CN108887361A - 一种小型家禽掏膛流水线及方法 - Google Patents

Abstract

一种小型家禽掏膛流水线及方法，主要包括流水线，流水线具体设计为环型导轨式，传输方式为同步带传动。当系统启动后，家禽掏膛流水线即开始工作，家禽固定在流水线上，随流水线的运动而在环型导轨上转动，当转动到机械手正前方时，流水线暂停运动，机械臂Y轴电机正转，使机械臂向前运动，到达家禽内脏处后机械手爪逐渐抓紧，开始抓取内脏，当压力到达临界值时，机械手爪即停止抓取内脏，机械臂Y轴开始后退，当流水线再次启动时，循环这一过程，实现机械手全自动取内脏的过程。本发明提供的一种小型家禽掏膛流水线及方法，实现了家禽全自动掏膛作业。

Description

一种小型家禽掏膛流水线及方法

技术领域

本发明涉及家禽加工生产设备，尤其是一种小型家禽掏膛流水线及方法。

背景技术

流水线是一种工业上的生产方式，它依据产品的工艺路线，连续不断地按顺序加工出产品，能有效地提高工作效率进而增加产量，在企业的批量生产中起着重要作用。流水线一般由牵引件、承载构件、驱动装置、改向装置和支承件等组成。近几年，随着我国家禽消费量的不断增长和规模化养殖技术的普及，家禽掏膛作业也在向自动化方向发展。现有的设备没有现成的流水线可以对家禽进行自动掏膛处理，采用手工或半自动操作，这样加工效率低下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型家禽掏膛流水线及方法，能够实现家禽全自动掏膛作业。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种小型家禽掏膛流水线，包括传动装置及掏膛装置，所述传动装置包括环形轨道，多个滑台滑动在环形轨道上，滑台一端与同步带传送机构连接、另一端与家禽固定装置连接；所述家禽固定装置包括竖直直线导轨，竖直直线导轨上下分别安装有腿夹和拉钩，腿夹和拉钩分别对家禽双腿、腹腔进行固定。

所述环形轨道包括直线导轨和圆弧导轨，直线导轨和圆弧导轨上端与滑台的卡槽间隙配合；直线导轨和圆弧导轨拼接后下端通过螺栓固定在环形底板上，环形底板下端与支架连接。

所述直线导轨下部设有支撑导槽，滑台通过滚轮滑动设置在支撑导槽中。

所述同步带传送机构包括双面齿同步带，双面齿同步带与同步带主动轮、同步带从动轮构成传动主体，并通过步进电机、减速机驱动。

所述滑台为L型，滑台的水平段一侧与双面齿同步带的皮带齿啮合。

所述腿夹包括左卡爪、右夹爪，左卡爪、右夹爪均滑动设置在第一横梁上并通过第一螺栓摩擦锁紧；所述第一横梁后端与第一自锁滑块连。

所述左卡爪、右夹爪均包括左夹板、右夹板，左夹板、右夹板上设有螺旋方向相反的螺纹孔，丝杆穿过螺纹孔与左夹板、右夹板螺纹连接，并调节左夹板、右夹板相对靠近或远离。

所述拉钩包括左拉钩、右拉钩，左拉钩、右拉钩均滑动设置在第二横梁上并通过第二螺栓摩擦锁紧；所述第二横梁后端与第二自锁滑块连接，第二横梁滑动安装在竖直直线导轨上并自动锁紧。

所述左拉钩、右拉钩均包括多个弯钩，左拉钩、右拉钩上的弯钩镜像对称，弯钩通过滑套滑动设置在支板上并通过第三螺栓摩擦锁紧，支板另一端通过滑套滑动设置第二横梁上并通过第二螺栓摩擦锁紧。

一种小型家禽掏膛方法，包括以下步骤：

步骤1)：家禽经过割肛、开膛后，采用倒挂的方式固定在家禽固定装置上，由于不同种类的家禽大小有所差异,在固定过程中，可通过滑动第一自锁滑块、第二自锁滑块然后锁紧，从而调节上下固定的长度；通过滑动左卡爪、右夹爪，使左卡爪、右夹爪相对靠近或远离，并利用第一螺栓锁紧，这样可调整将家禽双腿固定在合理的位置。通过滑动左拉钩，右拉钩，使左拉钩，右拉钩相对靠近或远离，并利用第二螺栓锁紧，这样可调整将家禽的腹腔扒开的开口合适，既方便取内脏，同时也避免开口过大。

