中药自动化立体存储系统及其搬运机械手的设计与应用

中药自动化立体存储系统及其搬运机械手的设计与应用

1中药自动化立体存储系统在快速发展的当今社会中，机械化和自动化生产过程已成为社会的中心主题。伴随着机电一体化在各个领域的应用,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等已经随处可见。机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置,它对提高产品质量、生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。20世纪80年代初,PLC可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。20世纪末期,可编程控制器更加适应于现代工业的需要,并被各个国家纷纷开发利用。人机操作界面是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口,是计算机系统的重要组成部分,具有可编程功能,可附带PLC控制功能,应用领域较为广泛。据统计,我国中药的药材资源约有1.2万种,一个普通中药诊所常用药就多达四五百种。由于中药材种类繁多、形状各异,给药房管理带来诸多不便。中药品的存储管理信息化水平比较低,劳动强度大,药房工作效率不高,而中医在我国医疗事业中发挥着越来越大的作用。设计的中药自动化立体存储系统及其搬运机械手装置,可以有效地解决人工取药及药材管理时存在的问题。该装置以PLC可编程控制器为核心部件,利用人机操作面板控制搬运机械手抓取药物,并采用高精度称重传感器,精确称取药物重量,气动控制的自动开合药箱,配合机械手快速取药,实现中药材的科学化管理。将现代科技与传统中医结合,为中医学的发展提供良好的机会。2取药剂量的确定自动化立体存储系统采用密集式库架设计,铝合金作为箱体材料,以PLC为控制核心控制搬运机械手对中药进行搬运,方便中药库房的管理。工作原理如下:取药时,药剂师在人机操作界面上进行远程操作,根据药方输入所需抓取药材的剂量,选择所需药材,由PLC控制系统精确定位,通过前后、左右、上下三维运动使取药机械手运动至指定药箱位置,同时控制系统控制相应电磁阀动作,使气缸推动药箱自动弹出,然后取药机械手伸入药箱进行取药。抓药后,取药机械手运动至托盘位置张开手爪进行放药,托盘下装有称重传感器,对药材进行称量,并通过变送器将重量信号转换成电信号经PLC输出,人机操作界面自动输出本次操作取出的药量,当药材剂量足够时,药箱自动收回,否则取药机械手继续运动至该药箱再次进行取药、称量,直到达到所要求的剂量为止。设计方案及总体结构图,如图1、图2所示。3中国的自动立体存储系统及其机械臂的设计3.1前后方向运动机构运动部分通过紧固螺栓与地基相连,通过前后、左右、上下三个方向的移动带动机械手到达指定位置。机械手的上下及前后方向的运动机构由步进电机、丝杠、移动滑台、光杠导轨组成,其左右方向的运动机构主要由步进电机、同步带及带轮、直线导轨组成。机械手手爪与前后运动的导轨固定实现空间运动,称量托盘安放于垂直手臂的下端,与左右运动的滑台连接,实现机械手手爪与滑台的同步运动,方便机械手手爪放药。搬运机械手及运动装置总体设计,如图3所示。3.2“地”基之并发症搬运机械手爪模拟人的手形,设计成左右手掌的形状。“手臂”交叉,抓取时能够调节手爪的开合,以保证抓取不同体积不同形状的药材。手爪通过锯齿啮合实现对药材的抓取。如图4所示。3.3药箱结构设计中药自动化立体存储系统主要由库位、药箱、气动控制部分构成。密集式存储库架,每个库位对应一个药箱,为避免药材长期残余变质,设计底部倾斜约12°的坡底型药箱,以保证药材始终存留在箱前部,方便取药机械手抓取药材。气动控制部分主要有气缸架、气缸组成,气缸阵列于库架背部与各个药箱对应,实现药箱的自动开合。自动化立体存储系统结构图及药箱结构图,如图5所示。机械部分技术性能指标,如表3所示。4中国的自动三维存储系统及其机械手的运动控制4.1人机界面控制原理控制系统以西门子PLC为核心部件,通过控制程序控制电磁阀和步进电机的运行,以实现搬运机械手的定位—抓取—称量—检测,药箱的自动开合等一系列功能。首先操作人员通过人机界面发出指令,借助PLC控制器与PC机的通讯;然后PLC控制器接收人机界面指令,并针对交流、直流、开关量、模拟量、电位、脉冲信号,由I/O模块与按钮、行程开关、传感器、变送器、控制阀直接连接,控制机械手的三维运动;与此同时,自动弹出式药箱的电磁阀通电,弹出药箱,机械手到达弹出药箱位置,根据接收的模拟量、脉冲信号及传感器的反馈信号完成取药;最后搬运机械手复位,药箱闭合。控制程序流程图,如图6所示。4.2机械手手加快入药取药时PLC控制系统可以精确定位,通过前后、左右、上下三维运动使机械手运动至已弹出药箱的位置,开始取药,抓药后机械手运动至托盘位置张开手爪进行放药,机械手手爪的动作靠平行夹HDP20S型气缸驱动来实现,采用气动控制方式,以静音空气压缩机为气源,利用PLC控制器控制电磁阀的通断以实现机械手手爪的夹紧松开,完成药材的取放,达到所需药量时停止取药。4.3药箱自动控制中药自动化立体存储系统整体库架由库位、药箱、气动控制部分构成。气动控制部分以静音空气压缩机为气源,MAL20×75型气缸制动,电磁阀控制气缸拉杆伸缩,实现药箱的自动弹出与闭合。气动控制工作原理:以静音空气压缩机作为气源,经过滤器净化,油雾器过滤,通过减压阀调节气压大小,二位五通换向阀控制气缸拉杆伸缩,从而控制药箱的自动弹出与闭合。气动控制原理图,如图6所示。4.4过变送器输出中药自动化立体存储系统通过精度为0.1g的平行梁式称重传感器对药材进行精确称量,并通过变送器将重量信号转换成电信号经PLC输出,控制程序根据输出信号控制机械手反复取药,直至达到所需药量;与此同时计算机对每种药材的取用量进行累加,并与药箱内药材的初始重量进行比较,当药箱内药材减少到所设置值时发出警报,提醒医师及时补充药材,防止药材短缺。5中药立体化分拣装置中药自动化立体存储系统及其搬运机械手装置针对中药形状的不规则及多样性,设计了可以用于抓取多种形状中药的机械手(如粉状,叶状,枝状等),控制部分以PLC为控制核心设计开发了中药立体化存取系统,附有自动称量检测装置及气动控制的自动弹出式药箱,以实现搬运机械手的定位—抓取—称量—检测