摘要：鑒于傳統(tǒng)PC機(jī)或單片機(jī)控制系統(tǒng)在自動(dòng)嫁接機(jī)控制過程中對(duì)工作環(huán)境要求高，可靠性低，對(duì)操作人員技術(shù)要求高，推廣性差等問題，設(shè)計(jì)以PLC為控制器的嫁接機(jī)控制系統(tǒng)。包括控制器的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及故障的自診斷和自處理程序設(shè)計(jì)，不僅能克服單片機(jī)控制系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)作業(yè)模式下分步控制以及自動(dòng)控制下的連續(xù)作業(yè)，提高了工作效率和嫁接的可靠性。

      關(guān)鍵詞：自動(dòng)嫁接機(jī)；控制系統(tǒng)；PLC

      中圖分類號(hào) TP273                                     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

      Design of control system of automatic grafting machine

      Mu Ai-xia  Peng Li-ying

      (Shandong Vocation College of Industry　Shandong Zibo 256414)

      Abstract: As a traditional PC or SCM system had the features of a strict working condition,a skill manipulator,and poor reliability ,designed of a PLC control system of automatic grafting machine. including controller's hardware design, software design as well as breakdown from diagnosis and from processing and so on, not can only realize under the manual work pattern the stepping control, moreover may realize grafts the process the automatic control, enhanced greatly grafted the efficiency and the reliability.

      Keywords: automatic grafting machine; control system; PLC

      對(duì)于自動(dòng)嫁接機(jī)的控制，現(xiàn)國(guó)內(nèi)、外采用的大多數(shù)為PC機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)^[1]。鑒于PC機(jī)和單片機(jī)系統(tǒng)存在著諸如對(duì)工作環(huán)境要求高、抗干擾能力弱、工作可靠性低、對(duì)操作人員的技術(shù)要求高、推廣性差等缺點(diǎn)^[2]。作者開發(fā)了以PLC為控制器的嫁接機(jī)控制系統(tǒng)，通過程序控制取送苗裝置、切削裝置、夾持裝置等工作部件，克服單片機(jī)控制系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，提高了工作效率和嫁接的可靠性。

　　1 嫁接機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　接機(jī)主要由嫁接機(jī)本體、控制器及傳感系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

　　1.1 嫁接機(jī)組成

　　嫁接機(jī)主要由四大部分組成：兩個(gè)輸苗盤及使苗盤驅(qū)動(dòng)嫁接苗搬送系統(tǒng)；用于抓苗、送苗到達(dá)指定位置的機(jī)械手搬運(yùn)裝置；用于砧木和穗木切削的切苗裝置；用于將切割后的砧木和穗木固定在一起的送夾機(jī)構(gòu)和用于排出嫁接苗的排苗輸送帶。供苗臺(tái)上設(shè)計(jì)了兩個(gè)工位，每一工位設(shè)計(jì)一個(gè)手爪用來完成砧、穗木的抓取搬運(yùn)工作，其中手爪抓苗與伸縮由直動(dòng)氣缸控制。根據(jù)嫁接操作的要求，砧木需要單子葉斜切，穗木也需斜切，因此砧、穗木切削機(jī)構(gòu)相似，主要由切削刀桿、擺動(dòng)馬達(dá)軸、彈簧、切削機(jī)構(gòu)支架和切削支撐機(jī)構(gòu)等組成。嫁接機(jī)的自動(dòng)送夾機(jī)構(gòu)主要由推夾氣缸、推送桿、滑塊等組成。

　　1.2 嫁接機(jī)的工作過程

　　當(dāng)操作人員將砧木、穗木苗分別放到各自供苗臺(tái)上時(shí)，觸動(dòng)壓電傳感器發(fā)出信號(hào)，控制機(jī)械手氣爪立即抓住苗木，等待切削刀進(jìn)行切割；為了保證操作的安全性，切削過程切削刀

