小球分选装置的机械方案设计

李芸唐健

（淮阴工学院机械与材料工程学院，江苏淮安223003）

1 小球分选装置概述

在现代自动化机械工业中，针对不同物料，包括铁丸、硬币、葡萄甚至花粉都有相应的自动分选装置。分选装置的发展趋势主要有以下三个方面：

（1）连续并且大批量地分选物料。通过自动化生产线能够连续、大批量地进行分选，并且自动分选装置不受环境、时间、人的状态等限制，能够不断工作，在相同时间内分选出更多的物料。

（2）分选误差率较低。输入的分选信息及信息的输入方式是自动分选装置分选误差率的主要来源，如果采用人工键盘或语音方式输入，误差率将维持在3%以上；若采用条形码或二维码进行扫描输入，则分选装置的识别误差几乎为零[1]。因此，目前自动分选系统主要采用扫描条形码和二维码的方式来识别货物。

（3）无人化操作。自动分选装置设计制造的目的之一就是降低人工的使用率，减轻工人的劳动强度，提高物料的分选效率，降低企业的生产成本。而自动分选系统能最大限度地减少人员的使用，基本做到无人化[1-2]。

本文所述小球分选装置设计为教学实验室开放型实验课题，供机械设计制造及其自动化、机械电子等专业的学生发散思维、提高动手操作能力。要求利用多功能组合式气动分选装置提供的元件，设计组装一种基于气动吸盘的分选装置，该气动分选装置的设计和制造可以为实验教学和课程设计提供借鉴和参考，同时能够让学生对气压传动和PLC可编程控制器做进一步的了解和运用。

2 机械方案设计

为了达到上述课题的设计要求，本文提出三种设计方案供选择，具体情况介绍如下：

2.1 三种方案详情介绍

方案A如图1所示，在储物台1上依次整齐放上待检测和分选的小球，轨道设置一定斜度，小球利用其光滑的状态可以依次落到电感式接近开关3前。电感式接近开关3根据NPN型连接，为常开状态。当小球接触到电感式接近开关3时，如果是金属质地，电感式接近开关3会通电，释放信号，使控制气缸5的电磁阀线圈得电，无杆式气缸滑台4移动到磁性开关所设置的位置，紧接着吸盘6下降到小球上方，将小球吸取移送至储物盒中。如果电感式接近开关3没有释放信号，即小球质地为塑料，则通过气缸5将小球运送到无轨滑台另一侧。在气缸上安装磁性开关，整个过程通过磁性开关的信号输入控制电磁阀的得失电，进而控制气缸运动距离[3]。

图1 方案A结构简图

方案B如图2所示，在机械手末端安装气动吸盘4作为执行机构。启动后，机械手臂3转向储物盒1吸取小球，然后放在传送带5上，在传送带5另一端上方添加一个电感式接近开关6，采用NPN型连接并为常开状态。当小球从此经过时，根据小球的质地释放信号。在传送带5右侧有一个转盘，转盘上为两个小凹台，用来放置两种质地的小球。转盘根据电感式接近开关所释放的信号来选择符合要求的凹台存放小球。当转盘存放小球后旋转90°，与其对应的机械手转到该位置，将小球吸取转放到该类型的储物盒。整个过程利用坐标设定来实现机械手的运动。

图2 方案B结构简图

方案C如图3所示，将小球依次放入到储物架2里面，开启开关后，MDJ气缸1推送小球进入轨道，此时控制MDJ气缸1的电磁阀失电，电感式接近开关7开始检测小球质地，该电感式接近开关7为NPN连接常开状态，当小球为金属材质时，电感式接近开关释放信号，使TCM气缸9和MD气缸8开始动作，运动到小球上方并开始向下，接触小球并吸住，此时利用磁性开关释放信号，使MD气缸8和TCM气缸9开始回缩，运动到储物箱上方后，控制真空发生器电磁阀得电，小球掉落在储物箱中。如果小球为塑料质地，则由MK气缸6推送小球直接沿轨道滚落至储物箱中。此时控制MK气缸6的电磁阀失电，同时控制MDJ气缸1的电磁阀得电，进行下一轮分选。整个过程通过在各个气缸上加磁性开关来控制各个电磁阀得失电，进而完成分选任务。

2.2 三种方案特征比较

图3 方案C结构简图

方案A通过在无杆气缸滑台上加装气缸和气动吸盘，在两侧移动可以将不同物料的小球放置在两侧的储物箱中。该装置结构简单，能够有效地达到课题要求。该装置的缺点是输送过程不能实现一个流程完成后再开始下一个小球的输送；且该装置电感式接近开关得失信号时间较短，因此在编程时需严格控制时间，在调试过程中也需要计算时间以达到最佳效率，过程较为繁琐，编程要求较高。

方案B主要是通过三个机械手来实现物料的转移，结构较为复杂，分选精度高。缺点是该装置对坐标精度要求较高，在安装、调试过程中难度较大，且不易编程控制。

方案C能够实现一个小球分选后再进行下一个小球的分选，不会造成感应器反应误差，而且分拣过程中对塑料材质的小球可直接气缸推送，进而缩短分选时间，提高效率。该分选装置结构简单，易于搭建。缺点是该方案中小球沿轨道滚落时直接与电感式接近开关接触，多次碰撞后会使得感应器位置发生微小移动，长期工作会影响精度，因此要加强紧固。

根据上述三种方案特征的比较发现，方案三结构简单可靠，且所需器材便于收集，易于实现，该方案同时便于开展后续扩展性实验。综上所述，方案三可行性最好，本课题即选择方案三进行设计制造。

3 结语

人类在长期劳动过程中已创造出许多分选方法。在分选大小时，有了各种规格的筛子；收割的麦子里含有杂草，可以在风口“扬麦”，根据物料各自的重力差异，利用风力来分选；秋天收获的黄豆中，总有一些是空心或者坏的，在清洗时利用水的浮力即可轻松分选出来；另外，现代科技中也有利用各种化学试剂进行区分辨别从而达到分选的目的。本文分选设计主要与机械工业相结合，在实验室有限经费和可重复操作的条件下，提出了三种不同的设计方案，对小球分选装置进行机械设计，以期开发培养学生对机械专业的兴趣和热情。