基于液压机械手的绿化带自动浇灌装置设计.pdf

第 6期 总第 1 7 5期 2 0 1 2年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL E NGI NEERI NG ＆ AUT MATI N NO． 6 De c ． 文 章 编 号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 2 0 6 0 0 8 3 0 2 基于液压机械手的绿化带 自动浇灌装置设计 王增娣 ，薛林 f - 东省高级技工学校／ 广 东省技 师学院，广 东 博 罗 5 1 6 1 0 0 摘 要 介绍 了基 于液 压机 械手的 自动浇 灌装置 的系统结构 、工作过 程，完成 了液 压系统 、P L C控制 系统 的 设计，编写 了F X 1 N一2 4 MT可编程控制器下 的控制程序。该绿化带 自动浇灌装置 以P L C为控制核心 ，采用 液压缸、步进电机 和洒水 喷头为主要执 行元 件，保证 了设备 的可靠性和 灵活性。 关键词液压机械 手；浇灌装 置；P L C控制 中图分类号 T P 2 4 1 文献标识码 A 0 引 言 城市道路两旁的绿化带具有美化城市 、 消除司机 视觉疲劳、 净化环境、 减少交通事故等作用 ， 在城市 占 据着不可取代的重要地位 。绿化带多以低矮的灌木和 草坪为主， 每隔一段时间就需要人工灌溉。人工灌溉工 作强度大， 喷洒不够均匀 ， 当环境温度较低时， 工人的工 作环境相对恶劣， 且会造成水资源浪 费等现象。为此 ， 本文设 计 了基于 液压机 械手的绿化带 自动浇灌装置 。 1 自动浇灌装置的系统结构与工作过程 1 ． 1 系统 结构 自动浇灌装置主要 由液压夹持机构 、 洒水喷头机 构 、 液压控制系统和电气控制系统等几部分组成 ， 其系 统 结构如 图 1所示 。 迎 图 1 洒 水 装 置 结 构 示 惹 圈 1 液压 夹持 机 构 为 了让 洒 水 装 置 在 非 工作 状 态下节省空间 ， 采用四 自由度的液压机械手， 它能够完 成转动、 升降、 伸缩、 摆动动作 ， 机械手取代人手工作负 责洒水喷头的位置调整和摆动工作 ， 喷洒均匀。 2 洒水 喷头机 构 为一 圆形 喷 头 ， 喷头 正面 中间 位 置安装 有光 电传感 器 ， 用 以控 制 安 装 在 喷头 上 的 出 水阀 - - 位二通电磁换向阀 的接通与关闭以及喷头摆 动 缸 的启停 。 3 控制面板 含有控制机械手启／ 停 、 大臂旋转 、 大臂升／ 降、 小臂伸／ 缩的 7个手动控制按钮 ， 其 中大臂 旋转 、 大臂升／ 降 、 小臂伸／ 缩为点动开关。 1 ． 2 工 作 流 程 绿化带一般位于道路两旁 ， 所采用灌木科植物的 高矮不同， 绿化带的宽度也不相 同， 这就使得机械手基 座的旋转角度 、 升降缸的升降高度、 伸缩缸的伸出长度 存在差异， 对这 3 个系统操作均采用手动调节。 系统工作流程为 ①判断绿化带位于洒水车的哪 一 侧 ， 如果处 于左侧 ， 按 大 臂 旋 转按 钮 ， 大臂 的摆 动缸 做 1 8 0 。 旋转； ②操作者根据绿化带 中植物 的高矮 ， 按 住大臂升／ 降按钮调整大臂升降缸的上升距离 ； ③操作 者判断绿化带的宽度 ， 按住小臂伸／ 缩按钮调整小臂伸 缩缸伸出距离使喷头处于绿化带带宽中心位置； ④放在 洒水车后斗中的浇灌装置随洒水车缓慢前行； ⑤按下启 动按钮 ， 带 动喷头 摆 动 ， 摆 动 缸做 开度 为 9 O 。 左 右旋 转 ， 同时控制 喷头 出水 的二位 二通 电磁 阀得 电 ， 喷 头 出水 ； ⑥当光电传感器检测不到绿化带 中的绿色植物时， 喷头 摆动缸 的电磁 阀失 电 ， 同时控制 喷头 出水的二 位二通 电 磁阀失电， 喷头停止出水 ； ⑦洒水过程结束或水箱无水 需要加水时， 按下停止按钮， 浇灌装置的各执行缸 回原 点。该 自动浇灌装置的工作流程图见图 2 。 