全 文 ：Equipment Manufacturing Technology No.10，2015
图1 黄瓜皮生产线的布局图
机械手
焯水
时间
温度
识别
压榨焯水刺孔
投放 抓取
在高温、高压等工业生产领域，机器手被广泛应
用，特别在果蔬深加工生产自动化领域方面，机器手
更是得到了广泛的研究和关注。机器手是一种模拟
人手功能的自动机械装置，它能部分地代替人手按
照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来
完成工件的传送和装卸。机器手一般都是由臂、腕和
指几部分组成，能完成抓取等动作。
黄瓜皮按刺孔-焯水-压榨-瓜皮工艺流程加工，
焯水温度 80 ℃，焯水时间只有 30 s，时间一到必须
及时抓取出来，否则会影响瓜皮的脆度。但仅依靠人
力进行流水线的抓取，一方面工作量大，生产效率不
高，劳动强度大，另一方面存在劳动风险。因此，如何
提供更安全的工作环境、降低工人的劳动强度、减少
劳动风险、提高果蔬深加工生产自动化非常值得研
究。本文针对鲜黄瓜深加工自动化生产线上的焯水
工序设计了一个四自由度搬运机器手，代替工人在
高温和危险的焯瓜区进行投送和抓取数量较大的黄
瓜。机器手采用 PLC 控制，能按照生产工艺的要求，
完成黄瓜投送和抓取动作程序。
1 焯水机器手的机械结构设计
1.1 焯水机器手工作流程
黄瓜皮的加工生产线如图 1所示，线上有一个
高温加热锅炉，一个传输带和—个搬运机器手。锅炉
是用来对黄瓜进行焯水的，传输带把经焯水后的黄
瓜输送到下一级进行压榨。初始时，机器手处于原位
状态，控制系统检测水温、焯水滞留时间和机器手动
作，传输带上停在指定位置上。
首先，将机器手的原位（即原始状态）定位左位，
高位，放松状态。在原始状态下，检测到锅炉的水温
达 80 ℃，焯水时间一到机器手下降到低位，抓起黄
瓜，上升到高位，右转到右位。到达传送带时，机器手
下降到低位，放松，把黄瓜放在传送带上。然后上升
到高位，左转回原位。机器手继续又开始新的搬运工
作，如此不断循环工作。其动作流程如图 2所示。
1.2 焯水机器手结构设计
根据加工生产线的要求，机器手采用电动驱动，
设手动和自动两种工作方式，通过转换开关进行工
作方式转换，其控制系统采用 PLC 控制，实现伸缩、
升降、旋转、手抓夹持等动作。机器手在三维坐标中
的动作规程如下：
（1）机器手绕定轴左右旋转角度为 270°；
（2）机器手沿竖轴轴向移动（±50）cm；
（3）机器手沿横轴轴向移动（±80）cm；
（4）末端电磁铁的手爪执行机构，能实现对黄瓜
黄瓜皮生产线中焯水搬运机器手的设计研究
何永玲 1，2，麻芳兰 1，刘孙传 2
（1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004；
2.钦州学院 机械与船舶海洋工程学院，广西 钦州 535000）
摘 要：针对黄瓜皮加工生产过程中焯水工序高温和危险的现象，设计研究四自由度机械手代替人工生产。根据焯水生
产线工作流程设计机械手结构，简单分析其自由度，并给出机器手的PLC自动和手动的控制顺序状态图。
关键词：焯水工序；机械手；PLC
中图分类号:TP241.3 文献标识码：A 文章编号：1672-545X（2015）10-0034-03
收稿日期：2015-07-25
基金项目：广西科技攻关项目（1114002-47），广西自然科学基金项目（0991277）
作者简介：何永玲（1967-），女，钦州人，教授，研究方向：机械设机制造、机电一体化技术。
图2 焯水机器手动作流程
原位 下降 夹紧 上升 右移
左移 上升 松开 下降
34
《装备制造技术》2015年第 10期
的夹紧和放松，能抓起 25 kg的重物。
1.3 焯水机器手的自由度配置
为了能在黄瓜皮的加工生产线上把黄瓜从焯水
锅炉里抓取搬运到压榨输送带，特设计一能仿人手臂
进行焯水动作的机械手。人体的手臂由肩关节、肘关
节、腕关节、手等几部分组成。根据仿生运动学理论，
该机器人手臂共有肩关节、肘关节、腕关节、手部 4个
自由度。焯水机械手的空间位置，由角度 A、Y轴坐标
Y1和 Z轴坐标 Z1等 3个坐标确定空间位置，由手爪
执行机构长度方向的轴线与 X轴形成的夹角角度坐
标 B确定摆放方位。空间位置坐标如图 3所示。
焯水搬运机器手机构自由度有升降、伸缩、旋转
等独立运动方式。自由度是机器手设计的关键参数。
自由度越多，机器手的灵活性越大，通用性越广，其
结构也越复杂。在考虑机器手用途、成本及技术难度
等问题后，本论文选择机器手的自由度为 4个，末端
执行器 C夹持器) 可以自由开合，能够成物体的抓、
移、放动作。机器手的原理如图 4所示。
焯水搬运机器手只需完成升降、伸缩、旋转等简
单动作，把黄瓜从一个地方搬到另一个地方，不需要
完全按照人手臂关节进行曲弯等复杂的动作，所以
自由度的配置只要能够实现设计要求就是合理的。
焯水搬运机器手自由度配置如图 5所示。
2 焯水搬运机器手控制系统设计
根据机器手的工作流程以及动作要求，焯水搬
运机器手控制系统采用三菱 FX2N一 4q8MT可编程
控制器来实现四自由度的控制过程。在控制系统设
计上 ，机器手水平轴和垂直轴平移机构采用步进电
机进行控制 ，旋转底盘采用直流电机进行控制，夹持
手采用电磁铁来进行控制。机器手在动作过程的原
点判断及限位保护都是采用微动开关来进行设计，
机器手臂以及旋转底盘的原点判断及限位保护都是
采用接近开关进行检测[2]。
2.1 PLC的输入端和输出端
启动／停止按钮：2 点；用于位置控制的极限开
关：4点；夹紧/放松继电器触点：2点；用于检测有无
