畢業(yè)設計（論文）-基于PLC控制的木耳采摘機設計

--基于PLC控制的木耳采摘機設計摘要在當前階段，木耳采摘存在諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工采摘方式耗時耗力，效率低下，且容易造成采摘過程中的損傷和浪費，導致采摘效果參差不齊，木耳采摘的質量難以保證。由于木耳形態(tài)復雜，生長環(huán)境多變，人工采摘難以適應不同的采摘需求，導致采摘過程不可控制性增加，造成木耳資源的浪費和采摘成本的提高。針對以上背景，我設計了一款智能化木耳采摘機。該采摘機具有木耳搬運、木耳菌棒旋轉夾緊和木耳剝離等功能。利用三維軟件對木耳采摘機進行了三維建模，并完成了主要零部件的計算和二維工程圖的輸出。通過對PLC控制系統(tǒng)的設計優(yōu)化，實現(xiàn)了智能化采摘，提高了采摘效率和質量。木耳采摘機的出現(xiàn)將極大地改善木耳采摘行業(yè)的現(xiàn)狀。首先，它能夠大大提高采摘效率，減少人力成本，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，解放勞動力。其次，采摘機的智能化設計和優(yōu)化控制系統(tǒng)能夠保證采摘的一致性和質量，減少了采摘過程中的損傷和浪費，提高了木耳產(chǎn)品的市場競爭力。此外，木耳采摘機的推廣應用還將促進木耳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動農業(yè)現(xiàn)代化進程，為農民增加收入，促進了農村經(jīng)濟的繁榮和可持續(xù)發(fā)展。關鍵詞木耳；采摘；PLC；木耳采摘機；DesignofControlSystemforAuriculariaauriculaPickingMachineBasedonPLCControlAbstractAtthecurrentstage,therearemanychallengesinAuriculariaauriculaharvesting.Thetraditionalmanualpickingmethodistime-consuming,labor-intensive,inefficient,andpronetodamageandwasteduringthepickingprocess,resultinginunevenpickingresultsanddifficultyinensuringthequalityofAuriculariaauriculapicking.DuetothecomplexmorphologyanddiversegrowthenvironmentofAuriculariaauricula,manualharvestingisdifficulttoadapttodifferentharvestingneeds,resultinginincreaseduncontrollabilityoftheharvestingprocess,wasteofAuriculariaauricularesources,andincreasedharvestingcosts.Inresponsetotheabovebackground,Ihavedesignedanintelligentearpickingmachine.Thispickingmachinehasfunctionssuchasearhandling,earmushroomrodrotationandclamping,andearpeeling.Weused3Dsoftwaretocreatea3Dmodelofthefungusharvestingmachine,andcompletedthecalculationofthemaincomponentsandtheoutputof2Dengineeringdrawings.ByoptimizingthedesignofthePLCcontrolsystem,intelligentharvestinghasbeenachieved,improvingharvestingefficiencyandquality.Theemergenceofearpickingmachineswillgreatlyimprovethecurrentsituationoftheearpickingindustry.Firstly,itcangreatlyimprovepickingefficiency,reducelaborcosts,achieveautomatedproduction,andliberatelabor.Secondly,theintelligentdesignandoptimizationcontrolsystemofthepickingmachinecanensureconsistencyandqualityofpicking,reducedamageandwasteduringthepickingprocess,andimprovethemarketcompetitivenessofAuriculariaauriculaproducts.Inaddition,thepromotionandapplicationofearpickingmachineswillalsopromotethedevelopmentoftheearindustry,promotethemodernizationofagriculture,increaseincomeforfarmers,andpromotetheprosperityandsustainabledevelopmentofruraleconomy.KeywordsAuriculariaauricula;Picking;PLC;Auriculariaauriculapickingmachine;目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII7325第1章緒論 