2液压机 械 手 回路 设计 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 1 4 ；修 回日期 2 0 1 2 0 6 2 0 作者简介 王增娣 1 9 8 0 一 ，女 ，黑龙江兰西人 ，讲师，硕 士，主要从事 P L C控制技 术、液 压技术方面的科研 和教学工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2年第 6期 该 自动浇灌装置的液压机械手系统主要由大臂摆 动缸 、 大臂升降缸、 小臂伸缩缸、 喷头摆动缸、 压力继电 器 、 单 向节 流 阀和 4个 三 位 四通 电 磁换 向 阀等 组 成 。 系统工作压力由溢流阀调整 ， 由相应电磁 阀来控 制各 液压缸工作。液压机械手系统原理图见图 3 。 开始 豫 化带处手＼ N 主 大臂旋转缸 l 旋转1 8 0 。 l _ 二 I 大臂升降I I缸上 升I 二[二 l 小臂伸缩I l 缸 伸 出 I ] 按下启动按钮 l 带动 喷头 的摆动 缸做 开度为9 O 。 的反复摆动 ’ l 喷头开关 l I 打开出水 l ／ 摆动缸停摆，同时l 喷头开关关闭l I按下停止按钮， I机械手复位停止 I ， _ 、 l 结束 I 图 3液 压 机械 手 系统 原 理 图 图 3中 ， 带动 喷头摆 动 的 摆 动缸 的摆 动 角 为 9 O 。 。 但在 安装 时 要 让 该 摆 动 缸 的 4 5 。 角 位 置 垂 直 地 面 向 下 ， 这样摆动缸就可 以带动喷头做左右各为 4 5 。 的对 称摆动 ， 以此来扩大洒水 的范 围。为了使喷头摆动缸 左 右摆 动具有 连贯 性 ， 在 该液 压 回路 的左 、 右 油路 中分 别安 装 了压力 继 电器 1 P S和 2 P S ， 来 实 现 喷 头摆 动 缸 左 、 右 摆 动的顺 序 动作 。液 压机 械 手 液 压 系统 工 作 所 对应的动作顺序见表 1 。 3 P L C控制 系统设 计 根据该 自动浇灌装置 的工作过程及控制要求 ， 确 定 该 系 统 共 有 1 4个 输 入 ， 9个 输 出 。选 用 F X1 N一 2 4 MT型 可编 程控 制 器 ， 该 P L C有 1 4输 入 ， 1 O输 出 ， 输 出类型为继电器 ， 满足控制要求 。 3 ． 1 PLC I ／ O地 址分 配及 功能 表 2为 P L C I ／ O地址 分配 表 。 表 1 液压机械手动作顺序表 1 YA Z YA 3 YA 4 YA 5 YA 6 YA 7 YA B YA 1 PS 2 PS 大臂摆动缸摆 出 1 8 0 。 大臂摆动缸摆 回 大臂 升降缸上升 大臂 升降缸下降 小臂 伸缩缸伸 出 小臂伸缩缸缩 回 摆 动缸原位 一 垂直线 以左 4 5 。 摆动缸 9 0 。 位 垂直线 以右 4 5 。 表 2 P L C I ／ O地 址分 配表 输入 输 出 PLC PLC 输入点 功能说明 功能说明 输 出点 1 YA 基座摆动缸摆出 X O S B I 开始按钮 Y0 电磁阀 2 YA 基座摆动缸摆 回电 X1 S B 2 停止按钮 Y 1 磁阀 X2 B 1 光电传 感器 Y 2 3 YA 升降缸上升 电磁阀 X3 1 B 2 基座摆动缸摆回限位 Y 3 4 YA 升降缸下降电磁阀 X 4 2 B 2 升降缸 下降 限位 Y 4 5 YA 伸缩缸电磁阀 X 5 3 B 2 伸缩缸缩 回限位 Y 5 6 YA 摆动缸电磁阀 X 6 1 P S压力继 电器 Y 6 7 YA 摆动缸左摆电磁阀 X 7 2 P S压力继 电器 Y 7 8 YA 摆动缸右摆电磁阀 X1 O S B 3手动基座摆动缸摆 出 Y1 O 9 YA 喷头开关电磁阀 X1 1 S B 4手动基座摆动缸摆 回 X1 2 S B 5手动升降缸 上升 X1 3 S B 6手动升降缸下降 X1 4 S B 7手动伸缩缸伸出 X1 5 S B 8手动伸缩缸缩 回 3 ． 2软 件 设 计 设复位状态为大臂摆动缸摆 回、 大臂升降缸下降 、 小臂伸缩缸缩 回、 喷头摆动缸摆 回。按下浇灌装置的 开始按钮 启动原点位 ， 浇灌装置通电启动后， 大臂摆 动缸、 大臂 升降缸 、 小臂伸缩 缸的动作因绿化带 的位 置 、 植物的高矮 、 带宽的问题均采用点动控制 ， 洒水结 束后 ， 按下停止按钮 ， 系统的复位为顺序动作过程。 在洒水车带动浇灌装置缓缓前行浇灌绿化带的过 程中， 光电传感器的作用为检测绿化带 ， 当车开离绿化 带光电传感器检测不到绿化带时， 喷头摆动缸停摆， 同 时 喷头 出水开关 关 闭 ， 实现 自动 控制 过程 。 