李月寒，吳何畏，張 武，陳 新，史志慧

（湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng) 441000）

0 前言

傳統(tǒng)人工采摘水果作業(yè)難度大、采摘效率低，生產(chǎn)力不能適應(yīng)生產(chǎn)關(guān)系的發(fā)展。目前多數(shù)采摘裝置以自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為主體、有機(jī)融合各種現(xiàn)代信息技術(shù)的系統(tǒng)集成和應(yīng)用，存在成本造價(jià)昂貴、后期機(jī)器維護(hù)繁瑣、采摘與運(yùn)輸不相結(jié)合等缺點(diǎn)[1]。本文介紹了以ROBO.TXT為主控的全方位水果采摘機(jī)，該設(shè)計(jì)使用ROBO.TXT控制器、氣動(dòng)元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)了采摘水果自動(dòng)化[2]。

圖1 采摘水果機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1 氣動(dòng)水果采摘機(jī)系統(tǒng)組成和工作原理

氣動(dòng)水果采摘機(jī)械手由雙氣缸、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋副組成，連桿、氣缸具有成本較低、重量輕的特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)減少果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，基本上實(shí)現(xiàn)了模擬果農(nóng)采摘水果的動(dòng)作。圖1為采摘水果機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖[3]，6為雙氣缸帶動(dòng)采摘機(jī)升降，4為單氣缸帶動(dòng)7、8、9連桿控制采摘機(jī)夾緊水果。

整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在蝸輪蝸桿上，實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，一個(gè)工作節(jié)拍可以完成對(duì)周?chē)乃烧?；整體結(jié)構(gòu)包括一個(gè)單氣缸和連桿機(jī)構(gòu)組成的夾取裝置、雙氣缸傳遞上升下降運(yùn)動(dòng)及蝸輪蝸桿傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)全方位采摘的裝置，圖2為FLUIDSIM回路仿真[4]。氣動(dòng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括氣缸、電磁閥、氣泵、換向閥。氣缸1、2出氣口有調(diào)速閥，起背壓、調(diào)速作用，機(jī)械手加載過(guò)程中減小下降速度[5]。氣缸3出氣口連接減壓閥，起減壓作用，減小機(jī)械手夾緊力，防止損壞水果。三位五通電磁換向閥5、8中位機(jī)能為O型起鎖緊回路作用。

圖2 FLUIDSIM回路仿真

當(dāng)Y1得電時(shí)，機(jī)械手上升，當(dāng)Y2得電時(shí)，機(jī)械手下降，氣缸1、2兩缸分別作用平衡機(jī)械手上端使其穩(wěn)定，調(diào)速閥在出氣口，使開(kāi)口減小，防止機(jī)械手加載過(guò)程中下降速度過(guò)快。當(dāng)Y4得電時(shí)，機(jī)械手夾緊，減壓閥在出氣口進(jìn)行減壓，使得機(jī)械手夾緊力減小，防止損壞水果。當(dāng)Y3得電時(shí)，機(jī)械手松開(kāi)。

2 氣動(dòng)水果采摘機(jī)程序設(shè)計(jì)[6]

2.1 采摘機(jī)主程序設(shè)計(jì)

在程序控制設(shè)計(jì)方面，使用的是慧魚(yú)ROBOPRO軟件，以ROBO.TXT為主控制器，通過(guò)ROBOPRO控制軟件和接口板把計(jì)算機(jī)和模型相連，通過(guò)程序的設(shè)計(jì)并進(jìn)行調(diào)試解決問(wèn)題。該設(shè)計(jì)特色在于使用了一種全新的程序編輯方式——用各種程式模塊來(lái)代替編程語(yǔ)言，通過(guò)流程圖和數(shù)字流程圖的結(jié)合可以生成圖形化將機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)流程設(shè)計(jì)好，再配合所需要的各種程式模塊，將其內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定好即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)行[7]。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)由小車(chē)驅(qū)動(dòng)程序、采摘機(jī)械手旋轉(zhuǎn)程序、采摘機(jī)械手平移程序、采摘機(jī)械手夾具剪切程序與程序控制界面組成。如圖3所示為主程序圖，由機(jī)械手移動(dòng)、機(jī)械手夾具運(yùn)動(dòng)、蝸桿旋轉(zhuǎn)、小車(chē)移動(dòng)4個(gè)主程序組成，采用了多進(jìn)程設(shè)計(jì)思想。當(dāng)外部按鈕按下時(shí)，外部的按鈕信號(hào)輸入主程序模塊內(nèi)，主程序調(diào)用子程序，使電機(jī)運(yùn)動(dòng)或停止，當(dāng)執(zhí)行完成子程序時(shí)，程序返回到主程序繼續(xù)等待下一個(gè)按鈕信號(hào)。

圖3 采摘機(jī)主程序

2.2 行走子程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)構(gòu)的行走功能，設(shè)計(jì)了行走子程序。圖4所示為小車(chē)移動(dòng)子程序，帶動(dòng)小車(chē)運(yùn)行的電機(jī)啟動(dòng)為上升沿觸發(fā)，按下控制界面里的“車(chē)啟動(dòng)”按鈕，子程序接收到上升沿的信號(hào)，電機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)。電機(jī)關(guān)閉為下降沿觸發(fā)，按下控制界面里的“車(chē)關(guān)閉”按鈕，電機(jī)關(guān)閉車(chē)輪停止運(yùn)動(dòng)。

圖4 小車(chē)行走子程序

2.3 觸摸屏面板設(shè)計(jì)

圖5 為采摘機(jī)觸摸屏面板，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕，采摘機(jī)便可以執(zhí)行相應(yīng)的操作，按鈕的含義如圖5所示。

圖5 采摘機(jī)觸摸屏面板

“順時(shí)針旋轉(zhuǎn)”、“逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)”表示電機(jī)帶動(dòng)蝸桿，蝸輪進(jìn)行順時(shí)針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)停止表示控制蝸輪旋轉(zhuǎn)停止。

“前移”、“后移”表示機(jī)械手與機(jī)械手支撐桿在齒條前后移動(dòng)，上升、下降表示支撐桿單獨(dú)在齒條前后移動(dòng)及螺旋副的旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)械手夾具上下運(yùn)動(dòng)。

“夾具上升”、“夾具下降”表示電磁閥開(kāi)閉控制氣缸的往返運(yùn)動(dòng)及螺旋副的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手夾具的開(kāi)閉合。

“夾剪水果”、“松開(kāi)水果”表示電磁閥開(kāi)閉控制氣缸的往返運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)械手夾具的開(kāi)閉合。

3 結(jié)束語(yǔ)

以ROBO.TXT為主控制器，控制機(jī)械結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)元件。采用氣動(dòng)組件、齒輪齒條組件、蝸輪蝸桿組件搭建采摘機(jī)構(gòu)，由Fluidsim對(duì)氣動(dòng)回路的正確進(jìn)行分析。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，減輕果農(nóng)的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。