采摘機械手伺服控制系統電氣自動化設計——基于PLC控制器

尤向陽

(1.三門峽職業技術學院,河南 三門峽 472000；2.河南科技大學 應用工程學院，河南 三門峽 472000)

0 引言

目前，大部分地區的水果采收方法還是采用人工采摘方式，效率低，勞動強度大，安全性較差，極大地制約了水果產業化、商品化的發展，而如果引入采摘機器人對果實進行采收，將極大地提高果實的采摘效率。在果實成熟季節，一些果實的體積較大，在設計采摘機械手時可以將其設計成爪形的卡盤，然后用電動刀具切割枝干來完成摘取。但是，在摘取過程中，由于很多果實較為柔軟，容易破碎，因此需要對采摘機械末端進行精確的控制。為了保證切割刀具和爪的協同工作，需要引入一種高效的控制系統。本次將PLC可編程控制器引入到采摘機械手的伺服控制系統中，以期提高控制系統的自動化程度和精度。

1 電機伺服系統及其在采摘機械手控制過程中的應用

電機伺服系統主要分為兩類：一是DC直流伺服系統；二是AC交流伺服系統。其中，AC又可以分為異步電機和同步電機伺服系統。電氣伺服系統的應用非常廣泛，原因是電氣伺服系統控制方便，驅動能源較為普及，沒有污染，且設備的維護容易。近年來，隨著電子技術和計算機技術的發展，電氣伺服系統也有了較大的進步，應用前景越來越廣闊。

交流伺服電機共分為兩種形式：一是同步型；二是感應型。同步型電機采用永磁體，也叫無刷直流伺服電機，具有直流電機的各種優點，但不接觸換向部件，需要編碼器來實現；感應型電機是指籠型感應電動機，可以對轉矩分量和激勵分量同時控制，也具有直流電機的各種優點。

伺服系統一共分為4部分，包括定位模塊、誤差放大模塊、執行部件和被控對象。其利用全封閉無刷結構，具有結構緊湊、外形小、質量輕、散熱效果好、可靠性高、運行平穩等特點。由于其性能好、容量高，應用越來越廣泛。伺服系統采用SPWM(脈寬調制變頻)變頻調速，觸發器電路是脈沖波，這些脈沖波可以調脈寬，進而改變電路的電壓。如按照正弦規律調頻，就是SPWM變頻調速。其原理如圖1所示。

圖1 SPWM變頻的工作原理圖

在進行變頻調速時，如果想要輸出正弦波電壓，可以采用一系列幅值不變的矩形脈沖來等效，在相同時間內正弦波圍城的面積和矩形波面積相同即可。等效的精確程度和單位時間內脈沖的數量有關，想要獲取較高的精度，可以加大單位時間內脈沖的個數。本次采摘機械手的設計過程中，將采用伺服電機系統，并利用PLC可編程控制器對采摘動作進行控制，以提高采摘機械手的自動化程度和控制精度。

2 基于PLC的電氣自動化控制系統設計

為了實現采摘機器人采摘機械手的自動化作業，需要采用相關硬件和自動化程度來控制機械手的執行末端。作業時，首先通過傳感器對果實信息進行采集，并利用相關處理程序根據果實的大小和顏色來判斷果實的成熟度，成功識別果實成熟度后給PLC發送采摘或者不采摘命令。如果不采摘，則繼續下一個果實目標的識別；如果采摘，PLC在接受到信號之后驅動伺服電機的驅動器，對采摘目標進行采摘。其總體的控制原理如圖2所示。

圖2 系統控制原理圖

系統主要由5部分組成，包括傳感器、遙控器、PLC控制器、伺服電機驅動器及伺服電機。作業過程中，如果遇到特殊情況，采摘機器人操作人員還可以通過遙控器對其進行遠程控制，驅動按鈕直接安裝在遙控器上，遙控器接受驅動命令后發動給PLC控制器，PLC直接驅動伺服電機驅動器來完成相關動作。伺服電機的控制，原理如圖3所示。

伺服電機在控制時，需要采用專門的驅動器。包括脈沖發生單元、保護單元和功率驅動單元等，驅動器和功率驅動單元直接通過耦合來實現，控制單元利用微機控制實現。采摘機械手的軟件控制設計流程如圖4所示。

圖3 伺服電機控制原理圖

圖4 軟件設計流程

為了實現采摘機械手的精確采摘，采用軟件編程的控制方式。在機械手到達待采摘的果實位置后，首先利用機械手進行抓取，啟動收割機刀具，利用收割刀具將果實的枝柄割斷，再進行取果操作。這個自動化采摘過程采用反饋調節的方式，如果抓取不成功，則重新定位抓取；如果割刀沒有一次性將枝柄割斷，則繼續切割；取果后，采摘機械手重新恢復到待采摘點，進行下一次采摘操作。

伺服電機的PLC控制程序可以通過梯形語言來進行編制，控制程序在上位機中編制、調試和編譯后，即可下載到 PLC 中。圖5為伺服電機的控制程序。其中，Y0表示輸出脈沖信號，Y1和Y2表示方向和脫機信號，STOP表示脈沖停止信號。在進行編制和調試時，可以首先安裝西門子系列PLC進行編程調試，最后改用在實際采用的PLC芯片上。

圖5 伺服電機控制梯形圖

3 采摘機器人果實自動化采摘系統測試

采摘機械手通過PLC編程和伺服電機控制，可以實現自動化采摘作業。為了完成采摘機器人的電氣系統測試，還需要設計硬件系統和軟件操作界面，進一步對其性能進行驗證。

圖6為采摘機械手作業過程的示意圖。進行測試時，需要設計硬件系統來對各種信息進行采集。系統通過PLC核心控制器完成相關的采摘動作，同時通過人機界面對測試數據進行監測。硬件系統的框架結構如圖7所示。

在測試系統上安裝有遠程按鈕，可以對采摘機械手進行各種遠程操控。采摘機器人的核心控制器采用PLC控制器，系統安裝有人機界面，可以實現作業數據的采集和監測。最后，PLC通過執行部件，如接觸器、繼電器和指示燈驅動電機完成相關的動作。其硬件參數如表1所示。

表1 測試系統硬件參數表

續表1

為了保證各器件協調工作，采用PLC集中控制的方式，設置各種硬件的接口。本次采用PLC是三菱公司的PLC產品，其實物圖如圖8所示。

圖6 采摘機械手示意圖

圖7 實驗測試硬件系統設計圖

圖8 PLC控制器實物圖

PLC控制器可以完成接受指令、發出控制指令等功能，實現自動化采摘過程。在進行采摘作業測試時，主要對采摘成功率和采摘破損率進行了測試，結果如表2所示。

表2 采摘成功率和破損率

測試結果表明：采用PLC控制系統后，除了具有較高的自動化水平外，成功采摘率較高，果實破損率較低，能夠滿足高精度采摘的需求。

4 結論

為了提高采摘機器人機械手的采摘準確率和采摘精度，將PLC可編程控制器引入到了采摘機械手的伺服控制系統中，從而提高了采摘機械手各部件的協同作業水平及機械手作業的效率。為了驗證PLC控制系統的可靠性，對采摘機械手進行了試驗測試，結果表明：采摘機械手具有較高的采摘準率，且果實的破損率也較低，從而驗證了PLC可編程控制器在采摘機器人伺服控制系統中使用的可行性，對于提高采摘機械手的采摘精度和效率具有重要的意義。