摘要

　　論文通過(guò)對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手、切削裝置、夾持裝置等動(dòng)作控制過(guò)程進(jìn)行研究分析，最后結(jié)合蔬菜嫁接作業(yè)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出基于PLC的黃瓜嫁接自動(dòng)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)，不僅能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)作業(yè)模式下分步控制，便于樣機(jī)的調(diào)試和程序的修改以及故障的查詢(xún)，而且可以實(shí)現(xiàn)嫁接過(guò)程的自動(dòng)控制，以最大限度的發(fā)揮其工作效率。該機(jī)抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好，大大提高了嫁接效率，具有極高的推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：嫁接自動(dòng)化可編程控制器裝置

　　前言

　　隨著我國(guó)人口的急劇增長(zhǎng)和人民生活水平的迅速提高，對(duì)蔬菜的需求量越來(lái)越大，對(duì)蔬菜品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。黃瓜(Cucumber)作為我國(guó)老百姓喜愛(ài)的大眾蔬菜，其消費(fèi)量很大，因此黃瓜的生產(chǎn)發(fā)展很快，黃瓜的種植面積已頗具規(guī)模。同時(shí)也帶來(lái)了連作、病蟲(chóng)害等問(wèn)題。嫁接是解決這些問(wèn)題的最有效方法之一。人工嫁接生產(chǎn)率低、嫁接質(zhì)量差異較大，難以滿(mǎn)足蔬菜嫁接育苗生產(chǎn)的要求。因此進(jìn)行嫁接機(jī)的研究對(duì)促進(jìn)蔬菜嫁接機(jī)械化發(fā)展具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。

　　蔬菜嫁接栽培技術(shù)在一些農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家己得到相當(dāng)普遍的應(yīng)用，但進(jìn)行有關(guān)蔬菜秧苗自動(dòng)嫁接技術(shù)研究的只有日本、韓國(guó)和中國(guó)等少數(shù)國(guó)國(guó)家。其中日本是進(jìn)行蔬菜秧苗自動(dòng)嫁接最早的國(guó)家。我國(guó)自1993年開(kāi)始蔬菜自動(dòng)化嫁接研究以來(lái)，在多個(gè)領(lǐng)域取得了較大成就，部分樣機(jī)己投入生產(chǎn)。

　　1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　嫁接機(jī)總體按照模塊化設(shè)計(jì)思想，把整個(gè)系統(tǒng)分為若干模塊，設(shè)計(jì)了一套黃瓜自動(dòng)嫁接裝置，主要包括砧、穗木供苗機(jī)構(gòu)、砧穗木搬運(yùn)機(jī)械手、砧穗木苗切削機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)等部分，實(shí)現(xiàn)了砧、穗木苗的供苗、切削、苗夾固定等功能。其中本裝置中的秧苗切削裝置采用了支撐下的滑切技術(shù)，不僅切削阻力小，而且切口位置、形狀的穩(wěn)定性好，有利于后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)的進(jìn)行，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該切削方式與2JSZ-600型蔬菜嫁接機(jī)所用切削方式相比，大大減少了對(duì)砧、穗木的損傷；機(jī)械手爪設(shè)有“V”型對(duì)正槽，手爪指頭上膠粘緩沖墊，可防止損傷幼苗且吸收苗莖桿的偏移等。該嫁接機(jī)與其他嫁接機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作準(zhǔn)確，嫁接效率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　2、嫁接機(jī)組成

　　貼接法無(wú)論是從嫁接技術(shù)難易程度上，還是成活率以及嫁接速度等方面，都較其他嫁接方法有明顯的優(yōu)點(diǎn)，適合于機(jī)器嫁接。因此本研究采用貼接法實(shí)現(xiàn)黃瓜秧苗的自動(dòng)嫁接。

　　嫁接機(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。

　　圖1自動(dòng)嫁接機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　1穗木輸送電機(jī)2法蘭盤(pán)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(pán)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

　　嫁接機(jī)主要由四大部分組成：兩個(gè)輸苗盤(pán)及使苗盤(pán)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(lái)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。

　　3、嫁接機(jī)的工作過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)控制手爪氣缸，機(jī)械手松開(kāi)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)。

　　4、砧穗木切削裝置設(shè)計(jì)

　　（1）、切削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　用貼接法嫁接時(shí)要求用刀片分別對(duì)穗木、砧木進(jìn)行切削。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，主要由直動(dòng)氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸（擺動(dòng)馬達(dá)）、切削刀、切削支架機(jī)構(gòu)和氣缸固定機(jī)構(gòu)等組成，切削裝置如圖2所示。

　　圖2切削裝置結(jié)構(gòu)圖

　　1切削刀2切削刀支架3直動(dòng)氣缸4旋轉(zhuǎn)氣缸5氣缸固定機(jī)構(gòu)

