張順星，張玉潔

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

基于PLC的組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張順星，張玉潔

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

摘要：傳統(tǒng)的物料分揀設(shè)備采用在料槽上方分別安裝傳感器，并當(dāng)相應(yīng)的傳感器動(dòng)作時(shí)通過PLC驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)行推料的控制模式，這種模式只能分揀單一顏色或材質(zhì)的工件，存在較大的局限性。針對(duì)上述問題，提出了使用西門子CPU224XP型PLC作為控制器，結(jié)合傳感器、氣動(dòng)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)編碼器和變頻器構(gòu)成組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)可以對(duì)較為復(fù)雜的組合工件進(jìn)行分揀。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)工作效率高、運(yùn)行可靠，有較強(qiáng)的實(shí)用性和較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；旋轉(zhuǎn)編碼器；氣動(dòng)技術(shù)；自動(dòng)分揀

物料分揀設(shè)備通常采用可編程控制器(PLC)進(jìn)行控制，能連續(xù)、大批量地分揀貨物，分揀誤差率低且勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，可顯著提高勞動(dòng)生產(chǎn)率[1]。傳統(tǒng)的物料分揀設(shè)備采用在料槽上方安裝傳感器，當(dāng)相應(yīng)的物料運(yùn)行到傳感器下方時(shí)，傳感器動(dòng)作，從而通過PLC驅(qū)動(dòng)氣缸進(jìn)行推料的控制模式，該模式只能分揀單一顏色或材質(zhì)的工件，存在較大的局限性[2]。本文提出使用西門子S7-200 PLC作為控制器，結(jié)合傳感器、氣動(dòng)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)編碼器和變頻器的組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可以對(duì)較為復(fù)雜的組合工件進(jìn)行分揀，如分揀白色芯料的金屬工件和白色芯料的塑料工件等， 重點(diǎn)論述自動(dòng)分揀系統(tǒng)的組成、氣動(dòng)控制回路和PLC控制系統(tǒng)等。

1系統(tǒng)構(gòu)成及控制工藝要求

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)的主要功能是對(duì)已加工和裝配完成的工件進(jìn)行分揀，將相同顏色及材質(zhì)的工件存放在對(duì)應(yīng)的料槽中。其主要結(jié)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與傳送機(jī)構(gòu)、工件檢測(cè)機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)和PLC控制模塊等[3]。組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與傳送機(jī)構(gòu)主要由變頻器、三相異步電動(dòng)機(jī)、傳送帶、傳動(dòng)輥及旋轉(zhuǎn)編碼器等組成，其作用是將待分揀的工件通過傳送帶輸送到指定位置，并進(jìn)行位置檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李業(yè)明.大功率機(jī)車彈性聯(lián)軸器及圓弧端齒聯(lián)結(jié)技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

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責(zé)任編輯馬彤

圖1　組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2) 工件檢測(cè)機(jī)構(gòu)主要由光電傳感器、電感式傳感器和光纖傳感器組成，其中光電傳感器用于檢測(cè)是否有工件，電感式傳感器用于檢測(cè)工件外部材質(zhì)，光纖傳感器用于檢測(cè)芯料顏色。3) 氣動(dòng)分揀機(jī)構(gòu)主要由推料氣缸1、推料氣缸2和推料氣缸3等3個(gè)氣缸，1B、2B和3B等3個(gè)磁性開關(guān)，以及控制氣缸的3個(gè)電磁閥和相關(guān)氣路附件等組成，其作用是利用氣缸將分揀出的工件推入相關(guān)的料槽。

4) PLC控制模塊主要由西門子CPU224XP主機(jī)、操作按鈕及指示燈等組成，其作用是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。

1.2系統(tǒng)的控制工藝要求

自動(dòng)分揀系統(tǒng)的傳送帶上分2個(gè)區(qū)，即檢測(cè)區(qū)和分揀區(qū)。當(dāng)待分揀組合工件放到傳送帶上時(shí)，傳送帶開始運(yùn)行，同時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器開始記錄工件運(yùn)行位置，只有在工件運(yùn)行到光纖傳感器SC1與電感傳感器SC3位置時(shí)，2個(gè)傳感器信號(hào)才有效，進(jìn)行芯料顏色與外部工件材質(zhì)檢測(cè)。工件芯料為白色，外部為金屬材質(zhì)時(shí)，工件運(yùn)行到料槽1位置時(shí)傳送帶停止運(yùn)行，推料氣缸1動(dòng)作，將組合工件推入料槽1；同理，芯料為白色，外部為塑料材質(zhì)時(shí)，組合工件將被推入料槽2；芯料為黑色時(shí)，組合工件將被推入料槽3。旋轉(zhuǎn)編碼器將工件的位置信息轉(zhuǎn)換為高速脈沖信號(hào)送入PLC數(shù)字量輸入端口，要使用高速計(jì)數(shù)器(HSC)功能進(jìn)行位置檢測(cè)。

