基于PLC技术的采摘机械臂气动控制与应用.pdf
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1、基 于 PLC 技 术 的 采 摘 机 械 臂 气 动 控 制 与 应 用杨金玉(内蒙古交通职业技术学院,内蒙古 赤峰024005)摘 要:对气动式采摘机械臂系统进行研究,利用可编程控制器(PLC)设计了一种采摘机械臂气动控制系统。利用气压传动驱动、双向作动气缸和双控电磁阀相结合的方式,建立采摘机械臂气动系统。基于 PLC 技术进行气动系统控制器设计,对控制器进行硬件选型和手动控制与自动控制两种工作模式的接线图、控制程序和顺序功能图的设计。试验数据表明:系统在运行过程中平均振动频率较小,不会对控制系统运行产生危害,最小采摘成功率达到 80%,具有良好的工作性能和稳定性,可为智能化高性能农业采摘
2、装置的研发提供借鉴。关键词:采摘机械臂;气动控制系统;可编程控制器;顺序功能图中图分类号:S225;TP242 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0230-050 引言随着农业经济的不断发展,传统作物种植正在向经济作物种植转变,从而使得劳动力需求不断增长、经济作物种植面积不断扩大,促进经济作物种植采摘机械化已经成为保障农业经济发展的重要措施1-2。智能机械化采摘能够有效降低作业过程中设备对作物果实的损伤,可提高作业效率,降低传统采摘过程中的劳动强度3。笔者基于可编程控制器(PLC)技术设计了一种气动式苹果采摘机械臂控制系统,以实现苹果采摘过程中机械臂的气动逻辑控制,
3、并采用试验验证的方法对气动控制系统性能进行分析。1 采摘机械臂气动系统采摘机械臂气动系统以压缩机为动力源,采用压缩空气作为气动系统工作介质,清洁安全,使用成本较低,系统维护方便,广泛应用于 工 业 和 农 业 领域4-5。气动式采摘机械臂需要两个线性作动气缸、1 个摆动气缸及真空发生器,在控制元器件的作用下进行动作耦合,控制权期间为两位五通式双电控电磁阀。为保证气缸耦合作动过程中具有稳定、可控的速度,在气缸进气和排气通道上均安装单向节流阀6。气动 系 统 控 制 过 程 中,采 用 双 控 电 磁 阀 进 行 气收稿日期:2021-05-12基金项目:内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJSY
4、17641)作者简介:杨金玉(1988-),男,内蒙古赤峰人,讲师,硕士,(E-mail)huazhaoya524 。缸伸缩运动、升降运动以及旋转气缸的旋转运动控制,并采用单控电磁阀对夹紧气缸的夹紧和放松动作进行控制。为保证采摘过程中机械臂在移动及旋转时不产生碰撞,使用一种液压缓冲器对各气缸的运动过程进行限位7-8。图 1 为采摘机械臂气动系统的结构图。2 气动控制系统结构设计采摘机械臂气动控制系统基于可编程控制器(PLC)进行设计,主要包含 PLC 控制器、输入模块、输出模块、信号传输模块、控制按钮及缓冲开关。按下工作按钮后,采摘机械臂动作流程启动,机械臂控制气缸中的缓冲器开关收集动作信号,
5、并通过信号传输模块反馈至 PLC 控制器;PLC 控制器完成信号采集后,向控制电磁阀发出控制指令信号,驱动直线型运动气缸和旋转型运动气缸动作,从而带动采摘机械臂进入指定工作状态9-10。图 2 为采摘机械臂气动控制系统工作原理图。对采摘机械臂工作过程和应用场景进行分析,确定在手动工作模式条件下需要不同的工作按钮进行动作过程控制逻辑指令的输入。在自动工作模式条件下,需要采用缓冲开关和光电传感器对采摘机械臂的动作状态信息进行采集,并传输至 PLC 控制器。在采摘机械臂气动系统控制过程中,需要设定紧急启动停止按钮和复位装置按钮,同时需要设定手动和自动切换按钮11。根据以上需求分析,所设计的采摘机械臂
6、气动控制系统控制器在实现控制功能时选用三菱 FX3U 可编程控制器,能够设置 24 个输入点和 24 个输出点,具0322023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期有 64KB 内存,同时包含 512 个定时器12,13。图 3 为可编程控制器地址分配接线图。图 1 采摘机械臂气动系统结构图Fig.1 Structure diagram of pneumatic system of picking manipulator图 2 采摘机械臂气动系统工作原理图Fig.2 Working principle diagram of picking manipulator pneumatic
7、system3 控制程序设计采摘机械臂气动控制系统控制程序要求包含手动控制程序和自动控制程序,气动控制系统初始状态继电器要求具有回原点功能。当按下回原点按钮后,采摘机械臂大臂驱动气缸应处于缩回状态,小臂控制气缸伸长,夹紧驱动气缸处于放松状态,同时整个采摘机械臂应处于向左旋转初始状态1416。在手动控制模式下,可根据实际使用要求手动选择需要执行的控制过程。图 4 为采摘机械臂气动控制系统控制程序梯形图。采摘机械臂气动系统控制方式是一种典型的顺序控制方式,自动控制模式下可以采用顺序指令控制的方式。当第 1 步动作控制指令执行完成后,即可转为下一步动作控制指令。采摘机械臂自动控制程序运行前,需要进行
8、程序复位,使采摘机械臂处于原点位置;程序启动后,按下气动按钮 X20,系统开始检测传感器 X10是否采集到采摘目标信号,采摘机械臂进入第 1 步动作控制指令 S20,输出信号为 Y3。此时,电磁阀 3YA 通电,采摘机械臂大臂驱动气缸伸出;当运动到极限状态时,缓冲开关 X11闭合,电磁阀 5YA 通电,此时采摘机械臂小臂驱动气缸缩回。采摘机械臂气动系统动作流程满足响应的动作转换条件时,电磁阀通电,驱动气缸进行动作,直至下一步转换条件成熟后即可进行动作转换。5 为采摘机械臂气动系统顺序控制功能图。4 系统验证为验证系统控制过程稳定性,将所设计采摘机械臂气动控制系统,搭载于气动式苹果采摘机械臂上,
9、并在采摘机械臂大臂、小臂以及采摘装置末端分别安装振动传感器,检测作业过程中相关位置的振动频率,用于反馈控制系统稳定性,通过采摘成功数和采1322023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期摘过程中造成的果实损伤率反应系统工作性能。试验过程中,分别设定为每分钟采摘 4、6、8、10个 4 种不同的采摘速率,经过 10min 的系统验证试验,获取振动传感器中振动频率平均数据用于反馈系统工作稳定性,并统计苹果采摘过程中实际采摘数量与理论采摘数量之间的差异,同时对采摘完成的苹果损伤数量进行统计。表 1 为控制系统性能试验数据。由表 1 可以看出:利用气动控制系统进行苹果采摘作业时,系统振动频率
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