小球分選裝置的機械方案設計

李蕓唐健

（淮陰工學院機械與材料工程學院，江蘇淮安223003）

1 小球分選裝置概述

在現代自動化機械工業中，針對不同物料，包括鐵丸、硬幣、葡萄甚至花粉都有相應的自動分選裝置。分選裝置的發展趨勢主要有以下三個方面：

（1）連續并且大批量地分選物料。通過自動化生產線能夠連續、大批量地進行分選，并且自動分選裝置不受環境、時間、人的狀態等限制，能夠不斷工作，在相同時間內分選出更多的物料。

（2）分選誤差率較低。輸入的分選信息及信息的輸入方式是自動分選裝置分選誤差率的主要來源，如果采用人工鍵盤或語音方式輸入，誤差率將維持在3%以上；若采用條形碼或二維碼進行掃描輸入，則分選裝置的識別誤差幾乎為零[1]。因此，目前自動分選系統主要采用掃描條形碼和二維碼的方式來識別貨物。

（3）無人化操作。自動分選裝置設計制造的目的之一就是降低人工的使用率，減輕工人的勞動強度，提高物料的分選效率，降低企業的生產成本。而自動分選系統能最大限度地減少人員的使用，基本做到無人化[1-2]。

本文所述小球分選裝置設計為教學實驗室開放型實驗課題，供機械設計制造及其自動化、機械電子等專業的學生發散思維、提高動手操作能力。要求利用多功能組合式氣動分選裝置提供的元件，設計組裝一種基于氣動吸盤的分選裝置，該氣動分選裝置的設計和制造可以為實驗教學和課程設計提供借鑒和參考，同時能夠讓學生對氣壓傳動和PLC可編程控制器做進一步的了解和運用。

2 機械方案設計

為了達到上述課題的設計要求，本文提出三種設計方案供選擇，具體情況介紹如下：

2.1 三種方案詳情介紹

方案A如圖1所示，在儲物臺1上依次整齊放上待檢測和分選的小球，軌道設置一定斜度，小球利用其光滑的狀態可以依次落到電感式接近開關3前。電感式接近開關3根據NPN型連接，為常開狀態。當小球接觸到電感式接近開關3時，如果是金屬質地，電感式接近開關3會通電，釋放信號，使控制氣缸5的電磁閥線圈得電，無桿式氣缸滑臺4移動到磁性開關所設置的位置，緊接著吸盤6下降到小球上方，將小球吸取移送至儲物盒中。如果電感式接近開關3沒有釋放信號，即小球質地為塑料，則通過氣缸5將小球運送到無軌滑臺另一側。在氣缸上安裝磁性開關，整個過程通過磁性開關的信號輸入控制電磁閥的得失電，進而控制氣缸運動距離[3]。

圖1 方案A結構簡圖

方案B如圖2所示，在機械手末端安裝氣動吸盤4作為執行機構。啟動后，機械手臂3轉向儲物盒1吸取小球，然后放在傳送帶5上，在傳送帶5另一端上方添加一個電感式接近開關6，采用NPN型連接并為常開狀態。當小球從此經過時，根據小球的質地釋放信號。在傳送帶5右側有一個轉盤，轉盤上為兩個小凹臺，用來放置兩種質地的小球。轉盤根據電感式接近開關所釋放的信號來選擇符合要求的凹臺存放小球。當轉盤存放小球后旋轉90°，與其對應的機械手轉到該位置，將小球吸取轉放到該類型的儲物盒。整個過程利用坐標設定來實現機械手的運動。

圖2 方案B結構簡圖

方案C如圖3所示，將小球依次放入到儲物架2里面，開啟開關后，MDJ氣缸1推送小球進入軌道，此時控制MDJ氣缸1的電磁閥失電，電感式接近開關7開始檢測小球質地，該電感式接近開關7為NPN連接常開狀態，當小球為金屬材質時，電感式接近開關釋放信號，使TCM氣缸9和MD氣缸8開始動作，運動到小球上方并開始向下，接觸小球并吸住，此時利用磁性開關釋放信號，使MD氣缸8和TCM氣缸9開始回縮，運動到儲物箱上方后，控制真空發生器電磁閥得電，小球掉落在儲物箱中。如果小球為塑料質地，則由MK氣缸6推送小球直接沿軌道滾落至儲物箱中。此時控制MK氣缸6的電磁閥失電，同時控制MDJ氣缸1的電磁閥得電，進行下一輪分選。整個過程通過在各個氣缸上加磁性開關來控制各個電磁閥得失電，進而完成分選任務。

2.2 三種方案特征比較

圖3 方案C結構簡圖

方案A通過在無桿氣缸滑臺上加裝氣缸和氣動吸盤，在兩側移動可以將不同物料的小球放置在兩側的儲物箱中。該裝置結構簡單，能夠有效地達到課題要求。該裝置的缺點是輸送過程不能實現一個流程完成后再開始下一個小球的輸送；且該裝置電感式接近開關得失信號時間較短，因此在編程時需嚴格控制時間，在調試過程中也需要計算時間以達到最佳效率，過程較為繁瑣，編程要求較高。

方案B主要是通過三個機械手來實現物料的轉移，結構較為復雜，分選精度高。缺點是該裝置對坐標精度要求較高，在安裝、調試過程中難度較大，且不易編程控制。

方案C能夠實現一個小球分選后再進行下一個小球的分選，不會造成感應器反應誤差，而且分揀過程中對塑料材質的小球可直接氣缸推送，進而縮短分選時間，提高效率。該分選裝置結構簡單，易于搭建。缺點是該方案中小球沿軌道滾落時直接與電感式接近開關接觸，多次碰撞后會使得感應器位置發生微小移動，長期工作會影響精度，因此要加強緊固。

根據上述三種方案特征的比較發現，方案三結構簡單可靠，且所需器材便于收集，易于實現，該方案同時便于開展后續擴展性實驗。綜上所述，方案三可行性最好，本課題即選擇方案三進行設計制造。

3 結語

人類在長期勞動過程中已創造出許多分選方法。在分選大小時，有了各種規格的篩子；收割的麥子里含有雜草，可以在風口“揚麥”，根據物料各自的重力差異，利用風力來分選；秋天收獲的黃豆中，總有一些是空心或者壞的，在清洗時利用水的浮力即可輕松分選出來；另外，現代科技中也有利用各種化學試劑進行區分辨別從而達到分選的目的。本文分選設計主要與機械工業相結合，在實驗室有限經費和可重復操作的條件下，提出了三種不同的設計方案，對小球分選裝置進行機械設計，以期開發培養學生對機械專業的興趣和熱情。