趙衛(wèi)東　孟琪　朱艷華

摘要：介紹了一種中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)的設(shè)計(jì)，它主要由推拉藥斗的電動(dòng)推桿，藥品爪，集藥裝置，抓取藥品機(jī)械手，封口裝置，控制系統(tǒng)等組成，針對(duì)處理后的藥材進(jìn)行揀藥配藥。本設(shè)計(jì)還分別對(duì)于電動(dòng)機(jī)，機(jī)械手，控制系統(tǒng)，以及安全性能部分做了具體的計(jì)算說(shuō)明，達(dá)到合理的設(shè)計(jì)方案選擇。對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)運(yùn)行過(guò)程以及可編程控制的優(yōu)勢(shì)做了詳細(xì)的說(shuō)明介紹。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;藥品爪;可編程控制;電動(dòng)機(jī);

1 引言

中醫(yī)是我國(guó)三大國(guó)粹之一。我國(guó)中醫(yī)藥資源極其豐富，中藥文化源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。與西藥對(duì)比，中醫(yī)藥有著療效好，副作用小，容易接受，治愈徹底等特征，因此被我國(guó)乃至全國(guó)人民廣泛使用。但是中藥的配制還是沿襲傳統(tǒng)的手抓方式，為擺脫中藥落后的揀藥配藥模式，中藥自動(dòng)揀藥配藥系統(tǒng)的研制非常緊急。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了一種中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)。將在一定水平上解放大量的人力物力，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操和統(tǒng)一控制。

2 機(jī)械主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)包括設(shè)置有多個(gè)單元藥盒的機(jī)柜、中央控制器、藥箱推桿、機(jī)械手和出藥機(jī)構(gòu);

所述中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)的中央控制器包括計(jì)算機(jī)和與所述計(jì)算機(jī)相連的電氣控制盒組成;

所述藥箱推桿包括小型控制器和電動(dòng)推桿以及吸鐵石組成;

所述機(jī)械手是由操作機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和重量檢測(cè)傳感裝置四部分組成，是一種模仿人手操作的機(jī)器;

2.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)械手的組成

機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分以及位置檢測(cè)裝置所組成。多關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，定位精度較高，占地面積小，它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，可以完成全自動(dòng)化的工作，并提高生產(chǎn)效率，因此本設(shè)計(jì)采用多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。

2.2.2 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的，決定了機(jī)械手整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。它是由動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置等組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)。隨著低慣量比、直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器的廣泛采用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)被大量選用。根據(jù)三種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求，選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)。

在整個(gè)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的選擇是非常關(guān)鍵的，采用直流無(wú)刷電機(jī)作為中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

所以選用600w功率的電機(jī)作為中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)機(jī)械手的最大輸出功率。

根據(jù)計(jì)算分析，電動(dòng)機(jī)的功率選擇600w是最合適的，查表選擇型號(hào)為92BL-6030H1-LK-B，額定電壓為220V，轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.9N*m，將選用BL-2203C作為適配驅(qū)動(dòng)器。

由直流無(wú)刷電機(jī)規(guī)格型號(hào)表查得適配驅(qū)動(dòng)器為BL-2203C的電機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)。

通過(guò)以上的綜合分析，最終選擇92BL-6030H1-LK-B無(wú)刷電機(jī)型號(hào)是合理的，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)采用33的傳動(dòng)比，調(diào)速范圍在1000r/min-8000r/min。

2.2.3?機(jī)械手減速器部位的設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)的選型分析，得知傳送比是33。一級(jí)傳動(dòng)的情況下，直齒輪在3-6;圓錐齒輪在2-3;蝸輪蝸桿在5-70。由于考慮推桿空間的合理性，只能選擇單級(jí)傳速，這種情況下，只能選擇蝸輪蝸桿進(jìn)行減速。渦輪蝸桿的特點(diǎn)就是傳動(dòng)特別平穩(wěn)，嚙合聲音小，而且傳動(dòng)比范圍比較大，可以達(dá)到本次設(shè)計(jì)的理想的傳動(dòng)比。

本次設(shè)計(jì)選用蝸桿Z1為2，渦輪Z2為66，設(shè)計(jì)一組傳動(dòng)比。外殼采用的是防銹鋁合金制造（3A21），此種鋁合金具有很強(qiáng)的耐腐蝕性;蝸桿經(jīng)淬火、低溫回火處理的45鋼硬度可以達(dá)到52HRC以上。蝸輪采用承載力較大的45#鋼。

2.2.4 傳動(dòng)方式的選擇

本次設(shè)計(jì)的中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)選用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，在一定負(fù)載要求的場(chǎng)合下，如果采用直接驅(qū)動(dòng)是比較困難的，那么就需要通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)來(lái)作減速處理。本設(shè)計(jì)中的中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)機(jī)械手上部分，為四個(gè)電機(jī)分別帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)行，每個(gè)電機(jī)都需要減速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)空間有限，不適合采用鏈傳動(dòng)，本文主要考慮使用帶傳動(dòng)作減速系統(tǒng)。機(jī)械手下半部分采用蝸桿傳動(dòng)，因?yàn)槲仐U傳動(dòng)傳動(dòng)比大，傳動(dòng)平穩(wěn)，沖擊載荷小，所以選用蝸桿傳動(dòng)作為機(jī)械手下半部分的傳動(dòng)系統(tǒng)。

