营养钵连接件分离机械手设计

李宏

摘 要：营养钵质地多为塑料制作，广泛用于花卉、蔬菜、瓜果等农业种植。其成品为钵体与连接件串行连接，一般需要人工操作将钵体和连接件分离开，生产效率低，劳动强度大。本文根据营养钵生产工艺，设计了机械手，并采用PLC对其进行控制，取消原本人工操作，提高效率，降低生产成本。

关键词：营养钵；机械手；PLC

营养钵自动生产设备利用高温吹塑成型技术生产，生产速度快，产量高。钵体之间有连接件连接，生产中靠人工取下連接件，工作强度很大，且速度慢，需要配备多个生产人员。本文结合生产需要，采用PLC控制的机械手取代人工操作，在提高生产效率和安全性、降低劳动强度、节省人力资源等方面具有一定的优势，应有前景较好。

1 机械手设计

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点。因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。本系统也采用机械手进行生产，设计如下。

营养钵本身质量较轻，刚生产出时，钵内充满气体，因此需要抓住营养钵的机械手抓力合适，既要抓住钵体，又不能将其抓破。同时由于其生产速度太快，要求机械手动作快，能与之生产速度配合，因此在设计时需要考虑以上因素。

营养钵是两个钵体钵口相对连接在一起，呈椭圆形，因此，手爪外形以仿形字母V型结构，机械手手抓结构如图1所示。本机械手结构简单，大体分为两部分，一是负责抓捏的手指部分，分为固定指和活动指，一部分是负责动力的传动部分，由齿条和凸轮构成。同时为了增加摩擦力，以及保护钵体，在手指末端需要增加保护垫。

该结构的动力来源是电力，齿条下端连杆连接有转向珠，电机带动连杆随着转向珠在起伏盘上滚动，由于起伏盘表面不平整，是一个斜面，因此在沿着起伏盘转动的过程中，连杆推动齿条上下移动，齿条上下移动带动凸轮旋转，从而带动手指张合，完成抓放动作。生产时，一对营养钵钵口相对连接在一起呈椭圆形，每个椭圆形之间有条状连接件连接，利用一个本机械结构将钵体夹住，另一个机械结构抓住连接件，两组机械结构反向运转，从而将连接件撕开。本机械结构结构简单，成本低，好维护。

2 机械手驱动系统设计

工业机械手的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。营养钵生产速度快，一般的气动液压系统很难与之匹配，因此采用电动方式。

营养钵生产速率大约是120个/分钟，因此电机转速需要在14转/分钟左右，所需电机的转速较低，两套机械结构由两部电机驱动，在运行时要保持动作同步，否则会出现机械手抓错部件的问题或是碰撞等问题，因此需要电机转速同步且稳定，在启动和停止时速度是一致的。普通电机在启动和停止时速度是不稳定的，无法满足该系统的需求。因此采用步进电机作为动力来源。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，此特点可以保证两组机械手能准确抓到营养钵和连接件。同时步进电机可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，该项特点可以满足本系统在产品型号改变，生产速率发生变化时及时方便地调整速度。

3 机械手控制系统设计

由于本系统的机械结构需要同步运行，因此一般的继电器控制系统难以满足要求，本系统由于两组机械手系统相对独立，负载较重，不适合采用机械传动方式，因此采用PLC控制，通过程序控制直接控制电机运行简化控制电路，同时提高机械手运行的可靠性。

根据生产工艺流程可知，PLC输入信号包括：启动、停止、复位，限位开关，输出信号包括：步进电机、报警器、指示灯。其中复位信号，是每次停机再启动前确定两个机械结构工作位置，以保证连接件分离正常。限位开关用于限定齿条运行位置，以免手指张度不合适。控制系统设计选用西门子S7-200型PLC，满足使用要求。其I/O分配如表1所示。

4 结束语

本系统的设计难点在于机械部分的设计，为了降低成本，采用了纯机械结构方式，经电力驱动。由于纯机械结构存在磨损、位移精度等等问题，需要在设计和使用中逐步改善，而其中各个机械部件的尺寸需要根据现场生产状况具体决定，因此在设计中也反复进行了修改。本系统经过现场测试，具有结构简单，容易维护，效率高等特点，有效替代了原来生产中的人力，节省了资源。PLC的应用，提高了系统今后升级改造的效率，降低了升级成本，在该行业中有较好的应用前景。

参考文献

[1]王召煜.浅析现代机械设计中创新思维的具体体现[J].科技创新与应用，2015，（29）：117.

[2]苏茜玲，赵斌.创新思维在现代机械设计中的体现[J].科技传播，2014，（9）：53-55.