為了提高系統(tǒng)的分揀效率，可使用西門子MM440變頻器驅(qū)動(dòng)傳送帶電動(dòng)機(jī)，在檢測(cè)區(qū)工件以10 Hz低速運(yùn)行，完成識(shí)別后，再以40 Hz高速在分揀區(qū)運(yùn)行并進(jìn)行分揀。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

自動(dòng)分揀系統(tǒng)的分揀機(jī)構(gòu)由3個(gè)直線氣缸作為推料動(dòng)作的執(zhí)行元件，分別被3個(gè)單作用二位五通電磁換向閥控制，當(dāng)電磁閥得電時(shí)，氣缸伸出。氣缸伸出或縮回的速度，由單向節(jié)流閥控制，為排氣節(jié)流形式。磁性開關(guān)用于檢測(cè)氣缸活塞位置，當(dāng)檢測(cè)到氣缸到位后給PLC發(fā)出1個(gè)到位信號(hào)[4-5]。組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)氣動(dòng)控制回路如圖2所示。

圖2　組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)氣動(dòng)控制回路原理圖

2.2PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用CPU224XP型PLC作為控制器，該主機(jī)單元有14點(diǎn)數(shù)字輸入及10點(diǎn)數(shù)字輸出，同時(shí)還包括2路模擬量輸入和1路模擬量輸出。模擬量輸出接線時(shí)使用端子V和M分別接在MM440變頻器的模擬量輸入AIN1+和AIN1-端，輸出0～10 V電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)變頻器輸出頻率0～50 Hz，實(shí)現(xiàn)變頻器高低速運(yùn)行。組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)I/O分配見表1。

表1　組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)PLC的I/O分配表

在使用變頻器時(shí)，命令源選擇為由端子排輸入，頻率給定方式設(shè)定為模擬量輸入，斜坡下降時(shí)間設(shè)置為0.1 s，所以主要參數(shù)設(shè)置為：P0700=2，P1000=2，P1121=0.1。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1流程圖設(shè)計(jì)

根據(jù)組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)的控制工藝要求，設(shè)計(jì)主程序，其流程圖如圖3所示。

圖3　組合工件自動(dòng)分揀系統(tǒng)流程圖

3.2PLC高速計(jì)數(shù)器檢測(cè)工件位置

系統(tǒng)采用E6B2-CWZ6C型歐姆龍旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率為1 000 p/r，供電電壓規(guī)格為直流24 V，與電動(dòng)機(jī)同軸相連，產(chǎn)生A/B相正交的兩路高速脈沖信號(hào)，接入西門子CPU224XP的高速計(jì)數(shù)器輸入端[6]。CPU224XP型PLC有HSC0～HSC5共6路高速計(jì)數(shù)器輸入端口，支持12種工作模式，最高可支持200 kHz的高速脈沖信號(hào)輸入。使用“指令向?qū)А狈绞?，可大大?jiǎn)化高速計(jì)速器編程過程。在“工具”菜單中選擇“指令向?qū)А?，配置為：指令HSC；配置HSC0；模式9，生成如圖4所示子程序。

圖4　高速計(jì)數(shù)器子程序

使用雙整數(shù)型比較指令，比較高速計(jì)數(shù)器HSC0的當(dāng)前值，即可確定傳送帶上工件位置。

4結(jié)語

本系統(tǒng)應(yīng)用了PLC技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)和變頻器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可進(jìn)行組合工件高效自動(dòng)分揀的控制系統(tǒng)，解決了較為復(fù)雜的成型產(chǎn)品的自動(dòng)化分揀問題。經(jīng)實(shí)踐運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)工作效率高、運(yùn)行可靠，有著很強(qiáng)的實(shí)用性，在機(jī)械加工、電子裝配及物品流通等自動(dòng)化生產(chǎn)線中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 付偉.PLC在材料自動(dòng)分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(3):136-138.

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[4] 李庭貴.氣動(dòng)機(jī)械手搬運(yùn)物料精確定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2012(1):54-56.

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責(zé)任編輯彭光宇

The Research and Design of Automatic Sorting System for Combination Workpiece based on PLC

ZHANG Shunxing，ZHANG Yujie

(Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China)

Abstract：Traditional material sorting equipment takes the mode of using sensor installing above the trough to drive the cylinder with PLC, which could only sort a single color or the material of existed large limitations. To solve the above problem, provide the design of a combination of workpiece automatic sorting system，which can sort more complex ones by using Siemens CPU224XP type PLC as the controller and sensor. The system also includes pneumatic technology, rotary encoder and frequency converter. It has been proved by practice that the system has high efficiency, reliable operation, strong practicability and great application value.

Key words:PLC，inverter, rotary encoder，pneumatic technology，automatic sorting system

收稿日期：2015-02-10 2015-01-16

作者簡(jiǎn)介：鄭練(1981-)，女，工程師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化等方面的研究。 張順星(1980-)，男，講師，碩士，主要從事電氣自動(dòng)化控制及生產(chǎn)線等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TP 23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A