基于PLC的苹果采摘机器人控制系统设计

基于PLC的苹果采摘机器人控制系统设计

缪凯杰,  ,孙莉

山东协和学院工学院 济南 250107

摘 要：本系统使用S7-200PLC作为控制单元，对伺服电动机以及其他辅助设备进行控制，按照设计工艺要求，完成系统的方案设计、硬件设计和软件设计。系统主要采用PTO控制功能，实现对伺服电动机的脉冲计算和输出。通过上位机仿真来实现苹果采摘机器人的调试，达到系统设计的要求。系统设计稳定可靠，可行性高，逻辑清晰，满足了设计的基本需求。

关键词：苹果采摘机器人；PLC；伺服控制；PTO功能应用

1 引言

社会目前发展进入新的阶段，机器人使用的范围也越来越广泛，现在机器人行业发展也比较迅速。特别是在繁琐的劳动、危险劳动以及重复性劳动方面，使用机器人代替人工进行工作，可以大大提高生产效率。同时在现代农业的发展中，机械化和智能化应用越来越多，本设计主要是对苹值果园的采摘机器人进行设计，用以代替人工完成采摘工作。对于采摘机器人的控制，一般需要实现坐标的定位控制，本设计采用三个轴的伺服电动机来实现采摘机器人的手臂控制，通过定位仪对目标苹果坐标读取和分析，来驱动三个伺服电动机以及抓手来进行苹果的采摘控制，来达到自动采摘的设计目的。

2控制系统程序框图

按照苹果采摘机器人控制系统的设计要求，本设计主要实现的功能为对采摘机器人的X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向进行伺服驱动控制，通过目标苹果坐标值和手抓坐标值的比较，来实现机器人手抓的移动控制。苹果采摘机器人控制系统按照设计的功能要求，主要采用条件判断思路来实现系统的功能设计，对苹果采摘机器人控制的外部按钮信号、传感器信号等进行采集，将信号采集到控制单元的输入侧，然后依据软件逻辑程序运算，将运算的结果输出到控制单元的输出侧达到系统设计的自动控制目的。

对于苹果采摘机器人控制系统的PLC设计，包括了系统的方案设计，依据系统的方案进行接线图设计、完成系统的PLC接线，达到硬件接线设计要求。对系统进行功能流程设计，然后完成PLC梯形图编译和下载，最后进行系统调试，完成系统的功能验证。系统的基本控制架构设计如图所示图1所示。

图1  系统基本控制架构图

2  控制系统硬件设计

2.1  PLC选型

依据苹果采摘机器人控制系统的设计方案，选择的CPU模块型号CPU226,该PLC模块的输入信号点数为24个，输出信号点数为16个。可以根据苹果采摘机器人控制系统的实际需求，进行相关模块的扩展来达到系统设计的功能要求。。

2.2  视觉定位仪的选型

视觉定位仪传感器为基恩士公司生产的DM12-S40型号的视觉定位仪传感器，该传感器可以和可编程控制器之间进行通讯，将具体的视觉信息通过通讯传输到可编程控制器。

2.3  伺服电动机的选型

本设计按照苹果采摘机器人控制系统的控制要求和系统方案描述，选择二相混合式伺服电动机，具体的伺服电动机型号为普菲德公司生产的60EMA-06A型号伺服电动机。查询铭牌可知步距角为1.8°。额定电流为3.2A，阻值为30欧姆，相数为二相。该伺服电动机的保持转矩通过铭牌查询为2.8kg.cm。

2.4  伺服驱动器的选型

本设计选择的伺服驱动器型号为DCSF-C，该伺服驱动器完全满足伺服电动机的使用。

2.5  系统的I/O分配

本设计的输出点包括了接触器、伺服驱动器、电磁阀以及信号灯等。按照PLC的地址分配要求，每个功能信号拥有一个地址，该地址的接线和程序编写只能属于该功能信号。对系统进行I/O分配的目的就是方便PLC接线图的设计和PLC程序的设计。系统的I/O分配设计如表1所示。

表1  I/O点分配设计表

3  苹果采摘机器人控制的软件设计

系统的设计通过条件判断的思路来设计，系统设计分为回原点程序、采摘苹果程序、苹果筐满判断程序以及小车前后和拐弯控制程序等。系统初始化之后，按下外部系统启动按钮，系统运行使能接通后，首先执行回原点程序，当三个方向的坐标轴都为原点位置后，回原点结束。此时视觉定位仪开始传输数据到PLC，PLC将苹果的目标坐标和当前抓手坐标对比之后，如果目标坐标在范围之内，将驱动驱动器运行。如果目标坐标超出范围，将驱动小车和转弯机构运行。当到达目标坐标后，手抓抓紧，此时苹果摘下后，开始返回到果箱位置。对于果箱重量的控制，当果箱重量达到设定值以上后，将提示果满输出。程序设计流程图如图所示图2所示。

图2  程序设计流程图

1总结

对于苹果采摘机器人控制设计，需要达到的设备控制功能为实现X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的控制，实现伺服电动机的正反转控制、定位控制等。系统采用定位仪传感器来检测苹果的目标坐标值，当确定该目标时，驱动三个伺服电动机动作，来实现苹果采摘控制设计。在进行系统设计过程中，系统的设计方案为PLC加上位机方案进行设计。按照设计的要求，实现了伺服电动机的控制。参考文献：

[1]陈冠平.采摘机器人的研究进展与展望[J].河南科技学院学报.2019,19(07):43-46.

[2]张璐.果实采摘机器人的结构设计及工作能力研究[J].农机化研究.2020,34(11):76-78.

[3]张俊雄.苹果采摘机器人的研究现状[J].装备制造技术.2020,17(26):81-84.

项目：2023届毕业设计