自動化生產線多功能物料升降搬運裝置的設計

任明杰，楊 昆，于 濤，曹曉韜

(遼寧工業(yè)大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121000)

0 引言

目前，制藥企業(yè)制劑類藥品由于生產流程長、工藝復雜，雖然也實現了一定程度的自動化生產，但是大量的原輔料、中間品、半成品以及成品的搬運和投放等作業(yè)仍然依靠人工為主，降低了企業(yè)整體的生產效率。并且已有的自動化生產搬運裝置多為助力機械，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，本文設計出一種集移動、取物、夾持和放置等多功能為一體的物料升降搬運裝置，該裝置可多角度、多方向抓取物料，能減少人力消耗，提高搬運效率，以此來滿足更加復雜的操作和物流狀況。該裝置主要用于制藥企業(yè)自動化生產線中各種包裝物料的搬運，能夠滿足此類型企業(yè)的廣泛需求。

1 功能設計分析

多功能物料升降搬運裝置應有以下功能：對各種包裝形式的物料進行自動抓取、夾持、移動和放置，其功能結構框圖如圖1所示。其設計要求為自動化、多功能，適用于需要搬運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裝置功能框圖

2 多功能物料搬運裝置系統(tǒng)設計

2.1 總體結構

多功能物料升降搬運裝置采用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、驅動部分、傳動部分和執(zhí)行部分[3]，整體結構如圖2所示。

圖2 多功能物料升降搬運裝置整體結構

2.2 工作流程

(1) 當物料到來時，氣爪上的位置傳感器感應到物料后會向控制系統(tǒng)發(fā)送信號，控制系統(tǒng)接收到信號后會向轉動機構發(fā)送電信號使其工作。

(2) 轉動機構由步進減速電機、凸輪分割器和法蘭盤組成，其作用是實現機械臂的旋轉運動，其結構如圖3所示。當轉動機構接收到電信號后，步進減速電機驅動凸輪分割器入力軸轉動，入力軸把力傳送給出力軸，出力軸與法蘭連接帶動法蘭盤轉動，法蘭盤與機械手臂連接帶動機械手臂實現水平轉動，并通過位置傳感器傳輸的信號使機械臂移動到合適位置[4]。

(3) 傳送機構由伺服電機、機械手臂、直線導軌、同步帶以及兩個用于帶動同步帶的同步帶輪組成。傳送機構的作用是實現機構的水平伸縮，其結構如圖4所示。當機械臂處在合適位置時，控制機構會向伺服電機發(fā)送信號，伺服電機開始工作，并驅動同步帶輪進行轉動，同步帶輪帶動同步帶傳動，驅動抓取機構移動到物料到達的位置。同步帶輪的張緊可以通過外側同步帶輪的螺栓張緊裝置來實現。

圖3 轉動機構結構示意圖

圖4 傳送機構結構示意圖

(4) 氣爪旋轉、伸縮機構的核心是完成氣爪的旋轉和下降，由導軌氣缸和旋轉氣缸組成，如圖5(a)所示。氣爪機構的核心任務是抓取物品，結構如圖5(b)所示。在抓取機構到達物品正上方時，控制機構會將信號傳送給導軌氣缸和旋轉氣缸，通過導軌氣缸實現豎直移動，旋轉氣缸實現氣爪的旋轉。旋轉氣缸與氣爪相連接，實現氣爪的轉動，進而調節(jié)氣爪的位置，并實現對物料的抓取，之后在PLC控制下移動到指定位置[5]。

經過上述工作流程，實現抓取和移動物料。

圖5 抓取機構結構示意圖

2.3 三維模型

根據設計要求對多功能物料升降搬運裝置進行了整體的分析與規(guī)劃，將其分成底座部分、控制機構、轉動機構、傳動機構和抓取機構。根據結構層次以及零部件的自由度、約束和相對運動關系，對各零部件進行了設計，之后根據零件間的約束及運動關系建立好各部分的裝配體，最后根據配合關系采用自上而下的裝配方式[6]，完成多功能物料升降搬運裝置的裝配，其三維模型如圖6所示。

3 控制系統(tǒng)設計

多功能物料升降搬運裝置的控制系統(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，通過PLC控制電機以及氣缸的動作來調整氣爪的位置。主程序控制流程如圖7所示，裝置開機后，程序初始化使各機構處于初始狀態(tài)；程序啟動后，讓各動作機構完成各自的動作，當移動的位置不準確時，控制系統(tǒng)通過各傳感器的信號將反饋信號傳送給需要調節(jié)的機構，調節(jié)轉動機構實現機械臂的旋轉，同步帶實現抓取機構的水平移動以及抓取機構的伸縮和旋轉，抓取后的物料將被送到指定需要移動的位置。

圖6 多功能物料升降搬運裝置三維模型

圖7 主程序控制流程

4 結論

本文設計了一種可以多角度、多方向抓取物料的多功能物料升降搬運裝置。采用了PLC控制系統(tǒng)，可使裝置實現自動化，并提高了準確性與效率。該裝置克服了大多數市場上已有搬運裝置操作不便、效率較低、靈活性較低的缺點，能夠將傳感器信號傳送至控制機構，控制機構根據實際情況進行負反饋并通過驅動裝置和傳送機構傳遞力，進而利用抓取機構將要搬運的裝置放到指定位置上，實現了移動、取物、夾持和放置等一系列自動化。該裝置能夠替代人工雙手移物并放置，可以一次取兩個物件，取物的方向多且可以上下移動，靈活性好，進而大大提高了勞動效率，節(jié)省了成本，具有很好的市場前景。