步骤2)：规定机械臂Y轴处在后限位、机械手爪位于限位位置时为工作的原点位置启动时，以传动装置为流水线作业平台并以逆时针方向为启动方向。

步骤3)：按下启动按钮I0.0，流水线启动，家禽随着同步带传送机构在环型流水线上运动。

步骤4)：以其中一只家禽为例，当家禽到达机械手正前方时，光电传感器发出家禽到位信号I0.1，流水线暂停运动，同时I0.1控制机械臂Y轴前进。经过前期调试，当机械臂Y轴从原点位置前进，运动到前限位处时，触发I0.7 接通机械臂Y轴停止子程序，使机械臂的停止位置刚好满足机械手爪的掏膛位置。

步骤5)：I0.7触发的同时接通定时器T33，延时1s，延时时间到，定时器 T33给出信号，机械手爪开始抓取家禽内脏，与此同时左右两个手爪内壁安装有压力传感器实时采集掏膛压力，掏膛过程中，当任意一个压力传感器采集到的压力大于或等于压力临界值时，PLC会发出一个信号，控制机械手爪反转一定角度，避免抓破内脏；同时启动定时器T34延时1s，延时时间到，T34接通并控制机械臂Y轴后退，此时机械手爪随Y轴后退并带出家禽内脏。

步骤6)：Y轴后退到后限位处时，触发I1.0接通停止子程序，同时启动定时器T35,2s后延时时间到，机械手爪逐渐张开到限位位置，PLC给出信号I1.1 接通机械手爪停止子程序，这是一个完整的掏膛过程。

步骤7)：定时器T35同时控制定时器T36，T35接通后1s，T36接通并触发流水线再次启动，完成下一次的掏膛，从而实现家禽掏膛全自动化的过程。

本发明一种小型家禽掏膛流水线及方法，具有以下技术效果：

1)、本发明中的小型家禽掏膛系统主要由家禽净膛流水线装置、夹取式净膛机械手、机械臂、检测装置和PLC控制系统组成。其中为了配合机械手和机械臂的运动，实现家禽掏膛的自动化过程，家禽掏膛流水线设计为环型轨道，环型流水线可向机械手循环输送家禽胴体，与直线轨道相比，不需进行往复运动，作业效率高。控制系统选用西门子S7-200系列PLC中的CPU 226(晶体管型输出)以及定位模块和模拟量输入/输出扩展模块，PLC用来控制机械臂Y轴运动和机械手执行末端运动的型号为57BYGH056的两个步进电机，定位模块EM253通过控制 86HBP150AL-TK0步进电机进而控制家禽净膛流水线的启停运动，而模拟量输入/ 输出模块则能采集压力传感器输出的模拟信号，并将采集到的模拟信号传给PLC，PLC发出信号控制机械手下一步动作。掏膛系统由PLC控制，与单片机控制相比： 1、PLC抗干扰能力强，其I/O口均采用光电隔离，内部电路能有效与外部隔离，在本系统中，PLC配合EM253模块能驱动三个步进电机的稳定运行，且启停平稳，定位准确；2、PLC编程更简单，逻辑性强，梯形图语言灵活易学。

2)、目前我国大部分家禽屠宰生产线都为半自动半人工生产线，尤其是取内脏作业，几乎都是将家禽头部挂在挂钩上，由工人进行开膛取内脏，这种家禽固定方式虽然方便易操作，但挂钩固定极不稳固，若应用于本发明中的机械手掏膛，掏膛过程中极易造成家禽的晃动，从而降低掏膛成功率。本发明中家禽固定装置的设计充分考虑了本发明中家禽的掏膛方式为腹腔取内脏，其中腿夹中的左卡爪和右夹爪在螺栓的作用下能将家禽腿部夹紧固定，而左拉钩和右拉钩能够在横梁上前后滑动，在不损坏家禽内脏的前提下，将家禽腹腔扒开合适角度，使内脏充分暴露，同时给机械手的动作留出一定空间，有利于机械手深入家禽腹腔进行掏膛动作。若因不同批次家禽有个体差异时，可通过旋转手柄调节第一自锁滑块和第二自锁滑块在竖直直线导轨上位置，进而调整家禽固定位置。家禽固定装置通过各部分的配合，将家禽牢牢固定。因此，当机械手掏膛作业时，随着机械臂Y 轴后退，内脏也随之被带离家禽腹腔，而家禽在固定装置的作用下，不会随机械手的动作而偏离固定位置，从而保证了掏膛效果。

3)、申请号为“201710258660.3”的专利“掏膛机械手、臂以及方法”提供了一种家禽掏膛机械手及机械臂，但该装置仅仅实现了家禽掏膛的单次过程，没有配套的设备与该装置配合工作，实现家禽的连续掏膛过程；且该装置采用单片机控制，稳定性欠缺，远远达不到工业应用的要求。本发明的目的在于提供一种结构合理，控制简单，安全稳定，掏膛成功率高的一种小型家禽掏膛流水线及方法，以“掏膛机械手、臂以及方法”中的装置作为本发明中的掏膛装置，另外设计一种小型的家禽掏膛流水线，采用西门子PLC对本系统进行控制，该流水线配有多个滑台，家禽通过固定装置随滑台可循环运转，通过与机械手的配合，实现家禽的连续自动掏膛。本发明可实现功能：(1)自动连续掏膛；(2)家禽内脏与胴体自动分离；(3)压力传感器涂硅胶后性能稳定，不受家禽血水侵蚀，能更准确测量掏膛压力临界值，降低掏膛破损率；

