2024年9月28日发(作者：霜雅畅)
基于PLC的芒果采摘机控制系统研究
逯久鑫;张燕;廖宇兰;梁栋
【摘 要】针对芒果树较高、果农采摘困难、劳动量大等问题,设计基于PLC的芒果
采摘机的控制系统.该采摘机能够快速、高效地采摘芒果,并能很好地保证采摘之后
芒果的完整性,实现了从定位、采摘、送回一系列动作的自动化控制.采摘机械化的
实现能很好地促进以芒果为基础的相关食品加工业以及香料提取等产业的发展.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2012(034)008
【总页数】3页(P181-183)
【关键词】芒果采摘机;PLC;自动化控制;STL
【作 者】逯久鑫;张燕;廖宇兰;梁栋
【作者单位】海南大学机电工程学院,海南儋州571737;海南大学机电工程学院,海
南儋州571737;海南大学机电工程学院,海南儋州571737;海南大学机电工程学院,
海南儋州571737
【正文语种】中 文
【中图分类】S225.93;S126
0 引言
芒果为漆树科芒果属热带常绿大乔木，叶聚生枝顶，革质，长圆形、长披针形，圆
锥花序生枝顶，花小，淡黄色，花后结核果，果大，歪卵形，树的高度一般9～
27m。原产印度及马来西亚，印度栽培历史最久，产量最多，占世界产量的80%。
我国芒果的经济栽培地区有广东、广西、海南、四川、福建、云南和台湾等省区。
全国芒果种植面积为11.51万hm2，海南种植面积最大，有4.69万hm2，占全
国种植面积的40.78%。海南是全国最适宜芒果种植的地区之一，按理说产量及品
质都应该是最高的，但是芒果产量单产最高的是广东，为16.09t/hm2，海南芒果
单产仅排在第4位，8.39t/hm2。海南近3年的统计芒果的使用价值与商业价值
都很高，往往把它加工成糖水罐头、蜜饯、果酒、果干、果酱和果冻等。芒果蜜饯
中的话芒果、蜜芒果和甘草芒果，早已名声在外。只要选择市场需求的优良品种种
植，加强采后的保鲜和商品化处理，同时发展加工业，芒果市场前景必将看好。现
今, 海南的芒果种植业得到了较快发展, 芒果的产量也有了显著提高。 但每到收获
季节,由于芒果树的高度一般在10m左右，有的甚至更高，芒果采收就成了广大种
植专业户的问题。目前，海南芒果的采收方法还是采用传统的人工采摘方式,存在
效率低、劳动强度大、安全性差的缺点, 极大地制约了芒果产业化、商品化的发展。
为此,设计一套基于PLC控制的芒果采摘机。
1 采摘机的设计要求及方案
1.1 果实的特性与采摘要求
一般芒果成熟时，果实体型较大，且成歪卵形。根据其果实形状，把抓取芒果的机
械手设计成三爪的卡盘。爪的形状以芒果的外形歪卵形曲线为基础，用于夹紧果实，
以备之后的电动刀具切割果树的枝干。由于芒果成熟后果实比较柔软，所以夹紧力
不易过大以防破坏果实。果实之间的间隔较大，不必考虑采摘时果实与机械手之间
的碰撞问题。
1.2 采摘方案对比
旋转摘取法：在机械手夹紧芒果后，机械手旋转是芒果的枝干被扭断而断开。采用
此种方法方便、简洁，但是由于芒果成熟时果实较软枝干的柔韧性好，在旋转时会
发生在枝干还没有断裂时枝干与果实连接的地方枝干连和果皮一起被旋下的问题，
破坏了果实的完整性。由于果实的完整性对果实的运输与存放有很大影响，所以应
尽可能地保证果实的完整性。
直接拉下果实法：在夹紧后，机械手直接下拉，使果实与枝干连接点分离。此种方
法高效、快捷、方便，但是极易破坏果实与枝干连接处的果皮，对储存和运输不利。
刀具切割法：在加紧果实之后，利用电机带动刀具切割果实之上的一定长度的枝干
使果实分离。由于是刀具直接切割枝干，对果实几乎没有什么影响，可以很大程度
上保证果实被采摘之后的完整性。但是由于需要动用刀具切割，使机械的结构变得
有些复杂，采摘周期变长。
综上所述3种方法，由于果实的完整性对果实之后的价值影响极大，所以选择对
果实完整影响最小的刀具切割法。
2 机械手的设计原理及结构
采摘机的总结构示意图如图1所示。机器由柴油发电机提供总的动力源，各连杆
为机械手提供必要的高度和方向。
图1 总结构示意图