梯形图的编制方法很多， 可以用启保停的方法， 即 按条件启动然后保持 自锁 ， 下一个状态成立时切 断 上一个状态 ； 也可以使用置位 [ S E T] 和复位 [ R S T ] 来 完成。该机械手 的 P L C控 制程序 即为 [- S T L - ] 为特征 的步进梯形图 ， 如图 4 所示。 下转第 8 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 6 期 机 械 工 程 与 自 动 化 8 7 轴在轴向的稳定悬浮。 理工大学， 2 0 0 8 3 4 3 6 ． 参考文献 [ 4 3 蒋豪贤， 梁峰． 圆盘式轴向磁场异步电动机[ J ] ． 中国电机 [ 1 ] 侯 书红 ， 亚尔 买买提． 盘式 电机 在我 国的发展 及其展望 工 程学 报， 1 9 8 8 ， 8 2 5 6 6 3 ． [ J ] ． 微特 电机 ， 1 9 9 8 4 3 0 3 3 ． [ 5 ] 顾其 善， 候书红． 盘式感应 电动机 的磁路设 计与计算 [ J ] ． [ 2 ] 许开 国． 永磁悬浮风力发 电机 转子 的研究 与设 计[ D] 。 武 中小型 电机 ， 1 9 9 4 ， 2 1 1 1 7 2 O ． 汉 武汉理工大学 ， 2 0 0 8 1 4 ． 1 5 ． [ 6 ] 李 大， 柯 坚 ， 邓斌 ， 等 ． 基于 一体 化 的 电机泵 装置 的研 究 [ 3 ] 朱美 丽． 永磁轴承的设计与力学特性分析[ D ] ． 西 安 西安 [ J ] ． 机 械研 究与应用 ， 2 0 0 7 ， 2 0 2 5 5 5 6 ． De s i g n o f Ax i a l M o t o r Pu m p wi t h Pe r m a n e n t _ 。 ma g n e t M a g n e t i c Le v i t a t i o n XU Yua n - yu a n，ZENG Li Co l l e g e o f M e c h a n i c a l En g i n e e r ing ，Ya ng z h o u Un i v e r s i t y，Ya n g z h o u 2 2 5 1 2 7 ，Chi n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，a n e w a x i a l mo t o r p u mp wi t h p e r ma n e n t ma g n e t ma g n e t i c l e v i t a t i o n wa s p r e s e n t e d ，a n d t h e b a s i c s t r u c t u r e ， o p e r a t i n g p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c o f t h e mo t o r p u mp we r e i n t r o d u c e d ． Th e g e n e r a t i o n o f ma g n e t i c s u s p e n s i o n f o r c e ，e l e c t roma g n e t i c t o r q u e a n d a x i a l f o r c e o f t h e mo t o r p u mp wa s a n a l y z ed．Th e r e s e a rch r e s u l t s ma y p r o v i d e fl t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r t h e e l e c t r o ma g n e t i s m d e s i g n o f a x i a l i n d u c t i o n mo t o r p u m p ． Ke y wo r d s p e r ma n e n t ma g n e t ma g n e t i c 1 e v i t a t i o n ；a x i a l mo t o r ；mo t o r p u mp；d e s i g n 上 接第 8 4页 图 4 P L C系统程序 4小 结 对绿化带 自动浇灌装置的系统结构、 液压回路和 P L C控制系统进行设计 ， 通 过 P L C控制 四自由度液 压机械手来实现绿化带 自动浇灌过程 ， 其控制程序具 有较强 的抗干扰能力 ， 可靠性高 ， 结构简单， 操作方便 ， 可减少工作人员的数量及工作强度， 提高工作效率。 