貼接式全自動蔬菜嫁接機控制系統的設計與實現

王哲祿

(溫州職業技術學院，浙江溫州 325000)

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貼接式全自動蔬菜嫁接機控制系統的設計與實現

王哲祿

(溫州職業技術學院，浙江溫州 325000)

為了實現貼接法全自動蔬菜嫁接機的控制，根據其工作原理設計了基于N∶N網絡的控制系統，并進行軟件SFC步進順序編程實現。試驗結果表明：貼接法全自動嫁接機的控制系統工作運行情況良好且速度穩定，可滿足設計的要求。

自動嫁接機；PLC；電機控制

嫁接是農業生產中一門古老而又新興的技藝，其具有克服連作障礙、增強植株的抗病蟲害能力和抗逆性、提高產量等作用。嫁接技術在農業發達的國家得到了廣泛的應用與推廣[1-2]。由于傳統的嫁接技術主要靠人工作業，嫁接作業具有時令性，操作人員勞動強度大且生產效率不高。隨著機械電子技術、計算機控制技術的發展，工程技術學促使園藝學方面實現了自動化，蔬菜嫁接機隨著農業科學自動化的發展孕育而生，它可以在短時間內將接穗和砧木迅速接合，大大提高了嫁接作物的成活率、嫁接速度及效率。20世紀90年代，日韓在其國內首先開展了自動化與蔬菜嫁接結合技術的研究和開發，并進行推廣。隨后我國在中國農業大學張鐵中教授的帶領下也開展了蔬菜嫁接機的研究。目前我國蔬菜嫁接機還處于半自動到全自動的改良階段[3-4]。基于此，筆者采用三菱FX系列PLC[5-6]，以三菱的N∶N網絡通訊為基礎設計一套貼接法嫁接裝置的全自動控制系統，以期為我國蔬菜自動化嫁接技術發展提供科學依據。

1　全自動嫁接機的工作原理

1.1全自動嫁接機的機構組成全自動化嫁接機的機構部分包括自動嫁接裝置和2個上苗裝置，實物如圖1、2所示。自動嫁接裝置主要完成貼接嫁接的主要動作，自動上苗裝置完成嫁接苗中接穗和砧木的供給。

圖1　貼接法嫁接機Fig.1　Cut-pasted vegetable grafting robot

圖2　自動上苗裝置Fig.2　Automatic seedling feeding device

1.2全自動嫁接機的工作原理全自動嫁接機的工作原理如圖3所示。其工作時，自動上苗裝置自動供給接穗和砧木，完成上苗裝載后，自動嫁接裝置判別接穗和砧木是否裝載，砧木和接穗分別由步進電機帶動到切削工位進行切削，切削完成后搬運到接合工位，感知接穗和砧木就緒后啟動接合程序，將嫁接夾送入工位進行嫁接，然后嫁接苗下落，整個系統復位重新工作。

圖3　全自動嫁接機工作流程Fig.3　Working process of full automatic grafting robot

1.3全自動嫁接機的上苗工作流程及路徑全自動嫁接機的自動上苗裝置的上苗工作流程及路徑如圖4所示。由于并聯機構剛度大，速度快，因此采用二自由度的2-PRR并聯機械臂為控制對象，其主要控制2個電機帶動滑塊進行運動，其模型如圖5所示，其中滑塊3和滑塊7在導桿1上運動，并與桿4、桿5、桿6、桿7以及工作平臺2組成平行四邊形結構。

圖4　上苗路徑Fig.4　Seedling feeding path

圖5　2-PRR并聯機構Fig.5　The 2-PRR parallel mechanism

2　控制系統的設計

2.1硬件系統的設計

2.1.1PLC的選型及通訊網絡組建。在綜合考慮全自動嫁接機控制系統的工作模塊、通訊連接、步進控制、I/O口數量等因素后，選用三菱PLC的FX2N-48MT作為嫁接模塊的控制器，選用1對FX1N-40MT分別作為接穗和砧木自動上苗裝置的控制器，且2種PLC均帶有2個高速脈沖輸出口，便于嫁接裝置和自動上苗裝置中步進電機的控制。同時組建N∶N通信網絡系統，如圖6所示，以嫁接模塊為主站、自動上苗裝置為2個從站進行控制。

圖6　全自動上苗裝置控制系統通訊網絡Fig.6　Communication network of the control system for full automatic seedling feeding device

2.1.2PLC的I/O分配。全自動蔬菜嫁接機的控制系統的硬件主要由PLC、按鈕開關、氣動電磁閥、步進驅動器等組成，從而控制氣動元件和步進電機按照一定的順序進行工作。工作中嫁接裝置和砧木接穗上苗裝置均分別由獨立的PLC進行控制，故對其I/O分配比較方便。嫁接裝置控制系統I/O分配見表1，砧木接穗自動上苗裝置I/O分配見表2。

表1　嫁接裝置控制系統I/O分配

表2砧木接穗自動上苗裝置I/O分配

Table 2I/O allocation for full automatic seedling feeding device of stock and scion

輸入口Inlet信號名稱Signalname輸出口Outlet控制單元ControlunitX0上苗機構開始按鈕Y0、Y2滑塊3電機脈沖、方向X1上苗機構停止按鈕Y1、Y3滑塊7電機脈沖、方向X2上苗機構復位開關Y4嫁接苗夾持氣缸X3限位傳感器X4復位傳感器1X5復位傳感器2X6單動/聯機