　　首先在直動(dòng)氣缸作用下伸出到達(dá)切削位置，然后由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)（擺動(dòng)馬達(dá)）帶動(dòng)切削裝置旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)砧、穗木苗的單支撐切割，以保證穩(wěn)定的切口斷面，并減少對(duì)秧苗的沖擊和損壞；然后切削機(jī)構(gòu)回位，等待下一次切削；此時(shí)夾有切削苗的機(jī)械手在直動(dòng)氣缸的作用同時(shí)向夾持位置伸出并在切削刀旋轉(zhuǎn)中心位置結(jié)合；送夾機(jī)構(gòu)在直動(dòng)氣缸作用下，推出一個(gè)夾子，以打開狀態(tài)送向已經(jīng)接合的秧苗，當(dāng)?shù)竭_(dá)夾持位置時(shí)，秧苗夾在彈簧作用下閉合，實(shí)現(xiàn)砧木、穗木的夾持，最后通過控制手爪氣缸，機(jī)械手松開砧木、穗木苗，使已經(jīng)完成嫁接的秧苗落到秧苗搬運(yùn)輸送帶，實(shí)現(xiàn)秧苗的向外運(yùn)送，完成苗的嫁接作業(yè)[3]。

      1 穗木輸送電機(jī)  2 法蘭盤  3 穗木輸送帶  4 穗木直動(dòng)氣缸 5 穗木夾持氣爪和傳感器  6 送夾直動(dòng)氣缸 7 氣缸固定支架  8 秧苗夾筒 9 秧苗夾 10 秧苗夾進(jìn)給軌道  11 秧苗夾阻尼塊 12 砧木輸送帶 13 軸承座 14 砧木苗盤  15 砧木夾持氣爪 16 直動(dòng)氣缸固定座 17 氣缸固定支架 18 砧木輸送電機(jī) 19 傳感器 20 旋轉(zhuǎn)切刀  21 切削刀直動(dòng)氣缸  22 旋轉(zhuǎn)氣缸 23 氣缸固定支架

　　2 嫁接機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　嫁接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC及外部設(shè)備組成。PLC在系統(tǒng)中的主要功能是協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)按照嫁接要求進(jìn)行工作，因此，它既要完成各種邏輯控制，還要進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控。圖2為自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)示意圖。

　　2.1PLC地址、功能端

　　PLC外部有信號(hào)輸入端子和輸出端子，信號(hào)輸入端子分別接入開關(guān)等控制元件；信號(hào)輸出端子分別接入電機(jī)、氣缸、機(jī)械手等執(zhí)行元件。控制系統(tǒng)中主要地址、功能對(duì)應(yīng)表如表1。

　　2.2 嫁接機(jī)輸入輸出接線圖

　　嫁接機(jī)輸入輸出接線圖如圖3所示。

　　SA1為工作方式開關(guān)，有三個(gè)檔位，打向左側(cè)為自動(dòng)模式，中間為停止，打向右側(cè)為手動(dòng)模式。SB1為啟動(dòng)按鈕，SB2為停止按鈕，SB3為手動(dòng)切削按鈕，SB4為手動(dòng)夾持按鈕，SA2為砧木手抓開關(guān)，SA3為穗木手抓開關(guān)，SA4為砧木直行開關(guān)，SA5為穗木直行開關(guān)，SA6為切削刀進(jìn)退開關(guān)，SA7為切削刀進(jìn)退限開關(guān)，LK為行程開關(guān)，LP2、LP3為故障顯示和工作指示燈，QA為空氣開關(guān)，L1為電源火線，N為電源零線，QG為電磁換向閥，控制機(jī)械手、氣缸等的動(dòng)作。

圖3嫁接機(jī)輸入輸出接線圖

Fig. 3 wiring diagram of input and output system of grafting machine

　　3 嫁接機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　嫁接機(jī)控制部分主要包括氣缸、機(jī)械手、切削及夾持裝置等的控制[6]。其控制系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4嫁接機(jī)控制系統(tǒng)流程圖

Fig4 flow chart of control system of grafting machine

　　為了便于調(diào)試，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種工作方式[7]，在調(diào)試階段，采用手動(dòng)模式，可以實(shí)現(xiàn)單步單個(gè)動(dòng)作的控制，便于程序的修改；在自動(dòng)模式下工作流程如下：

