基于PLC技術(shù)的采摘機(jī)械臂氣動(dòng)控制與應(yīng)用

楊金玉

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 赤峰 024005)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)作物種植正在向經(jīng)濟(jì)作物種植轉(zhuǎn)變,從而使得勞動(dòng)力需求不斷增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)作物種植面積不斷擴(kuò)大,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)作物種植采摘機(jī)械化已經(jīng)成為保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要措施[1-2]。智能機(jī)械化采摘能夠有效降低作業(yè)過(guò)程中設(shè)備對(duì)作物果實(shí)的損傷,可提高作業(yè)效率,降低傳統(tǒng)采摘過(guò)程中的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。

筆者基于可編程控制器(PLC)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)式蘋(píng)果采摘機(jī)械臂控制系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果采摘過(guò)程中機(jī)械臂的氣動(dòng)邏輯控制,并采用試驗(yàn)驗(yàn)證的方法對(duì)氣動(dòng)控制系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。

1 采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)

采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)以壓縮機(jī)為動(dòng)力源,采用壓縮空氣作為氣動(dòng)系統(tǒng)工作介質(zhì),清潔安全,使用成本較低,系統(tǒng)維護(hù)方便,廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[4-5]。氣動(dòng)式采摘機(jī)械臂需要兩個(gè)線(xiàn)性作動(dòng)氣缸、1個(gè)擺動(dòng)氣缸及真空發(fā)生器,在控制元器件的作用下進(jìn)行動(dòng)作耦合,控制權(quán)期間為兩位五通式雙電控電磁閥。為保證氣缸耦合作動(dòng)過(guò)程中具有穩(wěn)定、可控的速度,在氣缸進(jìn)氣和排氣通道上均安裝單向節(jié)流閥[6]。氣動(dòng)系統(tǒng)控制過(guò)程中,采用雙控電磁閥進(jìn)行氣缸伸縮運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)氣缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制,并采用單控電磁閥對(duì)夾緊氣缸的夾緊和放松動(dòng)作進(jìn)行控制。為保證采摘過(guò)程中機(jī)械臂在移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生碰撞,使用一種液壓緩沖器對(duì)各氣缸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行限位[7-8]。圖1為采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic system of picking manipulator

2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)械臂氣動(dòng)控制系統(tǒng)基于可編程控制器(PLC)進(jìn)行設(shè)計(jì),主要包含PLC控制器、輸入模塊、輸出模塊、信號(hào)傳輸模塊、控制按鈕及緩沖開(kāi)關(guān)。按下工作按鈕后,采摘機(jī)械臂動(dòng)作流程啟動(dòng),機(jī)械臂控制氣缸中的緩沖器開(kāi)關(guān)收集動(dòng)作信號(hào),并通過(guò)信號(hào)傳輸模塊反饋至PLC控制器;PLC控制器完成信號(hào)采集后,向控制電磁閥發(fā)出控制指令信號(hào),驅(qū)動(dòng)直線(xiàn)型運(yùn)動(dòng)氣缸和旋轉(zhuǎn)型運(yùn)動(dòng)氣缸動(dòng)作,從而帶動(dòng)采摘機(jī)械臂進(jìn)入指定工作狀態(tài)[9-10]。圖2為采摘機(jī)械臂氣動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理圖。

圖2 采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of picking manipulator pneumatic system

對(duì)采摘機(jī)械臂工作過(guò)程和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析,確定在手動(dòng)工作模式條件下需要不同的工作按鈕進(jìn)行動(dòng)作過(guò)程控制邏輯指令的輸入。在自動(dòng)工作模式條件下,需要采用緩沖開(kāi)關(guān)和光電傳感器對(duì)采摘機(jī)械臂的動(dòng)作狀態(tài)信息進(jìn)行采集,并傳輸至PLC控制器。在采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)控制過(guò)程中,需要設(shè)定緊急啟動(dòng)停止按鈕和復(fù)位裝置按鈕,同時(shí)需要設(shè)定手動(dòng)和自動(dòng)切換按鈕[11]。

根據(jù)以上需求分析,所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械臂氣動(dòng)控制系統(tǒng)控制器在實(shí)現(xiàn)控制功能時(shí)選用三菱FX3U可編程控制器,能夠設(shè)置24個(gè)輸入點(diǎn)和24個(gè)輸出點(diǎn),具有64KB內(nèi)存,同時(shí)包含512個(gè)定時(shí)器[12,13]。圖3為可編程控制器地址分配接線(xiàn)圖。

3 控制程序設(shè)計(jì)