参考文献 [ 1 3 李 庭 贵． 气动 机 械手 搬 运物 料 精确 定 位 控制 系 统设 计 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 2 1 5 4 5 7 ． [ 2 3 王增娣． 气液传动控制技术 [ M] ． 北京 国 防工 业出版社 ， 2 01 2． [ 3 ] 钟 肇新 ， 范建东． 可编程控 制器原理及应 用[ M] ． 广州 华 南理工大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． De s i g n o f Au t o ma t i c W a t e r i n g De v i c e Ba s e d o n Hy d r a u l i c M a ni pu l a t o r f o r Gr e e n Be l t W ANG Ze ng - d i ，XUE Li n Gu a n g d o ng Te c hn i c i a n I ns t i t u t e，B0 l u o 5 1 6 1 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e s t r u c t u r a l d e s i g n a n d wo r k i n g p r o c e s s o f a n a u t o ma t i c wa t e r i n g d e v i c e b a s e d o n h y d r a u l i c ma n i p u l a t o r f o r g r e e n b e l t wa s i n t r o d u c e d ，t h e d e s i g n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d P LC s y s t e m wa s d e s c r i b e d i n d e t a i 1 ， a n d t h e c o n t r o l p r o g r a m o f t h e ma n i p u l a t o r b a s e d o n F X1 N一 2 4 M T p r o g r a m ma b l e c o n t r o l l e r wa s p r e s e n t e d ． Ta k i n g P LC a s t h e c o n t r o l c e n t e r ， t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r ，t h e s t e p p i n g - mo t o r a n d t h e s p r i n k l e r h e a d a s t h e ma i n e x e c u t i v e e l e me n t s ，t h e a u t o ma t i c wa t e r i n g d e v i c e f o r g r e e n b e l t i s o f h i g h r e l i a b i l i t y a n d f l e x i b i l i t y ，a s we l l a s t h e s t r o n g a n t i - j a mmi n g a b i l i t y ． Ke y w o r d s h y d r a u l i c ma n i p u l a t o r ；wa t e r i n g d e v i c e ；PL C O 8 n H 均 ∞ ； 5；舱 们 牾 眈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m