CN115517089A - 一种苗木嫁接机器人的纯气动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，包括气缸、气爪，控制气缸、气爪缸的步进模块、主换向阀和行程阀。本控制系统既不用进行各种传感信息的采集与程序的编写，还可规避因控制执行元件的电磁阀频繁切换易引起的线圈烧毁现象，且具有维护方便、可靠性高和使用寿命长的特点。这种气动控制系统的设计方法，不用进行行程程序的校核，无论标准程序还是非标准程序均适用，无论是单执行元件顺序动作还是多执行元件并行动作均可采用该设计方法。该控制系统不会出现电控系统中电磁阀频繁切换易引起的线圈烧毁现象，且具有维护方便、可靠性高、成本低和使用寿命长的特点。

Description

一种苗木嫁接机器人的纯气动控制系统

技术领域

本发明涉及控制系统，确切地说是一种苗木嫁接机器人的纯气动控制系统。

背景技术

蔬菜嫁接技术可有效防控病虫害，提高生产率和嫁接苗成活率并降低劳动强度。

国内外现已研发出的控制系统大多以单片机、PLC工控机或PC机为控制器，先通过采集光电开关、电磁开关等各种传感信号，再利用电磁阀等控制元件对气动执行元件进行相关控制，从而达到各执行机构能够高效协调工作。而这种以PLC和PC机为控制器的自动嫁接机大多比较昂贵，限制了一般农户和中小型育苗基地的使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，该控制系统不会出现电控系统中电磁阀频繁切换易引起的线圈烧毁现象，且具有维护方便、可靠性高、成本低和使用寿命长的特点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，包括气缸、气爪，控制气缸、气爪的步进模块、主换向阀和行程阀，所述的气缸设有气缸A、气缸E、气缸F、气缸H、气缸K、气缸L、气缸N、气缸O和气缸P；气爪设有气爪B、气爪C、气爪G、气爪I和气爪M。执行元件的初始状态为：气缸A、气缸E、气缸F、气缸H、气缸K、气缸L和气缸N的初始状态均为缩回，气缸O和气缸P的初始状态为伸出，气爪B、气爪C、气爪G、气爪I和气爪M初始状态均为松开；气缸A控制砧木机械手手臂长短；气缸H控制穗木机械手手臂长短；摆动缸D实现砧木旋转移送；气缸E带动砧木切削刀进给完成切削；砧木处理部分：气缸A伸出，气爪B、气爪C同时抓紧分别夹持砧木苗和营养钵，取苗后气缸A退回，摆动缸D旋转90°至切削位置，气缸E伸出完成切削动作，气爪G配合气缸抓紧上半部砧木苗，机械手夹紧砧木苗的气爪B松开，同时切削缸E退回气缸F带动气爪G将切削下的砧木苗分离并运至丢弃处，气爪G松开丢弃切削下的砧木苗的同时，气缸F复位摆动缸D再旋转90°，气缸A再次伸出将处理完的砧木苗送至上夹处；穗木处理部分：控制穗木机械手手臂长短的气缸H伸出，气爪I抓紧穗木苗，取苗后气缸H退回，实现穗木旋转的摆动缸J旋转90°至切削位置，带动穗木切削刀进给的气缸K伸出完成切削动作，气爪M配合气缸抓紧下半部穗木苗，切削缸K退回的同明气缸L带动去苗气爪M将切削下的穗木苗分离并运至丢弃处，气爪M松开丢弃切削下的穗木苗的同时气缸L复位摆动缸J再旋转90°，气缸H再次伸出将处理完的穗木苗送至上夹处；嫁接与排苗部分：当砧木机械手和穗木机械手并行完成砧木处理和穗木处理之后，气缸O和P退回扶苗，推送嫁接夹的气缸N伸出完成上夹，然后夹持穗木苗的气爪I松开，气缸O和气缸P伸出复位的同时气缸N退回，气爪C松开将营养钵放至传输带排苗，最后摆动缸D和J反转180°复位的同时控制砧木、穗木机械手手臂长短的气缸A、气缸H同时退回，至此完成一个工作循环。

