張玲 許洪江 黃大志 韓欣彤

摘要：依據(jù)目前我國食用菌工廠化生產(chǎn)的具體狀況，在獲得食用菌育菇室內(nèi)基本情況的基礎(chǔ)上，針對性的提出了搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。完成了搬運(yùn)機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)、推筐機(jī)構(gòu)以及提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)也設(shè)計(jì)出了搬運(yùn)機(jī)器人氣液壓系統(tǒng)。通過合理選擇PLC型號，完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的育菇室菌筐搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)合理，基本能夠完成育菇室菌筐上下床架的需要。

關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)器人；育菇室；菌筐；PL

中圖分類號：THl37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0131-02

1 緒論

工廠化生產(chǎn)食用菌的模式在我國興起時(shí)間較短，但發(fā)展非常迅速。在工廠化生產(chǎn)過程中有以下工序：備材料→攪拌材料→裝入菌瓶→消除細(xì)菌→降低溫度→ 接種→走菌→去除菌皮→催菇→發(fā)育→采集[1][2]，大多數(shù)工序已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，但將食用菌菌筐搬運(yùn)上床架此道工序還主要靠人工來實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)線的工作效率，并加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。本文研究并設(shè)計(jì)一種搬運(yùn)機(jī)器人，用于把裝滿菌瓶的菌筐搬運(yùn)至床架上或從床架上搬運(yùn)至機(jī)器人上，必將大大提高工作效率，節(jié)省人力。

2 方案

2.1 育菇室環(huán)境及搬運(yùn)對象基本情況

育菇床架一共有9層，最低層高為700mm，每兩層之間距離為500mm，最高一層高達(dá)4700mm，床架之間的過道寬為900mm。菌筐為正方形，邊長450mm，高93mm?？鹄锟墒⒎?×4=16個(gè)菌瓶，菌瓶高為179mm，直徑為102mm。

2.2 運(yùn)動(dòng)方案

依據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人的工作要求，再結(jié)合相似機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)一種三層的升降臺結(jié)構(gòu)，每層可放置兩個(gè)菌筐，可以同時(shí)搬運(yùn)六個(gè)菌筐，具有較高的工作效率，同時(shí)升降臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

2.3 設(shè)計(jì)流程

依據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人的工作要求及動(dòng)作過程，初步確定設(shè)計(jì)方案，如圖1的流程圖所示。

2.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)方案

對比可知液壓系統(tǒng)適合作為搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。但液壓系統(tǒng)動(dòng)力足夠大，升降速度卻較慢。床架整體特別高，速度慢會使機(jī)器人的工作效率很低，設(shè)計(jì)如此大的液壓缸也相當(dāng)復(fù)雜。最好的解決方法是采用一種動(dòng)滑輪式雙倍行程機(jī)構(gòu)縮短行程[4]。類似叉車的結(jié)構(gòu)，液壓缸只需伸出一些高度，升降機(jī)構(gòu)可以上升雙倍高度。

3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)架設(shè)計(jì)

為提高工作穩(wěn)定性，把搬運(yùn)機(jī)器人的長度設(shè)計(jì)延長。機(jī)架右側(cè)結(jié)構(gòu)下層安放行走電機(jī)，上層安置氣、液壓泵組件以及電源。左側(cè)下方安置液壓缸。立柱凹槽內(nèi)裝有鏈輪，引導(dǎo)鏈條方向。機(jī)架兩側(cè)安裝定向滾輪，確保其移動(dòng)路線準(zhǔn)確。

3.2 搬運(yùn)機(jī)器人門架設(shè)計(jì)

門架立柱上端安裝鏈輪，左側(cè)橫桿下設(shè)液壓缸推桿固定結(jié)構(gòu)。立柱兩邊設(shè)計(jì)鏈條銷子結(jié)構(gòu)。在門架各立柱上設(shè)計(jì)安裝滾輪機(jī)構(gòu)，讓其只在機(jī)架立柱槽內(nèi)移動(dòng)，增加門架運(yùn)動(dòng)的精確度及穩(wěn)定性。

3.3 搬運(yùn)機(jī)器升降平臺及推筐設(shè)計(jì)

升降平臺設(shè)計(jì)為三層，每次搬運(yùn)六個(gè)菌筐。平臺機(jī)構(gòu)的立柱邊安裝鏈條固定結(jié)構(gòu)。與門架一樣，也在平臺每個(gè)立柱上安裝兩個(gè)滾輪，確保平臺機(jī)構(gòu)沿著門架立柱的凹槽移動(dòng)。每層一側(cè)的中間支架用變速箱代替，傳遞平臺上電機(jī)的動(dòng)作。在升降平臺每層支架上安放推筐結(jié)構(gòu)，其推送部分由機(jī)械與氣壓共同作用。

