1、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
2、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PLc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，
3、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SOLID切ORKS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SOLIDw0RKS中建立的穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型文件，导入到ADAMS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
4、，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ADAMS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PLC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，ADAMS，SOLIDWORKS.穴盘苗英文摘要Ab8tIaCtAlong初ththed
5、evclOPmentofscienceandteChoology，Preductionofvege1ab1eandninthegreenhouSeismaincontentandimponantsymbo1ofmod创刀agrlculture朴朋印1antingpotSeed1il1gsisthein1portantsteP，朗disthebasicinachlevingfaclory，即tolnatio氏centrallzalionofproducege汕叫se.Manipulatoriscorepartsandexecuting优ganlzationinautomatict.m印lanti
6、ngpot戏dlingsmachinestructo比designandsim司ation代searchofmanIpulatoristhebasicdesigninaut0maticlranSPlantingpotseedl川95m.ehine. The翻rtlclebaseonrefe币ngtointen】at目domestic胡dforelgnlnvestigative加化nna1ioncombinedwi1hmechanicaldesign，three一dirnensionalsculPtsoftw别限，simulati叽PLCsystemicanalysis，struc奴lredes
7、ignandsimulationresearchtotranSPIantpotseed1lngsm画州川优T卜eartlcleProvi山referenceand留ademichasetotral1sPlantpotseedlingSmachineexP】01妞tio氏沐rformanceevaluationand邝alizeautomatictransPlantingpot别咒dlings.T七emaln云刀itof面sthesisincludes: (1)们恤ough胡alysisof俪movcmentoftIa”sP1antingpotseedlingsmaI1ipulatorandpn
8、meexpenme成co而rmthecoordlnateandde脚e.Itisdesignedtwodifl七rentstructoresof加劝sPlantingpots以川11ngsman1Pulatorcombinewithmech田吐caldesignandeveryPartsofmanlPulatorrequirements. (2)T坛oughrese田犯hof叭叼rkProcessofmaniPuIator，comPletethethreedimensiona】digitiZedmodelingoftransPlant1ngpotseedlingsn1anlPulatoruse
9、sS0LIDW0RKSsonware即dassemblesthemodelvirtua1ly.At1ast，t珑口sPlant1ngpotseediingsrnan1Pu1atorsv1rtua1日邢幻lblymodelisestab】ished. (3)肠朋sPlantingpotseedlingsmanipulato亡svirtualassemblingmodelinS0LIDW0RKSissuccessfullyoPenedinADAMSAppIyingconstraints，forces，kineticsanddo吨avin刀altest，thenexaminingthetheorie
10、smodelandcomPulermodelinaexperimenl，revisingeachotheratthesaJ旧etime，atlastavirtua1PrototyPingisformed. (4)TheaPPlicationofADAMStosimulatet协心structoresofthemaniPulator，analysisofthetrack，vel伙ity叻dforce，educedisady阴tage阳dedvanlageof幻刃ostructores.Thestudy0腼insthemeth0dandProcessinmechanisms如ulationanal
11、ysis，whichcanaPPly恤exP1oitinginothercornn1onmechanicalPr0duct. (5)T七eaxticleresearc】1selectionofrnaniPu1atorcylinders，dssignofairPressure仃助slllissionsystem，selectionofairPressu犯仃出始missioncomPonent，workoutProeessofPLc，“沈ptdesignthestructoreoftranSP1antingpotSeed1ingsm翻旧pulator胡dsimu】创lon.M如u丘比加比山ePro
12、totype.Keywords:VidualP，totyPingt耽bnoI0gy，Ma.ipulator，ADAMSSOLIDWORKS，Potseedling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
13、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
14、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
15、基础，三维造型软件，仿真技术及PLc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
16、成穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型。(3)把在SOL工DwORKS中建立的穴盘苗移栽机械手的虚拟装配模型文件，导入到ADAMS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AD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
17、计、气动元件的选取以及在编制PLc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
18、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
19、，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90%以上。电动、
20、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
21、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
22、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.2004)。 (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
23、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.2004)。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
24、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
25、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
26、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
27、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
28、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、
29、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IQ，II。目ivitystrUclu花oft附splan石ngPot“亡dlin岁mani四lator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
30、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pLC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PLC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PLc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
31、和输出模板的输出端上，然后用PLC的控制开关使其处于运行工作方式，PLc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。PLc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Fig3一IProc目”ofPLCworking第二章基于PLC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
32、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.ZFxZN-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FXZN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FxZN一吐SMR型PLc，这种PLc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
33、。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(LCD)，也可以是阴极射击管(CRT)显示，图形显
34、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(IBM一PC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FxGP/wIN一软件运行在个人计算机上进行编程(张泽荣.2002)。3.2基于PLC穴盘苗移栽
35、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
36、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PLC程序设计过程中，充分考虑气体的可压缩性和气缸驱动的
37、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PLC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
38、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
39、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
40、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
41、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LOOPOfPn.um目icsy，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
42、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一48MR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，PLc的1/0的分配如下:X000:机械手垂直运动的上限YO01:机器手上升 X001:机械手垂直运动的下限Y002:机器手下降X002:机械手水平运动的左限YOO3:机器手水平左行 X003:控制面板上的启动Yoo4:机器手水平右行X011:机械手停止YO05:机器手爪子张合 X006:控制面板上的原点M8002:原始脉冲a触点x010:控制面板上的启动珊040:转移开始 M8041:转移禁止M8034:PC的外部输出皆为OFFY00
43、7:机器人回原位(PLc发出程序复位信号后，机械手复位)第二章基于PLC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PLC的梯形图。PLc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170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b3一IP门c仁SSofconlrollingsystOn地址012357指令LD人NDOUTR名TSETZRST数据X000X002Y007M吕040so5159M8002X000Ml地址指令LDOUTLDSETSTLPLSL
44、DSETLD】SETSTLOUTLDOUTLDOUTLDOUTSETSTLOUTLDSETOUTLDIOUTLDOUTEND12LO130R140R15RBT17LD180UTZILD22OR23RST25LD26OUT29LD300R31ANI32OUT33STL34LD73SET74STL750UT76LD77SET78STLM8002X000ClM3CIKZX004Y001XO03V加1S0X以犯SlSlY000X002s2劝T3K10竹S4S4M0C0S5C0S2s5y001Y001T6K30T6Y004Y004T7K20SISETSISTLY侧扣OUTX002LDET:50阳52功T
45、OYO邓TO49阳引犯535455肠57绍59606l62936465676869707l7279s0slg2s384K2co咖CO沈阳农业大学硕士学位论文V，X.XZH10日村5.aZSE丫5.X51弓12X时2白朽2自3NI帕一-明-一料H26月2日3洲2卜州X日X7洲8041又11洲6Xl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”rtoireofcon加llingsystemofn.旧ipuia加r23第三章基于PLC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6X0I00000Y00】YO02Y0()3Y004Y0()500000上升下降左行右行张合OO24+图3一机械手工作原理接线圈F落34W匕rkingPrlnc巨pleoflll.lipu】川or(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YOO4);触动右限开关(X005)，右行停止，机械手下行;出动中限开关(XOO3)，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(x000)，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。
