碰動行程開關，后退電磁閥斷電，后退停止；下降電磁閥通電，機械手下降；下降到位時，碰動行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止；同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松；放松后，上升電磁閥通電，機械手上升；上升到位時，碰動行程開關，上升電磁閥斷電，上升停止。然后接通Y軸電磁閥，機械手沿Y軸右移，碰動行程開關，右移停止；之后接通X軸電磁閥，機械手沿X軸前進，到第一個位置后，電磁開關發出信號，前進停止；機械手下降，下降到位時，碰動行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止；同時接通夾緊電磁閥，機械手夾緊；夾緊后，上升電磁閥通電，機械手上升；上升到位時，碰動行程開關，上升電磁閥斷電，上升停止；接通X軸電磁閥，機械手沿X軸后退，后退到位時，碰動行程開關，后退電磁閥斷電，后退停止；下降電磁閥通電，機械手下降；下降到位時，碰動行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止；同時夾緊電磁閥斷電，機械手放松；放松后，上升電磁閥通電，機械手上升；上升到位時，碰動行程開關，上升電磁閥斷電，上升停止。至此，機械手經過十七步動作完成了一個工作周期。

之后接通X軸電磁閥，機械手沿X軸前進，到第二個位置后，電磁開關發出兩個信號，前進停止；重復上面的抓苗動作，直到回到最初位置；之后重復上面的周期動作。氣缸系統實現機械手的夾緊放松動作和上下橫向移動，動作轉換由行程開關控制。

3.2 順序功能圖

圖3為棉苗機械手抓取一次棉苗的整個移動過程，機械手的自動過程就是通過PLC程序的控制實現對這個基本抓取動作的重復和對位置的定位。

3.3 程序流程圖

控制系統上電后，按下開始按鈕后，選擇手動操作還是自動操作，設備開始工作，主程序流程圖見圖4。

3.4 PLC的梯形控制程序

根據機械手的要求，整個PLC程序分為五個子程序，分別實現機械手的四個功能，即：X軸氣缸動作，Y軸氣缸動作，Z軸氣缸動作，機械手抓放動作，另外一個子程序實現機械手動作的輔助功能。在編寫程序中，增加了互鎖回路保護，防止發生誤動作而引起事故。

3.5 PLC程序的調試運行

為了保證系統穩定可靠運行，提高程序運行的正確性，必須首先對PLC程序進行調試。在現場調試中，在程序中設置若干斷點，對每個程序段進行分別調試，以減少程序調試的復雜度。在氣動機械手各模塊動作過程中，檢查各氣缸運動是否協調，延遲時間和壓力是否符合運行要求。在機械手動作中，要調整相應的延遲時間，以保證抓取動作的可靠性。

圖3 機械手單個抓取動作的順序功能圖

圖4 主程序流程圖

4 實驗效果

該系統以苗盤的規格為10×20（行×列）穴，種苗高度為200mm為對象，在室內進行了實驗。試驗結果：機械手能一次準確地將5顆種苗投入到相距50mm的導苗管中，定位誤差在5%，能夠滿足使用要求。種苗夾傷不超過6%，沒有破壞種苗的基質現象。種苗垂直落下，垂直度很好。該機械手移栽效率可達每小時10 000穴，移栽效率高。

5 結論

該機械手系統順利的實現了取苗和放苗動作，完成了預定的代替人工取苗的目標。

1)該系統采用無桿氣缸傳動，在以后的后續開發中，可考慮采用絲杠螺母機構，滾珠絲杠機構傳動來代替無桿氣缸傳動，以減少可能由于定位不準而出現的問題。

2）機械手出現傷苗現象，可以考慮增加傳感裝置，或者在機械手上固定更好的材質，以減少傷苗顯現。

3）更改機械手的間距，可以應用于多種穴距的種苗移栽。