李宏

摘 要：營養(yǎng)缽質(zhì)地多為塑料制作，廣泛用于花卉、蔬菜、瓜果等農(nóng)業(yè)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(chǎn)效率低，勞動強(qiáng)度大。本文根據(jù)營養(yǎng)缽生產(chǎn)工藝，設(shè)計了機(jī)械手，并采用PLC對其進(jìn)行控制，取消原本人工操作，提高效率，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：營養(yǎng)缽；機(jī)械手；PLC

營養(yǎng)缽自動生產(chǎn)設(shè)備利用高溫吹塑成型技術(shù)生產(chǎn)，生產(chǎn)速度快，產(chǎn)量高。缽體之間有連接件連接，生產(chǎn)中靠人工取下連接件，工作強(qiáng)度很大，且速度慢，需要配備多個生產(chǎn)人員。本文結(jié)合生產(chǎn)需要，采用PLC控制的機(jī)械手取代人工操作，在提高生產(chǎn)效率和安全性、降低勞動強(qiáng)度、節(jié)省人力資源等方面具有一定的優(yōu)勢，應(yīng)有前景較好。

1 機(jī)械手設(shè)計

機(jī)械手是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)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(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。本系統(tǒng)也采用機(jī)械手進(jìn)行生產(chǎn)，設(shè)計如下。

營養(yǎng)缽本身質(zhì)量較輕，剛生產(chǎn)出時，缽內(nèi)充滿氣體，因此需要抓住營養(yǎng)缽的機(jī)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(chǎn)速度太快，要求機(jī)械手動作快，能與之生產(chǎn)速度配合，因此在設(shè)計時需要考慮以上因素。

營養(yǎng)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(jié)構(gòu)，機(jī)械手手抓結(jié)構(gòu)如圖1所示。本機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，大體分為兩部分，一是負(fù)責(zé)抓捏的手指部分，分為固定指和活動指，一部分是負(fù)責(zé)動力的傳動部分，由齒條和凸輪構(gòu)成。同時為了增加摩擦力，以及保護(hù)缽體，在手指末端需要增加保護(hù)墊。

該結(jié)構(gòu)的動力來源是電力，齒條下端連桿連接有轉(zhuǎn)向珠，電機(jī)帶動連桿隨著轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，從而帶動手指張合，完成抓放動作。生產(chǎn)時，一對營養(yǎng)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(jī)械結(jié)構(gòu)將缽體夾住，另一個機(jī)械結(jié)構(gòu)抓住連接件，兩組機(jī)械結(jié)構(gòu)反向運轉(zhuǎn)，從而將連接件撕開。本機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，好維護(hù)。

2 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。營養(yǎng)缽生產(chǎn)速度快，一般的氣動液壓系統(tǒng)很難與之匹配，因此采用電動方式。

營養(yǎng)缽生產(chǎn)速率大約是120個/分鐘，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速需要在14轉(zhuǎn)/分鐘左右，所需電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，兩套機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩部電機(jī)驅(qū)動，在運行時要保持動作同步，否則會出現(xiàn)機(jī)械手抓錯部件的問題或是碰撞等問題，因此需要電機(jī)轉(zhuǎn)速同步且穩(wěn)定，在啟動和停止時速度是一致的。普通電機(jī)在啟動和停止時速度是不穩(wěn)定的，無法滿足該系統(tǒng)的需求。因此采用步進(jìn)電機(jī)作為動力來源。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的，此特點可以保證兩組機(jī)械手能準(zhǔn)確抓到營養(yǎng)缽和連接件。同時步進(jìn)電機(jī)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，該項特點可以滿足本系統(tǒng)在產(chǎn)品型號改變，生產(chǎn)速率發(fā)生變化時及時方便地調(diào)整速度。

3 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計

由于本系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要同步運行，因此一般的繼電器控制系統(tǒng)難以滿足要求，本系統(tǒng)由于兩組機(jī)械手系統(tǒng)相對獨立，負(fù)載較重，不適合采用機(jī)械傳動方式，因此采用PLC控制，通過程序控制直接控制電機(jī)運行簡化控制電路，同時提高機(jī)械手運行的可靠性。

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程可知，PLC輸入信號包括：啟動、停止、復(fù)位，限位開關(guān)，輸出信號包括：步進(jìn)電機(jī)、報警器、指示燈。其中復(fù)位信號，是每次停機(jī)再啟動前確定兩個機(jī)械結(jié)構(gòu)工作位置，以保證連接件分離正常。限位開關(guān)用于限定齒條運行位置，以免手指張度不合適。控制系統(tǒng)設(shè)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(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計難點在于機(jī)械部分的設(shè)計，為了降低成本，采用了純機(jī)械結(jié)構(gòu)方式，經(jīng)電力驅(qū)動。由于純機(jī)械結(jié)構(gòu)存在磨損、位移精度等等問題，需要在設(shè)計和使用中逐步改善，而其中各個機(jī)械部件的尺寸需要根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)狀況具體決定，因此在設(shè)計中也反復(fù)進(jìn)行了修改。本系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場測試，具有結(jié)構(gòu)簡單，容易維護(hù)，效率高等特點，有效替代了原來生產(chǎn)中的人力，節(jié)省了資源。PLC的應(yīng)用，提高了系統(tǒng)今后升級改造的效率，降低了升級成本，在該行業(yè)中有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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