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中传动装置的结构示意图。

图2为本发明中家禽固定装置的示意图。

图3为本发明的俯视图。

图4为本发明中第一自锁滑块或第二自锁滑块的结构示意图。

图5为本发明中第一自锁滑块或第二自锁滑块与竖直直线导轨的连接示意图。

图6为本发明中压力传感器电压-压力对应关系图。

图中：环形轨道1，直线导轨1-1，圆弧导轨1-2，环形底板1-3，支架1-4，支撑导槽1-5，滑台2，同步带传送机构3，双面齿同步带3-1，同步带主动轮3-2，同步带从动轮3-3，步进电机3-4，减速机3-5，家禽固定装置4，竖直直线导轨5，腿夹6，拉钩7，左卡爪8，右夹爪9，第一横梁10，第一螺栓11，第一自锁滑块12，左夹板13，右夹板14，丝杆15，左拉钩16，右拉钩17，第二横梁18，第二螺栓19，第二自锁滑块20，弯钩21，支板22，第三螺栓23。

具体实施方式

如图1-5所示，一种小型家禽掏膛流水线，包括传动装置及掏膛装置，

具体地：本装置中的掏膛装置采用的是申请号为“201710258660.3”的专利“掏膛机械手、臂以及方法”中的装置作为掏膛装置。具体包括三维空间下直角坐标型机械臂，该机械臂的运动轨迹为空间直角坐标系下X轴、Y轴、Z轴方向上的直线运动，其中X轴电机控制机械臂带动机械手在水平方向左右运动，有效行程为500mm，Y轴电机控制机械臂带动机械手在水平方向前后运动，有效行程为 1000mm，Z轴电机控制机械臂带动机械手在竖直方向上下运动，有效行程为 500mm。机械手安装在机械臂上，掏膛时，机械臂Y轴前进，从而机械臂上的机械手也随之前进，到达Y轴前限位后，机械手爪四根手指由张开状态逐渐抓紧，直至将家禽内脏夹紧，实现掏膛动作。

由于上述的掏膛装置并不能实现流水作业，因此在已有一套机械手爪和机械臂的基础上，本发明设计一套小型家禽取内脏自动化流水线及完整的控制系统，实现家禽屠宰取内脏自动化的过程。

首先对该流水线的结构部分进行设计。

具体地，该流水线的传动装置包括环形轨道1，环形轨道1包括直线导轨1-1 和圆弧导轨1-2，直线导轨1-1和圆弧导轨1-2拼接后下端通过螺栓固定在环形底板1-3上，环形底板1-3下端与支架1-4连接，并由支架1-4对整体进行支撑。相比于直线型流水线来说，环型流水线由于其循环运动，极大地提高了生产效率和减少占地空间。

环形轨道1内圈内设置有同步带传送机构3，同步带传送机构3包括双面齿同步带3-1，双面齿同步带3-1套在同步带主动轮3-2、同步带从动轮3-3上，同步带主动轮3-2、同步带从动轮3-3通过轴承、轴承座竖直安装在环形底板1-3 上。同步带主动轮3-2的输入端通过联轴器与减速机3-5连接，减速机3-5与步进电机3-4固定连接。通过步进电机3-4、减速机3-5可驱动双面齿同步带3-1 转动。双面齿同步带3-1与环形轨道1同环安装且间隔一定距离。

本发明中流水线的传动方式选择同步带传动控制，首先同步带设计为双面带，带轮上的齿通过与同步带内侧的齿啮合传递动力，同步带外侧也设计了相应的齿，这些齿能与各滑台2水平端的凹槽刚好嵌合，因此能较好地传递驱动力，使滑台 2在流水线上运动。

其次，考虑到双面齿同步带3-1能将流水线上的滑台2串联在一起，形成滑台链，这样在掏膛时，流水线频繁启停，各滑台2能与同步带保持同步运动，保使各滑台间的相对距离不变，避免各滑台间发生相对运动，从而影响家禽掏膛时的定位位置。