1112351.1基于PLC控制的木耳采摘機的背景與意義 134411.1.1基于PLC控制的木耳采摘機設計研究背景 1183861.1.2基于PLC控制的木耳采摘機研究目的 251181.1.3基于PLC控制的木耳采摘機研究意義 2133771.2基于PLC控制的木耳采摘機國內外研究現(xiàn)狀 384681.2.1國外研究現(xiàn)狀 376661.2.2國內研究現(xiàn)狀 463361.3研究主要內容與方法 625040第2章基于PLC控制的木耳采摘機方案設計 7289652.1基于PLC控制的木耳采摘機初始設計參數(shù) 7324542.2基于PLC控制的木耳采摘機功能性分析 7290412.3基于PLC控制的木耳采摘機方案對比 870322.4木耳采摘機機械方案簡圖以及工作原理 9228452.4.1木耳采摘機的方案簡圖繪制 9262602.4.2木耳采摘機的工作原理 10153742.5基于PLC控制的木耳采摘機控制系統(tǒng)方案設計 1037952.5.1木耳采摘機控制系統(tǒng)對比 10311962.5.2木耳采摘機控制流程圖 10143102.6本章小結 1117605第3章木耳采摘機主要零部件計算 12153293.1木耳采摘機菌棒輸送機構計算 12259393.1.1木耳采摘機菌棒輸送電機計算 12176323.1.2木耳采摘機菌棒輸送機構滾筒軸結構計算 13148473.2木耳采摘機菌棒采摘機構 17268773.2.1木耳采摘機菌棒采摘機電機計算 1750893.2.2木耳采摘機菌棒采摘機采摘刀片設計 187203.2.3木耳采摘機菌棒采摘機采摘氣缸計算 19249903.3木耳采摘機平移升降機構 2048793.3.1木耳采摘機菌棒平移電機計算 20253723.3.2木耳采摘機菌棒平移電機計算 2271753.4本章小結 2211780第4章木耳采摘機控制設計 2393624.1控制系統(tǒng)方案設計 23214804.2PLC選用 23320844.3木耳采摘機控制系統(tǒng)流程圖 24188114.4木耳采摘機主電路設計 24326894.5木耳采摘機硬件清單 25289904.6I/O口分配表 26295644.7PLC外部接線圖 26280974.8本章小結 2810980第5章xxxxx 2989155.1木耳采摘機順序功能圖 29213635.2木耳采摘機程序設計 30176645.3木耳采摘機程序仿真 33163835.4本章小結 364670結論 3731551致謝 3825779參考文獻 39緒論基于PLC控制的木耳采摘機的背景與意義基于PLC控制的木耳采摘機設計研究背景黑木耳是我國獨有的珍貴食用菌種，營養(yǎng)價值豐富，每100克泡黑木耳蘊含約21千卡的能量，相較之下，同等重量的干黑木耳則提供大約205千卡的能量。黑木耳是一種營養(yǎng)豐富的食用菌，它的肉質細膩，口感脆嫩，內含對人體有益的成分，如蛋白質、脂肪、粗多糖、植物性膠質、各類維生素、膳食纖維以及豐富的礦物質等。黑木耳中的植物膠質和礦物質成分具備出色的吸附能力，能在消化系統(tǒng)中捕獲并移除雜質，助力身體清毒素。同時，它所富含的鐵質是補血良品，對于預防和治療缺鐵性貧血癥大有裨益。此外，木耳中的膳食纖維有助于食物的消化吸收，促進腸胃蠕動，有效預防便秘，并可作為輔助手段幫助控制體重。木耳多糖是木耳中的重要成分，它能夠增強機體的免疫功能，有助于預防心腦血管疾病，并在一定程度上抵御癌癥的發(fā)生。綜上所述，黑木耳不僅美味可口，還具備健康益處，是一種值得推崇的天然食材。既可食用又具藥用價值，有助于減少心臟病和中風等心血管疾病的發(fā)生。這種食用菌特別適合生長在涼爽和遮的環(huán)境中，所以在中國、日本、泰國等北半球溫帶國家較為普遍。全球的黑木耳產(chǎn)業(yè)主要集中在亞洲太平洋地區(qū)，尤其是中國、日本、韓國、越南等國家。我國位于北溫帶，氣候溫和、降水充沛，是全球黑木耳的主要產(chǎn)地，主要分布在東北三省、河南、湖北、山東、陜西、浙江、福建和等省份。隨著人們對黑木耳生活習慣的了解，我國黑木耳的生產(chǎn)經(jīng)歷了野生、原木砍花、段木接種和代料栽培四個發(fā)展階段[1-2]。圖1-1黑木耳示例基于PLC控制的木耳采摘機研究目的木耳采摘機的研究旨在解放勞動力、提高采摘效率和改善木耳采摘的質量。傳統(tǒng)的木耳采摘過程通常需要大量的人力投入，勞動強度大且效率低下。由于木耳生長環(huán)境復雜、采摘過程細致，傳統(tǒng)的人工采摘容易出現(xiàn)誤傷、漏采和采摘不干凈等問題，影響了木耳采摘的質量和產(chǎn)量。因此，研發(fā)一種能夠自動完成木耳采摘任務的機械設備，成為提高木耳采摘效率、降低采摘成本以及保障采摘質量的迫切需求。圖1-2菌棒木耳人工采摘可以實現(xiàn)對木耳采摘過程的自動化和智能化，從而減少對人力的依賴，降低勞動強度，解放勞動力，提高工作效率。木耳采摘機的引入可以大幅減少人工采摘的時間和成本，提高采摘效率，從而為木耳種植者節(jié)約成本，提高經(jīng)濟效益。木耳采摘機的研究還可以提高木耳采摘的質量和產(chǎn)量。機械化采摘可以減少人為因素對采摘質量的影響，提高采摘的準確性和一致性，減少采摘過程中的損傷和浪費，保證木耳的完整性和新鮮度。