采摘機(jī)械臂氣動(dòng)控制系統(tǒng)控制程序要求包含手動(dòng)控制程序和自動(dòng)控制程序,氣動(dòng)控制系統(tǒng)初始狀態(tài)繼電器要求具有回原點(diǎn)功能。當(dāng)按下回原點(diǎn)按鈕后,采摘機(jī)械臂大臂驅(qū)動(dòng)氣缸應(yīng)處于縮回狀態(tài),小臂控制氣缸伸長(zhǎng),夾緊驅(qū)動(dòng)氣缸處于放松狀態(tài),同時(shí)整個(gè)采摘機(jī)械臂應(yīng)處于向左旋轉(zhuǎn)初始狀態(tài)[14～16]。在手動(dòng)控制模式下,可根據(jù)實(shí)際使用要求手動(dòng)選擇需要執(zhí)行的控制過(guò)程。圖4為采摘機(jī)械臂氣動(dòng)控制系統(tǒng)控制程序梯形圖。

圖4 氣動(dòng)系統(tǒng)控制程序梯形圖Fig.4 Ladder diagram of pneumatic system control program

采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)控制方式是一種典型的順序控制方式,自動(dòng)控制模式下可以采用順序指令控制的方式。當(dāng)?shù)?步動(dòng)作控制指令執(zhí)行完成后,即可轉(zhuǎn)為下一步動(dòng)作控制指令。采摘機(jī)械臂自動(dòng)控制程序運(yùn)行前,需要進(jìn)行程序復(fù)位,使采摘機(jī)械臂處于原點(diǎn)位置;程序啟動(dòng)后,按下氣動(dòng)按鈕X20,系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)傳感器X10是否采集到采摘目標(biāo)信號(hào),采摘機(jī)械臂進(jìn)入第1步動(dòng)作控制指令S20,輸出信號(hào)為Y3。此時(shí),電磁閥3YA通電,采摘機(jī)械臂大臂驅(qū)動(dòng)氣缸伸出;當(dāng)運(yùn)動(dòng)到極限狀態(tài)時(shí),緩沖開(kāi)關(guān)X11閉合,電磁閥5YA通電,此時(shí)采摘機(jī)械臂小臂驅(qū)動(dòng)氣缸縮回。

采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作流程滿(mǎn)足響應(yīng)的動(dòng)作轉(zhuǎn)換條件時(shí),電磁閥通電,驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)行動(dòng)作,直至下一步轉(zhuǎn)換條件成熟后即可進(jìn)行動(dòng)作轉(zhuǎn)換。5為采摘機(jī)械臂氣動(dòng)系統(tǒng)順序控制功能圖。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)控制過(guò)程穩(wěn)定性,將所設(shè)計(jì)采摘機(jī)械臂氣動(dòng)控制系統(tǒng),搭載于氣動(dòng)式蘋(píng)果采摘機(jī)械臂上,并在采摘機(jī)械臂大臂、小臂以及采摘裝置末端分別安裝振動(dòng)傳感器,檢測(cè)作業(yè)過(guò)程中相關(guān)位置的振動(dòng)頻率,用于反饋控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,通過(guò)采摘成功數(shù)和采摘過(guò)程中造成的果實(shí)損傷率反應(yīng)系統(tǒng)工作性能。

試驗(yàn)過(guò)程中,分別設(shè)定為每分鐘采摘4、6、8、10個(gè)4種不同的采摘速率,經(jīng)過(guò)10min的系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn),獲取振動(dòng)傳感器中振動(dòng)頻率平均數(shù)據(jù)用于反饋系統(tǒng)工作穩(wěn)定性,并統(tǒng)計(jì)蘋(píng)果采摘過(guò)程中實(shí)際采摘數(shù)量與理論采摘數(shù)量之間的差異,同時(shí)對(duì)采摘完成的蘋(píng)果損傷數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。表1為控制系統(tǒng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表1可以看出:利用氣動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行蘋(píng)果采摘作業(yè)時(shí),系統(tǒng)振動(dòng)頻率隨著采摘速率的上升而增大,系統(tǒng)平均振動(dòng)頻率為15.4Hz,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害性影響;采摘過(guò)程中平均采摘成功率大于82%,系統(tǒng)工作性能良好,可滿(mǎn)足自動(dòng)化采摘作業(yè)需求。

5 結(jié)論

利用PLC進(jìn)行采摘機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)式作動(dòng)機(jī)構(gòu),可有效提高系統(tǒng)作業(yè)速率,并在作業(yè)過(guò)程中減少外力對(duì)采摘對(duì)象的損失率。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程具有較好的穩(wěn)定性,更換采摘裝置后可用于不同經(jīng)濟(jì)作物果實(shí)采摘過(guò)程。