沈阳农大硕士论文农业机器人的研究.pdf

独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他 人已 经发表或撰写过的 研究成果， 也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研 究 生 狐 勿 分 呱呵 年 ” 呷 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅， 可以采用影印、 缩印或 扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研 究 生 签 “ : 介 宁 争 时 间 :匆 习年石 月 1 郑 导 师 签 名 : 辱稀 时 间 :， ” 7 年 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，温室蔬菜和花卉生产成为现代化农业的重要标志和主要内 容。 穴盘苗 移栽是温室蔬菜和花卉生产中的重要环节， 是实现温室生产工厂化、自 动化 和集约化的基础。 机械手是穴盘苗自 动移栽机的核心部件和执行机构， 机械手的结构设 计与仿真研究是穴盘苗自 动移栽机的设计基础。 本论文是在参阅了国内外穴盘苗移栽机械相关研究资料的基础上， 应用机械设计理 论、 三维造型软件、 仿真及P Lc技术， 针对穴盘苗移栽机械手进行了系统分析、结构设 计和仿真研究。 为穴盘苗移栽机械产品开发和性能评价， 实现穴盘苗移栽自 动化生产提 供了 参考和理论依据。 论文研究取得的主要成果: ( 1) 通过对穴盘苗移栽的工作过程的分析以 及对钵体的初步实验， 选取机械手的 坐标形式和自由 度， 结合对各个部分的要求及机械设计理论基础， 对穴盘苗移栽机械手 进行两种不同结构的设计。 (2) 对穴盘苗移栽机械手工作过程及虚拟样机技术理论进行深入研究，在此基础 上利用 S OLI D 切 O R K S 三维实体设计软件完成穴盘苗移栽机械手各零件建模，并进行机械 手的 虚拟装配， 形成穴盘苗移栽机械手的 虚拟装配模型。 ( 3) 把在 S O LID w 0 R KS 中建立的穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型文件，导入到 A D A M S 软件中，施加约束、作用力、 运动激励，并对机构性能进行虚拟检测，在试验中 检验计算机模型，同时互相修正， 最终形成机械手的虚拟样机。 ( 4 ) 使用A D AMS 软件对两种结构的穴盘苗移栽机械手虚拟样机进行动态仿真和运 动学、 动力学分析， 得出 手指运动轨迹图 和位移、 速度、 力曲 线图， 并将结果进行对比 分析和研究， 分析两种结构的优缺点。 本研究得到的机构运动仿真分析方法和过程， 适 用于其他常见机构的新产品开发。 (5) 本 课题除了 对结构设计和仿真的 研究还在机械手汽缸的选择、 气压传动系统的 设计、 气动元件的选取以 及在编制P LC程序方面进行了计算和研究，并加工出 试验样机。 关键词: 虚拟样机技术， 机械手， A D A M S ， S O L I D WO R K S. 穴盘苗 英文摘要 Ab 8 t I a C t A l o ng 初ththe devcl OPm e n t o f s c i enc e and teChoo l o gy， P r edu c t i o no f v e g e 1 a b 1 e and n inthe gr e e nho u Se ism ai nc o n t e ntandi m pon a n t s y m bo1 of mod 创 刀a gr l cul tu r e 朴 朋印1 anting pot Se e d 1 i l1 g sisthe i n 1 p o rtan t s t e P ， 朗disthe b as icina c h l eving fa c lo ry， 即t o l n a t io 氏c e n t r a l l zal i on ofp r o d u ce g e 汕叫s e . Mani p ul at orisc orep a rt s andexe c u ti n g 优 g a n l zatio nin a u t o m a t i ct . m 印 l an t i ng pot戏dlingsm a c h i ne s t ru c to 比 desi gn an d s i m 司 at i o n 代 s e ar c h o f m anI p ul ator i s the b as i c desi gnina u t 0 m atic l r a nS P l anti n g pot se edl 川 9 5 m. e h i n e . T h e翻 rt l cl eb as eon re fe 币ng to i n t e n 】 a t 目 d o m e stic胡 dfo r e l gn l n v e s t i gati ve 加 化 n n a 1 i o n com b i n edw i 1 h mec h ani cal desi gn， t hr e e 一 di r n e n si o n a l sc ul Ptso ft w 别 限 ， si m ul ati叽 P L Csys t e m icana l y s is ， s t ruc 奴 l