　　本研究采用旋轉(zhuǎn)氣缸即擺動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)門(mén)形切削支架，支架兩側(cè)安裝切刀分別切削砧木和穗木，旋轉(zhuǎn)切削示意圖如圖3所示。這種機(jī)構(gòu)僅需一個(gè)旋轉(zhuǎn)切削部件就可同時(shí)完成對(duì)砧木、穗木的切削，減少了工作部件和控制部件，使整個(gè)嫁接機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊。

　　圖3旋轉(zhuǎn)切削示意圖

　　擺動(dòng)馬達(dá)采用天津特精帕克氣動(dòng)液壓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MB型葉片式擺動(dòng)馬達(dá)

　　葉片式擺動(dòng)馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為主要性能參數(shù)，表示擺動(dòng)馬達(dá)的輸出能力，其轉(zhuǎn)矩的大小為：

　　其中：

　　M—轉(zhuǎn)矩（Nm）；D——缸體內(nèi)徑（m）；d——輸出軸直徑（m）；b——葉片輸出長(zhǎng)度（m）；n——葉片數(shù)；p——工作壓力（MPa）

　　（2）、機(jī)械手的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)嫁接工藝對(duì)機(jī)械手動(dòng)作的要求。機(jī)械手主要由傳感器、氣缸氣爪、直動(dòng)氣缸等組成。

　　直動(dòng)氣缸采用單活塞桿雙活塞氣缸，具有倒向精度高，能抗扭矩，負(fù)載能力強(qiáng)，工作平穩(wěn)，組裝簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，在氣動(dòng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于抓取、送料、裝配及機(jī)械加工，可作為氣動(dòng)機(jī)械手的機(jī)身、手臂的驅(qū)動(dòng)裝置等。直動(dòng)氣缸的許用負(fù)載及其負(fù)載特性如圖5所示。從負(fù)載特性圖上可以根據(jù)行程和缸徑確定許用負(fù)載F。實(shí)際應(yīng)用中要求，

　　圖4直動(dòng)氣缸許用負(fù)載及負(fù)載特性

　　實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作平穩(wěn)，超載能力強(qiáng)，作業(yè)效果好。

　　5、電源模塊的設(shè)計(jì)

　　電源模塊設(shè)計(jì)在黃瓜自動(dòng)嫁接機(jī)系統(tǒng)中需要供給兩種要求的電壓，即用于排苗電機(jī)的220V、50Hz交流電,用于電磁換向閥及可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)的的24VDC電壓。電源模塊電路如圖6所示。

　　圖5電源模塊電路圖

　　6、PLC控制系統(tǒng)的硬件設(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7為自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)示意圖。

　　圖6自動(dòng)嫁接機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

　　7、嫁接機(jī)控制面板圖

　　根據(jù)嫁接機(jī)控制器的功能需求控制面板布局如圖8所示。在嫁接機(jī)作業(yè)過(guò)程中，操作者要和控制器通過(guò)操作面板實(shí)時(shí)交互，面板上裝有按鍵和指示信號(hào)燈。該面板的指示、控件布局采用模塊化分區(qū)設(shè)計(jì)，其中面板左上角1、2為故障和正常工作指示燈；中間部分3、4為工作方式開(kāi)關(guān)，此開(kāi)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；5、6為砧木手抓開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)打向上方手爪抓緊，打向下方手爪松開(kāi)；；7、8為砧木直行開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)打向上方砧木前進(jìn)，打向下方砧木后退；9、10為切削刀具開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)打向上方切削刀具前進(jìn)，打向下方切削刀具后退；11、12為啟動(dòng)和停止按鈕；13為手動(dòng)旋切按鈕；14為手動(dòng)夾持按鈕；15、16為穗木手爪開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)打向上方手爪抓緊，打向下方手爪松開(kāi)17、18為穗木直行開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)打向上方穗木前進(jìn)，打向下方穗木后退；

　　圖7嫁接機(jī)控制面板圖

　　結(jié)論

　　開(kāi)發(fā)出基于PLC的黃瓜嫁接自動(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，便于樣機(jī)的調(diào)試和程序的修改，而且可以實(shí)現(xiàn)嫁接過(guò)程的自動(dòng)控制，以最大限度的發(fā)揮其工作效率。與目前國(guó)內(nèi)的單片機(jī)控制系統(tǒng)相比，具有更好的調(diào)試性和工作可靠性。通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的黃瓜嫁接機(jī)嫁接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)嫁接成功率較高。

　　[作者簡(jiǎn)介]董建民（1979-），男，漢族，山東淄博人，研究生，山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院電氣工程系測(cè)控教研室助教，主要從事自動(dòng)控制與通信技術(shù)的研究和教學(xué)工作。

　　通信地址：山東省淄博市高新開(kāi)發(fā)區(qū)張北路69號(hào)山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院電氣工程系，郵編256414，電話(huà)：13280669298，E-mail：dongjianmin_1979@126.com