小球分選裝置的機(jī)械方案設(shè)計(jì)

李蕓唐健

（淮陰工學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江蘇淮安223003）

1 小球分選裝置概述

在現(xiàn)代自動(dòng)化機(jī)械工業(yè)中，針對(duì)不同物料，包括鐵丸、硬幣、葡萄甚至花粉都有相應(yīng)的自動(dòng)分選裝置。分選裝置的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下三個(gè)方面：

（1）連續(xù)并且大批量地分選物料。通過(guò)自動(dòng)化生產(chǎn)線能夠連續(xù)、大批量地進(jìn)行分選，并且自動(dòng)分選裝置不受環(huán)境、時(shí)間、人的狀態(tài)等限制，能夠不斷工作，在相同時(shí)間內(nèi)分選出更多的物料。

（2）分選誤差率較低。輸入的分選信息及信息的輸入方式是自動(dòng)分選裝置分選誤差率的主要來(lái)源，如果采用人工鍵盤(pán)或語(yǔ)音方式輸入，誤差率將維持在3%以上；若采用條形碼或二維碼進(jìn)行掃描輸入，則分選裝置的識(shí)別誤差幾乎為零[1]。因此，目前自動(dòng)分選系統(tǒng)主要采用掃描條形碼和二維碼的方式來(lái)識(shí)別貨物。

（3）無(wú)人化操作。自動(dòng)分選裝置設(shè)計(jì)制造的目的之一就是降低人工的使用率，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高物料的分選效率，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。而自動(dòng)分選系統(tǒng)能最大限度地減少人員的使用，基本做到無(wú)人化[1-2]。

本文所述小球分選裝置設(shè)計(jì)為教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)課題，供機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子等專(zhuān)業(yè)的學(xué)生發(fā)散思維、提高動(dòng)手操作能力。要求利用多功能組合式氣動(dòng)分選裝置提供的元件，設(shè)計(jì)組裝一種基于氣動(dòng)吸盤(pán)的分選裝置，該氣動(dòng)分選裝置的設(shè)計(jì)和制造可以為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課程設(shè)計(jì)提供借鑒和參考，同時(shí)能夠讓學(xué)生對(duì)氣壓傳動(dòng)和PLC可編程控制器做進(jìn)一步的了解和運(yùn)用。

2 機(jī)械方案設(shè)計(jì)

為了達(dá)到上述課題的設(shè)計(jì)要求，本文提出三種設(shè)計(jì)方案供選擇，具體情況介紹如下：

2.1 三種方案詳情介紹

方案A如圖1所示，在儲(chǔ)物臺(tái)1上依次整齊放上待檢測(cè)和分選的小球，軌道設(shè)置一定斜度，小球利用其光滑的狀態(tài)可以依次落到電感式接近開(kāi)關(guān)3前。電感式接近開(kāi)關(guān)3根據(jù)NPN型連接，為常開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)小球接觸到電感式接近開(kāi)關(guān)3時(shí)，如果是金屬質(zhì)地，電感式接近開(kāi)關(guān)3會(huì)通電，釋放信號(hào)，使控制氣缸5的電磁閥線圈得電，無(wú)桿式氣缸滑臺(tái)4移動(dòng)到磁性開(kāi)關(guān)所設(shè)置的位置，緊接著吸盤(pán)6下降到小球上方，將小球吸取移送至儲(chǔ)物盒中。如果電感式接近開(kāi)關(guān)3沒(méi)有釋放信號(hào)，即小球質(zhì)地為塑料，則通過(guò)氣缸5將小球運(yùn)送到無(wú)軌滑臺(tái)另一側(cè)。在氣缸上安裝磁性開(kāi)關(guān)，整個(gè)過(guò)程通過(guò)磁性開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸入控制電磁閥的得失電，進(jìn)而控制氣缸運(yùn)動(dòng)距離[3]。

圖1 方案A結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

方案B如圖2所示，在機(jī)械手末端安裝氣動(dòng)吸盤(pán)4作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。啟動(dòng)后，機(jī)械手臂3轉(zhuǎn)向儲(chǔ)物盒1吸取小球，然后放在傳送帶5上，在傳送帶5另一端上方添加一個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)6，采用NPN型連接并為常開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)小球從此經(jīng)過(guò)時(shí)，根據(jù)小球的質(zhì)地釋放信號(hào)。在傳送帶5右側(cè)有一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)上為兩個(gè)小凹臺(tái)，用來(lái)放置兩種質(zhì)地的小球。轉(zhuǎn)盤(pán)根據(jù)電感式接近開(kāi)關(guān)所釋放的信號(hào)來(lái)選擇符合要求的凹臺(tái)存放小球。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)存放小球后旋轉(zhuǎn)90°，與其對(duì)應(yīng)的機(jī)械手轉(zhuǎn)到該位置，將小球吸取轉(zhuǎn)放到該類(lèi)型的儲(chǔ)物盒。整個(gè)過(guò)程利用坐標(biāo)設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。

