摘要

　　論文通過對搬運機械手、切削裝置、夾持裝置等動作控制過程進行研究分析，最后結合蔬菜嫁接作業(yè)的特點，開發(fā)出基于PLC的黃瓜嫁接自動控制系統(tǒng)，包括控制器的硬件設計、軟件設計以及故障的自診斷和自處理程序設計，不僅能實現(xiàn)手動作業(yè)模式下分步控制，便于樣機的調試和程序的修改以及故障的查詢，而且可以實現(xiàn)嫁接過程的自動控制，以最大限度的發(fā)揮其工作效率。該機抗干擾能力強，可靠性好，大大提高了嫁接效率，具有極高的推廣價值。

　　關鍵詞：嫁接自動化可編程控制器裝置

　　前言

　　隨著我國人口的急劇增長和人民生活水平的迅速提高，對蔬菜的需求量越來越大，對蔬菜品質的要求也越來越高。黃瓜(Cucumber)作為我國老百姓喜愛的大眾蔬菜，其消費量很大，因此黃瓜的生產發(fā)展很快，黃瓜的種植面積已頗具規(guī)模。同時也帶來了連作、病蟲害等問題。嫁接是解決這些問題的最有效方法之一。人工嫁接生產率低、嫁接質量差異較大，難以滿足蔬菜嫁接育苗生產的要求。因此進行嫁接機的研究對促進蔬菜嫁接機械化發(fā)展具有重要理論意義和實用價值。

　　蔬菜嫁接栽培技術在一些農業(yè)發(fā)達國家己得到相當普遍的應用，但進行有關蔬菜秧苗自動嫁接技術研究的只有日本、韓國和中國等少數(shù)國國家。其中日本是進行蔬菜秧苗自動嫁接最早的國家。我國自1993年開始蔬菜自動化嫁接研究以來，在多個領域取得了較大成就，部分樣機己投入生產。

　　1、系統(tǒng)結構設計

　　嫁接機總體按照模塊化設計思想，把整個系統(tǒng)分為若干模塊，設計了一套黃瓜自動嫁接裝置，主要包括砧、穗木供苗機構、砧穗木搬運機械手、砧穗木苗切削機構、夾持機構等部分，實現(xiàn)了砧、穗木苗的供苗、切削、苗夾固定等功能。其中本裝置中的秧苗切削裝置采用了支撐下的滑切技術，不僅切削阻力小，而且切口位置、形狀的穩(wěn)定性好，有利于后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)的進行，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)該切削方式與2JSZ-600型蔬菜嫁接機所用切削方式相比，大大減少了對砧、穗木的損傷；機械手爪設有“V”型對正槽，手爪指頭上膠粘緩沖墊，可防止損傷幼苗且吸收苗莖桿的偏移等。該嫁接機與其他嫁接機相比具有結構簡單，動作準確，嫁接效率高等優(yōu)點。

　　2、嫁接機組成

　　貼接法無論是從嫁接技術難易程度上，還是成活率以及嫁接速度等方面，都較其他嫁接方法有明顯的優(yōu)點，適合于機器嫁接。因此本研究采用貼接法實現(xiàn)黃瓜秧苗的自動嫁接。

　　嫁接機主要由嫁接機本體、控制器及傳感系統(tǒng)等組成，其結構框架如圖1所示。

　　圖1自動嫁接機系統(tǒng)結構圖

　　1穗木輸送電機2法蘭盤3穗木輸送帶4穗木直動氣缸5穗木夾持氣爪和傳感器6送夾直動氣缸7氣缸固定支架8秧苗夾筒9秧苗夾10秧苗夾進給軌道11秧苗夾阻尼塊12砧木輸送帶13軸承座14砧木苗盤15砧木夾持氣爪16直動氣缸固定座17氣缸固定支架18砧木輸送電機19傳感器20旋轉切刀21切削刀直動氣缸22旋轉氣缸23氣缸固定支架

　　嫁接機主要由四大部分組成：兩個輸苗盤及使苗盤驅動嫁接苗搬送系統(tǒng)；用于抓苗、送苗到達指定位置的機械手搬運裝置；用于砧木和穗木切削的切苗裝置；用于將切割后的砧木和穗木固定在一起的送夾機構和用于排出嫁接苗的排苗輸送帶。供苗臺上設計了兩個工位，每一工位設計一個手爪用來完成砧、穗木的抓取搬運工作，其中手爪抓苗與伸縮由直動氣缸控制。根據(jù)嫁接操作的要求，砧木需要單子葉斜切，穗木也需斜切，因此砧、穗木切削機構相似，主要由切削刀桿、擺動馬達軸、彈簧、切削機構支架和切削支撐機構等組成。嫁接機的自動送夾機構主要由推夾氣缸、推送桿、滑塊等組成。

　　3、嫁接機的工作過程

　　當操作人員將砧木、穗木苗分別放到各自供苗臺上時，觸動壓電傳感器發(fā)出信號，控制機械手氣爪立即抓住苗木，等待切削刀進行切割；為了保證操作的安全性，切削過程切削刀首先在直動氣缸作用下伸出到達切削位置，然后由旋轉馬達（擺動馬達）帶動切削裝置旋轉，實現(xiàn)砧、穗木苗的單支撐切割，以保證穩(wěn)定的切口斷面，并減少對秧苗的沖擊和損壞；然后切削機構回位，等待下一次切削；此時夾有切削苗的機械手在直動氣缸的作用同時向夾持位置伸出并在切削刀旋轉中心位置結合；送夾機構在直動氣缸作用下，推出一個夾子，以打開狀態(tài)送向已經(jīng)接合的秧苗，當?shù)竭_夾持位置時，秧苗夾在彈簧作用下閉合，實現(xiàn)砧木、穗木的夾持，最后通過控制手爪氣缸，機械手松開砧木、穗木苗，使已經(jīng)完成嫁接的秧苗落到秧苗搬運輸送帶，實現(xiàn)秧苗的向外運送，完成苗的嫁接作業(yè)。