　　流程說明：準(zhǔn)備就緒，按下“啟動(dòng)”鍵，若工作指示燈亮，說明能正常開始工作了。此時(shí)可通過工作方式開關(guān)選擇嫁接機(jī)工作方式。由傳感器檢測(cè)砧、穗木苗到位情況，若到位，則砧、穗木苗接通，機(jī)械手抓苗，做好切削準(zhǔn)備；切削機(jī)構(gòu)直動(dòng)氣缸直行，由行程開關(guān)決定到限位置，若到位，則由擺動(dòng)馬達(dá)控制砧、穗木苗旋轉(zhuǎn)切削；切削刀復(fù)位，抓苗機(jī)械手由直動(dòng)氣缸推送秧苗至夾持位置，完成砧、穗木苗的夾持、貼接；最后機(jī)械手手指汽缸控制機(jī)械手松開秧苗，通過傳送帶將苗木送出，機(jī)械手復(fù)位[8]。

　　本設(shè)計(jì)采用歐姆龍公司開發(fā)的CPM2AE-60CDR-A可編程控制器，60點(diǎn)主機(jī)，輸入36點(diǎn)，繼電器輸出24點(diǎn)。自動(dòng)嫁接機(jī)實(shí)現(xiàn)工作過程時(shí)，其關(guān)鍵模塊是取送苗機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和送夾機(jī)構(gòu)三大模塊。設(shè)計(jì)過程中，對(duì)這三個(gè)模塊分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)和調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期的效果。

　　4 故障的檢測(cè)與診斷

　　可編程序控制器的可靠性很高，本身有完善的自診斷功能，可編程序控制器如出現(xiàn)故障，借助自診斷程序可以方便的找到故障的部位與部件，更換后就可以恢復(fù)正常工作?？删幊绦蚩刂破魍獠康妮斎搿⑤敵鲈?，如限位開關(guān)、電磁閥、接觸器等的故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可編程序控制器本身的故障率，而這些元件出現(xiàn)故障后，可編程序控制器一般不能覺察出來，不會(huì)自動(dòng)停機(jī)，可能使故障擴(kuò)大，直至強(qiáng)電保護(hù)裝置動(dòng)作后停機(jī)，有時(shí)甚至?xí)斐稍O(shè)備和人身事故[9]。停機(jī)后，查找故障也要花費(fèi)很多時(shí)間。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，在沒有釀成事故之前使可編程序控制器自動(dòng)停機(jī)和報(bào)警，也為了方便查找故障，提高維修效率，設(shè)計(jì)自動(dòng)保護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)故障的自診斷和自處理。

　　設(shè)備在各自工步的動(dòng)作所需的時(shí)間一般是不變的，即使變化也不會(huì)太大，因此可以以這些時(shí)間為參考，在可編程序控制器發(fā)出輸出信號(hào)，相應(yīng)的外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器定時(shí)，定時(shí)器的設(shè)定值比正常情況下該動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)20%左右。若該執(zhí)行的動(dòng)作時(shí)間超過對(duì)應(yīng)定時(shí)器的設(shè)定時(shí)間，可編程序控制器還沒有接收到動(dòng)作結(jié)束信號(hào)，定時(shí)器延時(shí)接通的常開觸點(diǎn)發(fā)出故障信號(hào)，該信號(hào)停止正常的循環(huán)程序，起動(dòng)報(bào)警和故障顯示，使操作人員和維修人員能順?biāo)倥袆e故障的種類，及時(shí)采取排除故障的措施。

　　5 結(jié)論及展望

　　該裝置與其他嫁接機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作準(zhǔn)確，嫁接效率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　開發(fā)出基于PLC的嫁接自動(dòng)控制系統(tǒng)。不僅能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)作業(yè)模式下分步控制，還可以實(shí)現(xiàn)嫁接過程的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)故障的自診斷，與目前國(guó)內(nèi)的單片機(jī)控制系統(tǒng)相比，提高了工作效率和嫁接的可靠性。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，此裝置的嫁接速度可達(dá)1200株/小時(shí)，較單片機(jī)控制的嫁接機(jī)的嫁接速度500株/小時(shí)，效率提高了1倍多。

　　為了適應(yīng)不同形狀、苗齡的砧木、穗木，可將嫁接機(jī)械手設(shè)計(jì)成柔性手臂，能夠根據(jù)苗的莖桿形狀改變作業(yè)姿勢(shì)，保證不同的嫁接苗的嫁接成功率。

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