葛笑寒

(1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 三門峽 472000;2.河南科技大學(xué) 應(yīng)用工程學(xué)院,河南 三門峽 472000)

0 引言

機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動作功能,用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化,不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量,而且對保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強(qiáng)度、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約原材料消耗及降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。隨著農(nóng)業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展,采摘機(jī)械人被應(yīng)用到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,目前采摘機(jī)器人發(fā)展的主要瓶頸是采摘效率和成功率。要想提高機(jī)器人的作業(yè)效率和精度,需要引入穩(wěn)定性好、工作效率和控制精度較高的控制裝置,而基于PLC的控制系統(tǒng)可以滿足這些設(shè)計需求,對于提高采摘機(jī)械的作業(yè)水平具有重要的意義。

1 采摘機(jī)器人執(zhí)行末端動作原理和設(shè)計

采摘機(jī)械人機(jī)械手執(zhí)行末端是機(jī)器人的最重要部件之一,其動作精度直接關(guān)系到采摘機(jī)器人果實定位的精度和采摘的成功率。采摘機(jī)械手執(zhí)行末端的定位主要利用傳感器來對采摘目標(biāo)進(jìn)行檢測來確定具體方位。傳感器可以采用非接觸方式感知被檢測物體的物理信息,基本結(jié)構(gòu)包括傳感元件、信號調(diào)節(jié)器、敏感元件和輔助裝置,如圖1所示。

圖1 傳感器組成和原理

工作時,被檢測果實目標(biāo)物通過傳感器的敏感元件被感知,然后將感知信息傳遞給傳感元件;傳感元件將信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換(如將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號),再輸出信號。

圖2為采摘機(jī)械手的執(zhí)行末端導(dǎo)氣缸的示意圖。

圖2 執(zhí)行末端導(dǎo)向氣缸

圖2中,氣缸和外連接板及氣爪相連接,在活塞的帶動下外連接板運動;導(dǎo)桿限制了執(zhí)行末端的轉(zhuǎn)動,因此在移動時可以沿指定方向進(jìn)行動作。

與執(zhí)行末端導(dǎo)氣缸連接的是氣爪,如圖3所示。氣爪可以抓緊果實后進(jìn)行相關(guān)的采摘作業(yè),采摘完成后在導(dǎo)向氣缸的作用下先進(jìn)行相關(guān)的移動,達(dá)到果盤后松開氣爪,將果實存放到果盤里,完成單周期采摘動作。

圖3 執(zhí)行末端氣爪

2 基于PLC的采摘執(zhí)行末端控制系統(tǒng)設(shè)計

智能機(jī)械手是一種模擬人手臂動作的裝置,可以根據(jù)人為編程指定的動作和軌跡進(jìn)行作業(yè)(如抓取、搬運和操作工具等),最重要的是機(jī)械手執(zhí)行末端的控制。三自由度機(jī)械手的作業(yè)靈活性較大,能夠?qū)崿F(xiàn)水平、垂直和旋轉(zhuǎn)動作,通過這些動作來定位待作業(yè)的物體,然后利用執(zhí)行末端進(jìn)行相關(guān)作業(yè)。近年來,采摘機(jī)器人開始被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn),因果實成熟期間采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境是相對復(fù)雜的,一方面果實的數(shù)量較多,要求采摘機(jī)械手具有較高的采摘效率,另一方面對于種類繁多的果實,要想使采摘機(jī)器人具有通用性需要其具有較好的定位能力,采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計很重要。

PLC起初是一種專門為工業(yè)生產(chǎn)而設(shè)計的數(shù)字控制電子裝置,由于其體積小、操作簡單、編程效率高、功能強(qiáng)大而被應(yīng)用到各個領(lǐng)域,如果將其使用在采摘機(jī)械手執(zhí)行末端控制系統(tǒng)的設(shè)計上,可以有效提高機(jī)械手的作業(yè)效率。步進(jìn)電機(jī)具有很好的可控性,可以將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移,其誤差較小,只有周期性誤差而沒有累計誤差。結(jié)合PLC和電機(jī)設(shè)計的采摘機(jī)械手執(zhí)行末端如圖4所示。

圖4為本次設(shè)計的采摘機(jī)械手裝置示意圖。采摘機(jī)械手動作主要分為左右移動、上下移動、旋轉(zhuǎn)、夾緊和松開,這些動作分別由步進(jìn)電機(jī)、選擇電機(jī)和啟動夾緊裝置組成。其動作的基本流程如圖5所示。

圖4 采摘機(jī)械手執(zhí)行末端示意圖

圖5 果實采摘過程PLC控制流程圖

以某一果實的采摘為例,如果果實在采摘機(jī)械手正下方,采摘機(jī)械手執(zhí)行末端電機(jī)通過脈沖控制執(zhí)行下降、夾緊對果實進(jìn)行采摘;然后再上升和右移將果實移動到果盤上方后,松開果實后通過上升和左移回位。如果在同一位置范圍內(nèi)有多個果實,可以利用循環(huán)控制的方式對果實進(jìn)行采摘,采摘完成后通過再次定位,采摘其他方位的果實。

