基于PLC控制的种苗机械手系统

2019-10-12曹丽芳刘存祥

安阳工学院学报 2019年4期

曹丽芳，刘存祥

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.河南农业大学，郑州450002）

0 引言

当前，我国的旱地作物大多采用直播的方式种植，存在效率低、周期长、单产低等缺点。育苗移栽技术作为一种栽培种植技术，具有直播难以比拟的优越性，可确保秧苗一次性实现苗全、苗齐、苗壮，具有显著的节本、增产、增收效果[1]。不仅如此，育苗移栽技术还可充分利用光热资源，提高作物复种指数，具有对气候的补偿作用和使作物生长提前的综合效益，是我国未来确保农产品供给安全的重要手段[2]。

穴盘育苗移栽技术是从欧美发达国家率先发展起来的。穴盘苗自动移栽是一种适合工厂穴盘苗生产的育苗移栽方式[3]，代表了育苗技术的发展方向。移栽过程要实现机械自动化主要包括有供、取苗和栽植苗的自动化这三个关键技术[4]。国内自动移栽技术发展相对落后，对旱地穴盘苗全自动移栽机的研究相对较少，目前的半自动移栽机，受到人工取苗、喂苗速度的限制，单行移栽频率小于40株/min[5-6]。由于取苗机构是实现全自动移栽的重要部件[7],利用PLC可编控制器作为控制元件实现全自动取苗的机电系统是穴盘育苗移栽技术的一个发展趋势。由于农业生产环境的特殊性,应用于工业领域的机械手无法直接满足农业作业的要求[8]。因此，研制结构合理、性能稳定、高效先进的穴盘苗移栽机械手具有重要的生产价值。

1 控制系统的介绍

该系统的应用对象是种苗，种苗高度范围定为100～200mm。依据各种机械手的特点，该系统选用Y型气动手指（缸径16mm）作为取苗的工具，也可以选用液压、电动和机械式驱动机械手作为取苗的工具。鉴于种苗易于被夹伤，在气动手指上固定了较软的海绵垫片。由于单个机械手的宽度为30.6mm,而选用苗盘的规格为10×20（行×列）穴，其外形尺寸为280mm×540mm，所以采用一排固定五个机械手的方案，对种苗进行隔行抓取，一次可以抓取5棵种苗，一行种苗需要两次抓取。图1为气动手指的排布方案。

图1 气动手指的排布方案

选用PLC（型号为CP1H-X40DR-A）作为控制单元，通过PLC对相应元件的控制实现机械手自动连续取苗过程，其动作包括带动机械手自动上升、下降、前移、后移、左移和右移，机械手夹紧、松开。这些动作分别由各自的电磁阀来控制相应执行元件，完成相应的动作。夹取动作的工作过程如图2所示。

2 控制系统的硬件设计

该机械手控制系统中，总计涉及输入量16个，输出量6个，即I/O点数总计为22点。整个气动机械手一共用到三个气缸和一个机械手，是由PLC通过七个电磁阀直接对其完成动作控制。其地址分配如表1所示。

图2 夹取动作工作过程示意图

表1 输入输出地址分配表

3 控制系统的软件设计

3.1 控制系统的功能

机械手的工作是将苗盘中的棉花幼苗移放到指定位置进行分苗移栽，机械手每次抓5棵，因此要将一个苗盘中的幼苗取完，要分40次才能取完。

机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。机械手动作从原点开始，按下启动按钮时，机械手沿X轴前进，到第一个位置后，电磁开关发出信号，前进停止；机械手下降，下降到位时，碰动行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧；夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升；上升到位时，碰动行程开关，上升电磁阀断电，上升停止；接通X轴电磁阀，机械手沿X轴后退，后退到位时（即最初位置），碰动行程开关，后退电磁阀断电，后退停止；下降电磁阀通电，机械手下降；下降到位时，碰动行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松；放松后，上升电磁阀通电，机械手上升；上升到位时，碰动行程开关，上升电磁阀断电，上升停止。然后接通Y轴电磁阀，机械手沿Y轴右移，碰动行程开关，右移停止；之后接通X轴电磁阀，机械手沿X轴前进，到第一个位置后，电磁开关发出信号，前进停止；机械手下降，下降到位时，碰动行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧；夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升；上升到位时，碰动行程开关，上升电磁阀断电，上升停止；接通X轴电磁阀，机械手沿X轴后退，后退到位时，碰动行程开关，后退电磁阀断电，后退停止；下降电磁阀通电，机械手下降；下降到位时，碰动行程开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松；放松后，上升电磁阀通电，机械手上升；上升到位时，碰动行程开关，上升电磁阀断电，上升停止。至此，机械手经过十七步动作完成了一个工作周期。

之后接通X轴电磁阀，机械手沿X轴前进，到第二个位置后，电磁开关发出两个信号，前进停止；重复上面的抓苗动作，直到回到最初位置；之后重复上面的周期动作。气缸系统实现机械手的夹紧放松动作和上下横向移动，动作转换由行程开关控制。

3.2 顺序功能图

图3为棉苗机械手抓取一次棉苗的整个移动过程，机械手的自动过程就是通过PLC程序的控制实现对这个基本抓取动作的重复和对位置的定位。

3.3 程序流程图

控制系统上电后，按下开始按钮后，选择手动操作还是自动操作，设备开始工作，主程序流程图见图4。

3.4 PLC的梯形控制程序

根据机械手的要求，整个PLC程序分为五个子程序，分别实现机械手的四个功能，即：X轴气缸动作，Y轴气缸动作，Z轴气缸动作，机械手抓放动作，另外一个子程序实现机械手动作的辅助功能。在编写程序中，增加了互锁回路保护，防止发生误动作而引起事故。

3.5 PLC程序的调试运行

为了保证系统稳定可靠运行，提高程序运行的正确性，必须首先对PLC程序进行调试。在现场调试中，在程序中设置若干断点，对每个程序段进行分别调试，以减少程序调试的复杂度。在气动机械手各模块动作过程中，检查各气缸运动是否协调，延迟时间和压力是否符合运行要求。在机械手动作中，要调整相应的延迟时间，以保证抓取动作的可靠性。

图3 机械手单个抓取动作的顺序功能图

图4 主程序流程图

4 实验效果

该系统以苗盘的规格为10×20（行×列）穴，种苗高度为200mm为对象，在室内进行了实验。试验结果：机械手能一次准确地将5颗种苗投入到相距50mm的导苗管中，定位误差在5%，能够满足使用要求。种苗夹伤不超过6%，没有破坏种苗的基质现象。种苗垂直落下，垂直度很好。该机械手移栽效率可达每小时10 000穴，移栽效率高。