因此，研究木耳采摘機不僅可以提高木耳的采摘效率和質量，還能夠促進木耳產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，為木耳種植者和相關從業(yè)人員提供更加穩(wěn)定和可持續(xù)的收入來源?；赑LC控制的木耳采摘機研究意義技術革新推動了黑木耳早期加工的自動化，但木耳成品的收獲依舊依賴人工，輔以半機械化操作，這一方式效率不高且勞動力投入大。目前，人工培養(yǎng)的黑木耳菌棒養(yǎng)殖，其葉片寬廣、質地緊實、生長狀況佳、產(chǎn)量亦較高。然而，木耳成熟后必須迅速采收，這對生產(chǎn)者提出了挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)的人工采既耗時又費力并增加了成本。通常需臨時雇傭工人，這不僅人員難以控制，且若工人未能如期到崗，將導致采收延誤，進而影響產(chǎn)量和經(jīng)濟收益。氣候條件對木耳至關重要，尤其是雨季，而采收后必須立即晾干以防腐壞，由于采摘周期短，延遲采收將導致經(jīng)濟損失。此外，木耳采收集中，且需頻繁，隨著產(chǎn)業(yè)的擴大，目前的技術中，自動采摘設備體積龐大、結構復雜，不適合在種植區(qū)直接使用。將已成熟木耳段搬運至外部采摘再搬運回來，不僅增加了搬運工作，且在搬運過程中可能會損傷木耳，降低品質。因此，種植者迫切需要一種高效、快速的機械化采摘解決方案。采用PLC控制的黑木耳機，可以減輕工人勞動負擔，降低生產(chǎn)成本，提高工作滿意度，確保產(chǎn)品質量，并能實現(xiàn)快速、高效的機械化采收，促進可持續(xù)發(fā)展。如圖1.1和圖1.2為我國普遍使用的木耳采摘機的示意圖和實物[3-6]?；赑LC控制的木耳采摘機國內外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀在在國際范圍內，木耳自動化采摘技術已經(jīng)歷了早期的探索并取得了一定進展。研究表明，實施自動化采摘有利于提升木耳產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率并減少成本。在木耳采摘機的研究領域，日本處于前端地位。他們成功研制出一種結合機器視覺系統(tǒng)的采摘機，該設備通過圖像分析算法來辨識的形狀、尺寸和顏色，實現(xiàn)了自動化的采摘過程。這樣的技術不僅提高了采摘速度，還確保了木耳的品質不受影響。韓國的研究團隊則開發(fā)了一種結合機器視覺與深度學習技術的木耳采摘機。這款采摘機通過識別木耳的紋理特征來進行精準采摘。實驗數(shù)據(jù)表明，這款采摘機在效率和精準度方面表現(xiàn)出色。在歐洲，研究人員專注于采摘機的智能化與人性化設計。他們開發(fā)出一種能自動調節(jié)采摘速度和力量的木耳采摘機，該機器能夠依據(jù)木耳的大小和硬度來自動調整參數(shù)設置，有效減少了木耳在采摘過程中的破損率。在對比我國的情況時，可以觀察到國際上黑木耳產(chǎn)業(yè)的發(fā)展步伐較為緩饅，目前尚未看到成熟的研究成果轉化成木耳采摘設備。在國外的研究中，黑木耳的成分是研究的熱點，但在后期的采摘環(huán)節(jié)，尤其是采摘機械的設計方面，相關的研究文獻極為稀少[7].T.Burks.F設計了自動化振動式木耳采摘機，其工作原理：該采摘機利用振動裝置，通過振動木耳栽培床或樹干，使成熟的木耳果體從木質底部松動并掉落到收集容器中。結構組成：主要由振動裝置、支撐結構、收集容器和控制系統(tǒng)組成。振動裝置通過電機或氣動裝置產(chǎn)生振動力，支撐結構用于支撐和固定振動裝置，收集容器用于接收采摘下來的木耳果體，控制系統(tǒng)用于控制振動頻率和強度。優(yōu)缺點：優(yōu)點：自動化程度高，采摘效率較高，減少了人力勞動，避免了采摘過程中的損傷和浪費。缺點：可能會對木耳床或樹干造成一定程度的損傷，需要精細調節(jié)振動力度以避免對植株造成影響。[8]圖1-3振動式木耳采摘RonBerenstein設計了機械臂式木耳采摘機，其工作原理：該采摘機利用機械臂系統(tǒng)，配備夾持裝置，將成熟的木耳果體夾持并收集到容器中。結構組成：主要由機械臂系統(tǒng)、夾持裝置、運動控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成。機械臂系統(tǒng)負責定位和移動，夾持裝置負責夾持木耳果體，運動控制系統(tǒng)控制機械臂的運動軌跡和速度，電源系統(tǒng)提供能源。優(yōu)缺點：優(yōu)點：精準定位、高效快速、對植株影響小，適用于不同形態(tài)的木耳栽培方式。缺點：機械臂式采摘機成本較高，需要復雜的控制系統(tǒng)，維護和保養(yǎng)成本較大。[9]圖1-4機械臂木耳采摘國內研究現(xiàn)狀中國的木耳采摘機研發(fā)始于1980年代，早期研究聚焦于機械結構的設計。通過不斷優(yōu)化采摘機械結構，研發(fā)出了能適應不同木耳生長環(huán)境的采摘機。目前，各種木耳的專用采摘機械結構已得到廣泛開發(fā)。作為木耳采摘機的核心，采摘控制系統(tǒng)負責精準操控采摘過程。中國的研究者已經(jīng)利用單片機、PLC控制器等成功開發(fā)出了先進的木耳采摘機控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能夠精確調節(jié)采摘速度和力度等關鍵參數(shù)，大幅提升了木耳的品質。