其它传动方式如链传动，应用在本发明中平稳性不够，且无法与滑台配合传递动力。

为了实现家禽随同步带传送机构3行走及固定，在环形轨道1沿边线轨迹设置有六个滑台2，滑台2一侧通过啮合齿与双面齿同步带3-1上的皮带齿啮合，这样可带动滑台2移动。而滑台2下端则设有U型卡槽，滑台2通过U型卡槽与环形轨道1间隙配合，这样可对滑台2进行支撑或导向，避免在滑台2受力过重时或移动过程中与皮带脱离，另外而在滑台2下端一侧设有双排滚轮，滑台2 通过双排滚轮与直线导轨1-1下部的支撑导槽1-5滑动配合。双排滚轮在传动过程中一方面可起到支撑作用，保证滑台2与双面齿同步带3-1啮合紧密，同时也可实现滑台2滚动前进，在滚动过程中可使滑台2仅仅受到滚动摩擦或受到极小的滑动摩擦，这样保证运行的平稳，且减少噪音。

在每个滑台2上通过螺栓固定有竖直直线导轨5，竖直直线导轨5上沿长度方向开设有滑槽，腿夹6和拉钩7均可滑动安装在竖直直线导轨5上，在实现有效调节后可固定住。

具体地，腿夹6包括左卡爪8、右夹爪9，左卡爪8、右夹爪9均包括成对设置的左夹板13、右夹板14，左夹板13、右夹板14后端开有方形通孔，左夹板13、右夹板14通过方形通孔穿过第一横梁10，在左夹板13、右夹板14后端螺纹旋入第一螺栓11，在左夹板13、右夹板14滑动到合适的位置后，可通过第一螺栓11旋入顶紧在第一横梁10上从而实现摩擦锁紧。而第一横梁10后端与第一自锁滑块12固定连接。第一自锁滑块12与竖直直线导轨5上的T型槽滑动配合并可实现锁紧。

另外，在左夹板13、右夹板14位于第一横梁10前端部分横向设有螺旋方向相反的螺纹孔，丝杆15穿过螺纹孔与左夹板13、右夹板14螺纹连接。由于螺纹旋向相反，因此在旋转丝杆15时，可带动左夹板13、右夹板14相对靠近或远离。这样做在夹持腿部时，可使左夹板13、右夹板14同时相对运动，并对家禽腿部夹紧。相对于先固定一侧夹板，然后人为推压锁紧而言，不仅夹紧快速而且可减少劳动强度并保证夹紧力。

具体地，拉钩7包括左拉钩16、右拉钩17，左拉钩16、右拉钩17均包括支板22、弯钩21，支板22后端开有方形通孔，支板22通过方形通孔穿过第二横梁18，在支板22后端螺纹旋入第二螺栓19，在左右的支板22滑动到合适的位置后，可通过第二螺栓19旋入顶紧在第二横梁18上从而实现摩擦锁紧。而第二横梁18后端与第二自锁滑块20连接，第二自锁滑块20与竖直直线导轨5上的T型槽滑动配合并可实现锁紧。

具体的，第一自锁滑块12及第二自锁滑块20包括滑块主体24，滑块主体 24一端端面上安装有滑轮25，滑轮25分多个按左右交错与竖直直线导轨5的滑槽滑动配合。竖直直线导轨5的滑槽为U型，U型滑槽左右侧壁上设有凸起26，凸起26不仅起到对滑轮25的限位作用，还可起到锁紧作用。具体地，在滑块主体24上端设置有腰型导槽27，腰型导槽27内滑动设有顶紧块28，顶紧块28 左右两侧设有与凸起26相适应的凹槽。顶紧块28通过螺纹孔与螺杆29螺纹连接，螺杆29一端设有光滑把手30，光滑把手30穿过滑块主体24，并通过一个微型轴承安装在滑块主体24上，仅仅可相对滑块主体24转动而不会发生轴向移动。当光滑把手30旋转时，螺杆29的旋转使得顶紧块28相对滑块主体24发生左右移动，当顶紧块28移动到一侧时，顶紧块28的凹槽与凸起26配合并将顶紧块28压紧在竖直直线导轨5上，这样可对滑块主体24进行固定。

而弯钩21则为多个L性支杆，L性支杆通过竖杆连接成整体，竖杆中间段上设有滑套，弯钩(21)通过滑套滑动设置在支板22上并通过第三螺栓23摩擦锁紧。左右的弯钩21镜像对称，可将家禽的腹腔撑开一定的开口，方便后期挖取内脏。

对上述掏膛流水线装置的电控部分进行设计与选择。具体地，

(1)步进电机的选型

步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移的控制电机，每输入一个脉冲信号，电机就能转动一个角度，因此可以通过调节脉冲的频率，控制电机转动角位移的大小，进而获得电机的最佳运行速度。原理简单，反应灵敏，精度较高，且其成本较伺服电机要低得多。因此考虑到掏膛流水线整体体积较大，质量较重，在节约成本的前提下，最终选取型号为86HBP150AL-TK0的混合式二相步进电机来驱动同步带传送机构3运行，该步进电机的转矩较大，配合减速机能够满足掏膛流水线平稳运行的要求。具体参数如下表1。