redesi gn a n dsi mulatio nre s e a r c h tot r a nSPI ant pot s e e d 1 l n g s m 画州川 优 T 卜 ea rt l c leP r o vi 山 re fe r ence a n d留 ade m ichasetot r a l1 sP l ant pot se edlingS m a c hi ne e x P 】 0 1 妞 t io 氏 沐r fo rmanc eeval u a t i on and邝 alize a u t o m atict r a n s Pl ant i n gpot 别 咒 d l i n gs. T 七 e m a l n 云 刀 i t o f 面s th esi s i ncl u d e s : ( 1 ) 们 恤 o u gh 胡a l y s i s o f 俪 m o v c m ent o f t Ia ” s P 1 anti ng p o t s e e d l i n g s m a I1 i p u l at o r a n d p n m e e x pe n me成co而rmthe coo rd l n a t e a n d de 脚e . It is desi gnedt w o di fl 七 r e nts t ru c to r e s of 加 劝 s P l an t i n g pot s 以 川 1 1 ngs m an1 P u l a t o r co m b i newithm e c h 田 吐 cal d e s ig n an d e v e ryP a rt s o f m a n l P ul a t o r r e q u i r e m e n t s . (2 ) T 坛 o u gh re se 田 犯 h of叭 叼 r k P ro ce ssofman iP uI at or， c omPl ete the th ree di m ensi o n a 】 d i gitiZe d mod e l i n g o f t r a n s P l a n t 1 ngpot se edl in g s n 1 a n l P u l ator uses S 0 L I D W0 R K S so n w a r e 即das se m bl est h e model vi rt ua1 l y.At 1 a s t ， t 珑 口 s Pl ant 1 ng pot s eedi i ngs r n a n 1 Pu1 atorsv 1 rt u a 1 日 邢幻 l b lym o d e l i s e s ta b 】 i s h e d . (3 ) 肠 朋sP l ant i n g pot s e e d l ings man i p u l a t o 亡 s v i rt u a l as s emblingmode l in S 0 L I D W0 R K S i s s ucc e s s full y o P e n e d i n A D A MSA ppI y i ngconst r a i nts， fo rces ， k i neti c s and do吨 a v in 刀 a l te st ， t h e n examiningthe theoriesmodel a n d com P u l e r m o del ina experi m e n l ， revi s i nge a c h o t h e r atthe s aJ 旧 e t i m e ， atl as t a v i rt u a 1 P r o to ty P i n g i s fo rme d . ( 4 ) T h e aPP l i c at i ono f A D A MS tos i m u l ate t 协 心s t ru ctore s o f th e m aniPul a t o r ， anal ysis o f the t r a c k ， vel 伙it y 叻d fo r c e ， e d u c e di s a d y 阴ta g e 阳d edv a n l a g e of幻 刃 o s t r u c to re s . T h e s t u d y 0 腼i ns the m e t h 0 dan dP r o c e s s inm e c h a n i s ms 如u l atio nan a ly s i s ， w h i c hc an aPP l y恤 e x P 1 o itin g ino t h e r c o r n n 1 o n m e c h a n i c alP r 0 d uct . ( 5 ) T 七 eaxti c l ere s e a r c 】1s e l e c t i o no fr n a n iPu1 a t o rcyl i n ders ， dss i gn o fair P re s s ure 仃 助s ll l i s s i on s y s t em ， s e l e c t i o no f ai r P r e s su 犯仃 出 始 m i s s i onc o m P onent， w o r k o u t P r o eess of P Lc， “ 沈 p t desi gnthe s t r u c to r e oft r a nS P 1 antin g pot Se e d 1 i ngs m 翻 旧 p ul at o r 胡d s i m u 】 创 l on. M如u 丘 比 加 比山 e P r o t o t y pe. K e y w o r d s :Vid u a lP ，to ty P i n g t 耽 b n o I 0 gy ， Ma . i p u l a t o r，A D A MS S O L I D WO R K S ， P o t s e e d l i n g 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . 1 研究的目的和意义 设施农业生产自 动化是现代化农业发展的必然趋势， 温室蔬菜和花卉生产工厂化 和自 动化已 成为现代化农业的重要标志和主要内 容。随着社会进步和人民生活水平的 提高， 设施农业己成为国民经济中的支柱产业， 温室蔬菜及花卉生产对发展农村经济， 增加农民 收入，丰富 人民的菜篮子，改善人民 生活具有举足轻重的作用。 穴盘苗自动移栽技术是温室蔬菜或花卉生产实现工厂化和自 动化而采用的一种 重要的种植方式。自 上个世纪 20 年代始，许多国家和地区先后开展了作物钵苗移栽 技术研究工作。 到目 前为止， 这项技术已 广泛地应用于多种蔬菜和花卉及少量经济作 物的生产上。在国 外，日 本开发了育苗移栽机器人，可在设施内 完成育苗移栽作业。 荷兰和美国90% 的 温室用于生产鲜花和观赏植物， 生产过程向机械化，自 动化方向 发 展。温室中育苗移栽机器人已 研制成功并在生产中 应用极大地提高劳动生产率， 改善 农业的生产环境， 提高了作业质量。 在国内，农业设施内的穴盘苗移栽生产机械化和 自 动化研究工作尚处于实验室试验研究阶段， 国内使用的穴盘苗移栽机械多数依赖进 口，严重地制约着温室生产向工厂化和集约化发展。 随着国内外市场需求， 温室蔬菜和花卉生产规模在迅速发展， 传统的 温室农艺生 产技术和生产方法己 逐渐不能满足生产需求， 实现温室生产技术机械化、自 动化和工 厂化的要求越来越迫切。 与穴盘育苗生产机械化相比， 穴盘苗移栽生产自 动化水平还 很低， 大多数生产环节和作业工序还需要人工完成，劳动强度大， 生产成本高、 效率 低。 移栽机械手的研究工作是解决温室穴盘苗移栽自 动化的关键， 穴盘苗移栽机械手 的研究对实现温室蔬菜和花卉生产，实现温室穴盘苗移栽生产过程自 动化、 减轻穴盘 苗移栽作业的劳动强度、 提高作物移栽质量， 推进我国温室作物生产机械化和自 动化 进程，特别是我国“ 十一五” 农业发展规划的顺利实施具有重大意义。 第一章 绪论 1 . 3 本论文研究的主要内容 本论文是以国内 外大量的文章资料为基础， 结合机械设计基础， 三维造型软件， 仿 真技术及P Lc等技术针对穴盘苗移栽机械手进行设计及研究。解决现在的工厂化生产穴 盘苗但是还保持人工移栽的问题。由于作业对象的娇嫩性， 作业动作的复杂性。 本论文 研究的重点是对机械手的结构设计， 通过仿真分析来验证结构的合理性。 具体研究内 容: ( 1) 通过对穴盘苗移栽的工作过程的 分析以 及对钵体的 初步实验， 选取机械手的 坐标形式和自由度， 结合对各个部分的要求及机械设计理论基础， 对穴盘苗移栽机械手 进行两种不同结构的设计。 (2) 对穴盘苗移栽机械手工作过程及虚拟样机技术理论进行深入研究，在此基础 上利用SOLIDw0RKs 三维实体设计软件完成穴盘苗移栽机械手各零件建模， 并进行机械 手的虚拟装配，形成穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型。 ( 3) 把在 S O L 工 DwO RKS中 建立的穴盘苗移栽机械手的 虚拟装配模型文件，导入到 ADA M S 软件中，施加约束、作用力和运动激励，并对机构性能进行虚拟检测，在试验中 检验计算机模型，同时互相修正， 最终形成机械手的虚拟样机。 ( 4 )使用A D 胡5软件对两种结构的穴盘苗移栽机械手虚拟样机进行动态仿真和运 动学、 动力学分析， 得出手指运动轨迹图 和位移、 速度、 力曲 线图， 并将结果结合实 验 的结果进行对比 分析和研究， 分析两种结构的优缺点。 本研究得到的机构运动仿真分析 方法和过程， 适用于其他常见机构的新产品开发。 ( 5) 本课题除了对结构设计和仿真的 研究还在机械手汽缸的选择、 气压传动系统 的设计、气动元件的选取以及在编制P Lc程序方面进行了计算和研究。 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章 穴盘苗移栽机械手的设计方案 2 . 1 机械手的组成和分类 2 . 1 . 1 机械手的组成 机械手主要由 执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。 1) 执行机构 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件， 有的还增设行走机构。 ( 1) 机械手部 手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹 持式和吸附式手部。 夹持式手部由手指( 或手爪) 和传力机构所构成。 手指是与物件直接 接触的构件， 常用的手指运动形式有回转型和平移型。 回转型手指结构简单， 制造容易， 故应用较广泛。 