基于PLC 的果蔬采摘機械手系統控制設計

蒲維杰

（臨夏現代職業學院，甘肅 臨夏 731100）

0 引言

臨夏縣位于甘肅省東南部，是一個水果資源豐富的地區。其地理位置和氣候條件為多種水果的生長提供了理想的環境，使得臨夏的水果以品質優良和品種豐富而聞名。隨著近年來生活水平的提高和綠色健康食品需求的增加，臨夏縣大力發展果業生產，特別是在蘋果和梨的種植上已形成較大的生產規模。其產品不僅銷往國內市場，也出口到海外，贏得了良好的市場聲譽。然而，果業的快速發展也帶來了新的挑戰：傳統的人工采摘方式已經無法滿足日益增長的市場需求，同時也面臨著勞動力成本上升和勞動力老齡化的問題。

為了應對這些挑戰，臨夏縣正逐步引入果蔬采摘的機械化和自動化技術。采用先進的PLC 技術[1-5]的果蔬采摘機械手不僅可以有效提高采摘效率，降低勞動強度，還能保證水果的采摘質量。這種技術的應用不僅提高了水果產量和質量，還大大降低了生產成本，加速了臨夏縣農業現代化的步伐。總體而言，臨夏縣的水果產業正處于一個不斷發展和升級的階段。通過引入自動化和智能化技術，不僅提升了產業的競爭力，也為當地農民帶來了更多的經濟效益，從而有助于推動臨夏縣乃至整個甘肅省的農業和經濟發展。

1 總體方案設計

1.1 執行系統設計

1.1.1采摘方案對比

在果蔬采摘機械手的應用中，主要有三種采摘方式：旋轉式、拉拽式和刀具剪切式。旋轉式采摘雖簡單，但易損傷成熟果實；拉拽式雖快速，但操作粗暴，可能損害果實。相比之下，刀具剪切式采摘法雖然復雜，需要額外的刀具，但它在保持果實完整性方面表現更佳。考慮到果實完整性對運輸和儲存的重要性，刀具剪切式成為更優選擇，盡管操作上較為復雜，但能有效避免果實損傷，保證其經濟價值。因此，綜合各方面因素，刀具剪切式是最合適的采摘方法。

1.1.2機械手的組成

果蔬采摘機械手執行系統的組成如下。

1）手部：機械手夾持果蔬的部位。

2）刀具：用于剪斷果蔬和枝干的連接。

3）臂部：支持夾手運動的部位。

4）機座：機械手用于支撐機械臂的部位。

5）驅動系統：用于提供機械手臂部、機械手夾手和刀具運動動力。

由上述執行系統和其他設備組成果蔬采摘機械手，如圖1所示。

圖1 機械手結構組成

1.2 控制方案設計

1.2.1自動采摘控制設計

果蔬采摘機械手的核心技術之一是視覺系統，基于數字圖像處理技術，精準識別和定位目標果蔬。這一系統通過CMOS 傳感器將光信號轉換為電信號，隨后工業攝像機捕捉的模擬信號被轉換為數字信號，以便于工控計算機進行處理。在這個過程中，每個像素點的灰度值代表光強，這些值被存儲在CMOS芯片的矩陣數據結構中。工控計算機處理這些信號，并指導機械手的運動。在采摘過程中，機械手利用CDC 攝像機作為視覺控制系統的感應器，識別果蔬的具體位置[6-10]。視覺系統分析后，控制小車移動至采摘點。機械手到位并復位后，通過伸縮氣缸伸出夾手，夾緊果蔬。一旦確認果蔬被穩固夾住，夾手通過氣缸回縮，同時刀具剪斷果蔬與枝干的連接。剪斷操作完成后，夾手攜帶果蔬通過機械臂的擺動氣缸移至儲存點，將果蔬放入儲存倉。隨后，機械臂復位至初始位置，視覺系統檢測儲存倉重量，確認無超重情況后，控制小車移動至下一個采摘點。通過上述流程，機械手實現了果蔬采摘的自動化。

1.2.2手動采摘控制設計

果蔬采摘機械手同時具備手動控制，可以實現夾手伸出、回縮、果蔬摘取和儲存等功能。

PLC 機械手復位到采摘點：擺動氣缸右旋機械手到達采摘點。

夾手前伸：伸縮氣缸前伸到達抓取果蔬位置。

夾手回縮：伸縮氣缸回縮到原位。

夾手夾緊/松開：實現對果蔬的抓取和儲存。

2 PLC程序設計和仿真

2.1 啟停程序設計

本文使用三菱GX Works2 軟件進行PLC 程序的編寫，該編程軟件是FX 系列PLC 的中文編程軟件。啟動、暫停程序：按下啟動按鈕，自動、手動程序才能運行，按下暫停按鈕X015（上升沿觸發）啟動輔助繼電器M0 斷電，自動程序跳轉到最后一段（即P0處），自動、手動程序暫停。再按一次，自動程序繼續運行。啟動程序如圖2所示。

圖2 啟動程序

自動、手動程序轉換：按下自動按鈕X020，M88輔助繼電器得電，自動指示燈亮起，手動程序不能運行。同理，按下手動按鈕X021，M99 輔助繼電器得電，手動指示燈亮起，自動程序不能運行。自動、手動程序轉換程序如圖3所示。

圖3 自動、手動程序轉換程序

2.2 自動程序設計

自動程序要具備采摘點識別到位X0、啟動輔助繼電器M0 得電等條件才能自動運行啟動，條件得到滿足后M18 輔助繼電器得電夾手前伸，前伸觸發限位開關后M18 斷電，M10 得電夾手夾緊。夾手夾持自動程序如圖4所示。

圖4 夾手夾持自動程序

夾手夾緊時若夾不到果蔬，則夾緊限位得電，M19、M11得電夾手回縮松開，然后重復上述程序，夾手重新伸出夾緊果蔬。夾手復位自動程序如圖5所示。

圖5 夾手復位自動程序

夾手夾住果蔬，壓力傳感器得電，M20 得電夾手回縮，回縮至限位開關X006 得電，M20 斷電回縮停止。M13得電，刀具對果蔬進行切割。切割果蔬自動程序如圖6所示。

圖6 切割果蔬自動程序

刀具切割后X012 開關量傳感器檢測到果蔬與枝干斷開后得電，機械手運動到儲存點。左旋自動程序如圖7所示。

圖7 左旋自動程序

機械手到達儲存點后，夾手松開。夾手松開自動程序如圖8所示。

圖8 夾手松開自動程序

夾手松開到達限位開關X007 得電，經計時器計時2 s 后，機械手運動復位到原位。復位后，若儲存點載重達標，自動程序停止；若未達載重上限，識別系統控制小車到達下一個果蔬采摘點繼續采摘。右旋1、右旋2 自動程序如圖9、圖10所示。

圖9 右旋1 自動程序

圖10 右旋2自動程序

3 結論和展望

筆者經過前期對果蔬采摘機械手的了解研究后開始設計相應的控制方案，控制方案現已達到預期效果。果蔬采摘機械手能夠通過PLC 控制器和其他傳感器的配合，進行果蔬的自動采摘和儲存。在果蔬采摘過程中，既能手動控制也能自動控制，同時，在發生故障時能夠按下停止或急停按鈕并發出報警信號。在本次設計過程中筆者能十分清晰地認識到實踐在機械自動化領域中非常重要，并且在自動化設計中要具備充足的理論知識。