表1掏膛流水线步进电机参数

86HBP150AL-TK0型号的混合式二相步进电机一共有四根引出线，分别为：绿色、白色、蓝色和黑色。其中绿色引出线和白色引出线为一个绕组，蓝色和黑色引出线为一个绕组。所以接线时绿色引出线应与步进驱动器的A+端连接、白色引出线与驱动器A-端连接、蓝色引出线与驱动器B+端连接、黑色引出线与驱动器B-端连接。

(2)减速机的选型

减速机是一种用于在原动机和工作机之间的减速及传动装置。它能够降低转速，增加转矩。减速器种类多样，按传动方式不同，可分为齿轮减速机、行星齿轮减速机和蜗杆减速机等。本系统中，考虑到步进电机的最大扭矩仍未达到掏膛流水线的传动力矩，因此选用型号为PX86N024S0的减速机，传动比为24:1，输出力矩可达70Nm，符合流水线平稳运行的要求。其具体参数如下表2。

表2减速机参数

(3)步进驱动器的选型

步进电机的旋转是依靠自身固有的步距角一步一步进行的，每输入一个电脉冲信号，电机就转过一个步距角，因此步进电机单靠交流供电或直流电源是无法正常运动的，需要依靠步进驱动器进行驱动，当控制系统发出一个脉冲信号，驱动器就能驱动步进电机转动一个步距角。本系统中一共有三个步进电机，分别控制机械臂Y轴运动，控制机械手爪运动以及控制家禽掏膛流水线运动。考虑步进电机相数、额定电流、细分数等因素，最终选取三个信捷DP系步进驱动器DP-508 来分别控制本系统的三个电机，该型号驱动器采用全数字控制技术，供电电压，输出电流都在相应范围内可根据电机需要，任意设定，可驱动任何5A以下4,6,8 线两相步进电机，且细分数在1-200内可调，能很好得满足本系统中三个电机对额定电流、步进脉冲频率及所需细分数等不同要求。该信捷DP系步进驱动器 DP-508具体参数如下表3所示。

表3步进驱动器技术规格

步进电机细分驱动技术是一种可以步进电机使用性能的驱动控制技术，一般来说只要在驱动器上改变细分数，就可以改变步进电机的步距角，信捷DP系步进驱动器DP-508的细分倍数为1、2、4、8、16、32、64、128、256几种，本系统中的三个步进电机其步距角都为1.8°，那么当细分数为1时，步进电机每收到一个脉冲，转动1.8°，则电机旋转一周需要200个脉冲；而当细分数选择为2时，步进电机收到一个脉冲，只转动0.9°，相应的电机旋转一周需要400 个脉冲，因此控制精度相应提高了一倍。原则上细分倍数选择得越大，电机的运转精度越大。但在实际操作中，细分数不是越大越好，要根据电机的运行速度，频率等实际情况而定。对本系统中的三个步进电机，在实际操作中发现，控制机械臂Y轴运动的57BYGH056步进电机，控制机械手爪运动的J-5718HB3401步进电机，控制家禽掏膛流水线运动的86HBP150AL-TK0步进电机的细分倍数分别为 16,32,2时，电机运行能达到最佳状态。

各个部分传感器的选型

(1)压力传感器的选型

机械手爪在掏取家禽内脏时，手爪的抓紧程度既要保证有足够大的力使内脏脱离禽体，同时压力也不能过大使内脏破裂。因此在掏取内脏的过程中需要使用压力传感器实时监控掏膛压力的大小。通过预实验确定内脏破损的压力临界值F_n，掏膛时机械手爪会持续抓紧，当到达压力临界值时，压力传感器会给PLC一个信号控制机械手爪松开适当角度，从而保证掏膛过程中内脏的完好。

本系统选用RFP薄膜压力传感器，量程为0-2kg,输出信号为电阻信号，该传感器厚度仅为0.1-0.2mm，柔性较好，反应灵敏，能很好地贴合机械手爪内壁。当外力作用到传感器的传感点上时，传感器的电阻值会随着压力的增大而减小。为了便于采集，还需要用到RFP转换模块，RFP转换模块的作用是将电阻信号转换为便于采集的电压信号，当压力传感器和模块相连后，传感器表面的压力变化会引起模块输出电压的变化，因此测量转换模块的电压值就能得出施加在传感器表面的力。通过实验室专用的标定设备，可以得到一组电压-压力的标定数据，其中一个压力传感器的输入-输出数据绘制成曲线如图6所示。

