自動(dòng)化生產(chǎn)線多功能物料升降搬運(yùn)裝置的設(shè)計(jì)

任明杰，楊 昆，于 濤，曹曉韜

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

0 引言

目前，制藥企業(yè)制劑類藥品由于生產(chǎn)流程長、工藝復(fù)雜，雖然也實(shí)現(xiàn)了一定程度的自動(dòng)化生產(chǎn)，但是大量的原輔料、中間品、半成品以及成品的搬運(yùn)和投放等作業(yè)仍然依靠人工為主，降低了企業(yè)整體的生產(chǎn)效率。并且已有的自動(dòng)化生產(chǎn)搬運(yùn)裝置多為助力機(jī)械，人工操作在其中具有重要的作用，造成操作不便、效率和靈活性較低等問題[1-2]。因此，本文設(shè)計(jì)出一種集移動(dòng)、取物、夾持和放置等多功能為一體的物料升降搬運(yùn)裝置，該裝置可多角度、多方向抓取物料，能減少人力消耗，提高搬運(yùn)效率，以此來滿足更加復(fù)雜的操作和物流狀況。該裝置主要用于制藥企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中各種包裝物料的搬運(yùn)，能夠滿足此類型企業(yè)的廣泛需求。

1 功能設(shè)計(jì)分析

多功能物料升降搬運(yùn)裝置應(yīng)有以下功能：對(duì)各種包裝形式的物料進(jìn)行自動(dòng)抓取、夾持、移動(dòng)和放置，其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其設(shè)計(jì)要求為自動(dòng)化、多功能，適用于需要搬運(yùn)多種包裝形式物料的制藥企業(yè)。

圖1 多功能物料升降搬運(yùn)裝置功能框圖

2 多功能物料搬運(yùn)裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

多功能物料升降搬運(yùn)裝置采用PLC控制，具有多角度、多方向抓取物料的功能。系統(tǒng)主要包括控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)部分和執(zhí)行部分[3]，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多功能物料升降搬運(yùn)裝置整體結(jié)構(gòu)

2.2 工作流程

(1) 當(dāng)物料到來時(shí)，氣爪上的位置傳感器感應(yīng)到物料后會(huì)向控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，控制系統(tǒng)接收到信號(hào)后會(huì)向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)送電信號(hào)使其工作。

(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由步進(jìn)減速電機(jī)、凸輪分割器和法蘭盤組成，其作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)接收到電信號(hào)后，步進(jìn)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪分割器入力軸轉(zhuǎn)動(dòng)，入力軸把力傳送給出力軸，出力軸與法蘭連接帶動(dòng)法蘭盤轉(zhuǎn)動(dòng)，法蘭盤與機(jī)械手臂連接帶動(dòng)機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過位置傳感器傳輸?shù)男盘?hào)使機(jī)械臂移動(dòng)到合適位置[4]。

(3) 傳送機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、機(jī)械手臂、直線導(dǎo)軌、同步帶以及兩個(gè)用于帶動(dòng)同步帶的同步帶輪組成。傳送機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的水平伸縮，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)機(jī)械臂處在合適位置時(shí)，控制機(jī)構(gòu)會(huì)向伺服電機(jī)發(fā)送信號(hào)，伺服電機(jī)開始工作，并驅(qū)動(dòng)同步帶輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同步帶輪帶動(dòng)同步帶傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)移動(dòng)到物料到達(dá)的位置。同步帶輪的張緊可以通過外側(cè)同步帶輪的螺栓張緊裝置來實(shí)現(xiàn)。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 傳送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

(4) 氣爪旋轉(zhuǎn)、伸縮機(jī)構(gòu)的核心是完成氣爪的旋轉(zhuǎn)和下降，由導(dǎo)軌氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸組成，如圖5(a)所示。氣爪機(jī)構(gòu)的核心任務(wù)是抓取物品，結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。在抓取機(jī)構(gòu)到達(dá)物品正上方時(shí)，控制機(jī)構(gòu)會(huì)將信號(hào)傳送給導(dǎo)軌氣缸和旋轉(zhuǎn)氣缸，通過導(dǎo)軌氣缸實(shí)現(xiàn)豎直移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)氣缸實(shí)現(xiàn)氣爪的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)氣缸與氣爪相連接，實(shí)現(xiàn)氣爪的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣爪的位置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的抓取，之后在PLC控制下移動(dòng)到指定位置[5]。

經(jīng)過上述工作流程，實(shí)現(xiàn)抓取和移動(dòng)物料。

圖5 抓取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 三維模型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)多功能物料升降搬運(yùn)裝置進(jìn)行了整體的分析與規(guī)劃，將其分成底座部分、控制機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和抓取機(jī)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)層次以及零部件的自由度、約束和相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)各零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，之后根據(jù)零件間的約束及運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立好各部分的裝配體，最后根據(jù)配合關(guān)系采用自上而下的裝配方式[6]，完成多功能物料升降搬運(yùn)裝置的裝配，其三維模型如圖6所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能物料升降搬運(yùn)裝置的控制系統(tǒng)以PLC為核心，采用西門子S7-200SMART為主控制器，采用角度、位置等傳感器作為控制信號(hào)，通過PLC控制電機(jī)以及氣缸的動(dòng)作來調(diào)整氣爪的位置。主程序控制流程如圖7所示，裝置開機(jī)后，程序初始化使各機(jī)構(gòu)處于初始狀態(tài)；程序啟動(dòng)后，讓各動(dòng)作機(jī)構(gòu)完成各自的動(dòng)作，當(dāng)移動(dòng)的位置不準(zhǔn)確時(shí)，控制系統(tǒng)通過各傳感器的信號(hào)將反饋信號(hào)傳送給需要調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)，同步帶實(shí)現(xiàn)抓取機(jī)構(gòu)的水平移動(dòng)以及抓取機(jī)構(gòu)的伸縮和旋轉(zhuǎn)，抓取后的物料將被送到指定需要移動(dòng)的位置。

圖6 多功能物料升降搬運(yùn)裝置三維模型

圖7 主程序控制流程

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種可以多角度、多方向抓取物料的多功能物料升降搬運(yùn)裝置。采用了PLC控制系統(tǒng)，可使裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并提高了準(zhǔn)確性與效率。該裝置克服了大多數(shù)市場上已有搬運(yùn)裝置操作不便、效率較低、靈活性較低的缺點(diǎn)，能夠?qū)鞲衅餍盘?hào)傳送至控制機(jī)構(gòu)，控制機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行負(fù)反饋并通過驅(qū)動(dòng)裝置和傳送機(jī)構(gòu)傳遞力，進(jìn)而利用抓取機(jī)構(gòu)將要搬運(yùn)的裝置放到指定位置上，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)、取物、夾持和放置等一系列自動(dòng)化。該裝置能夠替代人工雙手移物并放置，可以一次取兩個(gè)物件，取物的方向多且可以上下移動(dòng)，靈活性好，進(jìn)而大大提高了勞動(dòng)效率，節(jié)省了成本，具有很好的市場前景。