2.3 機(jī)械爪的設(shè)計(jì)分析

2.3.1 機(jī)械爪的重量檢測(cè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)

我們?cè)跈C(jī)械爪部分放置了抓取藥物的重量檢測(cè)與控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)與送料同步的自動(dòng)計(jì)量。中藥處方中每貼中藥的重量的相對(duì)誤差均控制在5%以?xún)?nèi)。機(jī)械爪傳感器的選擇，需在靜動(dòng)態(tài)條件下均可稱(chēng)量，所以我們選擇電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器進(jìn)行稱(chēng)重，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線(xiàn)性和動(dòng)態(tài)特性較好。調(diào)試簡(jiǎn)單，所以我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)中選用電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器。

2.3.2 解決“藕斷絲連”問(wèn)題

由于中藥材形狀不一致、質(zhì)量不均勻，因此需在機(jī)械手上安裝傳感器實(shí)現(xiàn)凈重稱(chēng)量。x 軸與y 軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)要求平穩(wěn)、快速、沖擊小，因此采用標(biāo)準(zhǔn)滑軌機(jī)構(gòu)構(gòu)成運(yùn)動(dòng)副。由于要求y軸運(yùn)動(dòng)定位誤差控制在一定范圍內(nèi)，因此我們采用自適應(yīng)型可編程控制器。這樣的設(shè)計(jì)能減少中藥材的“藕斷絲連”現(xiàn)象。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 可編程控制器的選擇

考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用PLC對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。

可編程控制器分為整體式可編程控制器和模塊式可編程控制器，一般在工藝過(guò)程比較固定、環(huán)境條件較好的場(chǎng)所，我們選用整體式可編程控制器;其他則選用模塊式可編程控制器。

3.2 機(jī)械手的控制系統(tǒng)和位置檢測(cè)系統(tǒng)

目前機(jī)械手的控制系統(tǒng)主要由程序控制和電氣定位系統(tǒng)組成。中藥自動(dòng)揀藥配藥機(jī)械手采用的是PLC控制系統(tǒng)，它控制著機(jī)械手按規(guī)定的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給定的指令信息，反饋給控制系統(tǒng)當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即可發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警器發(fā)出響聲。

機(jī)械手運(yùn)行位置可通過(guò)控制系統(tǒng)隨時(shí)將機(jī)械手的實(shí)時(shí)位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)位置符合系統(tǒng)的正確位置，機(jī)械手將繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)位置不符合系統(tǒng)的正確位置，將反饋給控制系統(tǒng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.3 機(jī)械手可編程控制器的工作流程

此機(jī)械手用中藥箱體到漏斗之間的電動(dòng)推桿取放中藥。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕之后，有如下動(dòng)作：按啟動(dòng)后，藥箱后的電動(dòng)推桿推動(dòng)藥箱，推開(kāi)藥箱， 2s后揀藥機(jī)械手開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，抓取藥品。通過(guò)重量檢測(cè)器對(duì)藥品進(jìn)行抓取，抓取到合適重量，機(jī)械手開(kāi)始平穩(wěn)緩慢的升起，藥箱后的電動(dòng)推桿通過(guò)磁鐵拉動(dòng)藥箱，關(guān)閉藥箱，機(jī)械手上升到位觸動(dòng)行程開(kāi)關(guān)后通過(guò)滑軌向右行駛，右轉(zhuǎn)行駛到位后下降，下降到配藥裝置里，對(duì)于幾副藥進(jìn)行均分，機(jī)械爪慢慢松開(kāi)，把藥物分揀到各個(gè)包內(nèi)，分揀完成，2s后機(jī)械手上升。上升到位后，機(jī)械手回到原來(lái)位置，循環(huán)上次運(yùn)動(dòng)過(guò)程，繼續(xù)對(duì)下一個(gè)藥品進(jìn)行取放。

4 結(jié)論

本文參考了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，對(duì)于目前的現(xiàn)狀做了分析比較。應(yīng)于目前對(duì)于中藥揀藥配藥的技術(shù)還不是很成熟的情況下，通過(guò)對(duì)于目前中藥顆粒揀藥機(jī)，以及對(duì)中藥配藥機(jī)的研究，把兩者的優(yōu)勢(shì)總結(jié)進(jìn)行了整體模型的基本架構(gòu)設(shè)計(jì)。本文的總體設(shè)計(jì)主要是對(duì)藥品爪，抓取藥品機(jī)械手進(jìn)行了全面詳細(xì)的計(jì)算，以及合理的設(shè)計(jì)，優(yōu)化現(xiàn)有的模型，使得更好地提升工作效率。通過(guò)三維模型的設(shè)計(jì)，合理的節(jié)約了空間，別把機(jī)械手、電動(dòng)機(jī)、絲杠、漏斗合理的安置于揀藥配藥機(jī)的合適位置，大大提升了空間的利用率。

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作者簡(jiǎn)介：趙衛(wèi)東，1997年出生，本科，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)