机械手共有四根手爪，为上下左右对称式分布，其中上下两根手爪在抓取内脏时由于受到重力因素的影响，测得的压力与实际的压力值有差异。因此只选取机械手的左右两只手爪安装薄膜压力传感器，掏膛过程中，当任意一个压力传感器的值达到压力临界值F_n时，机械手爪即停止抓取并适当反转一定角度，减少内脏的破损。在预实验中发现，由于薄膜压力传感器的制作材料不防水，掏膛过程中家禽的血水沾到传感器表面后会导致传感器的损坏。因此，在安装压力传感器前，本系统在传感器表面均匀薄涂一层厚约0.5cm左右的电子密封硅橡胶，下表 4为同一电压值下，压力传感器涂胶前后输出的压力值。从表中可看出，涂胶后，既有利于压力的传递，也不会造成压力测量的误差。

表4压力传感器涂胶前后压力对比

(2)光电传感器的选型

光电传感器一般由发送器、接收器和检测电路三部分组成。其工作原理是把光信号的变化通过光电元件转化电信号的变化，检测精度高，反应速度快，用途广泛。常用光电传感器的类型有对射型光电传感器和扩散反射型光电传感器。对射型光电传感器是将发射器和接收器分别装在检测物体通过的两端位置，当检测物通过时光会被阻挡，使得接收器产生一个开关信号。由于本系统不能满足接收器安装位置的条件，所以本系统选用扩散反射性光电传感器，型号为M18光电传感器NPN常开型，其工作原理是发光器和接收器装在同一个装置内，发光器发出光束时，正常情况下接收器是收不到的，当检测物通过并挡住光束时，会有部分光反射到接收器，接收器会输出一个开关信号。

光电传感器安装在机械臂X轴上，流水线启动后，当家禽到达机械手爪正前方时，光电传感器触发给出一个开关信号，使得流水线停止运动，机械手爪即通过机械臂前进，并抓取家禽内脏。

对本流水线系统控制器的选型

控制器在本系统的整个家禽掏膛流水线控制系统中起到核心控制作用，它要完成对系统中所有输入信号的采集，并经过CPU运算处理，产生相关输出信号，所有输出单元进行控制，并经过循环扫描工作，实时控制所用执行器工作。从抗干扰能力和可靠性方面考虑，西门子S7-200系列PLC可以满足本系统的控制要求。

表5S7-200CPU规格表

根据本系统控制系统需要的输入输出点数，共需数字量输入点13个，数字量输出点数7个，参照西门子S7-200型的规格表，在留一定备用I/O口的前提下，本系统选用西门子S7-200系列PLC中的CPU 226DC/DC/DC作为本系统的控制器。且由于本系统控制系统需要对三台步进电机同时控制，而CPU226只有两个高速脉冲输出点，所以本系统还需一个EM253定位模块，由于掏膛流水线上的 86HBP150AL-TK0步进电机对控制要求更高，而定位模块EM253功能强大，定位精度较于PLC的高速脉冲输出口更高，所以本系统用定位模块EM253来控制流水线上的步进电机，而机械臂Y轴上的57BYGH056步进电机和机械手爪的 J-5718HB3401步进电机则由PLC上的两个高速脉冲输出口控制。PLC以及EM253 模块输入/输出分配如下表6、表7所示。

表6输入口分配表

表7输出口分配表

此外，本系统中系统为了控制机械手爪抓取家禽内脏的压力，需要使用压力传感器采集信号，压力传感器通过转换模块输出的是电压信号，电压信号要通过模拟量I/O扩展模块被CPU226采集，因此本系统还需EM235模拟量输入输出模块，EM235为4输入/1输出，模块上自带总线插头，通过插头与PLC连接通信。通过对模块上的6个拨码开关进行拨码选择，可选择相应的量程。就本系统而言，压力传感器的输出电压量程为0-5V，相应EM235详细量程选择如下表8。

表8EM235量程选择

由于机械手爪左右两根手指都需安装压力传感器，因此需要用到EM235两路输入点，即AIW0和AIW1，以其中一路AIW0为例，压力传感器量程为0-2kg，输出的电压信号为V0-Vm(0-5v)，经A/D转换后，数值为D0-Dm(0-32000)，呈线性关系，可见每伏特对应的A/D值为32000/5＝6400,。因此，当数字量为D时，假设压力为V，那么AIW0的数值转换为实际电压值的计算公式为：

V＝D/6400

又根据压力传感器电压-压力的拟合公式，可以计算出机械手爪对家禽内脏实际的压力值，一旦实际压力值到达家禽内脏的破损临界值时，PLC即发出一个信号控制机械手爪停止抓取并反转一定的角度，降低内脏的破损率。

本装置针对家禽屠宰净膛过程中，大多生产线为人工辅助流水线生产方式，效率低且人工成本高的问题，拟设计一个基于机械手的家禽净膛流水线控制系统。选用西门子PLC为控制器，通过输入PLC软件程序直接控制步进电机的运转，使同步带工作，从而带动家禽在流水线上运动。PLC软件程序同时控制机械臂和机械手爪的运动，并利用安装在机械手执行末端的压力传感器，通过PLC程序的控制，实现机械手爪执行末端压力的实时采集，从而保证净膛过程中内脏的完好，实现家禽掏膛技术全自动化的过程。