本发明对于执行元件多，动作多，存在并行运动机构和并行动作且控制过程非常复杂的苗木嫁接机器人采用了基于步进模块的全气动控制方式。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

本发明的纯气动控制系统，只需利用双压阀、气控换向阀、行程阀、气缸等气动元件，再通过这些元件进行科学合理地搭接回路，即可实现各执行机构的高效协调工作。这种控制系统既不用进行各种传感信息的采集与程序的编写，还可规避因控制执行元件的电磁阀频繁切换易引起的线圈烧毁现象，且具有维护方便、可靠性高和使用寿命长的特点。这种气动控制系统的设计方法，不用进行行程程序的校核，无论标准程序还是非标准程序均适用，无论是单执行元件顺序动作还是多执行元件并行动作均可采用该设计方法。

进一步的优选技术方案如下：

所述的步进模块设有一个双压阀和一个两位三通阀，步进模块共有四个输入气口和三个输出气口；输入气口用来为该模块提供准备信号、驱动信号、气源和复位信号；处于工作中的步进模块输出气口A使控制上一动作的步进模块在上一动作压下行程阀后复位停止工作；输出气口B用于切换换向阀，控制正在进行的动作；输出气口C为下一模块提供准备信号直到进行中的动作压下行程阀发出下一模块工作的驱动信号。

所述的纯气动控制系统设有嫁接前的准备回路，保证砧木处理部分和穗木处理部分同时进行并完成之后，再完成后续一系列的顺序动作。

所述的纯气动控制系统设有紧急事件处理回路，紧急事件处理回路设有急停按钮、复位按钮。

所述的控制系统设有减压阀，减压阀调节气源压力。

所述的纯气动控制系统设有运行模式切换回路，运行模式切换回路设有弹簧复位式和钢球定位式开关阀。

所述的纯气动控制系统，顺序完成的动作，由不同的步进模块控制；同时完成的动作，由同一个模块同时驱动。如砧木苗夹持和营养钵夹持是同时进行的，此时可由同一个模块驱动；再如砧木苗处理与穗木苗处理中，同时进行的步骤也可以由同一个模块驱动。

附图说明

图1是本发明的步进模块结构原理图。

图2是本发明的嫁接机部分执行元件运动轨迹图。

图3是本发明的紧急事件处理回路的电路图。

图4是本发明的调节气源压力的减压阀。

图5砧木传送带控制回路。

图6运行模式切换回路。

图7工作流程行程程序式。

图8砧木处理部分回路图。

图9嫁接前的准备回路。

图10嫁接及排苗部分回路图。

图11嫁接机器人控制系统气动回路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1-11可知，本发明的一种苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，由气缸、气爪，控制气缸、气爪步进模块、主换向阀和行程阀组成；所述的气缸设有气缸A、气缸E、气缸F、气缸H、气缸K、气缸L、气缸N、气缸O和气缸P；气爪设有气爪B、气爪C、气爪G、气爪I和气爪M。执行元件的初始状态为：气缸A、气缸E、气缸F、气缸H、气缸K、气缸L和气缸N的初始状态均为缩回，气缸O和气缸P的初始状态为伸出，气爪B、气爪C、气爪G、气爪I和气爪M初始状态均为松开；气缸A控制砧木机械手手臂长短；气缸H控制穗木机械手手臂长短；摆动缸D实现砧木旋转移送；气缸E带动砧木切削刀进给完成切削；砧木处理部分：气缸A伸出，气爪B、气爪C同时抓紧分别夹持砧木苗和营养钵，取苗后气缸A退回，摆动缸D旋转90°至切削位置，气缸E伸出完成切削动作，气爪G配合气缸抓紧上半部砧木苗，机械手夹紧砧木苗的气爪B松开，同时切削缸E退回气缸F带动气爪G将切削下的砧木苗分离并运至丢弃处，气爪G松开丢弃切削下的砧木苗的同时，气缸F复位摆动缸D再旋转90°，气缸A再次伸出将处理完的砧木苗送至上夹处；穗木处理部分：控制穗木机械手手臂长短的气缸H伸出，气爪I抓紧穗木苗，取苗后气缸H退回，实现穗木旋转的摆动缸J旋转90°至切削位置，带动穗木切削刀进给的气缸K伸出完成切削动作，气爪M配合气缸抓紧下半部穗木苗，切削缸K退回的同明气缸L带动去苗气爪M将切削下的穗木苗分离并运至丢弃处，气爪M松开丢弃切削下的穗木苗的同时气缸L复位摆动缸J再旋转90°，气缸H再次伸出将处理完的穗木苗送至上夹处；嫁接与排苗部分：当砧木机械手和穗木机械手并行完成砧木处理和穗木处理之后，气缸O和P退回扶苗，推送嫁接夹的气缸N伸出完成上夹，然后夹持穗木苗的气爪I松开，气缸O和气缸P伸出复位的同时气缸N退回，气爪C松开将营养钵放至传输带排苗，最后摆动缸D和J反转180°复位的同时控制砧木、穗木机械手手臂长短的气缸A、气缸H同时退回，至此完成一个工作循环。