在我國經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，農業(yè)產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷轉型升級。作為中國特色的農產(chǎn)品之一，木耳的市場需求不斷上升。但是，由于傳統(tǒng)的木耳采摘方法已無法市場的步伐，木耳采摘機械的開發(fā)前景廣闊。遲慶凱創(chuàng)新設計了一款便攜式黑木耳采摘裝置。這款裝置操作簡便，人工即可推動。操作時，工作人員將培養(yǎng)好的菌棒由上方投入至裝置料口，隨后通過環(huán)形夾持裝置對菌棒進行校正定位。啟動采摘功能后，菌棒在底座驅動下開始旋轉，裝置內置的振蕩切割刀片在機架固定下，實現(xiàn)對成熟黑木耳的采摘。[10]圖1-5便攜式黑木耳采摘裝置在2020年，夏長富創(chuàng)新地開發(fā)了一種離心式采摘木耳的機器。該機器的核心結構包括支架、穩(wěn)定的托盤、驅動電機以及一個活動的滾筒。托盤被堅固地裝置在支架之上，滾筒則置于托盤邊緣并具備旋轉功能。驅動電機配備了一個旋轉的輸出軸，并且在滾筒底部安裝了一個與輸出軸相連的轉盤。將木耳生長棒穩(wěn)妥地放置后，滾筒的旋轉通過高速旋轉執(zhí)行采摘任務。這款木耳采摘裝置設計精巧，易于轉移，可直接在栽培區(qū)域使用，極大地提高了采摘的效率。此外，它由電池供電，不用連接電源線。盡管如此，設備在物料排出過程中，其壓料裝置仍需人工操作，這限制了其完全自動化作業(yè)的實現(xiàn)。圖1-6離心式黑木耳采摘裝置李精敏創(chuàng)新設計了一種便攜式黑木耳采摘裝置，適用于地栽和吊袋兩種栽培模式。該裝置運用吸氣風扇產(chǎn)生負壓，借助柔韌的風道將黑木耳吸入收集容器。操作過程中，操作人員需握住柔性管道，并將管道口對準木耳的側面。通過調整限位鋼絲的長短，可以控制采摘的黑木耳的大小，實現(xiàn)選擇性采摘較大的木耳，保留較小木耳的目的。[11-16]總體來看，我國在木耳采摘機的研發(fā)上已經(jīng)取得了明顯的進步，并展現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿?。盡管如此，木耳采摘機的研究與實際應用仍遭遇一些難題，包括機械結構的進一步優(yōu)化、控制系統(tǒng)的可靠性提高以及自動化水平的全面提升等。鑒于此，未來工作應當加大對木耳采摘機研究與創(chuàng)新的力度，以我國木耳產(chǎn)業(yè)向現(xiàn)代化轉型。[14-16]研究主要內容與方法研究對象：基于PLC控制的木耳采摘機設計研究內容：闡述課題背景，對國內外相關研究現(xiàn)狀進行總結和分析；根據(jù)主要技術指標，在分析國內外研究現(xiàn)狀基礎上制定總體設計方案，并闡明方案制定依據(jù)；對PLC控制的木耳采摘機進行機械結構設計；完成PLC控制的木耳采摘機運動設計、零部件的具體結構設計；（1）針對木耳采摘機機械手進行設計；（2）針對升降機構進行設計；（3）針對平移機構進行設計；（4）針對旋轉提機構進行設計；4：完成基于PLC控制的木耳采摘機三維建模，采用Solidowrks軟件進行整體三維建模。5：完成總體結構設計和主要零件圖（累計A0圖紙不少于1張），完成論文初稿，并準備中期答辯；6：控制系統(tǒng)設計（硬件設計：主要元器件選型、系統(tǒng)電氣原理圖和外部接線圖設計；軟件設計：掌握相關軟件和編寫程序）；7：完成控制系統(tǒng)的仿真/調試?；赑LC控制的木耳采摘機方案設計基于PLC控制的木耳采摘機初始設計參數(shù)初始設計參數(shù)對于木耳采摘機的重要性不可忽視。這些參數(shù)涉及到機械結構、動力系統(tǒng)、傳動裝置等方面，直接影響著采摘機的穩(wěn)定性、可靠性和效率。合理的設計參數(shù)能夠確保采摘機在作業(yè)過程中具備足夠的承載能力和抗干擾能力，從而保證采摘過程穩(wěn)定順暢，避免因機械結構或動力系統(tǒng)不足而引發(fā)的故障或損壞，提高采摘機的使用壽命和工作效率。表2-1初步參數(shù)配置菌棒直徑菌棒厚度托盤轉速工作效率合格率110mm0.7-1.0mm300r/min300棒/h90%基于PLC控制的木耳采摘機功能性分析木耳采摘機的功能性分析包括木耳分離、搬運和夾緊等關鍵功能。首先，木耳分離功能確保將木耳果體從菌棒上分離，完成采摘過程。這個功能的有效實現(xiàn)能夠提高采摘效率，減少誤傷和漏采的情況發(fā)生。其次，木耳搬運功能負責將菌棒從待采摘位置移動到采摘位置中，保證了木耳的順利采摘流程順利以及木耳采摘機流程行的準確。最后，木耳旋轉夾緊功能用于穩(wěn)固地夾持木耳菌棒，配合分離刀片，通過加緊固定，旋轉切除木耳。這些功能相互配合，使得木耳采摘機能夠高效、精確地完成采摘任務，提高了采摘效率，減少了人力成本，同時保證了采摘質量和木耳的完整性。圖2-1離心式黑木耳采摘裝置基于PLC控制的木耳采摘機方案對比本節(jié)內容針對木耳搬運功能升降機構進行方案對比：螺桿升降機構：螺桿升降機構利用螺桿與螺母之間的螺旋運動來實現(xiàn)升降功能。通常，螺桿作為驅動元件，通過旋轉帶動螺母進行升降運動。這種機構結構簡單、穩(wěn)定，可以承受較大的載荷。圖2-1滾珠絲杠升降機構液壓升降機構：液壓升降機構利用液體的壓力傳遞來實現(xiàn)升降功能。通常由液壓缸、液壓泵、液壓閥等組件組成。液壓升降機構具有升降速度快、精度高、可調性好等優(yōu)點，適用于各種載荷和工作環(huán)境。圖2-2液壓升降機構齒條齒輪升降機構：齒條齒輪升降機構采用齒條與齒輪之間的嚙合傳動來實現(xiàn)升降功能。通常，電機通過齒輪帶動齒條進行升降運動。