育菇室菌筐上下架搬運設備的設計

張玲 許洪江 黃大志 韓欣彤

摘要：依據目前我國食用菌工廠化生產的具體狀況，在獲得食用菌育菇室內基本情況的基礎上，針對性的提出了搬運機器人的設計方案。完成了搬運機器人升降機構、推筐機構以及提升機構的設計。同時也設計出了搬運機器人氣液壓系統。通過合理選擇PLC型號，完成了控制系統的設計。設計的育菇室菌筐搬運機器人結構合理，基本能夠完成育菇室菌筐上下床架的需要。

關鍵詞：搬運機器人；育菇室；菌筐；PL

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

1 緒論

工廠化生產食用菌的模式在我國興起時間較短，但發展非常迅速。在工廠化生產過程中有以下工序：備材料→攪拌材料→裝入菌瓶→消除細菌→降低溫度→ 接種→走菌→去除菌皮→催菇→發育→采集[1][2]，大多數工序已經實現機械化和自動化，但將食用菌菌筐搬運上床架此道工序還主要靠人工來實現，嚴重影響了生產線的工作效率，并加大了工人的勞動強度[3]。本文研究并設計一種搬運機器人，用于把裝滿菌瓶的菌筐搬運至床架上或從床架上搬運至機器人上，必將大大提高工作效率，節省人力。

2 方案

2.1 育菇室環境及搬運對象基本情況

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個菌瓶，菌瓶高為179mm，直徑為102mm。

2.2 運動方案

依據搬運機器人的工作要求，再結合相似機構的運動原理，設計一種三層的升降臺結構，每層可放置兩個菌筐，可以同時搬運六個菌筐，具有較高的工作效率，同時升降臺結構穩定性良好。

2.3 設計流程

依據搬運機器人的工作要求及動作過程，初步確定設計方案，如圖1的流程圖所示。

2.4 關鍵結構方案

對比可知液壓系統適合作為搬運機器人的動力機構。但液壓系統動力足夠大，升降速度卻較慢。床架整體特別高，速度慢會使機器人的工作效率很低，設計如此大的液壓缸也相當復雜。最好的解決方法是采用一種動滑輪式雙倍行程機構縮短行程[4]。類似叉車的結構，液壓缸只需伸出一些高度，升降機構可以上升雙倍高度。

3 機器人機構設計

3.1 搬運機器人機架設計

為提高工作穩定性，把搬運機器人的長度設計延長。機架右側結構下層安放行走電機，上層安置氣、液壓泵組件以及電源。左側下方安置液壓缸。立柱凹槽內裝有鏈輪，引導鏈條方向。機架兩側安裝定向滾輪，確保其移動路線準確。

3.2 搬運機器人門架設計

門架立柱上端安裝鏈輪，左側橫桿下設液壓缸推桿固定結構。立柱兩邊設計鏈條銷子結構。在門架各立柱上設計安裝滾輪機構，讓其只在機架立柱槽內移動，增加門架運動的精確度及穩定性。

3.3 搬運機器升降平臺及推筐設計

升降平臺設計為三層，每次搬運六個菌筐。平臺機構的立柱邊安裝鏈條固定結構。與門架一樣，也在平臺每個立柱上安裝兩個滾輪，確保平臺機構沿著門架立柱的凹槽移動。每層一側的中間支架用變速箱代替，傳遞平臺上電機的動作。在升降平臺每層支架上安放推筐結構，其推送部分由機械與氣壓共同作用。

3.4 鏈條提升機構設計

機器人工作時，左側液壓缸推桿伸出，推動門架機構一端上升，鏈條二一端固連在門架機構立柱的固定處，繞過機器人機架上安裝的多個鏈輪后固連在門架機構另一邊固定處，拉動門架另一端升高，如此門架兩端可以受力平衡。同時，鏈條一一頭連接在機架立柱上端，通過門架立柱上方安裝的鏈輪引導后將其另一頭連接在升降平臺立柱邊的固定結構處，則門架整體為動滑輪結構，可實現升降平臺雙倍行程移動。