　　4、砧穗木切削裝置設計

　?。?）、切削裝置結構設計

　　用貼接法嫁接時要求用刀片分別對穗木、砧木進行切削。砧木需要單子葉斜切，穗木也需斜切，因此砧、穗木切削機構相似，主要由直動氣缸、旋轉氣缸（擺動馬達）、切削刀、切削支架機構和氣缸固定機構等組成，切削裝置如圖2所示。

　　圖2切削裝置結構圖

　　1切削刀2切削刀支架3直動氣缸4旋轉氣缸5氣缸固定機構

　　本研究采用旋轉氣缸即擺動馬達帶動門形切削支架，支架兩側安裝切刀分別切削砧木和穗木，旋轉切削示意圖如圖3所示。這種機構僅需一個旋轉切削部件就可同時完成對砧木、穗木的切削，減少了工作部件和控制部件，使整個嫁接機結構更緊湊。

　　圖3旋轉切削示意圖

　　擺動馬達采用天津特精帕克氣動液壓機械有限公司生產的MB型葉片式擺動馬達

　　葉片式擺動馬達的輸出轉矩為主要性能參數(shù)，表示擺動馬達的輸出能力，其轉矩的大小為：

　　其中：

　　M—轉矩（Nm）；D——缸體內徑（m）；d——輸出軸直徑（m）；b——葉片輸出長度（m）；n——葉片數(shù)；p——工作壓力（MPa）

　　（2）、機械手的設計

　　根據(jù)嫁接工藝對機械手動作的要求。機械手主要由傳感器、氣缸氣爪、直動氣缸等組成。

　　直動氣缸采用單活塞桿雙活塞氣缸，具有倒向精度高，能抗扭矩，負載能力強，工作平穩(wěn)，組裝簡單方便的特點，在氣動系統(tǒng)中廣泛應用于抓取、送料、裝配及機械加工，可作為氣動機械手的機身、手臂的驅動裝置等。直動氣缸的許用負載及其負載特性如圖5所示。從負載特性圖上可以根據(jù)行程和缸徑確定許用負載F。實際應用中要求，

　　圖4直動氣缸許用負載及負載特性

　　實驗表明所設計的搬運機械手動作平穩(wěn)，超載能力強，作業(yè)效果好。

　　5、電源模塊的設計

　　電源模塊設計在黃瓜自動嫁接機系統(tǒng)中需要供給兩種要求的電壓，即用于排苗電機的220V、50Hz交流電,用于電磁換向閥及可編程序控制器應用系統(tǒng)的的24VDC電壓。電源模塊電路如圖6所示。

　　圖5電源模塊電路圖

　　6、PLC控制系統(tǒng)的硬件設計

　　嫁接機控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC及外部設備組成。PLC在系統(tǒng)中的主要功能是協(xié)調各子系統(tǒng)按照嫁接要求進行工作，因此，它既要完成各種邏輯控制，還要進行系統(tǒng)的監(jiān)控。圖7為自動嫁接機控制系統(tǒng)示意圖。

　　圖6自動嫁接機控制系統(tǒng)示意圖

　　7、嫁接機控制面板圖

　　根據(jù)嫁接機控制器的功能需求控制面板布局如圖8所示。在嫁接機作業(yè)過程中，操作者要和控制器通過操作面板實時交互，面板上裝有按鍵和指示信號燈。該面板的指示、控件布局采用模塊化分區(qū)設計，其中面板左上角1、2為故障和正常工作指示燈；中間部分3、4為工作方式開關，此開關有三個檔位，打向左側為自動模式，中間為停止，打向右側為手動模式；5、6為砧木手抓開關，開關打向上方手爪抓緊，打向下方手爪松開；；7、8為砧木直行開關，開關打向上方砧木前進，打向下方砧木后退；9、10為切削刀具開關，開關打向上方切削刀具前進，打向下方切削刀具后退；11、12為啟動和停止按鈕；13為手動旋切按鈕；14為手動夾持按鈕；15、16為穗木手爪開關，開關打向上方手爪抓緊，打向下方手爪松開17、18為穗木直行開關，開關打向上方穗木前進，打向下方穗木后退；

　　圖7嫁接機控制面板圖

　　結論

　　開發(fā)出基于PLC的黃瓜嫁接自動控制系統(tǒng)。不僅能實現(xiàn)手動作業(yè)模式下分步控制，便于樣機的調試和程序的修改，而且可以實現(xiàn)嫁接過程的自動控制，以最大限度的發(fā)揮其工作效率。與目前國內的單片機控制系統(tǒng)相比，具有更好的調試性和工作可靠性。通過對所設計的黃瓜嫁接機嫁接實驗，發(fā)現(xiàn)嫁接成功率較高。

　　[作者簡介]董建民（1979-），男，漢族，山東淄博人，研究生，山東工業(yè)職業(yè)學院電氣工程系測控教研室助教，主要從事自動控制與通信技術的研究和教學工作。

　　通信地址：山東省淄博市高新開發(fā)區(qū)張北路69號山東工業(yè)職業(yè)學院電氣工程系，郵編256414，電話：13280669298，E-mail：dongjianmin_1979@126.com