藥品自動化轉運機械手設計方案

一、  需求分析

國內某知名企業所生產的產品由多種易燃易爆原料制成。整個生產過程工藝比較復雜，多個工位時刻處在人員可能受傷害的環境之下，所以廠方希望能夠以自動化生產設備代替人工。

如圖1所示，現行生產設備相片。該產品生產過程對人體有害，要求工人與加工設備保持較遠距離，并做必要的隔離。隔離墻內為反應釜，墻外為工人操作位，窗口通過氣缸控制開合。

各工位均由人工實施作業，各工位間需要人工運送中間產品，直至運入庫房。

如圖2所示，生產工藝流程圖。主要工藝過程為：原料稱量→原料混拌→初級品造粒→二級品篩選→合格粒烘干→合格粒冷卻→合格粒裝盒→盒裝品裝箱。

    1.      合理規劃生產工藝，減少重復和交叉環節，簡化管理，提高生產效率。總體目標是各工位作業及工位間中間品運送盡量采用機器設備代替人工，實現操作人員本質安全。

2.      盡量采用機器設備代替人工，實現自動化生產，避免人身安全受到傷害。

3.      針對產品易燃易爆特點，采用防爆防靜電設備避免生產事故發生。

4.      采用工程冗余管理，當自動化設備故障時，可人工操作排除險情。

5.      根據各工位特點設計構型各異的機械臂，并合理布置空間。

6.      機器設備盡量簡潔實用，穩定可靠，便于維護，節約成本。

二、  功能及技術指標

（一）功能：用于各工位作業和中間產品在各工位間轉運。

（二）技術指標：

1.        機械臂負載能力1.5kg；

2.        機械臂最大臂展2000mm；

3.        機械臂重復定位精度±0.1mm；

4.        機械臂末端最高速度1m/s；

5.        機械臂防暴等級本質安全型。

三、  總體方案設計

將目前特種藥品手工生產改為自動化生產線，提高安全性，生產效率，及產品質量。調整原來生產工藝，將各工位和工序進行整合，新生產線更加緊湊合理。主要調整內容為：1）將原料混拌和造粒兩工序合一；2）兩次篩選工序合一。為此，需要研制各工位操作和中間品運送系列機械手，以滿足自動化生產的要求。

新生產線中，需要部署的機械臂如下。

1.      混合和造粒工序（混合/造粒工作間）需要用到兩臺機械手。

其一，從放料平臺上抓取原料缸，并將原料傾入反應釜中，期間還需要操作反應釜蓋子打開/蓋上；其二，將完成造粒料斗取出，將原料耙勻，并將料斗轉送往隔壁放料平臺上，倒料后取回重新放到造粒機料口下。

2.      兩次篩選工序（篩選工作間）需要用到三臺機械手。

其一，將一次篩選后的料斗取出，并放到二次篩選放料平臺上，倒料后取回重新放到篩選機料口下；其二，將二次篩選后的料斗取出，將原料耙勻，并將料斗轉送往隔壁放料平臺上；其三，用于完成二次篩選料斗的送入及大粒桶、細粉桶的放入和取出。

3.      合格粒烘干工序（烘干工作間）需要用到兩臺機械手。

其一，從放料平臺上抓取合格粒料斗，放到烘干架固定位置上；其二，抓取烘干后的藥粉料斗，放到隔壁放料平臺上。

4.      合格粒晾曬工序（晾曬工作間）需要用到兩臺機械手。

其一，從放料平臺上抓取藥粉料斗，放到晾曬架固定位置上；其二，抓取晾曬后的藥粉料斗，放到隔壁放料平臺上。

5.      藥粉裝盒工序（裝盒工作間）需要用到三臺機械手。

其一，從放料平臺上抓取空料斗，放到固定位置上碼放待回收；其二，抓取空藥粉盒（輔助機構打開蓋子），放到出料口下，并在藥粉盒裝入足量藥粉時，抓取藥粉盒（輔助機構蓋上蓋子），放到隔壁放料平臺上；其三，送入空藥粉盒，并取回空料斗和大顆?；厥胀?。

6.      成品裝箱工序（裝箱工作間）需要用到一臺機械手。

從放料平臺上抓取藥粉盒，放入成品箱固定位置。

四、  系統組成及工作原理

該自動化生產線主要由機械臂系統、測量傳感系統、安全防護系統、以及輔助系統等組成。

如圖4所示，控制系統結構簡圖。系統的結構特點可以描述為5軸伺服電機控制，3路氣動I/O控制（手爪和兩個窗口）。如圖5所示，系統中任意一軸的控制原理框圖。如圖3所示，混料/造粒工序設備布局示意圖。以此工序為例加以說明，兩臺機械臂分別完成取料/倒料、反應釜開蓋/合蓋，抓取料斗轉送隔壁、取回重放等操作；測量傳感系統一方面保證機械臂關節轉角正確，另一方面判斷反應釜蓋子開合狀態、間壁傳送窗開合狀態、窗口內是否有機械臂工作等；安全防護系統包括攝像頭監控、接近覺傳感放碰撞、限位設置等環節；原料耙勻、間壁傳送窗開合、料盤傾倒與夾緊等環節可由輔助設備完成。

主控制系統由PMAC控制卡來實現，其處理各IO擴展板上傳送過來的所有信號，并對各種工作狀況用不同的顯示燈進行表示，且還對下方的八軸伺服器進行控制。

1.    主控制系統

伺服電機控制系統由伺服電機和其控制器組成，取料機械手5個伺服軸控制。由PMAC卡的伺服控制單元對伺服器進行位置閉環控制，伺服器與電機之間也構成一個位置伺服閉環控制，從而實現整個伺服控制系統的位置閉環。

2.    視覺監控和氣動控制系統

視覺監控系統由一個高分辨率的攝像機、信號處理卡及顯示器組成。氣動控制系統用于控制氣閥開關，從而控制加持器取放原料缸。此控制系統通過IO擴展板與主控制系統通訊。

3.    各工位檢測和保護系統

工位檢測和保護系統由各限位和到位傳感器構成。在料盤上下料位置都有對料盤到位檢測傳感器，用于記錄料盤的到位情況，并把信號傳給IO擴展卡。在喂料工位也有工件到位檢測器，用于檢測料盤的定位情況。

五、  成本構成及進度計劃

1.    成本預算

成本主要受到兩個因素影響。其一，設備防爆；其二，非標定制。綜合以上方案，共需要機械臂13臺，單臺5軸機械臂成本估算如下。個別機械臂軸數少于5軸成本略低。

報價表，略。

2.    工期及進度

該方案工作主要集中在機械手本體的設計和制作，控制系統的設計和制作，程序的設計和編寫以及現場走線、安裝和調試。

預計開發周期10個月。