圖2 方案B結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

方案C如圖3所示，將小球依次放入到儲(chǔ)物架2里面，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)后，MDJ氣缸1推送小球進(jìn)入軌道，此時(shí)控制MDJ氣缸1的電磁閥失電，電感式接近開(kāi)關(guān)7開(kāi)始檢測(cè)小球質(zhì)地，該電感式接近開(kāi)關(guān)7為NPN連接常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)小球?yàn)榻饘俨馁|(zhì)時(shí)，電感式接近開(kāi)關(guān)釋放信號(hào)，使TCM氣缸9和MD氣缸8開(kāi)始動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)到小球上方并開(kāi)始向下，接觸小球并吸住，此時(shí)利用磁性開(kāi)關(guān)釋放信號(hào)，使MD氣缸8和TCM氣缸9開(kāi)始回縮，運(yùn)動(dòng)到儲(chǔ)物箱上方后，控制真空發(fā)生器電磁閥得電，小球掉落在儲(chǔ)物箱中。如果小球?yàn)樗芰腺|(zhì)地，則由MK氣缸6推送小球直接沿軌道滾落至儲(chǔ)物箱中。此時(shí)控制MK氣缸6的電磁閥失電，同時(shí)控制MDJ氣缸1的電磁閥得電，進(jìn)行下一輪分選。整個(gè)過(guò)程通過(guò)在各個(gè)氣缸上加磁性開(kāi)關(guān)來(lái)控制各個(gè)電磁閥得失電，進(jìn)而完成分選任務(wù)。

2.2 三種方案特征比較

圖3 方案C結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

方案A通過(guò)在無(wú)桿氣缸滑臺(tái)上加裝氣缸和氣動(dòng)吸盤(pán)，在兩側(cè)移動(dòng)可以將不同物料的小球放置在兩側(cè)的儲(chǔ)物箱中。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠有效地達(dá)到課題要求。該裝置的缺點(diǎn)是輸送過(guò)程不能實(shí)現(xiàn)一個(gè)流程完成后再開(kāi)始下一個(gè)小球的輸送；且該裝置電感式接近開(kāi)關(guān)得失信號(hào)時(shí)間較短，因此在編程時(shí)需嚴(yán)格控制時(shí)間，在調(diào)試過(guò)程中也需要計(jì)算時(shí)間以達(dá)到最佳效率，過(guò)程較為繁瑣，編程要求較高。

方案B主要是通過(guò)三個(gè)機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)物料的轉(zhuǎn)移，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，分選精度高。缺點(diǎn)是該裝置對(duì)坐標(biāo)精度要求較高，在安裝、調(diào)試過(guò)程中難度較大，且不易編程控制。

方案C能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)小球分選后再進(jìn)行下一個(gè)小球的分選，不會(huì)造成感應(yīng)器反應(yīng)誤差，而且分揀過(guò)程中對(duì)塑料材質(zhì)的小球可直接氣缸推送，進(jìn)而縮短分選時(shí)間，提高效率。該分選裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于搭建。缺點(diǎn)是該方案中小球沿軌道滾落時(shí)直接與電感式接近開(kāi)關(guān)接觸，多次碰撞后會(huì)使得感應(yīng)器位置發(fā)生微小移動(dòng)，長(zhǎng)期工作會(huì)影響精度，因此要加強(qiáng)緊固。

根據(jù)上述三種方案特征的比較發(fā)現(xiàn)，方案三結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，且所需器材便于收集，易于實(shí)現(xiàn)，該方案同時(shí)便于開(kāi)展后續(xù)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)。綜上所述，方案三可行性最好，本課題即選擇方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。

3 結(jié)語(yǔ)

人類(lèi)在長(zhǎng)期勞動(dòng)過(guò)程中已創(chuàng)造出許多分選方法。在分選大小時(shí)，有了各種規(guī)格的篩子；收割的麥子里含有雜草，可以在風(fēng)口“揚(yáng)麥”，根據(jù)物料各自的重力差異，利用風(fēng)力來(lái)分選；秋天收獲的黃豆中，總有一些是空心或者壞的，在清洗時(shí)利用水的浮力即可輕松分選出來(lái)；另外，現(xiàn)代科技中也有利用各種化學(xué)試劑進(jìn)行區(qū)分辨別從而達(dá)到分選的目的。本文分選設(shè)計(jì)主要與機(jī)械工業(yè)相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)室有限經(jīng)費(fèi)和可重復(fù)操作的條件下，提出了三種不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)小球分選裝置進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，以期開(kāi)發(fā)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)械專(zhuān)業(yè)的興趣和熱情。