2.1.3PLC對步進電機的控制。在嫁接裝置和上苗裝置中均用到了步進電機，其中接穗砧木上苗裝置機械臂中分別用到了2個，嫁接裝置中進行嫁接苗搬運的機械臂也用到了2個。該系統選用的是SH-20403型的驅動器和56BYG250C型的混合式步進電機，采用PLSY指令脈沖頻率和脈沖個數進行電機控制，通過步進電機的控制來實現機械臂的運動，從而實現上苗和嫁接整個過程。

2.2軟件系統的設計

2.2.1通訊網絡的軟件設定。全自動蔬菜嫁接機的控制網絡以N∶N為基礎，設定以嫁接裝置為主站0，以砧木上苗裝置為從站1，以接穗上苗裝置為從站2，在通訊網絡中進行軟件設定，如圖7～9所示。

注：M8038表示N∶N網絡參數設置；D8176表示站點號設置；D8177表示從站點總數設置；D8178表示設置模式范圍；D8179表示重試次數；D8180表示通信超時設置。Notes：M8038 is N∶N network parameter setting；D8176 is station number setting；D8177 is total number setting of auxiliary stations；D8178 is the range of setting mode；D8179 is the retries；D8180 is timeout setting of communication.圖7　嫁接裝置主站0軟件設定Fig.7　Setting of software 0 for main station of grafting robot

注：M8038表示N∶N網絡參數設置；D8176表示站點號設置。Notes：M8038 is N∶N network parameter setting；D8176 is station number setting.圖8　 砧木上苗從站1軟件設定Fig.8　Setting of software 1 for auxiliary station of stock seedling feeding

注：M8038表示N∶N網絡參數設置；D8176表示站點號設置。Notes：M8038 is N∶N network parameter setting；D8176 is station number setting；圖9　接穗上苗從站2軟件設定Fig.9　Setting of software 2 for auxiliary station of scion seedling feeding

2.2.2PLC程序的設計。PLC程序的設計主要是自動上苗裝置和嫁接裝置的控制。控制程序的設計主要以三菱的GX Developer軟件為平臺，采用SFC順序功能圖進行程序編寫，以工作“步”為中心，根據轉換條件進行邏輯處理。當PLC接收到自動取苗信號時，相應地輸出移動高速脈沖以及方向脈沖信號到步進電機驅動器中，從而驅動2個步進電機各自的轉動，最終實現控制機械臂豎直和水平方向的移動，末端執行器完成取苗動作。編程取苗流程如圖10所示。

根據嫁接裝置的過程，其順序功能狀態如圖11所示，其狀態轉換以其內部時間繼電器和傳感器為條件進行轉換。S0為系統初始狀態，然后進行并行控制，S10、S20分別為接穗和砧木的裝載狀態，S11、S21分別為接穗和砧木的夾持搬運狀態，S12、S22分別為接穗和砧木的切削狀態，S13和S23分別為接穗和砧木的搬運至貼合狀態，S30～S33分別為推嫁接夾、松開嫁接夾具、接穗砧木氣爪松開、系統復位。

3　試驗結果

為了測試全自動嫁接機控制系統的功能特性，進行整機聯機調試，所選用的接穗采用京欣1號，砧木采用浙蒲2號，以5×10穴盤進行培育試驗，自動上苗和嫁接完成苗分別如圖12、13所示。試驗結果表明，全自動嫁接作業平均速度為700株/h，成功率達85%。

4　小結

該研究設計的以三菱PLC的N∶N通訊網絡為基礎的控制系統工作簡單，穩定性高，可大大提高工作效率，具有很大的實用價值。

圖10　編程取苗流程Fig.10　Programmed seedling pick-up process

圖11　嫁接裝置順序功能Fig.11　Sequence function of grafting robot

圖12　自動上苗Fig.12　Automatic seedling feeding

圖13　嫁接完成苗Fig.13　Grafting of completed seedlings

[1] 辜松.蔬菜工廠化嫁接育苗生產裝備與技術[M].北京：中國農業大學出版社，2006.

[2] 近藤直，門田充司，野口伸共.農業機器人[M].喬軍，陳兵旗，譯.北京：中國農業大學出版社，2009.

[3] 沈衛平，張路.蔬菜嫁接機自動上苗裝置研究[J].輕工機械，2010，28(2)：22-26.

[4] 姜凱，辜松，鄭文剛，等.瓜科全自動嫁接機設計與試驗[J].農機化研究，2010(12)：129-132.

[5] 項偉燦，張路，武傳宇，等.直插式自動嫁接機控制系統的設計[J].機電工程，2009，26(10)：52-53，61.

[6] 趙金英，張鐵中.PLC在自動嫁接機控制系統中的應用[J].中國農業大學學報，2004，9(6)：53-55.

Design and Realization of Full Automatic Control System for Cut-pasted Vegetable Grafting Robot

WANG Zhe-lu

(Wenzhou Vocational and Technical College, Wenzhou, Zhejiang 325000)

To realize the control of cut-pasted vegetable grafting robot, N∶N network based control system was designed according to its operating principle, combining with software SFC stepped programming. Test results indicate that the automatic control system for grafting robot meets the design requirements, its operation is excellent, and operating speed is steady.

Full automatic vegetable grafting robot; PLC; Motor control

王哲祿(1987-)，男，浙江樂清人，助教，從事農業機械化、機器人化研究。

2016-05-25

S 22

A

0517-6611(2016)19-215-03