張建平

(遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115009)

蘋果分類包裝搬運機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計

張建平

(遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營口 115009)

文章以直徑范圍在70～100mm之間的蘋果為研究對象，設(shè)計一種三自由度機械手來執(zhí)行蘋果分類與包裝中的搬運動作，該機械手由氣動方式驅(qū)動手部機構(gòu)氣缸、水平伸縮氣缸、垂直升降氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸來實現(xiàn)蘋果的抓取和定位擺放功能。通過PLC方式實現(xiàn)對機械手動作的邏輯控制。

機械手；控制系統(tǒng)；PLC

1 蘋果搬運機械手結(jié)構(gòu)與工作流程

圖1 蘋果分類包裝搬運機械手結(jié)構(gòu)圖

機械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機械手目的是將蘋果從左側(cè)分類傳送帶搬運到右側(cè)包裝傳送帶后進行包裝，兩個傳送帶之間高度一致，直線距離為470mm，所需機械手轉(zhuǎn)動角度為110°，根據(jù)設(shè)計要求機械手能夠完成夾緊控制、手臂水平伸縮控制、垂直升降控制和旋轉(zhuǎn)控制。根據(jù)要求選擇直線運動氣缸來進行機械手的夾緊、水平伸縮和垂直升降運動；選擇旋轉(zhuǎn)氣缸來進行機械手的旋轉(zhuǎn)運動。其中手部夾緊機構(gòu)選擇雙指式回轉(zhuǎn)型滑槽式外夾持手部，其有適合的夾緊力、開閉角與抓取精度，手部指面填充有緩沖材質(zhì)，增大摩擦力，并對蘋果表皮進行了保護。

整個系統(tǒng)的工作流程如下：①輸送：機械手復(fù)位，位于分類傳送帶（帶溝槽）的正上方，分類傳送帶將待分類的蘋果輸送到機械手的工作半徑上。②視覺識別：視覺識別系統(tǒng)按設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)對蘋果的尺寸大小和表面有無損傷進行識別，將檢測信號反饋給執(zhí)行部分。③機械手按指定的命令完成以下動作執(zhí)行任務(wù)：垂直伸出→手部機構(gòu)夾緊→垂直縮回→旋轉(zhuǎn)右擺→水平前伸→垂直下降→手部機構(gòu)松開→垂直縮回→水平縮回→旋轉(zhuǎn)左移退回到原位，這一系列動作為一個工作流程機械手所需完成的動作。目的是把蘋果從分類傳送帶搬運到包裝傳送帶上。④包裝機械對蘋果進行包裝。

2 氣動系統(tǒng)設(shè)計

機械手氣動系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 機械手氣動系統(tǒng)原理圖

機械手的氣動系統(tǒng)采用工作壓力控制回路，氣缸動作由電磁閥控制，各氣缸的動作速度由單向節(jié)流閥控制，磁性開關(guān)的主要作用就是檢查氣缸活塞的位置移動情況，從而控制相應(yīng)的電磁閥動作。設(shè)計中采用單、雙向調(diào)速回路來實現(xiàn)控制系統(tǒng)，其中垂直氣缸上升下降動作為單調(diào)速回路來控制的，其余氣缸動作都是由雙向調(diào)速回路來實現(xiàn)控制。

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

機械手控制分為自動和手動兩種。自動過程執(zhí)行前，首先按下“復(fù)位”按鈕，機械手執(zhí)行復(fù)位動作。然后按“開始”按鈕后機械手按工作流程所示執(zhí)行動作，機械手運行過程中，按“停止”按鈕，機械手停止工作，再按“啟動”按鈕后機械手從斷點處開始動作。手動程序就是用按鈕單獨操作實現(xiàn)位置的移動，手動的優(yōu)點是分步驟進行、便于觀察、增強了操作人員的操作性，使操作者對機械手的運動步驟更加熟悉，并免去了自動操作執(zhí)行過程中因電磁閥故障而導(dǎo)致的實驗中斷。

本課題選用的是西門子公司S7-200系列PLC，其具有快速的中央處理運算能力、豐富的編程指令集、快速響應(yīng)的數(shù)字量和模擬量輸入/輸出通道和強大的通信能力。根據(jù)機械手PLC控制系統(tǒng)的I/O口分配、通信口、供電能力等因素，選擇S7-200系列CPU226 AC/DC/RLY型可編程控制器。其I/O分配及外圍接線如圖3所示。

圖3 機械手工作PLC外圍電路接線圖

最后采用西門子的STEP7-Micro/WIN32軟件，利用邏輯流程方法編制的PLC控制程序，其算法邏輯思路清晰，便于分析控制程序、查找故障點，調(diào)試程序和修改程序。

4 結(jié)語

文章闡述的機械手不僅可以用于對蘋果的搬運，它還可以通過改變硬件條件來滿足不同種類水果分類工作，對于系列化產(chǎn)品的搬運機械手控制系統(tǒng)開發(fā)，具有普遍意義。

［1］趙波，王宏元.液壓與氣動技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

［2］李太勝.基于PLC控制的工業(yè)機器人系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2014，（15）：26-27.

Design of the M anipulator Control System in Classification Packaging and Carrying of App les

ZHANG Jian-ping
（Liaoning Agricultural Vocational and Technical College，Yingkou，Liaoning 115009，China）

Taking theappleswith the diameter in the rangeof70～100mm as the research object，thisarticle is to design a3-DOFmanipulator to perform themovementsin processof the classification and packingofapples.Thehandmechanism cylinder，horizontal telescopic cylinder，vertical lifting cylinder and rotating cylinder are driven by thismanipulator in a pneumatic way cylinder toachieve the functionsofcapturingand positioningofapples.The logicalcontrolofthemanipulator isrealized by theway ofPLC.

manipulator；controlsystem；PLC蘋果采摘后的分類包裝需耗費大量的人力，水果分類自動化的實現(xiàn)已成為目前亟待解決的關(guān)鍵問題。因此，開展對蘋果分類包裝搬運的小型機械裝置研究不僅有利于降低勞動強度、提高作業(yè)效率，同時對于推動我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)分類機械化、自動化和智能化具有重要現(xiàn)實意義。

TP241

A

2095-980X(2016)08-0042-01

2016-07-14

張建平（1985-），男，遼寧海城人，大學(xué)本科，助教，主要研究方向：工業(yè)機器人。