工件的光电开关：1点；手动控制与自动控制转换开
关：l 点；手动控制按钮：5点；紧急处理按钮：l点；以
上输入共计 16点。执行电磁阀工作：5点；原点指示
灯：1点；以上输出共计 6点 。
考虑到输入输出点数的备用余量，结合 FX2N系
列可编程序控制器型号的特点，本文介绍的机器手
为鲜黄瓜深加工的搬运装置，根据现场状况、控制要
求、输入/输出的信号，选用三菱 FX2N系列的 FX2N
一 4q8MT可编程序控制器构成控制系统实现对机器
手的控制[3]。机器手控制系统的 FX2N一 4q8MT的 I／
0接线如图 6所示。
2.2 PLC的控制原理
把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，
Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则 X6接通，
其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如
果 CJ驱动，则跳到指针 P所指 P0 处），执行手动程
序。之后，由于 X7常闭触点，当执行 CJ指令时，跳转
到 P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既
图4 机器手的原理
图6 机器手PLCI／0接线图
COM
X0
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X10
X11
X12
X13
X14
X15
X16
X17
COM1
COM2
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
启动
下限
上限
右限
左限
停止
手动
连续
夹紧
放松
单步上升
单步下降
单步左移
单步右移
回原点
检测
下降电磁阀
夹紧电磁阀
上升电磁阀
右行电磁阀
左行电磁阀
原点指示灯
~220V+
图5 搬运机器手自由度配置
绕 Y轴旋转的自由度
绕 Z轴旋转的自由度
绕 X轴旋转的自由度
图3 焯水机械手空间位置坐标
Z1
Z
A
B
Y
X
Y1
35
Equipment Manufacturing Technology No.10，2015
X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动
程序，直接执行自动程序。PLC控制总体框架如图 7
所示，包括回原点程序，手动单步操作程序和自动连
续操作程序。
2.3 PLC控制程序设计
采用步进指令编写的回原控制程序如图 8所示。
（1）手动控制程序
手动控制程序中的上升/下降，左移/右移都采取
联锁和限位保护，控制程序如图 9所示。
（2）自动控制程序
自动操作状态转移如图 10所示。当机器手处于
原位时，按启动 X0接通，状态转移到 S20，驱动下降
Y0，当到达下限位使行程开关 X1接通，状态转移到
S21，而 S20自动复位。S21驱动 Y1置位，延时 1 s，以
使电磁力达到最大夹紧力。当 T0接通，状态转移到
S22，驱动 Y2上升，当上升到达最高位，X2 接通，状
态转移到 S23.S23驱动 Y3右移。
移到最右位，X3接通，状态转移到 S24下降。下
降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完
全失掉，延时 1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到
S26上升。上升到最高位，X2接通，状态转移到 S27左
移。左移到最左位，使 X4接通，返回初始状态，再开始
第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元
件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，
但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编
程，比起用基本指令编程较为容易，可操作性较强。
3 基于PLC控制机器手的程序测试
采用 Gx Developer8.86进行编写程序，通过程序
进行试验。PLC程序梯形图测试过程如图 11所示。
图8 回原控制程序
图9 手动控制程序
图10 自动控制程序
图11 机器手控制程序测试过程
0
3
4
8
9
SET S1
STL S1
SET S31
STL S31
RST Y001
RST Y000
CJ P0
SET Y001
RST Y001
Y002
Y004
SET S1
Y005
SET S32
STL S32
RST Y003
Y002
Y000
Y004
Y003
M8002
S31
S1 X016
X002
S32
X004
X002 X004 Y001
16
17
X006
X010
X011
X012 X002 Y000
X013 X001 Y002
X014 X002 X004 Y003
X015 X002 X003 X004
23
27
31
34
36
40
44
49
SCJ P1
SET S2
STL S2
SEL S20
RTL S20
54
58
62
63
70
71
76
77
X007
X000
S2 Y001 X002 X004 Y000
S20
X001
S21
T0
S22
X002
Y000
SET S21
STL S21
SEL Y001
K10
Y002
T00
SET S22
STL S22
SET S23