机械手的结构简图如图2所示。
1.托盘 2.机械手 3.切刀 4.电机 5.刀架 6.支架图 2 机械手结构示意图
机械手的一系列动作由PLC进行控制。机械手的曲线形状根据芒果的歪卵形结构
设计而成，每个爪之间相隔，3个爪分别由3个电机同时带动，用以夹紧果实。在
爪的内壁上装有压力传感器，当夹紧果实到的力达到设定值时，传感器会给PLC
信号，使其停止继续夹紧工作。同时，PLC控制刀具部分开始工作。刀具部分由
图中的(4)，(5)，(6)等3部分以及图中未标出的两个行为开关组成。(4)和(5)两个
电机是同时工作的，(6)是一个电机带动刀架绕着卡盘进行转动。在初始位置时，
行位开关Ⅰ处于闭合状态，开始运动后行位开关Ⅰ断开。电机(4)带动刀具转动，
在刀架带动刀具转动到正上方时切割芒果树的枝干，使果实与之分离。当刀架运动
到行位开关Ⅱ时，开关Ⅱ闭合，电机停止运动。同时，机械手收回，机械手的拉力
传感器感应到拉力时，证明树枝并未被切断，再次启动电机(4)和(6)进行第2次切
割。当循环两次后，如果拉力仍存在，则放弃本次的抓取，且机械手收回。根据该
工作顺序，PLC的程序设计流程图如图3所示。
图3 程序设计流程图
3 PLC的程序设计及I/O接线
可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)，是一种数字运算操作
的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内
部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时计数与算术操作等面向用户的指令，
并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
根据上述的控制过程，现选用三菱公司生产的FX2N-32M型PLC，其I/O接线图
如图4所示。
以STL(步进梯形指令)编写芒果采摘机的控制程序。其顺序功能图如图4所示。其
中个转换条件和输出分别表示：
X0：机械手已到达果实位置，机械手开始工作；
X1：行位开关，表示机械手以张开一定的角度；
X2：压力传感器，表示机械手已经抓紧芒果；
X3：行位开关，用来控制图2中电机(6)的正传；
X4：行位开关，用来控制图2中电机(6)的反转；
X5：拉力传感器，用来检测机械手收回是是否存在阻力；
X6：人工按钮，在取出果实后其实再次进入下一个循环；
X7：行位开关，表示机械手以闭合至极限位置；
Y0：机械手张开；
Y1：机械手闭合；
Y2：启动刀具；
Y3：刀架正转；
Y4：刀架反转；
Y5：机械手收回。
图4 I/O 分配图
4 结论
基于PLC的芒果采摘机简单实用，并且克服了果树高、果农不容易采摘的问题，
大大提高了采摘的效率，缩短了采摘周期。采用刀具进行直接切割采摘，最大限度
地保证了芒果的完整性，减小了果农的损失,其自动化的摘取动作使操作更加简便。
海南地处热带, 相对于全国而言有着得天独厚的热带农业资源和条件。随着海南发
展“国际旅游岛”上升为国家的重大战略部署，海南的热带农业尤其是热带水果等
经济型作物急需要有一个高效、高质的发展。自动机械采摘机的高效性能够促进以
芒果为产业的产业化、商品化的发展，为海南省提供充足的有关工业原料。笔者设
计的自动采摘机不仅简单实用，而且使果农能够获得较高的经济效益。
【相关文献】
[1] 高爱平,陈业渊,许树培,等.海南芒果发展和研究历程述评[J].中国热带农业，2010(4):25-27.
[2] 梁栋,张劲.椰果采摘机液压系统设计[J].液压与气动，2010(5):27-28.
[3] 施俊侠,张日红,朱敬贤.菠萝自动采摘机的设计与仿真[J].科技信息，2010(32)：453-454.
[4] 周兵,何晶.模拟手枸杞采摘机设计[J].农业工程学报，2010(S1)：13-17.
[5] 张应金.PLC在机械手搬运控制系统中的应用[J].自动化博览，2008(S1)：71-73.
[6] 周剑良.PLC控制机械手的设计与实现[J].装备制造技术,2010(6)：95-97.