步进模块是控制系统的核心部件，如图1所示，所述的步进模块设有一个双压阀和一个两位三通阀，步进模块共有四个输入气口和三个输出气口；输入气口1、2、3、4分别用来为该模块提供准备信号、驱动信号、气源和复位信号；处于工作中的步进模块输出气口A使控制上一动作的步进模块在上一动作压下行程阀后复位停止工作；输出气口B用于切换换向阀，控制正在进行的动作；输出气口C为下一模块提供准备信号直到进行中的动作压下行程阀发出下一模块工作的驱动信号。按上述控制原理步进模块可以控制嫁接机器人顺序完成预定的一系列动作。

根据嫁接机器人工作过程绘制的部分气缸运动轨迹如图2所示，图中：

气缸A、气缸H分别用于砧木、穗木取苗。

气缸E、气缸K分别用于砧木、穗木切削缸。

气缸N为嫁接夹推送缸。

图中的箭线表示气缸的伸出或退回动作。

图2中序号①、②分别表示砧木、穗木机械手为取苗进行的伸出动作；③、④分别表示砧木、穗木机械手回转90°至切削位置的动作，⑤、⑥分别表示对砧木、穗木进行的切削动作，⑦、⑧分别表示砧木、穗木机械手继续回转90°的动作，⑨、⑩分别表示砧木、穗木机械手伸出至嫁接位置处的动作，

表示推送嫁接夹的动作。

由图2可知，控制系统自动完成的砧木处理部分的作有：砧木机械手伸出、退回、旋转、切削缸伸出退回、砧木机械手旋转后再伸出至嫁接处等。按下启动按钮后，在步进模块的作用下各动作之所以能够顺序完成，是通过前一动作末压下行程阀发出的气信号作为驱动信号，驱动下一个动作进行。

控制系统自动完成的穗木处理部分的主要动作有穗木机械手伸出、退回、旋转、切削缸伸出退回、穗木机械手旋转后再伸出至嫁接处等。按下启动按钮后，在步进模块的作用下各动作之所以能够顺序完成，是通过前一动作末压下行程阀发出的气信号作为驱动信号，驱动下一个动作进行。

控制系统自动完成的嫁接与排苗部分的主要动作有扶苗、推夹装置伸出上夹、扶苗装置复位、推夹装置复位、松开穗木苗、排嫁接苗等。砧木、穗木机械手都伸出至嫁接处之后，在步进模块的作用下各动作能够顺序完成，也是通过前一动作末压下行程阀发出的气信号作为驱动信号，驱动下一个动作进行。

如图3所示，所述的纯气动控制系统设有紧急事件处理回路，紧急事件处理回路设有急停按钮、复位按钮。

本发明所提供的气动控制系统，可通过按压急停按钮在任意时刻暂停以处理紧急事件。处理完紧急事件再按压复位按钮完成后续动作，或将各气缸、气爪、马达设为初始状态后，再按压复位按钮即可从第一个动作开始执行。