一种小型家禽掏膛方法,包括以下步骤：

步骤1)：家禽经过割肛、开膛后，采用倒挂的方式固定在家禽固定装置上。具体操作是：滑动第一自锁滑块12或第二自锁滑块20，或对两个自锁滑块均进行动作，根据不同家禽进行合理调整，使得腿夹6与拉钩7的相对位置合适，满足夹持要求。然后旋松腿夹6上的第一螺栓11，调整左卡爪8，右夹爪9之间的相对位置，使得左卡爪8，右夹爪9之间的间距可满足对家禽双腿夹持，然后旋紧第一螺栓11。将家禽的两腿放置在左夹板13、右夹板14之间，旋转丝杆15，使得左夹板13、右夹板14相对靠近，并最终完成对家禽双腿夹持。再旋松拉钩 7上的第二螺栓19，调整左拉钩16、右拉钩17之间的相对位置，使得左拉钩16、右拉钩17之间的间距可满足对家禽腹腔扒开开口合适。滑动弯钩21上的第三螺栓23，向前或向后移动弯钩21，使得弯钩21伸入到家禽腹腔内合适的深度后锁紧第三螺栓23，保证腹腔扒开位置固定牢靠。

对于同种类的家禽，由于一般大小差不多，因此在初步调整好后，后期只需要调节丝杆15即可，简单方便。

步骤2)：规定机械臂Y轴处在后限位、机械手爪位于限位位置时为工作的原点位置。启动时，以流水线逆时针方向为启动方向，家禽掏膛流水线具体工作过程如下：

步骤3)：按下启动按钮I0.0，流水线启动，家禽随着同步带传送机构3在环型流水线上运动。

步骤4)：以其中一只家禽为例，当家禽到达机械手正前方时，光电传感器发出家禽到位信号I0.1，流水线暂停运动，同时I0.1控制机械臂Y轴前进。经过前期调试，当机械臂Y轴从原点位置前进，运动到前限位处时，触发I0.7 接通机械臂Y轴停止子程序，使机械臂的停止位置刚好满足机械手爪的掏膛位置。

步骤5)：I0.7触发的同时接通定时器T33，延时1s，延时时间到，定时器 T33给出信号，机械手爪开始抓取家禽内脏，与此同时左右两个手爪内壁安装有压力传感器实时采集掏膛压力，掏膛过程中，当任意一个压力传感器采集到的压力大于或等于压力临界值时，PLC会发出一个信号，控制机械手爪反转一定角度，避免抓破内脏；同时启动定时器T34延时1s，延时时间到，T34接通并控制机械臂Y轴后退，此时机械手爪随Y轴后退并带出家禽内脏。

步骤6)：Y轴后退到后限位处时，触发I1.0接通停止子程序，同时启动定时器T35,2s后延时时间到，机械手爪逐渐张开到限位位置，PLC给出信号I1.1 接通机械手爪停止子程序，这是一个完整的掏膛过程。

步骤7)：定时器T35同时控制定时器T36，T35接通后1s，T36接通并触发流水线再次启动，完成下一次的掏膛，从而实现家禽掏膛全自动化的过程。

除此之外，控制系统中还设有复位和急停按钮，试验前，若机械臂和机械手爪没有处在原点位置时，按下复位按钮I1.2，机械臂Y轴即后退到后限位处，机械手爪张开至限位位置处。若实验过程中出现紧急情况时，按下急停按钮I1.3，掏膛流水线、机械臂以及机械手爪会立即停止运动，以免发生设备损坏等故障。

Claims (10)

1.一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：包括传动装置及掏膛装置，所述传动装置包括环形轨道（1），多个滑台（2）滑动在环形轨道（1）上，滑台（2）一端与同步带传送机构（3）连接、另一端与家禽固定装置（4）连接；所述家禽固定装置（4）包括竖直直线导轨（5），竖直直线导轨（5）上下分别安装有腿夹（6）和拉钩（7），腿夹（6）和拉钩（7）分别对家禽双腿、腹腔进行固定。

2.根据权利要求1所述的一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：所述环形轨道（1）包括直线导轨（1-1）和圆弧导轨（1-2），直线导轨（1-1）和圆弧导轨（1-2）上端与滑台（2）的卡槽间隙配合；直线导轨（1-1）和圆弧导轨（1-2）拼接后下端通过螺栓固定在环形底板（1-3）上，环形底板（1-3）下端与支架（1-4）连接。

