食用菌工廠化生產(chǎn)線多工位搬運機器人的設(shè)計

張 玲， 許洪江， 黃大志， 吳天磊

（1連云港貝斯特機械設(shè)備有限公司， 江蘇 連云港 222000； 2淮海工學(xué)院機械與海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

引言

食用菌的工廠化生產(chǎn)模式在發(fā)達國家發(fā)展較早，國外的食用菌工廠化生產(chǎn)技術(shù)比較成熟[1]。國外尤其是發(fā)達國家包括搬運輸送設(shè)備在內(nèi)的食用菌生產(chǎn)設(shè)備比較齊全，自動化程度較高，但設(shè)備成本也較高[2]。自20世紀90年代以來，食用菌的工廠化生產(chǎn)模式在我國掀起了熱潮，國內(nèi)諸多企業(yè)紛紛加入了此生產(chǎn)行列中。如北京、上海的多家食用菌生產(chǎn)公司通過學(xué)習(xí)借鑒國外食用菌工廠化生產(chǎn)的成功模式，結(jié)合原有技術(shù)進行改造，配備先進設(shè)備，取得了一定成效[3]。總體來看，我國食用菌的工廠化生產(chǎn)模式仍處于發(fā)展階段，尤其是全自動化水平較低，關(guān)鍵問題主要是搬運、收割等環(huán)節(jié)主要依賴人工，與國際先進水平相比差距較大。目前，我國中小型工廠化生產(chǎn)食用菌一般人工搬運和輸送，而大型工廠化生產(chǎn)食用菌一般引進日本和韓國的搬運輸送設(shè)備。所以很有必要針對國內(nèi)食用菌工廠化生產(chǎn)的特點設(shè)計相應(yīng)的搬運機器人，提升工廠化生產(chǎn)的水平。

1 方案設(shè)計

如圖1所示，為機器人在食用菌工廠化生產(chǎn)線上的具體工作狀態(tài)圖。一般情況下每筐有16個食用菌瓶，總重量不超過30 kg，另外考慮到生產(chǎn)線工作空間狹窄，能夠放置機器人等設(shè)備的空間有限。因此設(shè)計要求為搬運對象為30 kg，最小臂長的設(shè)定是500 mm，搬運機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。擬設(shè)計的搬運機器人主要關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，只有手抓是伸縮運動結(jié)構(gòu)，因此選用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。

圖1 機器人工作狀態(tài)圖

為了保證機器人的運動精度，尤其是機械人腰部的旋轉(zhuǎn)運動精度（對抓取和放置菌筐很重要）要求比較高，故采用伺服電機驅(qū)動來實現(xiàn)。因為手臂重量較大，且需要實現(xiàn)快速提起和放下等運動，故大小臂均采用液壓驅(qū)動。為了保證運動的精度采用液壓伺服控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對大小臂運動的精確控制。手腕部位主要是為了微小調(diào)整最后抓取和放置的姿態(tài)，需要一定的精度，使用伺服電機即可方便實現(xiàn)。手抓要求快速準(zhǔn)確，使用氣壓系統(tǒng)最為合適，手爪的張開和夾緊通過氣缸驅(qū)動來實現(xiàn)，即手爪在氣缸推力作用下使手爪張開和閉合。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

該搬運機器人具有六個自由度（包括手抓），機器人本體通過螺釘固定在底板上，再利用底板上預(yù)留的通孔固定在生產(chǎn)線附件的地腳螺栓上。機器人腰部是一個由大功率步進電機、齒輪副、腰部主軸、臂部底座以及軸承等組成，步進電機帶動齒輪副將動力傳遞到腰部主軸上，主軸與臂部底座固接在一起，能夠帶機器人上部360°轉(zhuǎn)動。

機器人大臂由立柱、大臂構(gòu)件、運動副、兩個液壓缸組成。兩個液壓缸的底部鉸接固定臂部底座上，缸桿頂端鉸接固定在大臂構(gòu)件上，這兩個液壓缸串聯(lián)連接，油路交叉配置保證兩個液壓缸方向相反的同步工作，帶動大臂以運動副為中心擺動。

機器人中臂由中臂構(gòu)件、運動副、液壓缸組成。中臂構(gòu)件兩端分別通過兩個運動副與大臂和小臂相連接，液壓缸底部鉸接固定在大臂構(gòu)件上，頂部鉸接固定在中臂上。隨著液壓缸的伸縮，中臂以運動副為中心擺動。

機器人小臂由小臂構(gòu)件、運動副、液壓缸組成。小臂構(gòu)件一端通過運動副與中臂相連接，另一端與腕部相聯(lián)。液壓缸底部鉸接固定在中臂構(gòu)件上，頂部鉸接固定在小臂上。隨著液壓缸的伸縮，小臂以運動副為中心擺動。

機器人腕部由步進電機、聯(lián)軸器、法蘭盤組成。步進電機固定在小臂上，它通過聯(lián)軸器帶動安裝在法蘭盤上的手抓實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。

機器人手抓有氣缸、法蘭盤、手抓組成。氣缸固定在法蘭盤上與機器人腕部相連，通過氣缸的伸縮帶動手抓張開閉合，實現(xiàn)對菌筐的抓放。

3 液壓與氣壓系統(tǒng)設(shè)計

在本次設(shè)計中，考慮到機械手臂的兩個水平、垂直類型的線性運動的自由度及兩個腰部的回轉(zhuǎn)和腕部的回轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動的自由度共同組成的關(guān)節(jié)型機械手臂。經(jīng)過對各個有可能影響到本次設(shè)計的因素進行統(tǒng)籌考慮后，最終決定機械手臂的大小臂都選用單活塞桿液壓缸，來完成往復(fù)運動的功能。在液壓系統(tǒng)中還有電機帶動的齒輪泵、濾油器、溢流閥、電液換向閥、單向閥和節(jié)流閥等元器件。油液借助管路經(jīng)齒輪泵和濾油器后供給到各個液壓缸，根據(jù)機器人運動的需要，必然有些液壓缸為伸出、有些液壓缸為縮回，這些都是通過電液換向閥來實現(xiàn)的。

氣壓系統(tǒng)主要是滿足手抓的工作要求，分析比較后選擇LG系列氣缸。在氣壓系統(tǒng)中還包括氣源、儲氣罐、油水分離器、減壓閥、油霧器、壓力表、壓力繼電器和電磁換向閥等組成。氣源主要來自壓縮空氣機供給的壓縮空氣，經(jīng)油水分離器、減壓閥和油霧器后供給氣缸。換向閥來決定氣缸的伸縮，進而完成手抓的開合。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人一開始在原點位置，啟動按鈕按下后，機械手臂啟動，其水平液壓缸驅(qū)動手臂向前伸至限位；電磁閥通電后垂直液壓缸驅(qū)動手臂下降，同時手爪的電磁閥也通電并隨之下降至限位，接著將電磁閥斷電，停止其工作，手抓由其氣缸的吸氣放氣來驅(qū)動夾緊菌筐；將電磁閥進行通電后，機械手臂由垂直液壓缸驅(qū)動上升至限位停止。

選擇三菱的FX2N-32MT為主控制器，外加一個AD7520模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。共計13個輸入和6個輸出，外加6個伺服驅(qū)動器輸出端子。

5 結(jié)論

完成了機器人的基座、腰部、大中小臂、手腕和手抓的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其氣液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計的六自由度以及電氣液結(jié)合的關(guān)節(jié)型機器人，基本能夠滿足食用菌工廠化生產(chǎn)線搬運的需要。