所述的控制系统设有减压阀，减压阀调节气源压力。

纯气动控制系统，根据操作人员熟练程度，可通过调整图4中减压阀出口压力实现嫁接速度的调整。

所述的纯气动控制系统设有运行模式切换回路，运行模式切换回路设有弹簧复位式和钢球定位式开关阀。

如图5所示，根据营养钵是否在指定位置，能够自动控制营养钵传输带启停。当传输带上的营养钵被传输到指定位置会将行程阀Q0压下，图5中换向阀右位工作，驱动传送带运动的马达Q停止转动，等待机械手取苗。取苗之后，某控制信号使换向阀左位工作，马达再次使传输带工作直到下一个营养钵再将行程阀Q0压下。

如图6所示，所述的纯气动控制系统，顺序完成的动作，由不同的步进模块控制；同时完成的动作，由同一个模块同时驱动。如砧木苗夹持和营养钵夹持是同时进行的，此时可由同一个模块驱动；再如砧木苗处理与穗木苗处理中，同时进行的步骤也可以由同一个模块驱动。

纯气动控制系统，能够实现自动连续作业和手动单步作业两种运行方式的切换。通过弹簧复位式和钢球定位式开关阀实现该功能；手动单步操作时，需先将穗木苗按一定方位放至供苗台，再按压单步运行开关开始工作。自动连续操作时，将穗木苗放至供苗台后，必须先将图6中止通阀左位接入回路断开和通气孔的连接，然后再按压自动运行开关开始连续工作。自动运行过程中，需操作人员观察，一旦供苗台无苗，立即正确放置穗木苗。

无论采用哪种运行模式，只要营养钵没有到达指定位置将行程阀Q0压下，作循环就不会进行。采用这种控制系统的只需配备一名操作人员及时正确将穗木苗放至供苗台即可。

如图8所示。对于直动气缸，字母的下标数字0、1分别表示气缸活塞杆退回和活塞杆伸出。对于图中的摆动缸，字母的下标数字0、1、2分别表示初始位置、转动90°、转动180°。

因工作流程较为复杂，故其行程程序式用图片的形式描述。由图8可知工作过程中，即有多个动作同时执行的时刻，也有多个机构同时工作的时刻。每个动作的驱动信号及该动作完成后的触发信号，都是压下行程阀发出的气信号，与回路图中行程阀的表示方法一样，由字母和0或1组合表示，例如：A1表示气缸A活塞杆伸出时压下的行程阀A1，也表示压下行程阀A1后发出的气动信号A1。启动前，各执行元件的初始状态是，气爪B、气爪C、气爪I、气爪M、气爪G和气缸O、气缸P都处于活塞杆伸出的状态，其余气缸启动前初始状态都处于活塞杆退回的状态。

对于顺序完成的动作，一个模块驱动一个动作，对于同时完成的动作，可由一个模块同时驱动。例如，砧木苗夹持和营养钵夹持是同时进行的，此时可由同一个模块驱动。

根据图7嫁接机器人工作流程行程程序式可知，穗木处理和砧木处理环节几乎完全相似，都需要九个步进模块，而且是同步进行的。将步进模块、各执行元件、换向阀、行程阀进行正确连接即可得到砧木、穗木处理部分回路图，如图9所示为砧木处理部分回路图。砧木、穗木处理部分回路图相同。步进模块、各执行元件、换向阀、行程阀的正确连接方式简述如下：根据图1所示步进模块工作原理，将每个步进模块的气口1和上一步进模块的输出气口C相连，每个步进模块的输入气口2和上一动作末压下的行程阀相连，每个步进模块的输入气口3、行程阀和换向阀的入口都接气源，每个步进模块的输入气口4和下一步进模块的输出气口A相连，每个步进模块的输出气口A和上一步进模块的气口4相连，每个步进模块的输出气口B直接或通过梭阀和该模块所控制动作对应的换向阀控制气口相连，每个步进模块的输出气口C和下一步进模块的气口1相连。