STL S23
Y003
SET S24
STL S24
SET S25
STL S25
Y000
85
86
91
92 S23
X003
S24
X001
97
98
103
SET S26
STL S26
T1
104
118
119
124
112
113
S25
X002
K10
RST Y001
SET S27
STL S27
Y002
Y004
SET S2
END
T1
S26
X004
S27
图7 焯水搬运机器手PLC控制框架
X002 X004 Y001
X016
X006
X007
X000
P0
P1
CJ P0
CJ P1
Y5
回原点程序
手动单步程序
自动程序
END
（下转第 40页）36
Equipment Manufacturing Technology No.10，2015
BlanchCucumberSkinLineHandlingStudyMachineDesign
HE Yong-ling1，2，MA Fang-lan1，LIU Sun-chuan2
（1.School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China；
2.College of Mechanical and Marine Engineering，Qinzhou University，Qinzhou Guangxi 535000，China）
Abstract：Cucumber skin production process achieved Zhuo machines hand water used in production processes
automation，design of four degree of freedom manipulator and the PLC-controlled automatic control for hand and
machine state diagram in the order.
Keywords:boiling water processes；robot；PLC
4 结束语
本文设计了一个四自由度搬运机器手，代替工
人在高温和危险的焯瓜工序进行投送和抓取数量较
大的黄瓜。机器手设计为四自由度的可控机构，使用
PLC控制机器手的运动，能按照生产工艺的要求，完
成黄瓜投送和抓取动作程序。机器手代替人的体力
劳动，减少了人力资源的浪费，提高了生产效率和安
全可靠性。
参考文献：
[1] 田素博，邱立春，秦军伟，等.国内外采摘机器人机械手结构
比较的研究[J].农机化研究，2008，（4）:195-197.
[2] 蒋少茵.PLC控制的机械手[J].测控自动化，2004，（6）:17-18.
[3] 黄 伟.基于可编程序控制器磁选除铁机控制系统的设计
[J].电气自动化，2007，29（6）:32-33.
（上接第 36页）
TheNewRollerMillParametricDesignbasedonSolidWorks
YANG Hong-bin
（Minxi Vocational and Technical College of Mechanical Engineering，Longyan Fujian 364000，China）
Abstract:The current study focused on the roller mill introduced the working principle and technical parameters，
and to adapt to the range. The roller mill design technology and optimization analysis rarely mentioned.This paper
presents the design based on SolidWorks platform，using its powerful parametric design capabilities of the new
roller mill was 3D virtual design，the model was improved design. Related to the future of statics and dynamics
analysis to lay the foundation for upgrading optimization.
Keywords:solidworks；roll mill；parametric design
4 结束语
本文通过对新型辊碾磨的工作原理的研究与分
析，进行了相关重点参数的设计计算，提出了基于
SolidWorks三维设计平台的整机结构设计方案，虚拟
设计出了辊碾磨的整机机械构造，为进一步的结构
设计优化设计和相应的结构静力学和动力学分析打
好了基础。
参考文献:
[1] 刘荣贵，郭彬仁，章仕亿.新型离心辊碾磨研制与应用[J].
非金属矿，2004，（5）：45-47.
[2] 连钦明，王清发，孙成林.GYM系列亿丰磨在非金属矿中的
应用[J].金属矿山，2005，（8）：293-296.
[3] 张国旺.超细粉体设备及其应用[M].北京：冶金工业出版社，
2005.
[4] 卢寿慈.粉体技术手册[M].北京：化学工业出版社，2004.
[5] 吴宏富.CGM1000型超细辊压磨[J].技术与市场，2009，（4）：
95-96.
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
40