平移型应用较少， 其原因是结构比较复杂， 但平移型手指夹持圆形零件 时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 ( 2 ) 机械手腕 手腕是连接手部和手臂的部件， 并可用来调整被抓取物件的方位( 即姿 势) 。 ( 3 ) 机械手臂 手臂是支承被抓物件、 手部、 手腕的重要部件。 手臂的作用是带动手 指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的 位置. 机械手的手臂通常由 驱动手臂运 动的部件( 如油缸、 气缸、 齿轮齿条机构连杆机构、 螺旋机构和凸轮机构等) 与驱动源( 如 液压、 气压或电 机等) 相配合，以实 现手臂的 各种运动。 (4) 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动 和升降( 或俯仰) 运动均与立柱有密切的联系。 机械手的立柱通常为固定不动的， 但因工 作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 ( 5 ) 行走机构 当 机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时， 可在机座 上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为 有轨的和无轨的两种。 驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。 ( 6 ) 机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装 于机座上，故起支撑和连接的作用。 第二章 穴盘苗 移栽机械手的设计方案 2) 驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置， 通常由动力源、 控制调节装 置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、电力传动和机械转动等四 种形式。其中以液压、气动用的最多，占9 0%以 上。电动、机械驱动用的较少。 ( 1 )液压驱动主要通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、油马达 加齿轮、齿条实现直线运动; 利用摆动油缸、油马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链 条、链轮等实现回转运动。 液压传动的优点: 压力高， 可实现较大的驱动力， 机构可做得较小、 紧凑; 无级变速、 定位精度高，可实现任意中间位置的停止; 系统的固有频率高， 压力、容量调节容易。 重量小、惯性小， 可做到经常快速且无冲击的变速和换向， 容易控制， 动作平稳， 迟滞 小; 有良 好润滑性能、寿命长。 可采用伺服型定位控制方式达到连续轨迹控制: 可把直线油缸和回转油缸直接做成手臂 的一部分，结构简单， 刚性好。 液压传动的缺点: 需配备压力源，管路系统复杂，成本高; 油温变化影响液压系统性 能，不适于高温或低温的环境; 对中型高速动作的 机械手，如需实现联动，则油泵、电 机和油箱都较大，增加系统压力，密封困难。 ( 2 )气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。 气压传动的优点: 不用增速机构就能获得较高的运动速度， 这正是简易型机械手的 一项主要性能， 使其可以适应各种快速自 动搬运的工作; 气源方便， 一般工厂都有压 缩空气站: 空气泄漏无害，因此对管路要求低; 适应易爆、易燃等恶劣环境; 结构保养都 简单，成本低; 可将直线气缸和摆动气缸做成手臂的一部分，结构简单，刚性好。 气压传动的缺点: 压力低、出力小， 体积大; 空气可压缩性大，粘滞性比油低， 阻尼 效果差， 对定位控制和低速运动不利， 很难实 现中间 位置的停止: 而且要付出很高代价 才能在一个循环中得到不同的速度，因此不能用以 控制连续轨迹，只适用于点位控制。 采用简易型“ 开一关” 式控制; 润滑性差， 气压系统易生锈( 毛卫平. 2 0 0 4)。 (3 ) 电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电机作为动力，用人减速比减速来驱 动执行机构: 直线运动则用电机带动丝杠螺母机构; 有一的采用直线电动机。 通用机械手 则考虑采用步进电机、直流或交流伺服电机、变速箱等。 (4 ) 机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。 沈阳农业大学硕士学位论文 它的优点是动作确实可靠，工作速度高，成本低: 缺点是不易于调整。 3)控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。 目 前工业机械手的控制系 统一般由 程序控制系统和电 气定位( 或机械挡块定位) 系统组成。 控制系统有电 气控制和 射流控制两种， 它支配着机械手按规定的程序运动， 并记忆人们给予机械手的指令信息 ( 如动作顺序、 运动轨迹、 运动速度及时间) ， 同时按其控制系统的信息对执行机构发出 指令， 必要时可对机械手的动作进行监视， 当动作有错误或发生故障时即发出 报警信号 ( 刘明 保. 2 0 0 4 ) 。 