這種機構具有結構簡單、運行平穩(wěn)、傳動效率高等特點，廣泛應用于工業(yè)和民用領域中的升降設備中。圖2-3齒輪齒條升降機構綜上所述：針對與三種升降機構，進行對比，齒輪升降機構運行過程中會存在一定的噪音，其負載力屬于輕型負載力，液壓升降機構是采用液壓缸進行升降運動，液壓缸須配有液壓站，其成本價格高，安裝空間大，無法滿足我設計的小型木耳采摘機，而螺桿升降機構，負載力大，傳動精度高，噪音小，成本低，制造方便，符合與木耳采摘機的結構特征。木耳采摘機機械方案簡圖以及工作原理木耳采摘機的方案簡圖繪制CAD繪制的方案簡圖對木耳采摘機的初期設計起著重要的指導作用。通過簡圖，可以直觀地展現(xiàn)木耳采摘機的整體結構、各個部件的布局和連接方式，以及關鍵部件的功能和作用。CAD繪制的方案簡圖還可以作為設計方案的有效溝通工具，方便與團隊成員和相關人員進行交流和討論，促進設計方案的不斷完善和優(yōu)化。1.機架2.電機23.電機14.絲杠傳動副15.菌棒罩6.菌棒7.出料口8.氣缸29.三爪機械手10.刮刀11.氣缸312.接料槽圖2-4木耳采摘機整機方案簡圖木耳采摘機的工作原理機械手平移機構運動，機械手9運動到待采摘位置，升降電機3啟動，機械手9下落，氣缸8縮回，機械手夾緊菌棒，升降機構啟動，機械手帶動菌棒升起，平移機構運動到點為2，升降機構下降，機械手松開，木耳采摘機通過機械手9將物料袋放入采摘機機架指定位置后，電機3旋轉帶動絲杠傳動副運動4機械夾手9上升，底部夾緊裝置啟動，夾緊菌棒6，電機2帶動菌棒旋轉，氣缸11伸縮，切割刀片接觸菌棒，剔除木耳，實現(xiàn)采摘過程，木耳清除后，電機2停止運動，氣缸11縮回，卸掉菌棒完成采摘過程?；赑LC控制的木耳采摘機控制系統(tǒng)方案設計木耳采摘機控制系統(tǒng)對比1.單片機控制系統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)具有簡單、靈活、成本低等優(yōu)點。由于單片機本身集成了處理器、存儲器和輸入輸出接口等功能，能夠實現(xiàn)復雜的控制任務，并且易于編程和調試。此外，單片機的體積小、功耗低，適用于各種場景和應用環(huán)境。然而，單片機控制系統(tǒng)也存在一些缺點，如處理能力有限、擴展性較差、難以進行實時控制等問題，特別是對于一些需要高性能和復雜算法的應用場合，單片機可能無法滿足要求，需要考慮其他控制方案。2.PLC控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于其穩(wěn)定性高、可靠性強，適用于工業(yè)環(huán)境中的長期運行。此外，PLC系統(tǒng)易于維護和管理，具有較強的抗干擾能力。然而，PLC系統(tǒng)的成本較高，且編程和配置相對復雜，需要專業(yè)技術人員進行操作和維護。同時，PLC系統(tǒng)的擴展性有限，對于某些復雜的控制任務可能不夠靈活。綜上所述，單片機控制系統(tǒng)穩(wěn)定性低，無法進行復雜性運算，但是其成本價格低，而PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、可靠性強，易于維護等優(yōu)點，作為木耳采摘機的結構來說，需要一款穩(wěn)定、易于維護的控制系統(tǒng)，所以選取PLC作為木耳采摘機的控制系統(tǒng)。木耳采摘機控制流程圖木耳采摘機控制系統(tǒng)流程圖是對木耳采摘機控制系統(tǒng)運動方案的初次擬定，是方便后期針對控制系統(tǒng)程序編輯的主要技術文件。圖2-5控制系統(tǒng)流程圖本章小結本章通過對木耳采摘機的初始參數(shù)指定、功能性分析、方案簡圖繪制、工作原理敘述，完成木耳采摘機基于PLC控制系統(tǒng)流程圖的繪制，完成初期木耳采摘機的設計初稿工作，為后續(xù)計算、繪圖、程序編輯打好基礎。木耳采摘機主要零部件計算木耳采摘機輸送機構是采用電機帶動主動端滾筒，滾筒通過與皮帶產(chǎn)生的摩擦力進行物料輸送，輸送帶上有固定座，固定座具有固定刺，菌棒可以通過人工插入到輸送帶上，由輸送帶把其運送帶固定位置，通過機械手夾取菌棒，放到采摘機結構中進行木耳采摘工作。木耳采摘機菌棒輸送機構計算木耳采摘機菌棒輸送電機計算1.已知木耳菌棒重量為3Kg,菌棒運行速度為0.5mm/s,輸送帶長度為1500mm,菌棒直徑為110mm,可以擺放13個菌棒，其負載總質量為：（3-1）2.已知菌棒直徑為110mm，計算輸送帶寬度，菌棒單邊預留15mm：（3-2）4）計算輸送帶負載張力；（3-3）5）常用的輸送帶一般有1層、2層、3層組成，第一層由底層橡膠、鋼絲繩增強結構、PVC材質組成，這是三層輸送帶的組成，兩層輸送帶有橡膠材質內含鋼絲繩增強結構，一層輸送帶結構由橡膠組成，在計算輸送帶的最大張力需要選取TC輸送帶層數(shù)常數(shù)完成最大負載張力的計算.一層常數(shù)TC取值為1.5,二層常數(shù)TC取值為3，三層TC常數(shù)取值為4.5，本次負載過輕有需要一定的剛度所以選取2層輸送帶作為輸送帶的皮帶，具體計算式如下：（3-5）6）根據(jù)系數(shù)計算最大張力，系數(shù)取值為輸送帶的張力系數(shù)（3-6）7）計算輸送帶最大張力所得出的容許應力值（3-7）根據(jù)《機械設計手冊》選取大于最大容許應力的皮帶，查詢相關皮帶，選取型號為SHBLLG型號輸送帶，其最大容許應力為8N.mm，符合輸送帶最大容許應力值8）初定選取主動端滾筒，直徑為48毫米的AC150-WD6行滾筒9）初定輸送帶中心距，由于輸送帶整體長度為3163mm,所以輸送帶中心距應小于整體長度設計，初定中心距為1500mm.10）計算輸送帶長度（3-8）實際中心距計算（3-9）（3-10）12）計算電動滾筒輸出轉速（3-11）13）計算負載扭矩（3-12）計算電機功率（3-13）查詢電機手冊，選取輸送帶功率為0.6Kw,扭矩要求28.44N.m，初定型號YE3-132M-4，電機功率為0.6Kw,扭矩為30N.m，符合輸送帶所需數(shù)據(jù)，滿足其動力要求。