图8中梭阀处的接口1和摆动缸D的主换向阀处的接口2都和模块24的输出气相连。当砧木机械手和穗木机械手并行完成砧木处理和穗木处理之后，气缸A和气缸H再次同时伸出分别将营养钵和有效穗木苗送至嫁接处。为保证各执行机构的协调运行，负责推送嫁接夹的N缸需等营养钵砧木苗和穗木苗都送到嫁接处，并由O缸和P缸配合扶苗后才能推送嫁接夹。

如图9所示，模块9和18分别控制砧木、穗木机械手的伸出动作，二者都做出伸出动作并压下各自的行程阀之后，才能保证模块19有准备信号和驱动信号以完成之后的一系列的动作。根据图8嫁接机器人工作流程行程程序式可知，嫁接和排苗处理需要六个步进模块，将步进模块、各执行元件、换向阀、行程阀进行正确连接即可得到嫁接和排苗部分回路图，如图10所示。

将以上所设计绘制的各部分回路图组合起来即可得到完整的控制系统气动回路原理图，如图11所示。

气缸A、气缸E、气缸F、气缸H、气缸K、气缸L和气缸N的初始状态均为缩回，气缸O和气缸P的初始状态为伸出，气爪B、气爪C、气爪G、气爪I和气爪M初始状态均为松开，按下单步运行开关，嫁接机器人通过控制系统执行如下一系列的动作。

砧木处理部分：控制砧木机械手手臂长短的气缸A伸出，气爪B、气爪C同时抓紧分别夹持砧木苗和营养钵，取苗后气缸A退回，实现砧木旋转的摆动缸D旋转90°至切削位置，带动砧木切削刀进给的气缸E伸出完成切削动作，气爪G配合气缸抓紧上半部砧木苗，机械手夹紧砧木苗的气爪B松开同时切削缸E退回气缸F带动气爪G将切削下的砧木苗分离并运至丢弃处，气爪G松开丢弃切削下的砧木苗的同时气缸F复位摆动缸D再旋转90°，控制砧木机械手手臂长短的气缸A再次伸出将处理完的砧木苗送至上夹处。

穗木处理部分：控制穗木机械手手臂长短的气缸H伸出，气爪I抓紧穗木苗，取苗后气缸H退回，实现穗木旋转的摆动缸J旋转90°至切削位置，带动穗木切削刀进给的气缸K伸出完成切削动作，气爪M配合气缸抓紧下半部穗木苗，切削缸K退回的同明气缸L带动去苗气爪M将切削下的穗木苗分离并运至丢弃处，气爪M松开丢弃切削下的穗木苗的同时气缸L复位摆动缸J再旋转90°，控制穗木机械手手臂长短的气缸H再次伸出将处理完的穗木苗送至上夹处。

嫁接与排苗部分：当砧木机械手和穗木机械手并行完成砧木处理和穗木处理之后，气缸O和P退回扶苗，推送嫁接夹的气缸N伸出完成上夹，然后夹持穗木苗的气爪I松开，气缸O和气缸P伸出复位的同时气缸N退回，气爪C松开将营养钵放至传输带排苗，最后摆动缸D和J反转180°复位的同时控制砧木、穗木机械手手臂长短的气缸A、气缸H同时退回，至此完成一个工作循环。

本实施例的纯气动控制系统，只需利用双压阀、气控换向阀、行程阀、气缸等气动元件，再通过这些元件进行科学合理地搭接回路，即可实现各执行机构的高效协调工作。这种控制系统既不用进行各种传感信息的采集与程序的编写，还可规避因控制执行元件的电磁阀频繁切换易引起的线圈烧毁现象，且具有维护方便、可靠性高和使用寿命长的特点。这种气动控制系统的设计方法，不用进行行程程序的校核，无论标准程序还是非标准程序均适用，无论是单执行元件顺序动作还是多执行元件并行动作均可采用该设计方法。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (7)