2024年9月28日发(作者：霜雅畅)
基于PLC的芒果采摘机控制系统研究
逯久鑫;张燕;廖宇兰;梁栋
【摘 要】针对芒果树较高、果农采摘困难、劳动量大等问题,设计基于PLC的芒果
采摘机的控制系统.该采摘机能够快速、高效地采摘芒果,并能很好地保证采摘之后
芒果的完整性,实现了从定位、采摘、送回一系列动作的自动化控制.采摘机械化的
实现能很好地促进以芒果为基础的相关食品加工业以及香料提取等产业的发展.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2012(034)008
【总页数】3页(P181-183)
【关键词】芒果采摘机;PLC;自动化控制;STL
【作 者】逯久鑫;张燕;廖宇兰;梁栋
【作者单位】海南大学机电工程学院,海南儋州571737;海南大学机电工程学院,海
南儋州571737;海南大学机电工程学院,海南儋州571737;海南大学机电工程学院,
海南儋州571737
【正文语种】中 文
【中图分类】S225.93;S126
0 引言
芒果为漆树科芒果属热带常绿大乔木，叶聚生枝顶，革质，长圆形、长披针形，圆
锥花序生枝顶，花小，淡黄色，花后结核果，果大，歪卵形，树的高度一般9～
27m。原产印度及马来西亚，印度栽培历史最久，产量最多，占世界产量的80%。
我国芒果的经济栽培地区有广东、广西、海南、四川、福建、云南和台湾等省区。
全国芒果种植面积为11.51万hm2，海南种植面积最大，有4.69万hm2，占全
国种植面积的40.78%。海南是全国最适宜芒果种植的地区之一，按理说产量及品
质都应该是最高的，但是芒果产量单产最高的是广东，为16.09t/hm2，海南芒果
单产仅排在第4位，8.39t/hm2。海南近3年的统计芒果的使用价值与商业价值
都很高，往往把它加工成糖水罐头、蜜饯、果酒、果干、果酱和果冻等。芒果蜜饯
中的话芒果、蜜芒果和甘草芒果，早已名声在外。只要选择市场需求的优良品种种
植，加强采后的保鲜和商品化处理，同时发展加工业，芒果市场前景必将看好。现
今, 海南的芒果种植业得到了较快发展, 芒果的产量也有了显著提高。 但每到收获
季节,由于芒果树的高度一般在10m左右，有的甚至更高，芒果采收就成了广大种
植专业户的问题。目前，海南芒果的采收方法还是采用传统的人工采摘方式,存在
效率低、劳动强度大、安全性差的缺点, 极大地制约了芒果产业化、商品化的发展。
为此,设计一套基于PLC控制的芒果采摘机。
1 采摘机的设计要求及方案
1.1 果实的特性与采摘要求
一般芒果成熟时，果实体型较大，且成歪卵形。根据其果实形状，把抓取芒果的机
械手设计成三爪的卡盘。爪的形状以芒果的外形歪卵形曲线为基础，用于夹紧果实，
以备之后的电动刀具切割果树的枝干。由于芒果成熟后果实比较柔软，所以夹紧力
不易过大以防破坏果实。果实之间的间隔较大，不必考虑采摘时果实与机械手之间
的碰撞问题。
1.2 采摘方案对比
旋转摘取法：在机械手夹紧芒果后，机械手旋转是芒果的枝干被扭断而断开。采用
此种方法方便、简洁，但是由于芒果成熟时果实较软枝干的柔韧性好，在旋转时会
发生在枝干还没有断裂时枝干与果实连接的地方枝干连和果皮一起被旋下的问题，
破坏了果实的完整性。由于果实的完整性对果实的运输与存放有很大影响，所以应
尽可能地保证果实的完整性。
直接拉下果实法：在夹紧后，机械手直接下拉，使果实与枝干连接点分离。此种方
法高效、快捷、方便，但是极易破坏果实与枝干连接处的果皮，对储存和运输不利。
刀具切割法：在加紧果实之后，利用电机带动刀具切割果实之上的一定长度的枝干
使果实分离。由于是刀具直接切割枝干，对果实几乎没有什么影响，可以很大程度
上保证果实被采摘之后的完整性。但是由于需要动用刀具切割，使机械的结构变得
有些复杂，采摘周期变长。
综上所述3种方法，由于果实的完整性对果实之后的价值影响极大，所以选择对
果实完整影响最小的刀具切割法。
2 机械手的设计原理及结构
采摘机的总结构示意图如图1所示。机器由柴油发电机提供总的动力源，各连杆
为机械手提供必要的高度和方向。
图1 总结构示意图