3.4 鏈條提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人工作時(shí)，左側(cè)液壓缸推桿伸出，推動(dòng)門架機(jī)構(gòu)一端上升，鏈條二一端固連在門架機(jī)構(gòu)立柱的固定處，繞過機(jī)器人機(jī)架上安裝的多個(gè)鏈輪后固連在門架機(jī)構(gòu)另一邊固定處，拉動(dòng)門架另一端升高，如此門架兩端可以受力平衡。同時(shí)，鏈條一一頭連接在機(jī)架立柱上端，通過門架立柱上方安裝的鏈輪引導(dǎo)后將其另一頭連接在升降平臺立柱邊的固定結(jié)構(gòu)處，則門架整體為動(dòng)滑輪結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)升降平臺雙倍行程移動(dòng)。

如圖2所示為設(shè)計(jì)的育菇室菌筐搬運(yùn)機(jī)器人。

4 氣壓與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 搬運(yùn)機(jī)器人動(dòng)力選取

搬運(yùn)機(jī)器人提升的動(dòng)力機(jī)構(gòu)要求很大的動(dòng)力，工作時(shí)需頻繁升降，而且極限高度特別高，總重量也大，要有過載保護(hù)功能。液壓傳動(dòng)完全可以滿足上述要求，所以搬運(yùn)機(jī)器人選用液壓缸作為提升的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

搬運(yùn)機(jī)器人的推筐機(jī)構(gòu)需要頻繁進(jìn)行快速推筐的動(dòng)作，而且食品類工廠對產(chǎn)品的衛(wèi)生要求很高，很顯然氣壓傳動(dòng)適用于推筐機(jī)構(gòu)上。

4.2 搬運(yùn)機(jī)器人液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于搬運(yùn)機(jī)器人需配置的液壓系統(tǒng)不是很復(fù)雜，僅用來為搬運(yùn)機(jī)器人提供提升的動(dòng)力，所以無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的回路，是常規(guī)的液壓系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于確保液壓機(jī)構(gòu)的安全性，依據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人的動(dòng)力要求設(shè)計(jì)并定制液壓缸。換向閥采用三位四通的電磁換向閥，選擇Y型中位機(jī)能。

4.3 搬運(yùn)機(jī)器人氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人推筐機(jī)構(gòu)只需氣壓桿伸出與縮回，每個(gè)氣壓缸間不會互相影響，所以無須設(shè)計(jì)復(fù)雜的氣壓回路，供氣的氣壓站可以安置在一處固定的位置，集中供氣。氣壓缸的動(dòng)作很快，推筐的動(dòng)作無需用太大的動(dòng)力，所以選擇氣壓缸的型號時(shí)只要考慮合適的尺寸。

5 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人啟動(dòng)后，若一層傳感器檢測無菌筐，液壓缸動(dòng)作把一層升降平臺升高到傳送帶的高度。傳送帶動(dòng)作，把菌筐送到一層平臺上。一層傳感器檢測到兩個(gè)菌筐，傳送帶停轉(zhuǎn)，液壓缸把二層平臺送到傳送帶高度，重復(fù)上述動(dòng)作，直至三層均裝滿菌筐。行走電機(jī)動(dòng)作，機(jī)器人移動(dòng)到床架旁。液壓缸升高，把平臺提升到床架下三層對應(yīng)的位置。上架電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過絲杠帶動(dòng)推送結(jié)構(gòu)往育菇床架推動(dòng)一定距離，達(dá)到限位后，上架氣缸伸出再把菌筐完全推到床架上。之后電機(jī)反轉(zhuǎn)，同時(shí)氣缸縮回。然后液壓缸降到最低位，行走電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)器人回到傳送帶處再裝滿菌筐，循環(huán)上述操作，依次完成中三層、上三層床架的菌筐搬運(yùn)工作。一個(gè)位置育菇床架的菌筐搬運(yùn)工作結(jié)束后，搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到下個(gè)位置繼續(xù)工作。搬運(yùn)機(jī)器人PLC控制系統(tǒng)中輸入點(diǎn)一共是21個(gè)，輸出點(diǎn)一共是9個(gè)。選用PLC中的FX2N-48MR，其擁有24個(gè)輸入點(diǎn)以及24個(gè)輸出點(diǎn)，完全滿足需要。

6 結(jié)語

（1）依據(jù)育菇室的測繪數(shù)據(jù)和搬運(yùn)機(jī)器人功能需求，選擇升降平臺型搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括升降機(jī)構(gòu)、推筐機(jī)構(gòu)以及提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（2）依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定搬運(yùn)機(jī)器人工作情況，計(jì)算出了搬運(yùn)機(jī)器人工作時(shí)的最大提升力。選取適合的液壓輔件，并設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)。依據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸選取氣缸及相關(guān)氣壓元件，設(shè)計(jì)氣壓系統(tǒng)。

（3）按照搬運(yùn)機(jī)器人的工作流程以及輸入輸出的情況，設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)，選擇了合適的PLC，并合理地分配了I/O口。

參考文獻(xiàn)

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