4)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统， 并与设定的位置进行比 较， 然后通过控制系统进行调整， 从而使执行机构以一定的精度 达到设定位置。 2 ， 1 . 2 机械手的分类 机械手的种类很多， 关于分类的问 题，目 前在国内尚无统一的分类标准， 在此暂按 使用范围、 驱动方式和控制系统等进行分类。 1)按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: ( 1)专用机械手 它是附属于主机的、 具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。 专用机械手具有 动作少、 工作对象单一、 结构简单、 使用可靠和造价低等特点， 适用于大批量的自 动化 生产， 如自 动机床、自 动线的上、下料机械手和加工中心附属的自 动换刀机械手。 (2 ) 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、 程序可变的、 动作灵活多样的机械手。 在规格性能 范围内， 其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用， 驱动系统和控制系统是独 立的。 通用机械手的工作范围大、 定位精度高、 通用性强， 适用于不断变换生产品种的 中小批量自 动化的生产。 2)按驱动方式分 ( 1)液压传动机械手 第二章 穴盘苗 移栽机械手的设计方案 液压传动机械手是以 液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是: 抓 重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然 油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响， 且不宜在高温、 低温下工作。 若机械手采 用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制， 使机械手的通用性扩大， 但是电液伺服阀 的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 (2 ) 气压传动机械手 气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。 其主要特点是: 介质来源极为方便， 输出力小，气动动作迅速，结构简单， 成本低。但是，由 于空气具 有可压缩的 特性， 工作速度的稳定性较差， 冲击大， 而且气源压力较低， 抓重一般在30 公 斤以 下， 在同 样抓重条件下它比 液压机械手的结构大， 所以 适用于高 速、 轻载、 高温 和粉尘大的环境中进行工作。 (3 ) 机械传动机械手 机械传动机械手即由 机械传动机构( 如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等) 驱动 的机械手。 它是一种附属于工作主机的专用机械手， 其动力是由工作机械传递的。 它的 主要特点是运动准确可靠， 动作频率大， 但结构较大， 动作程序不可变。 它常被用于工 作主机的上、下料。 (4 ) 电 力传动机械手 电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、 直线电机或功率步进电 机直接驱动执 行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。 其中直线电 机机 械手的运动速度快和行程长， 维护和使用方便。 此类机械手目 前还不多， 但有发展前 途。 3)按控制方式分 ( 1)点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动， 只能控制运动过程中 几个点的位置， 不能控制 其运动轨迹。 若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目 前使用的专用 和通用工业机械手均属于此类。 (2) 连续轨迹控制 它的 运动轨迹为空间的任意连续曲 线， 其特点是设定点为 无限的， 整个移动过程处 于控制之下，可以实现平稳和准确的运动， 并且使用范围广， 但电气控制系统复杂。 这 类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。 沈阳农业大学硕士学位论文 2 . 2穴盘苗移栽机械手的总体设计方案 2 . 2 . 1 穴盘苗移栽机械手的工作原理 本次设计的机械手是有一定通用性的移栽机械手， 是一种适合于成批或中、 小批生 产的、 可以 改变动作程序的自 动搬运或操作设备， 动强度大和操作单调频繁的生产场合。 机械手移栽的过程共包括: 穴盘进给， 夹持装置右进插入并夹紧穴盘苗， 夹持装置 上升拔穴盘苗， 夹持装置水平左移送穴盘苗， 夹持装置垂直下降同时夹持装置打开， 使 穴盘苗下5 个动作。 系统工作原理是: 穴盘由电 机通过皮带输送进给， 当传感器检测到穴盘中穴盘苗到 达苗 位置时，电 机停， 垂直运动机构上升， 拔起穴盘苗后电 机停， 水平运动机构左移到 放置花盆的 传送带正上方， 垂直运动机构下移过程中夹持装置打开， 穴盘苗落入花盆中。 如此，循环往复上述动作。水平、垂直运动机构到位均由位置传感器检测控制电机停。 