采摘機(jī)械手執(zhí)行末端的移動主要是由PLC控制的步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn),步進(jìn)電機(jī)的選擇主要根據(jù)以下步驟來選型。首先是計算機(jī)減速比,減速比主要根據(jù)脈沖當(dāng)量來計算,即

i=(φ·S)/(360·Δ)

(1)

其中,φ為步進(jìn)電機(jī)的步距角;S為絲杠螺距;Δ為脈沖。裝置加在電機(jī)軸上的慣量為Jt,表達(dá)式為

Jt=J1+(1/i×2)[(J2+Js)+W/g(S/2π)×2]

(2)

其中,J1、J2為齒輪慣量;Js為絲桿慣量;W為工作臺質(zhì)量。第3步計算輸出總力矩M,公式為

M=Ma+Mf

(3)

其中,Ma表示電機(jī)啟動的加速力矩。

Ma=(Jm+Jt)·n/T×1.02×10-2

(4)

其中,Jm、Jt分別為電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速;T為電機(jī)升速時間。

Mf為克服導(dǎo)軌摩擦折算的轉(zhuǎn)矩,其計算公式為

Mf=(μ·W·S)/(2πηi)×10-2

(5)

其中,μ為摩擦因數(shù);η為傳遞效率。根據(jù)計算得到的主要參數(shù)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選擇,電機(jī)通過PLC控制發(fā)送脈沖來執(zhí)行采摘機(jī)械手末端的動作。輸入部分的PLC原理圖如圖6所示。

圖6 輸入部分PLC原理圖

圖6中,輸入主要采用脈沖輸入的方式,主要輸入夾緊和松開、上升和下降、左行和右行、順時針和逆時針轉(zhuǎn)動等動作。輸出部分的設(shè)計如圖7所示。

根據(jù)PLC輸入和輸出部分的原理圖,可以采用編程的方式對采摘機(jī)械手控制末端的動作進(jìn)行編程控制,為了驗證方案的可行性,利用PLC仿真調(diào)試軟件模擬控制系統(tǒng)的運行,從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

3 采摘機(jī)械手執(zhí)行末端控制系統(tǒng)測試

為了驗證基于PLC控制系統(tǒng)的采摘機(jī)械手執(zhí)行末端的性能,對其各種動作進(jìn)行測試,包括上移、下移、左移、右移、旋轉(zhuǎn)、加緊和松開等。PLC的I/O地址分配如表1所示。

圖7 輸出部分原理圖

表1 PLC的I/O地址分配

表1中,PLC的I/O地址分配分為輸入和輸出部分:輸入部分包括夾緊按鈕、松開按鈕、下降按鈕、上升按鈕、左移按鈕和右移按鈕;輸出部分包括上移、下移、左移、右移、夾緊和松開電磁閥。根據(jù)PLC的設(shè)計原理圖和I/O端口分配,可以對采摘機(jī)械手執(zhí)行末端的動作進(jìn)行編程,然后利用組態(tài)軟件進(jìn)行仿真調(diào)試,驗證動作方案的可行性。驗證過程采用自動工作方式,測試界面如圖8所示。

MCGS 是為工業(yè)過程控制和實時監(jiān)測領(lǐng)域服務(wù)的通用計算機(jī)系統(tǒng)軟件, 可以對三自由度采摘機(jī)械手進(jìn)行調(diào)試,操作簡單使用方便。通過測試得到了如表2所示的測試結(jié)果。

圖8 基于MCGS的控制系統(tǒng)調(diào)試

表2 測試結(jié)果匯總表

采用MCGS對采摘機(jī)械手執(zhí)行末端的測試主要包括采摘動作單周期的完成時間和執(zhí)行末端的定位精度,結(jié)果表明:采摘機(jī)械手完成單周期的最短時間僅為5.12s,執(zhí)行末端的定位精度最低在90%以上,可以滿足高精度采摘機(jī)械人設(shè)計的需求。因此,將PLC控制系統(tǒng)使用在采摘機(jī)器人機(jī)械手執(zhí)行末端是可行的。

4 結(jié)論

采摘機(jī)器人是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中已經(jīng)開始使用的自動化裝置,其采摘效率和精度主要受執(zhí)行末端的定位和響應(yīng)效率影響較大。為此,將PLC控制器引入到了機(jī)械手執(zhí)行末端的控制系統(tǒng)的設(shè)計中,并設(shè)計了詳細(xì)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件執(zhí)行流程方案。為了驗證方案的可行性,采用MCGS組態(tài)軟件對采摘機(jī)械手執(zhí)行末端PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試,結(jié)果表明:基于PLC控制器的采摘機(jī)械手執(zhí)行末端具有較高的響應(yīng)效率和定位精度,將PLC控制器引入到采摘機(jī)械手的設(shè)計上對于現(xiàn)代自動化采摘機(jī)械的研究具有重要的意義。