木耳采摘機菌棒輸送機構滾筒軸結構計算1.已知輸送帶轉軸，其在工作工程中電機輸出功率為0.6Kw,電機轉速為201.6r/min,機械傳動效率為：（3-19）2.在旋轉過程中作用在軸上的作用力。（3-20）（3-21）（3-22）3.計算旋轉滾筒軸的最小直徑。選取軸的材料為Q235鋼，調質處理。查詢《機械設計手冊》表15-3，取，于是得：（3-23）4.軸的結構設計。圖3-2旋轉滾筒軸結構5.針對旋轉滾筒軸的工作狀況進行分析，計算軸的總彎矩圖：表3-3軸的總彎矩載荷水平面垂直面支反力彎矩總彎矩扭矩圖3-4軸分析簡圖結構圖6.校核軸的強度進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度。扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸的計算應力：（3-24）前已選定軸的材料為Q235鋼，調質處理，查詢文獻表15-1查得。因此，，故安全。8.精確校核軸的疲勞強度。（1）截面IV左側。抗彎截面系數(shù)： （3-25）抗扭截面系數(shù)： （3-26）截面IV左側的彎矩：（3-27）截面IV上的扭矩：（3-28）截面上的彎曲應力：（3-29）截面上的扭轉切應力：（3-30）軸的材料為45鋼，調質處理。查詢《機械設計手冊》表15-1查得，，。截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及按文獻附表3-2查取。因，，經(jīng)插值后可查得：，又由文獻附圖3-1可得軸的材料的敏性系數(shù)為：，故有效應力集中系數(shù)按式（附3-4）為：（3-31）（3-32）由文獻附圖3-2得尺寸系數(shù)；由《機械設計手冊》附圖3-3得扭轉尺寸系數(shù)。軸按磨削加工，由《機械設計手冊》附圖3-4得表面質量系數(shù)為：軸未經(jīng)表面強化處理，即，查詢《機械設計手冊》按式（3-12）及式（3-16）得綜合系數(shù)為：（3-33）（3-34）又由查詢《機械設計手冊》得碳鋼的特性系數(shù)為：φ?=0.1~0.2，取φ?=0.1，取于是，計算安全系數(shù)值，按《機械設計手冊》（15-6）（15-8）則得：（3-35）（3-36）（3-37）故可知其安全。（2）截面IV右側?？箯澖孛嫦禂?shù)W按文獻表15-4中的公式計算：（3-38）抗扭截面系數(shù) （3-39）彎矩M及彎曲應力為：（3-40）（3-41）扭矩及扭轉切應力為：（3-42）（3-43）過盈配合處的，由《機械設計手冊》附表3-8用插值法求出，并取，于是得：，（3-44）軸按磨削加工，由《機械設計手冊》附圖3-4得表面質量系數(shù)為：（3-45）故得綜合系數(shù)為：（3-46）（3-47）所以軸在截面IV右側的安全系數(shù)為：（3-48）（3-49）（3-50）故該軸的截面IV右側的強度也是足夠的。因無大的瞬間過載及嚴重的應力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。木耳采摘機菌棒采摘機構木耳采摘機菌棒采摘機電機計算1.計算木耳采摘轉盤轉動慣量（3-27）2.采摘轉盤角速度計算（3-28）3.采摘轉盤角加速度計算（3-29）4.采摘轉盤扭矩計算（3-30）5.折算電機扭矩，由于電機轉速為1500r/min，最終輸出轉速為360r/min,所以減速機減速比為1:4.16；（3-31）6.折算電機功率（3-32）根據(jù)計算公式所得，電機選取0.1Kw伺服電機，電機輸出扭矩要求2.89N·m，根據(jù)計算要求選取80ST-M01330，并配有行星齒輪減速機。木耳采摘機菌棒采摘機采摘刀片設計木耳采摘機的采摘刀片通常是一種特殊設計的刀具，用于快速而有效地收集木耳。這些刀片通常由優(yōu)質的鋼材制成，具有鋒利的刀刃，能夠輕松地切割木耳的莖部，同時保持木耳的完整性和質量。采摘刀片的設計要考慮到木耳的生長環(huán)境和特性，以確保采摘過程不會對木耳造成損傷。通常，采摘刀片會配備在采摘機的工作部件上，如轉動的刀盤或刀輪上，通過機械運動實現(xiàn)木耳的采摘和收集，下面對木耳采摘機刀片尺寸進行設計：根據(jù)已知條件設計刀具，已知刀具長度為150mm，刀具寬度為208mm，菌棒直徑為110mm，刀具通過氣缸推動帶動帶鋸旋轉需要與菌棒距離5毫米，其距離通過傳感器進行控制，接觸式傳感器隨時控制刀具與菌棒之間的距離，來應對外不標準的菌棒，刀片厚度為6mm，刀具接觸菌棒與菌棒距離為5mm，刀具擺動角度為14.21度，刀具槽距離刀片轉軸中心為19mm，氣缸行程為60mm，刀具槽口距離轉軸中心為19mm，通過SW,槽口尺寸為34mm。圖3-5刀片尺寸設計木耳采摘機菌棒采摘機采摘氣缸計算氣缸是一種將壓縮空氣的能量轉化為機械能的裝置，常用于氣動系統(tǒng)中執(zhí)行直線往復運動。氣缸的基本結構包括缸筒、活塞、活塞桿和密封裝置。壓縮空氣通過進氣口進入缸筒內，推動活塞產(chǎn)生運動，從而驅動機械裝置完成各種作業(yè)任務。氣缸廣泛應用于工業(yè)自動化、機械制造、運輸設備和機器人等領域。圖3-6氣缸氣缸的工作原理基于壓縮空氣的壓力差。