农产品搬运加工机械手控制系统设计研究

胡志荣

（江西新能源科技职业学院，江西 新余 338000）

1 系统设计概述

1.1 设计方案

传统模式下中小型农产品的搬运加工通常采用手工操作方式，效率低下且容易造成误差。为提升农产品搬运加工的自动化水平，本文以西门子S7-200 型PLC 为核心处理器，联合机械手臂、光电传感器、气动控制模块、组态模块等设计了一款结构简单、功能齐全，具有生产实用价值的农产品搬运加工机械手控制系统。该系统需实现的设计功能有：①进行中小型农产品的自动抓取、移动搬运、定点卸载操作；②执行中小型农产品的包装和存储搬运操作；③对机械手控制系统各单元模块进行触屏控制、远程监控等操作；④自动检测系统运行发生的故障问题，如：掉料、过载、产品积压、空转等，发出声光报警提示并自动断电。基于上述工作需求对系统进行整体的机械和电气结构设计。

1.2 基本结构

本系统基本结构如图1 所示，主要以西门子S7-200 型PLC 为硬件核心，外接光电传感器、移动搬运机械手臂、存储搬运机械手臂、组态触摸屏、声光报警模块、落料机械支撑机构、电源等。其中PLC 为系统程序运行和处理的核心部件，光电传感器用于检测农产品搬运、定点卸载和包装加工操作的进度，组态触摸屏用于对系统实现触摸远程控制，落料机械支撑机构是农产品转运包装的平台，声光报警模块用于对过载、空转、掉料等故障进行识别报警。

2 系统硬件设计

2.1 可编程逻辑控制器选型

可编程逻辑控制器是本系统控制机械手搬运、包装和移位的核心处理器。其工作原理为：通过编译逻辑顺序控制程序，实现对机械手抓取、移位搬运、卸载农产品至落料机械支撑机构指定位置，光电传感器检测农产品落料到位，启动存储搬运机械手包装农产品，实时检测包装进度，包装完成后存储搬运机械手便将完成包装的农产品统一搬运至存储区。此外，过程中如果发生故障，系统会自动启动声光报警提示并断电。为有效执行上述逻辑操作过程，研究选择西门子公司研发的S7-200型PLC 作为核心处理器。

2.2 机械手臂结构设计

本系统的机械手臂机械结构如图2 所示，由摆动气缸、定位螺旋、手爪、磁性开关、标准气缸、节流阀、双联气缸、接近开关、缓冲阀、支架等机械机构组成。其中，摆动气缸用于控制手臂左右移位搬运农产品；定位螺旋用于控制手臂左右摆动的幅度；手爪是抓取搬运的农产品的主要部件；磁性开关用于检测手爪和手臂动作的限位；标准气缸是手爪上升下降的供能机构；节流阀用于控制手臂手爪动作的速度；双联气缸用于给手臂伸出缩回动作提供动能；接近开关用于检测手臂左右摆动的限位；缓冲阀用于减少手臂左右摆动的冲击力；支架用于固定整个机械手臂。

2.3 光电传感器选型设计

系统选择SICK 公司研发的WL12L-2B530S02 小型光电传感器。该传感器以镜反射式原理为基础进行研发，检测感应距离为0～5 m，供电电压为10～30 VDC，能满足本系统检测农产品卸载定位和包装进度的需求。具体的工作原理为：在落料机械支撑机构的农产品定点卸载位置处安装A 光电传感器，用于检测机械手是否将抓取的农产品准确卸载至安装位置，若农产品已完成准确卸载，PLC 控制存储搬运机械手开始对农产品进行包装。一旦农产品完成包装，其垂直高度会上升5 cm，并被B 光电传感器检测到，存储搬运机械手会在程序控制下将包装完成的农产品搬运至存储区。本系统框图如图3 所示。

2.4 气动控制设计

本系统机械手执行抓取、搬运、卸载、移位、包装等动作均由气动模块提供动能。气动模块包含电磁开关、气动管、消声器、气泵、电磁阀组、电磁阀驱动线圈等零部件。以抓取农产品动作为例阐述设计原理：PLC 向机械手抓取电磁阀驱动线圈发送高电平指令- 驱动抓取电磁阀导通- 气泵中的压缩空气通过气动管驱动手爪执行抓取动作- 抓取电磁开关导通，提示手爪成功抓取农产品。反之，如果手爪需要执行卸载农产品动作，则PLC 应首先向机械手抓取电磁阀驱动线圈发送低电平指令，之后才能驱动手爪卸载电磁阀驱动线圈导通。气动控制模块的工作示意图如图4 所示。

3 系统软件设计

3.1 梯形图程序编译思路

本系统采用梯形图编译程序，使用STEP7 软件编写、调试和下载程序模块。根据系统要求实现的功能，将梯形图程序编译思路总结为：①系统启动并进行自检，若没有问题开始正常执行程序，若出现问题则报警断电；②正常执行程序的流程为：启动移动搬运机械手抓取农产品- 移动至落料机械支撑机构上限位- 机械手臂下降并卸载农产品至定位点- 光电传感器A 检测到农产品- 存储搬运机械手启动并执行包装农产品动作- 光电传感器B 检测到包装完成的农产品- 存储搬运机械手执行搬运操作，将包装好的农产品搬运至存储区；③设置报警中断程序，当出现农产品掉落、积压、系统空转或过载运行等状况时，启动报警中断程序。

3.2 组态监控设计

系统选用昆仑通泰触摸屏和MCGS 软件设计系统的组态监控模块，主要用于对机械手搬运加工农产品的过程进行触摸控制和远程监控。具体设计中需要用到的控件包括：机械手臂、指示灯、按钮等，其中指示灯可显示机械手抓取、搬运、加工农产品的工作过程，按钮可实现系统的启动和停止触摸控制。当操作人员按下启动按钮后，组态中的机械手会执行农产品搬运加工动作，并呈现出对应的动画，指示灯也可实时显示出机械手的动作状态。本系统的组态监控界面如图5 所示。

4 结语

农产品搬运加工生产是机械制造及自动化领域热门的研究方向之一，本文基于PLC 和机械手设计控制系统能够较好地解决农产品自动化搬运加工的技术问题，体现出一定的先进性，整个系统结构简单，通用性和移植性都很强，在未来的生产加工中有望展现出一定的推广价值。