为提高生产效率， 将机械手垂直下降和放苗两互不干扰的执行机构又相互关联的动作同 时进行， 这样节省了动作时间，缩短周期， 而前几个动作，必须一个执行完才能执行另 一个，要求次序进行。 1机械手2穴盘苗愉送带3花盆或其他容器输送带 圈2-1 穴盘苗移栽机械手总体结构 F 落2 一 I Q，I I 。 目 i v i tyst rU c l u 花o f t 附s p lan石 n g P ot“ 亡 d l in 岁m ani 四l ator 按机械手手臂的不同 运动形式及其组合情况， 其坐标型式可分为直角坐标式、 圆柱 坐标式、 球坐标式和关节式。实现穴盘苗移栽机械手的 移栽功能， 即“ 定位 抓取一 一定位 投放” 这一系列连续动作， 即机械手在移栽时手指和手臂都只有直线运动， 沈阳农业大学硕士学位论文 第三章 基于p L C 穴盘苗移栽机械手控制系统设计 3 . 1 可编程控制器的编程原理 3 . 1 . 1 可编程控制器的工作原理 P L C 采用循环扫描工作方式，而中大型PLC 还增加了中断工作方式。循环扫描既可 按固定顺序， 也可按用户程序所规定二级顺序( 高级和低级顺序) 或可变顺序等进行。 因 为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次， 也为的是在控制系统需要处理的1 /0点数 较多时， 通过不同的模块组合的安排， 采用分时分批扫描执行的办法， 可缩短循环扫描 周期和控制的实时性。用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入P Lc的存贮器中， 并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的 输出端上，然后用P LC的控制开关使其处于运行工作方式，P Lc就以循环扫描的工作方 式进行工作。 在输入信号、用户程序的控制下， 产生相应的输出信号， 完成预期的控制 任务。P Lc的典型的循环顺序扫描工作过程如图3 一 1 所示。 停机出堵显示 停机出错显示 图3 一 IPLC 循环顺序工作流程圈 F i g 3 一 I P r o c 目 ”o f P L Cw o rk i ng 第二章 基于P L C穴盘苗移栽机械手控制系统设计 从图3 一 1 中可以看出， 一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫 描过程。 在系统软件的指挥下，按图3 一 1 所示的程序流程顺序地执行，这种工作方式成 为顺序扫描方式。 从扫描过程中的某个扫描过程开始， 顺序扫描后又回到该过程成为一 个扫描周期。进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期时间。 3 . 1 . ZFxZ N-铭. 型可编程控制器编程器概述 在本次系统设计中，选用浙江亚龙 F X ZN 型可编程控制器成套设备，该设备实验主 机选用三菱公司生产的F xZN 一吐 S MR型P Lc，这种P Lc功能强、 体积小、性能价格比 高. 编程器是可编程控制器的外围设备， 它将用户程序写到可编程控制器的用户程序存 储器中。 编程器不但能对程序写入、 读出、 检测、 调试、 修改、 还能对可编程控制器的 状态进行监控。 根据编程器的编程方式， 一般可分为在先编程可离线编程两种。 在线编 程也叫连机编程，编程时将编程器与可编程控制器上的专用插座直接相连， 程序可直接 写到可编程控制器的用户存储器中。 这种编程方式， 可对程序进行调试。 并可监视可编 程控制器内部器件的工作状态。 离线编程也叫做脱机编程， 编程时， 编程器与可编程器 不相连， 编制的程序传送到可编程控制器的存储器中， 离线编程不影响可编程控制器的 工作。 按编程器的结构及大小， 又可将编程器分为便携式编程器、图形编程器。 变携式编 程器又称简易编程器， 它可以直接与可编程控制器的专用插座相连， 可由编程器提供电 源， 它一般只能用指令形式编程，并有数码管或者液晶显示器加以显示。 这种编程器只 能联机在线编程， 监控功能少， 适合小型可编程控制器的编程要求。图形编程器的体积 比 较小， 功能比较强， 它的显示屏可以是液晶显示 (LC D) ， 也可以是阴极射击管 ( C R T) 显示，图 形显示器不仅可以 显示编程内 容， 还可以 提供各种其他必须的 信息， 如输入、 输出、 辅助继电 器的占 用情况、 程序容量等。图形编程器既可联机在线编程， 也可以 脱 机离线编程，通过它可以 用多种变成语言编程，直接编写梯形图显示屏幕上十分直观， 适合中、大型可编程控制器的编程要求。 个人计算机 ( I B M 一P C 及兼容机)加上适当的硬件接口 和软件包，也可以用做编程 器。用这种方式可直接编写梯形图，监控功能也很强，对于已 经有个人计算机的用户， 可不用编程起，而利用原有的计算机进行编程。在本次设计调试中，选用 沈阳农业大学硕士学位论文 5 和PC一 F x G P/wIN 一软件运行在个人计算机上进行编程( 张泽荣.2 0 02) 。 3 . 2 基于PLC 穴盘苗移栽机械手控制系统硬件设计 穴盘育苗移栽机械手装置由 往复运动的气缸驱动装置、 夹持装置、自 动控制系统组 成。 气缸驱动装置由 气缸和电磁阀组成， 功能是使机械手在水平、垂直方向上运动。 夹 持装置由 气缸、 导向 盘和机械手组成。 机械手上的 气缸负责爪子的水平张合。电 路控制 系统包括可变程序控制器、开关传感器、 三个气缸的电磁阀。 