當壓縮空氣進入氣缸的一側時，活塞在氣壓作用下沿缸筒內壁移動，推動活塞桿進行直線運動。通過控制進排氣口的開閉，壓縮空氣可以交替進入缸筒的兩端，使活塞實現(xiàn)往復運動。氣缸的運動方向和速度可以通過調節(jié)氣壓和流量進行控制，從而滿足不同的工作需求。氣缸具有許多優(yōu)點。首先，氣缸的動作迅速、反應靈敏，能夠快速完成啟動和停止操作，提高系統(tǒng)的工作效率。其次，氣缸的結構簡單、維護方便，不需要復雜的潤滑系統(tǒng)，適用于各種工作環(huán)境。氣缸還具有較高的安全性，因為使用的是壓縮空氣，避免了液壓系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的泄漏和污染問題。此外，氣缸能夠提供較大的推力和拉力，適應多種負載需求。計算氣缸所帶動負載，氣缸行程為60mm，刀片重量為1.6Kg,負載重力計算（3-48）計算氣缸運行速度判斷安全系數(shù)（3-49）計算氣缸最小直徑（3-50）由上式公式轉換所得（3-51）根據(jù)計算結果選取行程為60mm，氣缸推桿直徑為12mm的氣缸，其型號為ADA20-60型氣缸作為木耳采摘機的動力源。木耳采摘機平移升降機構木耳采摘機菌棒平移電機計算絲桿通過聯(lián)軸器直接連接，傳動比為1:1,最大移動速度為0.1m/s,根據(jù)結構設計橫向移動距離為500mm，軸承座安裝距離為690mm，單邊預留95mm間距。（3-52）絲杠帶動負載為M總（3-53）絲杠帶動負載為M總（3-54）m1為平移機構質量m2為菌棒質量；無負載導向面阻力位15N。1.去路加速時：（3-55）2.去路等速時：（3-56）3.去路減速時:（3-57）4.返程加速時:（3-58）5.返程等速時：（3-59）6.返程減速時：（3-60）計算滾珠絲杠導程（3-61）絲杠直徑計算（3-62）以導程為10mm為例，參考導程以及絲杠直徑標準表，導程為10mm，絲杠直徑為24的符合設計要求。木耳采摘機菌棒平移電機計算絲杠模組選取為步進電機作為其傳動結構的主要動力輸出，所以本節(jié)針對步進電機進行選型計算；導向面摩擦阻力（3-63）計算滾珠絲杠驅動扭矩（3-51）計算加速轉矩（3-64）計算所需扭矩（3-65）通過計算查詢電機樣冊，選取步進電機，其型號為雷賽57HS09步進電機滿足絲杠模組扭矩要求。本章小結本章通過輸送電機的計算，完成輸送帶的設計，并針對輸送帶滾筒軸進行計算校核，完成木耳采摘機機構采摘刀片的設計，完成氣缸的選取，并對平移機構進行選型計算，完成本章內容書寫。木耳采摘機控制設計控制系統(tǒng)方案設計木耳采摘機方案設計，采用西門子PLC作為控制器，系統(tǒng)主要輸入器件有按鈕、光電式檢測開關、距離探針，主要執(zhí)行器件有步進電動機、氣缸。系統(tǒng)啟動后，原料輸送帶將菌包輸送到待抓取位，機械手下降抓取，將菌包搬運到木耳切取托盤，然后切取機構開始動作，使用氣缸控制切刀的下壓深度，用模擬量輸出的距離探針實時檢測距離，由此控制切刀的動作，一個菌包上的木耳切取完成后，機械手將菌包抓取、提升，移動到廢棄框上方然后釋放，釋放完成后機械手回到原料待抓取位待命。PLC選用從應用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c數(shù)選型。根據(jù)功能來選大中小檔的PLC，整體性的PLC對于用戶來說選擇余地比較小，基本輸入輸出點數(shù)確定了，PLC品牌確定了，PLC型號也就確定了；模塊型的PLC由于提供多種擴展模塊，對于用戶來說就可以靈活根據(jù)輸入輸出點數(shù)合理搭配選擇。經(jīng)過整理，本系統(tǒng)的輸入信號有12個，輸出信號有10個，考慮一定的輸入輸出接口余量，本系統(tǒng)選用ST40型PLC。該款PLC從性能上和IO數(shù)量上都完全滿足我們的控制需要。4-1ST40PLC控制模塊木耳采摘機控制系統(tǒng)流程圖4-2木耳采摘機控制系統(tǒng)流程圖木耳采摘機主電路設計通過對控制系統(tǒng)的組成進行分析，本系統(tǒng)主回路主要控制：左右平移電機，垂直方向的升降電機，輸送帶電機，托盤電機。以上電機的控制見下圖：4-3主電路圖14-4主電路圖2木耳采摘機硬件清單根據(jù)木耳采摘機控制電路功能所需求電氣元件硬件，進行整理輸出硬件清單：4-1表硬件清單硬件清單序號名稱型號數(shù)量備注1主斷路器iC65N-3P32A12斷路器iC65N-3P10A13斷路器iC65N-1P10A14斷路器iC65N-DC1P6A45工業(yè)電源NDR-240-2416步進驅動器DM542J37伺服/步進控制板DSC-1E38中繼RXM2LB2BD24VDC+底座59PLC200SMARTST40110模擬量模塊AE04111接觸器LC1D09BLC112啟動按鈕XB2BA31C113停止按鈕XB2BA42C114急停開關XB2BS542C115距離傳感器GTS11-2514-20MA16運行指示XB2BVM4LC1I/O口分配表根據(jù)所選用的200SMART-ST40PLC基于木耳采摘機控制系統(tǒng)所要求的I/O接口分配如表：4-2表PLC輸入點分配表輸入啟動按鈕I0.0停止按鈕I0.1急停開關I0.2菌包到位傳感器I0.3水平原料抓取位I0.4水平廢料丟棄位I0.5水平木耳采摘位I0.6垂直高位I0.7垂直原料抓取位I1.0垂直托盤上方抓取位I1.1機械手夾緊I1.2機械手松開I1.3距離探針AIW164-3表PLC輸出點分配表輸出運行指示Q0.0上料輸送帶Q0.1機械手左行Q0.2機械手右行Q0.3機械手上行Q0.4機械手下行Q0.5機械手抓取Q0.6托盤旋轉Q0.7切刀伸出Q1.0切刀縮回Q1.1PLC外部接線圖梳理所有的輸入信號和輸出信號后，根據(jù)ST30PLC的外部接線要求，我們給PLC提供一個24v電源，輸入采用共陰極解法，輸出采用24V輸出。