營養缽連接件分離機械手設計

李宏

摘 要：營養缽質地多為塑料制作，廣泛用于花卉、蔬菜、瓜果等農業種植。其成品為缽體與連接件串行連接，一般需要人工操作將缽體和連接件分離開，生產效率低，勞動強度大。本文根據營養缽生產工藝，設計了機械手，并采用PLC對其進行控制，取消原本人工操作，提高效率，降低生產成本。

關鍵詞：營養缽；機械手；PLC

營養缽自動生產設備利用高溫吹塑成型技術生產，生產速度快，產量高。缽體之間有連接件連接，生產中靠人工取下連接件，工作強度很大，且速度慢，需要配備多個生產人員。本文結合生產需要，采用PLC控制的機械手取代人工操作，在提高生產效率和安全性、降低勞動強度、節省人力資源等方面具有一定的優勢，應有前景較好。

1 機械手設計

機械手是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點。因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。本系統也采用機械手進行生產，設計如下。

營養缽本身質量較輕，剛生產出時，缽內充滿氣體，因此需要抓住營養缽的機械手抓力合適，既要抓住缽體，又不能將其抓破。同時由于其生產速度太快，要求機械手動作快，能與之生產速度配合，因此在設計時需要考慮以上因素。

營養缽是兩個缽體缽口相對連接在一起，呈橢圓形，因此，手爪外形以仿形字母V型結構，機械手手抓結構如圖1所示。本機械手結構簡單，大體分為兩部分，一是負責抓捏的手指部分，分為固定指和活動指，一部分是負責動力的傳動部分，由齒條和凸輪構成。同時為了增加摩擦力，以及保護缽體，在手指末端需要增加保護墊。

該結構的動力來源是電力，齒條下端連桿連接有轉向珠，電機帶動連桿隨著轉向珠在起伏盤上滾動，由于起伏盤表面不平整，是一個斜面，因此在沿著起伏盤轉動的過程中，連桿推動齒條上下移動，齒條上下移動帶動凸輪旋轉，從而帶動手指張合，完成抓放動作。生產時，一對營養缽缽口相對連接在一起呈橢圓形，每個橢圓形之間有條狀連接件連接，利用一個本機械結構將缽體夾住，另一個機械結構抓住連接件，兩組機械結構反向運轉，從而將連接件撕開。本機械結構結構簡單，成本低，好維護。

2 機械手驅動系統設計

工業機械手的驅動系統，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅動系統。營養缽生產速度快，一般的氣動液壓系統很難與之匹配，因此采用電動方式。

營養缽生產速率大約是120個/分鐘，因此電機轉速需要在14轉/分鐘左右，所需電機的轉速較低，兩套機械結構由兩部電機驅動，在運行時要保持動作同步，否則會出現機械手抓錯部件的問題或是碰撞等問題，因此需要電機轉速同步且穩定，在啟動和停止時速度是一致的。普通電機在啟動和停止時速度是不穩定的，無法滿足該系統的需求。因此采用步進電機作為動力來源。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，此特點可以保證兩組機械手能準確抓到營養缽和連接件。同時步進電機可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的，該項特點可以滿足本系統在產品型號改變，生產速率發生變化時及時方便地調整速度。

3 機械手控制系統設計

由于本系統的機械結構需要同步運行，因此一般的繼電器控制系統難以滿足要求，本系統由于兩組機械手系統相對獨立，負載較重，不適合采用機械傳動方式，因此采用PLC控制，通過程序控制直接控制電機運行簡化控制電路，同時提高機械手運行的可靠性。

根據生產工藝流程可知，PLC輸入信號包括：啟動、停止、復位，限位開關，輸出信號包括：步進電機、報警器、指示燈。其中復位信號，是每次停機再啟動前確定兩個機械結構工作位置，以保證連接件分離正常。限位開關用于限定齒條運行位置，以免手指張度不合適?？刂葡到y設計選用西門子S7-200型PLC，滿足使用要求。其I/O分配如表1所示。

4 結束語

本系統的設計難點在于機械部分的設計，為了降低成本，采用了純機械結構方式，經電力驅動。由于純機械結構存在磨損、位移精度等等問題，需要在設計和使用中逐步改善，而其中各個機械部件的尺寸需要根據現場生產狀況具體決定，因此在設計中也反復進行了修改。本系統經過現場測試，具有結構簡單，容易維護，效率高等特點，有效替代了原來生產中的人力，節省了資源。PLC的應用，提高了系統今后升級改造的效率，降低了升級成本，在該行業中有較好的應用前景。

參考文獻

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