3.根据权利要求2所述的一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：所述直线导轨（1-1）下部设有支撑导槽（1-5），滑台（2）通过滚轮滑动设置在支撑导槽（1-5）中。

4.根据权利要求1或3所述的一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：所述同步带传送机构（3）包括双面齿同步带（3-1），双面齿同步带（3-1）与同步带主动轮（3-2）、同步带从动轮（3-3）构成传动主体，并通过步进电机（3-4）、减速机（3-5）驱动。

5.根据权利要求4所述的一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：所述滑台（2）为L型，滑台（2）的水平段一侧与双面齿同步带（3-1）的皮带齿啮合。

6.根据权利要求1所述的一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：所述腿夹（6）包括左卡爪（8）、右夹爪（9），左卡爪（8）、右夹爪（9）均滑动设置在第一横梁（10）上并通过第一螺栓（11）摩擦锁紧；所述第一横梁（10）后端与第一自锁滑块（12）连接，第一自锁滑块（12）滑动安装在竖直直线导轨（5）上并自动锁紧。

7.根据权利要求6所述的一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：所述左卡爪（8）、右夹爪（9）均包括左夹板（13）、右夹板（14），左夹板（13）、右夹板（14）上设有螺旋方向相反的螺纹孔，丝杆（15）穿过螺纹孔与左夹板（13）、右夹板（14）螺纹连接，并调节左夹板（13）、右夹板（14）相对靠近或远离。

8.根据权利要求1所述的一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：所述拉钩（7）包括左拉钩（16）、右拉钩（17），左拉钩（16）、右拉钩（17）均滑动设置在第二横梁（18）上并通过第二螺栓（19）摩擦锁紧；所述第二横梁（18）后端与第二自锁滑块（20）连接，第二横梁（18）滑动安装在竖直直线导轨（5）上并自动锁紧。

9.根据权利要求8所述的一种小型家禽掏膛流水线，其特征在于：所述左拉钩（16）、右拉钩（17）均包括多个弯钩（21），左拉钩（16）、右拉钩（17）上的弯钩（21）镜像对称，弯钩（21）通过滑套滑动设置在支板（22）上并通过第三螺栓（23）摩擦锁紧，支板（22）另一端通过滑套滑动设置第二横梁（18）上并通过第二螺栓（19）摩擦锁紧。

10.一种小型家禽掏膛方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1）：家禽经过割肛、开膛后，采用倒挂的方式固定在家禽固定装置（4）上，由于不同种类的家禽大小有所差异,在固定过程中，可通过滑动第一自锁滑块（12）、第二自锁滑块（20）然后锁紧，从而调节上下固定的长度；通过滑动左卡爪（8）、右夹爪（9），使左卡爪（8）、右夹爪（9）相对靠近或远离，并利用第一螺栓（11）锁紧，这样可调整将家禽双腿固定在合理的位置；

通过滑动左拉钩（16），右拉钩（17），使左拉钩（16），右拉钩（17）相对靠近或远离，并利用第二螺栓（19）锁紧，这样可调整将家禽的腹腔扒开的开口合适，既方便取内脏，同时也避免开口过大；

步骤2）：规定机械臂Y轴处在后限位、机械手爪位于限位位置时为工作的原点位置启动时，以传动装置为流水线作业平台并以逆时针方向为启动方向；

步骤3）：按下启动按钮I0.0，流水线启动，家禽随着同步带传送机构（3）在环型流水线上运动；

步骤4）：以其中一只家禽为例，当家禽到达机械手正前方时，光电传感器发出家禽到位信号I0.1，流水线暂停运动，同时I0.1控制机械臂Y轴前进；

经过前期调试，当机械臂Y轴从原点位置前进，运动到前限位处时， 触发I0.7接通机械臂Y轴停止子程序，使机械臂的停止位置刚好满足机械手爪的掏膛位置；

步骤5）：I0.7触发的同时接通定时器T33，延时1s，延时时间到，定时器T33给出信号，机械手爪开始抓取家禽内脏，与此同时左右两个手爪内壁安装有压力传感器实时采集掏膛压力，掏膛过程中，当任意一个压力传感器采集到的压力大于或等于压力临界值时，PLC会发出一个信号，控制机械手爪反转一定角度，避免抓破内脏；同时启动定时器T34延时1s，延时时间到，T34接通并控制机械臂Y轴后退，此时机械手爪随Y轴后退并带出家禽内脏；

步骤6）：Y轴后退到后限位处时，触发I1.0接通停止子程序，同时启动定时器T35,2s后延时时间到，机械手爪逐渐张开到限位位置，PLC给出信号I1.1接通机械手爪停止子程序，这是一个完整的掏膛过程；

步骤7）：定时器T35同时控制定时器T36，T35接通后1s，T36接通并触发流水线再次启动，完成下一次的掏膛，从而实现家禽掏膛全自动化的过程。