如圖2所示為設計的育菇室菌筐搬運機器人。

4 氣壓與液壓系統設計

4.1 搬運機器人動力選取

搬運機器人提升的動力機構要求很大的動力，工作時需頻繁升降，而且極限高度特別高，總重量也大，要有過載保護功能。液壓傳動完全可以滿足上述要求，所以搬運機器人選用液壓缸作為提升的動力機構。

搬運機器人的推筐機構需要頻繁進行快速推筐的動作，而且食品類工廠對產品的衛生要求很高，很顯然氣壓傳動適用于推筐機構上。

4.2 搬運機器人液壓系統設計

由于搬運機器人需配置的液壓系統不是很復雜，僅用來為搬運機器人提供提升的動力，所以無需設計復雜的回路，是常規的液壓系統。設計的重點在于確保液壓機構的安全性，依據搬運機器人的動力要求設計并定制液壓缸。換向閥采用三位四通的電磁換向閥，選擇Y型中位機能。

4.3 搬運機器人氣壓系統設計

搬運機器人推筐機構只需氣壓桿伸出與縮回，每個氣壓缸間不會互相影響，所以無須設計復雜的氣壓回路，供氣的氣壓站可以安置在一處固定的位置，集中供氣。氣壓缸的動作很快，推筐的動作無需用太大的動力，所以選擇氣壓缸的型號時只要考慮合適的尺寸。

5 PLC控制系統設計

搬運機器人啟動后，若一層傳感器檢測無菌筐，液壓缸動作把一層升降平臺升高到傳送帶的高度。傳送帶動作，把菌筐送到一層平臺上。一層傳感器檢測到兩個菌筐，傳送帶停轉，液壓缸把二層平臺送到傳送帶高度，重復上述動作，直至三層均裝滿菌筐。行走電機動作，機器人移動到床架旁。液壓缸升高，把平臺提升到床架下三層對應的位置。上架電機運轉，通過絲杠帶動推送結構往育菇床架推動一定距離，達到限位后，上架氣缸伸出再把菌筐完全推到床架上。之后電機反轉，同時氣缸縮回。然后液壓缸降到最低位，行走電機反轉，機器人回到傳送帶處再裝滿菌筐，循環上述操作，依次完成中三層、上三層床架的菌筐搬運工作。一個位置育菇床架的菌筐搬運工作結束后，搬運機器人運動到下個位置繼續工作。搬運機器人PLC控制系統中輸入點一共是21個，輸出點一共是9個。選用PLC中的FX2N-48MR，其擁有24個輸入點以及24個輸出點，完全滿足需要。

6 結語

（1）依據育菇室的測繪數據和搬運機器人功能需求，選擇升降平臺型搬運機器人設計方案。設計了搬運機器人機械結構部分包括升降機構、推筐機構以及提升機構的設計。

（2）依據經驗選定搬運機器人工作情況，計算出了搬運機器人工作時的最大提升力。選取適合的液壓輔件，并設計液壓系統。依據搬運機器人結構尺寸選取氣缸及相關氣壓元件，設計氣壓系統。

（3）按照搬運機器人的工作流程以及輸入輸出的情況，設計了PLC控制系統，選擇了合適的PLC，并合理地分配了I/O口。

參考文獻

[1]張平，鄭志安，趙祖松穎.我國食用菌產業發展變化及對策分析[J].北方園藝，2017，（22）：167-174.

[2]李正鵬，李玉，尚曉冬，周峰，李巧珍，譚琦，宋春艷.香菇工廠化制棒及制種工藝流程[J].安徽農學通報，2018，24（11）：141+151.

[3]蔣曉，楊學坤.北京市食用菌工廠化生產現狀及機械裝備需求分析[J].農產品加工（學刊），2014，（16）：38-40+44.

[4]成汝振.碼垛機液壓系統優化與控制[D].碩士學位論文，2011.