张玲 许洪江 黄大志 韩欣彤

摘要：依据目前我国食用菌工厂化生产的具体状况，在获得食用菌育菇室内基本情况的基础上，针对性的提出了搬运机器人的设计方案。完成了搬运机器人升降机构、推筐机构以及提升机构的设计。同时也设计出了搬运机器人气液压系统。通过合理选择PLC型号，完成了控制系统的设计。设计的育菇室菌筐搬运机器人结构合理，基本能够完成育菇室菌筐上下床架的需要。

关键词：搬运机器人；育菇室；菌筐；PL

中图分类号：THl37 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0131-02

1 绪论

工厂化生产食用菌的模式在我国兴起时间较短，但发展非常迅速。在工厂化生产过程中有以下工序：备材料→搅拌材料→装入菌瓶→消除细菌→降低温度→ 接种→走菌→去除菌皮→催菇→发育→采集[1][2]，大多数工序已经实现机械化和自动化，但将食用菌菌筐搬运上床架此道工序还主要靠人工来实现，严重影响了生产线的工作效率，并加大了工人的劳动强度[3]。本文研究并设计一种搬运机器人，用于把装满菌瓶的菌筐搬运至床架上或从床架上搬运至机器人上，必将大大提高工作效率，节省人力。

2 方案

2.1 育菇室环境及搬运对象基本情况

育菇床架一共有9层，最低层高为700mm，每两层之间距离为500mm，最高一层高达4700mm，床架之间的过道宽为900mm。菌筐为正方形，边长450mm，高93mm。筐里可盛放4×4=16个菌瓶，菌瓶高为179mm，直径为102mm。

2.2 运动方案

依据搬运机器人的工作要求，再结合相似机构的运动原理，设计一种三层的升降台结构，每层可放置两个菌筐，可以同时搬运六个菌筐，具有较高的工作效率，同时升降台结构稳定性良好。

2.3 设计流程

依据搬运机器人的工作要求及动作过程，初步确定设计方案，如图1的流程图所示。

2.4 关键结构方案

对比可知液压系统适合作为搬运机器人的动力机构。但液压系统动力足够大，升降速度却较慢。床架整体特别高，速度慢会使机器人的工作效率很低，设计如此大的液压缸也相当复杂。最好的解决方法是采用一种动滑轮式双倍行程机构缩短行程[4]。类似叉车的结构，液压缸只需伸出一些高度，升降机构可以上升双倍高度。

3 机器人机构设计

3.1 搬运机器人机架设计

为提高工作稳定性，把搬运机器人的长度设计延长。机架右侧结构下层安放行走电机，上层安置气、液压泵组件以及电源。左侧下方安置液压缸。立柱凹槽内装有链轮，引导链条方向。机架两侧安装定向滚轮，确保其移动路线准确。

3.2 搬运机器人门架设计

门架立柱上端安装链轮，左侧横杆下设液压缸推杆固定结构。立柱两边设计链条销子结构。在门架各立柱上设计安装滚轮机构，让其只在机架立柱槽内移动，增加门架运动的精确度及稳定性。

3.3 搬运机器升降平台及推筐设计

升降平台设计为三层，每次搬运六个菌筐。平台机构的立柱边安装链条固定结构。与门架一样，也在平台每个立柱上安装两个滚轮，确保平台机构沿着门架立柱的凹槽移动。每层一侧的中间支架用变速箱代替，传递平台上电机的动作。在升降平台每层支架上安放推筐结构，其推送部分由机械与气压共同作用。

3.4 链条提升机构设计

机器人工作时，左侧液压缸推杆伸出，推动门架机构一端上升，链条二一端固连在门架机构立柱的固定处，绕过机器人机架上安装的多个链轮后固连在门架机构另一边固定处，拉动门架另一端升高，如此门架两端可以受力平衡。同时，链条一一头连接在机架立柱上端，通过门架立柱上方安装的链轮引导后将其另一头连接在升降平台立柱边的固定结构处，则门架整体为动滑轮结构，可实现升降平台双倍行程移动。

如图2所示为设计的育菇室菌筐搬运机器人。

4 气压与液压系统设计

4.1 搬运机器人动力选取

搬运机器人提升的动力机构要求很大的动力，工作时需频繁升降，而且极限高度特别高，总重量也大，要有过载保护功能。液压传动完全可以满足上述要求，所以搬运机器人选用液压缸作为提升的动力机构。

搬运机器人的推筐机构需要频繁进行快速推筐的动作，而且食品类工厂对产品的卫生要求很高，很显然气压传动适用于推筐机构上。

4.2 搬运机器人液压系统设计

由于搬运机器人需配置的液压系统不是很复杂，仅用来为搬运机器人提供提升的动力，所以无需设计复杂的回路，是常规的液压系统。设计的重点在于确保液压机构的安全性，依据搬运机器人的动力要求设计并定制液压缸。换向阀采用三位四通的电磁换向阀，选择Y型中位机能。

4.3 搬运机器人气压系统设计

搬运机器人推筐机构只需气压杆伸出与缩回，每个气压缸间不会互相影响，所以无须设计复杂的气压回路，供气的气压站可以安置在一处固定的位置，集中供气。气压缸的动作很快，推筐的动作无需用太大的动力，所以选择气压缸的型号时只要考虑合适的尺寸。

5 PLC控制系统设计

搬运机器人启动后，若一层传感器检测无菌筐，液压缸动作把一层升降平台升高到传送带的高度。传送带动作，把菌筐送到一层平台上。一层传感器检测到两个菌筐，传送带停转，液压缸把二层平台送到传送带高度，重复上述动作，直至三层均装满菌筐。行走电机动作，机器人移动到床架旁。液压缸升高，把平台提升到床架下三层对应的位置。上架电机运转，通过丝杠带动推送结构往育菇床架推动一定距离，达到限位后，上架气缸伸出再把菌筐完全推到床架上。之后电机反转，同时气缸缩回。然后液压缸降到最低位，行走电机反转，机器人回到传送带处再装满菌筐，循环上述操作，依次完成中三层、上三层床架的菌筐搬运工作。一个位置育菇床架的菌筐搬运工作结束后，搬运机器人运动到下个位置继续工作。搬运机器人PLC控制系统中输入点一共是21个，输出点一共是9个。选用PLC中的FX2N-48MR，其拥有24个输入点以及24个输出点，完全满足需要。

6 结语

（1）依据育菇室的测绘数据和搬运机器人功能需求，选择升降平台型搬运机器人设计方案。设计了搬运机器人机械结构部分包括升降机构、推筐机构以及提升机构的设计。

（2）依据经验选定搬运机器人工作情况，计算出了搬运机器人工作时的最大提升力。选取适合的液壓辅件，并设计液压系统。依据搬运机器人结构尺寸选取气缸及相关气压元件，设计气压系统。

（3）按照搬运机器人的工作流程以及输入输出的情况，设计了PLC控制系统，选择了合适的PLC，并合理地分配了I/O口。

参考文献

[1]张平，郑志安，赵祖松颖.我国食用菌产业发展变化及对策分析[J].北方园艺，2017，（22）：167-174.

[2]李正鹏，李玉，尚晓冬，周峰，李巧珍，谭琦，宋春艳.香菇工厂化制棒及制种工艺流程[J].安徽农学通报，2018，24（11）：141+151.

[3]蒋晓，杨学坤.北京市食用菌工厂化生产现状及机械装备需求分析[J].农产品加工（学刊），2014，（16）：38-40+44.

[4]成汝振.码垛机液压系统优化与控制[D].硕士学位论文，2011.