傳感器選型統(tǒng)一為PNP，常開型輸出。4-5PLC外部接線圖4-6距離探針接線圖本章小結本章通過對PLC控制系統(tǒng)方案設計、PLC選用、PLC控制系統(tǒng)流程圖設計、主電路設計、主電路采購清單、I/O接口分配、外部接線圖。xxxxx木耳采摘機順序功能圖5-1PLC順序功能圖木耳采摘機程序設計1.使用STEP7-MicroWINSMART軟件創(chuàng)建一個木耳采摘機項目。2.將PLC組態(tài)我們所選擇的ST40系列，組態(tài)一個4路的模擬量輸入模塊EMAE04，并設置PLC為上電運行3.系統(tǒng)啟動程序，首次掃描為1時，置位M0.0,M0.0接通后按下啟動按鈕，進入第一步。4.在第一步，運行指示輸出為1，上料輸送帶同時啟動，等到菌包到位傳感器觸發(fā)時，輸送帶停止。5.機械手下降，下降到位后執(zhí)行夾爪夾緊動作，夾緊到位反饋后進入下一步。6.機械手提升，提升到高位后，向右運行，走到木耳采摘的位置停止，進入下一步。7.機械手下降，將菌包插到固定底座上，然后松開夾爪，松開到位后進入下一步。8.機械手提起到高位，然后切刀開始下壓切取木耳，同時托盤旋轉動作，10S后進入下一步。9.木耳切除完成，機械手下降，然后夾緊，夾緊檢測為1后進入下一步。10.機械手提升到高位，然后向左運行，走到菌包回收框的上方停止，然后松開夾爪，菌包掉到框里，進入下一步。11.機械手繼續(xù)左行，走到原料抓取位置，一個流程結束，置位M0.1，開始一個新的流程。12.探針是4-20MA信號輸入到PLC的模擬量采集模塊，用S_ITR指令將5530-27648的值轉換成工程值0-25MM。13.切刀氣缸的單獨控制程序，當切木耳狀態(tài)時，切刀下壓，并判斷距離，距離過近，切刀后退，距離過遠，切刀下壓，保證切除效果。14急停和停機時復位所有的輸出點，從Q0.0開始，復位10個位木耳采摘機程序仿真1.將STEP7-MicroWINSMART軟件寫好的控制程序導出，用S7-200仿真軟件打開，啟動PLC，可以看到此時程序開始運行。2.系統(tǒng)啟動程序，首次掃描為1時，置位M0.0,M0.0接通后按下啟動按鈕，進入第一步。3.在第一步，運行指示輸出為1，上料輸送帶同時啟動，等到菌包到位傳感器觸發(fā)時，輸送帶停止。4.機械手下降，下降到位后執(zhí)行夾爪夾緊動作，夾緊到位反饋后進入下一步。5.機械手提升，提升到高位后，向右運行，走到木耳采摘的位置停止，進入下一步。6.機械手下降，將菌包插到固定底座上，然后松開夾爪，松開到位后進入下一步。7.木耳切除完成，機械手下降，然后夾緊，夾緊檢測為1后進入下一步。8.機械手提升到高位，然后向左運行，走到菌包回收框的上方停止，然后松開夾爪，菌包掉到框里，進入下一步。9.機械手繼續(xù)左行，走到原料抓取位置，一個流程結束，置位M0.1，開始一個新的流程。10.探針是4-20MA信號輸入到PLC的模擬量采集模塊，用S_ITR指令將5530-27648的值轉換成工程值0-25MM。11.切刀氣缸的單獨控制程序，當切木耳狀態(tài)時，切刀下壓，并判斷距離，距離過近，切刀后退，距離過遠，切刀下壓，保證切除效果。12.急停和停機時復位所有的輸出點，從Q0.0開始，復位10個位本章小結本章通過對PLC控制系統(tǒng)PLC梯形圖、以及s7-200軟件仿真，完成木耳采摘機控制部分設計，最終仿真結果是程序可以滿足控制要求、實現(xiàn)了控制功能。結論本論文通過查詢大量相關資料，整合了木耳采摘機的研究背景，并對木耳采摘機的研究現(xiàn)狀進行了全面分析。當前，國內外在木耳采摘機的研究方向上主要集中在提高采摘效率、減少人工勞動和優(yōu)化機械結構等方面。通過對比國內外研究現(xiàn)狀，我們確定了木耳采摘機的研究方向，即在保持高效采摘的前提下，進一步優(yōu)化機械結構和控制系統(tǒng)，以適應不同環(huán)境下的木耳采摘需求。1.在確定木耳采摘機的研究參數(shù)和機械結構方面，我們詳細分析了木耳采摘機的主要組成部分，包括采摘機構、輸送機構和平移升降機構。通過對各個組成部分的功能和設計要求進行比較，我們繪制了機械簡圖，并確定了適合的控制系統(tǒng)方案。該方案不僅滿足了木耳采摘機的基本功能需求，還在機械設計和控制策略上進行了優(yōu)化，以提高整體性能。2.在具體的零部件計算中，我們重點完成了木耳采摘機輸送機構的計算，包括輸送機構滾筒軸、采摘機構電機和平移升降機構的設計與計算。通過詳細的計算和分析，我們確保了各個部件的結構強度和工作可靠性，保證了木耳采摘機在不同工況下的穩(wěn)定運行。同時，我們還對各個部件的選型進行了優(yōu)化，確保整個系統(tǒng)的協(xié)調運轉。3.在控制方案系統(tǒng)設計中，我們選擇了PLC作為木耳采摘機的核心控制器，并設計了主電路、元器件選型和I/O口分配。通過詳細的PLC外部接線圖和PLC程序設計，我們完成了STEP-7-200程序和STEP7-MicroWINSMART的編寫與仿真。經(jīng)過多次測試和調整，控制系統(tǒng)達到了預期效果，確保了木耳采摘機的高效、穩(wěn)定運行。綜上所述，通過對木耳采摘機的研究和設計，我們成功地優(yōu)化了其機械結構和控制系統(tǒng)，提高了采摘效率和可靠性。未來的研究將進一步關注在復雜環(huán)境下的適應性和智能化控制，以進一步提升木耳采摘機的應用前景和市場競爭力。致謝