气动系统由空气压缩机、 气缸、 真空发生器、 真空调压阀、 换向阀 及其他辅助设备等组成。自 动控制装置 保证穴 盘苗机械手装置器能将准确的投入穴盘的种穴中， 保证种苗的准确夹持。 这样就实现了 单线往复穴盘苗移栽， 为了提高系统的可扩展性，系统设计好考虑了后期进行顺序沿盘 抓取的设计构想。 配合输送种苗的传送带的运动， 可以实现后期的沿盘顺序抓取的动作。 在控制系统的程序设计中，也对这样的动作支持提供了输出接口。 3 . 2 . 1执行元件的选用 就本机械手的动作实现和精度要求而言，电动、液动、气动执行机构均能实现。 但 基于以 上的 对比分析， 就成本而言，电气式和气压式执行元件的成本相对比较经济， 但 液压式的 运行稳定性最好， 精度最高。 但考虑该系统工作的环境以 及该环境下的 配置要 求， 大棚育苗要求环境污染小， 而且功能便于实现，出于成本的考虑以及实 验环境的实 际需求， 选择气动执行元件来实现机械手的动作要求。 一方面， 其价格低廉，同时也便 于控制; 另一方面， 工作能耗小， 污染小。 但在气动回路设计以 及P LC程序设计过程中， 充分考虑气体的可压缩性和气缸驱动的凝滞性， 甚至在开关型限位开关的选择、 设计时， 都必须考虑气动执行元件的 特性。 传感器的种类繁多， 按其作用可分为检测机电一体化系统内部状态的内 部信息传感 器和检测作业对象和外部环境状态的外部信息传感器。内 部信息传感器包括检测位置、 速度、 力、 力矩、 温度以 及异常变化的 传感器。 而外部信息传感器有与人体五感相对应 的， 也有纯工程性的。 按输出信号的性质可将传感器分为开关型( 二值型) 、 模拟型和数 字型。 开关型传感器分为接触型和非接触型。 模拟型传感器分为电阻型， 电压、 电流型， 电感、电容型。数字型可分为计数型和代码型。 第二章 基于P LC 穴盘苗 移栽机械手控制系统设计 本机械手系统对检测传感器的基本要求: 体积小、重量轻、 对整机的适应性好; 精 度和灵敏度高、 响应快、 稳定性好、 信噪比高; 安全可靠、 寿命长; 便于与计算机连接; 不易受被测对象性( 如电阻、导磁率) 的影响， 也不影响外部环境;对环境条件适应能力 强;现场处理简单、操作性能好;价格便宜。 对于该移栽机械手系统，根据该系统的特性， 我们主要选用了开关型传感器和数字 型传感器。开关型传感器的二值就是 al” 和 “ 了或开( ON) 和关( OF门。其工作原理是: 传感器的输入物理量达到某个值以上，其输出为 ，l( ON状态) ，在该值以下时，输出 为 “ 0 ( OFF 状态) ，其临近值就是开、关的设定值。这种 ，l 和 “ 0 ”数字信号可直接 传送到微机进行处理，使用方便。 在该移栽机械手系统中， 我们使用了许多开关型传感 器， 主要用作位置开关使用。 例如， 在工作台上， 装载工件的托盘是位于支撑导轨的里 限位置还是外限 位置， 均使用这种开关型传感器进行检测;以及机械手是在气缸的上限 位置还是下限位置，也用这种传感器来传递信息，使用非常方便。 就本系统的定位精度而言， 采用开关型传感器足以满足需求。 在开关型传感器的设 计定位中，应留出气动执行元件的误差余量。 3 . 2 . 2系统的气压回路设计 在进行控制系统气动回路设计时， 分析机械手的 执行动作， 机械手在空间上有两 个 自由度一Y 方向 和2 方向。 在机械手进行抓苗的过程中， 有一个竖直气缸和机械手张合 的合成运动。 再考虑系统运行的安全性和可靠性， 必须使执行机构在水平和竖直方向上 在任意位置停止。 基于以上的动作描述和机构自由 度的实现， 该系统的执行机构由 水平 气缸、竖直气缸和机械手张合气缸构成。 在该机械手控制系统中， 机械手的上升和下降是由 气缸进行驱动的以及机械手中的 绝缘胶的流出和抽胶也由机械手中气压的压力决定的。 在工作台上支承托盘的导轨也是 采用气缸进行气压驱动的。如图3 一 2 所示为该系统的气动回路图。水平气缸和竖直气缸 实现任意位置的停止， 必须选用三位五通电磁阀 执行其中位机能。 机械手只有张合动作， 搭配气缸的选型，可以充分利用所选气缸的行程而选用两位四通阀来加以 控制。 气动回 路中 还必须有气压调节表、 空气滤清器和油雾器。 空气滤清器是滤掉空气中 的水分， 保证气缸不被水汽污染， 油雾器是保证电磁阀和气缸润滑。 在气动执行机构中， 其气压越高， 气缸运行的冲击就越大， 并且限位精度也越低。 选用三位中封的电磁阀即 20 沈阳农业大学硕士学位论文 可实 现机构在任意位置的 停止， 不过这也给在任意位置的限位带来难题。因为气动执行元 件中，当一端进气时， 另一端接通大气，当 控制程序给出 停止信号时， 在气缸的两端必然 会产生压力差，这时， 气缸不能立即 停止， 而是要继续爬行一段距离。 直到两端的压力相 等为止。也就是说，尽管电磁阀执行其中封的中位机能， 但气动的自 身缺点难以跨越。 水平气缸 图3-2气动系统回路图 F 落3 一L OOP OfPn. u m 目 ics y ， 曰 旧 3 . 3穴盘苗移栽机械手控制系统软件设计 3 . 3 . 1系统 1 /0 地址分配 PLC 主要完成对现场控制信号的采集与执行元件的驱动。由于该系统是对数字量进 行控制，选用了日 本三菱公司的 FXZN一 48M R 的PLC 作为控制核心。 ( l) PLC 的输入与输出 端子设计 根据系统的要求， P Lc的1 /0的分配如下: X000: 机械手垂直运动的上限Y O 01:机器手上升 X001: 机械手垂直运动的下限Y 0 0 2: 机器手下降 X002: 机械手水平运动的左限Y O O 3 : 机器手水平左行 X 0 0 3 : 控制面板上的启动Y oo4: 机器手水平右行 X 011: 机械手停止Y O 05: 机器手爪子张合 X 0 0 6: 控制面板上的原点M 8 0 0 2: 原始脉冲a 触点 x01 0: 控制面板上的启动珊040: 转移开始 M 8 0 41: 转移禁止M80 34:PC的外部输出皆为OFF Y007: 机器人回原位 ( P Lc发出 程序复位信号后， 机械手复位) 第二章 基于P L C穴盘苗 移栽机械手控制系统设计 3 . 3 . ZPLC 程序的编制 根据系统整体控制流程图及系统的输入和输出信号我们来编制P LC的梯形图。 P Lc采 用循环扫描方式， 按梯形图从上而下， 从左而右的先后顺序予以执行。 本系统的梯形图 共1 70句，程序设计的指令表如表3 一 1 ，梯形图如图3 一 3 所示. 表3 一 1控制系统程序指令表 介b 3 一 I P 门c 仁 SSo f con l ro l l i n g sys t O n 地址 0 1 2 3 5 7 指令 L D 人ND OUT R 名 T S E T ZRS T 数据 X0 0 0 X0 0 2 Y0 0 7 M吕 0 4 0 so 5 15 9 M8 0 02 X00 0 M l 地址指令 L D OUT L D S ET S TL P LS L D S E T L D】 S E T S TL OUT L D OUT L D OUT L D O UT S E T S TL OUT L D S E T OUT LDI OUT L D OUT E ND 1 2L O 1 30R 1 40R 1 5R B T 1 7LD 1 80UT ZILD 2 2OR 2 3R S T 2 5L D 2 6OUT 2 9L D 3 00R 3 1ANI 3 2OUT 3 3S TL 3 4L D 73S E T 74S TL 7 50U T 7 6L D 7 7S E T 7 8S TL M8 0 02 X0 0 0 Cl M3 CI KZ X0 04 Y0 0 1 XO 0 3 V加 1 S0 X以犯 S l Sl Y00 0 X0 02 s2 劝 T 3K1 0 竹 S4 S4 M0 C0 S 5 C0 S 2 s5 y0 0 1 Y0 01 T6K3 0 T6 Y00 4 Y0 04 T7K2 0 S I S E T SI S TL Y侧扣 OUT X0 0 2L D ET:50阳 52功TOYO邓TO 49阳引犯535455肠57绍59606l62936465676869707l7279s0slg2s384 K2 co咖CO 沈阳农业大学硕士学位论文 V， X.XZ H 10日 村5.aZ SE丫5. X 5 1弓 12 X 时2白 朽2自3N I 帕一-明-一料 H26 月2日3洲2 卜州 X日 X7 洲804 1 又 11 洲6 X l日 月2日 8B41 门 1日 1 图3 一 3机械手控制系统程序指令梯形图 F 喀3 刁R 勺 ” rt o i reo f con 加l l i ngs y s te mo f n . 旧 i p u i a 加 r 2 3 第三章 基于P L C穴盘苗 移栽机械手控制系统设计 ( 1) 机械手工作原理接线图如图3 一 4 所示。 xore ， X阅2X003X侧只X阅SXI 犯6X0 I 0 0000 Y0 0 】 Y O 0 2 Y 0()3 Y 0 0 4 Y 0()5 00000 上升 下降 左行 右行 张合 OO 2 4+ 图3 一 机械手工作原理接线圈 F 落3 4W 匕 rk i ngP r l n c 巨 p leofll l . l i p u 】 川 o r ( 2) 穴盘苗移栽机械手的工作过程 穴盘苗移栽机械手的工作过程如下: 按启动按钮 ( 复位以 后)， 水平右行 ( 输出 Y O O 4 ); 触动右限开关 ( X 0 0 5 )， 右行停止， 机械手下行; 出动中限开关 ( X O O 3) ，机械手继续下行，同时爪子内收，实现抓苗动作; 触动下限开关 (x0 0 0) ，下行动作停止: 机械手回原点; 到达原点后， 机械手下行，同时放苗; 完成回原点; 执行下一个循环，在任何位置按停止按钮，机械手停止动作。 第四章 穴盘苗 移栽机械手的结构设计 衰4 一 采用三指结构破碎情况 1 油 b 再 一 S B r 。 山 昭e o f th 溉 6 n g r con 6 gUra 幼 o n 1234567891 0 10100010000 40100010000 50001000100 注:1 表示钵体破碎; 0 表示钵体未破碎;横排表示穴盘的行数;竖排表示穴盘的列数 表4 一 9手指数旦对破碎率的影晌 ，比b .今g E 伟 ecl i o n o f fi n g e l n u m 比r ton 1 0 i 翻 ” 邝 结构二指结构三指结构 破碎率 ( % ) 由表4 一 7 可以得出结论: 当用二指结构做模拟试验时， 钵体几乎全部破碎; 由 表4 一 8 可知用三指结构做模拟试验时， 钵体仅有极少一部分破碎。 鉴于模拟试验的结果， 夹持 指决定采用三指细指结构。 4 . 1 . 4钵体受力试验 1) 试验目的: 测量含水率在 1 既一 2 既的钵体所能承受的最大压力，结合钵体的重量测量试验的结 果，确定机械手夹持装置的结构及驱动力的大小。 2) 试验仪器: 选用型号为J J 5 0 0 0