自动化生产线多功能物料升降搬运装置的设计

任明杰，杨 昆，于 涛，曹晓韬

(辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121000)

0 引言

目前，制药企业制剂类药品由于生产流程长、工艺复杂，虽然也实现了一定程度的自动化生产，但是大量的原辅料、中间品、半成品以及成品的搬运和投放等作业仍然依靠人工为主，降低了企业整体的生产效率。并且已有的自动化生产搬运装置多为助力机械，人工操作在其中具有重要的作用，造成操作不便、效率和灵活性较低等问题[1-2]。因此，本文设计出一种集移动、取物、夹持和放置等多功能为一体的物料升降搬运装置，该装置可多角度、多方向抓取物料，能减少人力消耗，提高搬运效率，以此来满足更加复杂的操作和物流状况。该装置主要用于制药企业自动化生产线中各种包装物料的搬运，能够满足此类型企业的广泛需求。

1 功能设计分析

多功能物料升降搬运装置应有以下功能：对各种包装形式的物料进行自动抓取、夹持、移动和放置，其功能结构框图如图1所示。其设计要求为自动化、多功能，适用于需要搬运多种包装形式物料的制药企业。

图1 多功能物料升降搬运装置功能框图

2 多功能物料搬运装置系统设计

2.1 总体结构

多功能物料升降搬运装置采用PLC控制，具有多角度、多方向抓取物料的功能。系统主要包括控制部分、驱动部分、传动部分和执行部分[3]，整体结构如图2所示。

图2 多功能物料升降搬运装置整体结构

2.2 工作流程

(1) 当物料到来时，气爪上的位置传感器感应到物料后会向控制系统发送信号，控制系统接收到信号后会向转动机构发送电信号使其工作。

(2) 转动机构由步进减速电机、凸轮分割器和法兰盘组成，其作用是实现机械臂的旋转运动，其结构如图3所示。当转动机构接收到电信号后，步进减速电机驱动凸轮分割器入力轴转动，入力轴把力传送给出力轴，出力轴与法兰连接带动法兰盘转动，法兰盘与机械手臂连接带动机械手臂实现水平转动，并通过位置传感器传输的信号使机械臂移动到合适位置[4]。

(3) 传送机构由伺服电机、机械手臂、直线导轨、同步带以及两个用于带动同步带的同步带轮组成。传送机构的作用是实现机构的水平伸缩，其结构如图4所示。当机械臂处在合适位置时，控制机构会向伺服电机发送信号，伺服电机开始工作，并驱动同步带轮进行转动，同步带轮带动同步带传动，驱动抓取机构移动到物料到达的位置。同步带轮的张紧可以通过外侧同步带轮的螺栓张紧装置来实现。

图3 转动机构结构示意图

图4 传送机构结构示意图

(4) 气爪旋转、伸缩机构的核心是完成气爪的旋转和下降，由导轨气缸和旋转气缸组成，如图5(a)所示。气爪机构的核心任务是抓取物品，结构如图5(b)所示。在抓取机构到达物品正上方时，控制机构会将信号传送给导轨气缸和旋转气缸，通过导轨气缸实现竖直移动，旋转气缸实现气爪的旋转。旋转气缸与气爪相连接，实现气爪的转动，进而调节气爪的位置，并实现对物料的抓取，之后在PLC控制下移动到指定位置[5]。

经过上述工作流程，实现抓取和移动物料。

图5 抓取机构结构示意图

2.3 三维模型

根据设计要求对多功能物料升降搬运装置进行了整体的分析与规划，将其分成底座部分、控制机构、转动机构、传动机构和抓取机构。根据结构层次以及零部件的自由度、约束和相对运动关系，对各零部件进行了设计，之后根据零件间的约束及运动关系建立好各部分的装配体，最后根据配合关系采用自上而下的装配方式[6]，完成多功能物料升降搬运装置的装配，其三维模型如图6所示。

3 控制系统设计

多功能物料升降搬运装置的控制系统以PLC为核心，采用西门子S7-200SMART为主控制器，采用角度、位置等传感器作为控制信号，通过PLC控制电机以及气缸的动作来调整气爪的位置。主程序控制流程如图7所示，装置开机后，程序初始化使各机构处于初始状态；程序启动后，让各动作机构完成各自的动作，当移动的位置不准确时，控制系统通过各传感器的信号将反馈信号传送给需要调节的机构，调节转动机构实现机械臂的旋转，同步带实现抓取机构的水平移动以及抓取机构的伸缩和旋转，抓取后的物料将被送到指定需要移动的位置。

图6 多功能物料升降搬运装置三维模型

图7 主程序控制流程

4 结论

本文设计了一种可以多角度、多方向抓取物料的多功能物料升降搬运装置。采用了PLC控制系统，可使装置实现自动化，并提高了准确性与效率。该装置克服了大多数市场上已有搬运装置操作不便、效率较低、灵活性较低的缺点，能够将传感器信号传送至控制机构，控制机构根据实际情况进行负反馈并通过驱动装置和传送机构传递力，进而利用抓取机构将要搬运的装置放到指定位置上，实现了移动、取物、夹持和放置等一系列自动化。该装置能够替代人工双手移物并放置，可以一次取两个物件，取物的方向多且可以上下移动，灵活性好，进而大大提高了劳动效率，节省了成本，具有很好的市场前景。