机械手的结构简图如图2所示。
1.托盘 2.机械手 3.切刀 4.电机 5.刀架 6.支架图 2 机械手结构示意图
机械手的一系列动作由PLC进行控制。机械手的曲线形状根据芒果的歪卵形结构
设计而成，每个爪之间相隔，3个爪分别由3个电机同时带动，用以夹紧果实。在
爪的内壁上装有压力传感器，当夹紧果实到的力达到设定值时，传感器会给PLC
信号，使其停止继续夹紧工作。同时，PLC控制刀具部分开始工作。刀具部分由
图中的(4)，(5)，(6)等3部分以及图中未标出的两个行为开关组成。(4)和(5)两个
电机是同时工作的，(6)是一个电机带动刀架绕着卡盘进行转动。在初始位置时，
行位开关Ⅰ处于闭合状态，开始运动后行位开关Ⅰ断开。电机(4)带动刀具转动，
在刀架带动刀具转动到正上方时切割芒果树的枝干，使果实与之分离。当刀架运动
到行位开关Ⅱ时，开关Ⅱ闭合，电机停止运动。同时，机械手收回，机械手的拉力
传感器感应到拉力时，证明树枝并未被切断，再次启动电机(4)和(6)进行第2次切
割。当循环两次后，如果拉力仍存在，则放弃本次的抓取，且机械手收回。根据该
工作顺序，PLC的程序设计流程图如图3所示。
图3 程序设计流程图
3 PLC的程序设计及I/O接线
可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)，是一种数字运算操作
的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内
部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时计数与算术操作等面向用户的指令，
并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
根据上述的控制过程，现选用三菱公司生产的FX2N-32M型PLC，其I/O接线图
如图4所示。
以STL(步进梯形指令)编写芒果采摘机的控制程序。其顺序功能图如图4所示。其
中个转换条件和输出分别表示：
X0：机械手已到达果实位置，机械手开始工作；
X1：行位开关，表示机械手以张开一定的角度；
X2：压力传感器，表示机械手已经抓紧芒果；
X3：行位开关，用来控制图2中电机(6)的正传；
X4：行位开关，用来控制图2中电机(6)的反转；
X5：拉力传感器，用来检测机械手收回是是否存在阻力；
X6：人工按钮，在取出果实后其实再次进入下一个循环；
X7：行位开关，表示机械手以闭合至极限位置；
Y0：机械手张开；
Y1：机械手闭合；
Y2：启动刀具；
Y3：刀架正转；
Y4：刀架反转；
Y5：机械手收回。
图4 I/O 分配图
4 结论
基于PLC的芒果采摘机简单实用，并且克服了果树高、果农不容易采摘的问题，
大大提高了采摘的效率，缩短了采摘周期。采用刀具进行直接切割采摘，最大限度
地保证了芒果的完整性，减小了果农的损失,其自动化的摘取动作使操作更加简便。
海南地处热带, 相对于全国而言有着得天独厚的热带农业资源和条件。随着海南发
展“国际旅游岛”上升为国家的重大战略部署，海南的热带农业尤其是热带水果等
经济型作物急需要有一个高效、高质的发展。自动机械采摘机的高效性能够促进以
芒果为产业的产业化、商品化的发展，为海南省提供充足的有关工业原料。笔者设
计的自动采摘机不仅简单实用，而且使果农能够获得较高的经济效益。
【相关文献】
[1] 高爱平,陈业渊,许树培,等.海南芒果发展和研究历程述评[J].中国热带农业，2010(4):25-27.
[2] 梁栋,张劲.椰果采摘机液压系统设计[J].液压与气动，2010(5):27-28.
[3] 施俊侠,张日红,朱敬贤.菠萝自动采摘机的设计与仿真[J].科技信息，2010(32)：453-454.
[4] 周兵,何晶.模拟手枸杞采摘机设计[J].农业工程学报，2010(S1)：13-17.
[5] 张应金.PLC在机械手搬运控制系统中的应用[J].自动化博览，2008(S1)：71-73.
[6] 周剑良.PLC控制机械手的设计与实现[J].装备制造技术,2010(6)：95-97.