1.一种苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，包括气缸、气爪，控制气缸、气爪的步进模块、主换向阀和行程阀，其特征在于：

所述的气缸设有气缸A、气缸E、气缸F、气缸H、气缸K、气缸L、气缸N、气缸O和气缸P；气爪设有气爪B、气爪C、气爪G、气爪I和气爪M；气缸A、气缸E、气缸F、气缸H、气缸K、气缸L和气缸N的初始状态均为缩回，气缸O和气缸P的初始状态为伸出，气爪B、气爪C、气爪G、气爪I和气爪M初始状态均为松开；气缸A控制砧木机械手手臂长短；气缸H控制穗木机械手手臂长短；摆动缸D实现砧木旋转移送；气缸E带动砧木切削刀进给完成切削；

砧木处理部分：气缸A伸出，气爪B、气爪C同时抓紧分别夹持砧木苗和营养钵，取苗后气缸A退回，摆动缸D旋转90°至切削位置，气缸E伸出完成切削动作，气爪G配合气缸抓紧上半部砧木苗，机械手夹紧砧木苗的气爪B松开，同时切削缸E退回气缸F带动气爪G将切削下的砧木苗分离并运至丢弃处，气爪G松开丢弃切削下的砧木苗的同时，气缸F复位摆动缸D再旋转90°，气缸A再次伸出将处理完的砧木苗送至上夹处；

穗木处理部分：控制穗木机械手手臂长短的气缸H伸出，气爪I抓紧穗木苗，取苗后气缸H退回，实现穗木旋转的摆动缸J旋转90°至切削位置，带动穗木切削刀进给的气缸K伸出完成切削动作，气爪M配合气缸抓紧下半部穗木苗，切削缸K退回的同明气缸L带动去苗气爪M将切削下的穗木苗分离并运至丢弃处，气爪M松开丢弃切削下的穗木苗的同时气缸L复位摆动缸J再旋转90°，气缸H再次伸出将处理完的穗木苗送至上夹处；

嫁接与排苗部分：当砧木机械手和穗木机械手并行完成砧木处理和穗木处理之后，气缸O和P退回扶苗，推送嫁接夹的气缸N伸出完成上夹，然后夹持穗木苗的气爪I松开，气缸O和气缸P伸出复位的同时气缸N退回，气爪C松开将营养钵放至传输带排苗，最后摆动缸D和J反转180°复位的同时控制砧木、穗木机械手手臂长短的气缸A、气缸H同时退回，至此完成一个工作循环。

2.根据权利要求1所述的苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，其特征在于：所述的步进模块设有一个双压阀和一个两位三通阀，步进模块共有四个输入气口和三个输出气口；四个输入气口用来为该模块提供准备信号、驱动信号、气源和复位信号；处于工作中的步进模块输出气口A使控制上一动作的步进模块在上一动作压下行程阀后复位停止工作；输出气口B用于切换换向阀，控制正在进行的动作；输出气口C为下一模块提供准备信号直到进行中的动作压下行程阀发出下一模块工作的驱动信号。

3.根据权利要求1所述的苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，其特征在于：所述的纯气动控制系统设有嫁接前的准备回路，准备回路保证砧木处理部分和穗木处理部分同时进行并完成之后，再完成后续一系列的顺序动作。

4.根据权利要求1所述的苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，其特征在于：所述的纯气动控制系统设有紧急事件处理回路，紧急事件处理回路设有急停按钮、复位按钮。

5.根据权利要求1所述的苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，其特征在于：所述的控制系统设有减压阀，减压阀调节气源压力。

6.根据权利要求1所述的苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，其特征在于：所述的纯气动控制系统设有运行模式切换回路，运行模式切换回路设有弹簧复位式和钢球定位式开关阀。

7.根据权利要求1所述的苗木嫁接机器人的纯气动控制系统，其特征在于：所述的纯气动控制系统，顺序完成的动作，由不同的步进模块控制；同时完成的动作，由同一个模块同时驱动。

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