姚倫全 雷蔓 聶祥榮 羅顯義 夏康 周毅

摘要：垃圾分類必要而緊迫，說(shuō)明了研制垃圾分類機(jī)的重要性。對(duì)垃圾分類機(jī)的功能進(jìn)行了分析，給出了可行的垃圾分類機(jī)方案。對(duì)其進(jìn)行三維建模，并結(jié)合氣壓傳動(dòng)、電氣控制設(shè)計(jì)了基于PLC的控制系統(tǒng)，采用了SFC的編程方法編寫了控制程序，對(duì)程序進(jìn)行了仿真。最后搭建試驗(yàn)樣機(jī)，用3D打印機(jī)制造了樣機(jī)的機(jī)械爪，縮短了樣機(jī)制造的周期，減少了樣機(jī)制造的成本，經(jīng)過(guò)樣機(jī)的測(cè)試，驗(yàn)證了該垃圾分類機(jī)機(jī)械部分、氣動(dòng)部分、控制系統(tǒng)及控制程序的合理性、可行性。

關(guān)鍵詞：垃圾分類機(jī);3D打印;可編程控制器;氣動(dòng);機(jī)械臂

中圖分類號(hào)：TP334.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： garbage sorting is necessary and urgent， indicating the importance of developing garbage sorting machine. The function of garbage sorting machine is analyzed， and the feasible scheme of garbage sorting machine is given. The 3D modeling is carried out， and the control system based on PLC is designed in combination with pneumatic transmission and electrical control. The control program is written by SFC programming method， and the program is simulated. Finally， a test prototype is built， and the mechanical claw of the prototype is made with 3 D printers， which shortens the manufacturing period of the prototype and reduces the cost of the prototype. After the prototype test， the mechanical part， pneumatic part， control system and control system of the garbage classifier are verified ?rationality and feasibility of the control procedure.

Keywords： garbage sorting machine ;3 D printing; programmable controller; pneumatic; manipulator

中圖分類號(hào)：TH-39?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?????文章編號(hào)：

1.?引言

垃圾是放錯(cuò)地方的寶貝，垃圾分類具有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等方面的效益。城市生活垃圾一般分為可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾四大類^[1]。研制自動(dòng)或者半自動(dòng)垃圾分類機(jī)，有利于垃圾分類的推廣，減少垃圾處理量，降低處理成本，減少土地資源的消耗^[2]。

根據(jù)對(duì)城市生活垃圾分類的要求，垃圾分類機(jī)需要有識(shí)別垃圾和對(duì)垃圾進(jìn)行分類的功能。

2.?垃圾分類機(jī)的設(shè)計(jì)及三維建模

目前垃圾回收用的垃圾桶都標(biāo)準(zhǔn)化了，標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶滿了以后，掛上清潔車，清潔車能自動(dòng)的把垃圾倒入垃圾車?yán)锩?sup>[3]。

根據(jù)垃圾分類機(jī)的功能要求，結(jié)合目前垃圾回收的基礎(chǔ)條件，研制的垃圾分類機(jī)三維圖如圖 1所示，其主要部件有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)桿、絲杠螺母移動(dòng)副、伸縮氣缸、抓取氣缸、固定垃圾斗、可回收垃圾桶、廚余垃圾桶、有害垃圾桶、其他垃圾桶^[4-5]。

把垃圾投入固定垃圾斗里面，按下觸摸屏上的垃圾類別，控制系統(tǒng)控制伸縮氣缸、抓取氣缸及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，就能把垃圾投入對(duì)應(yīng)垃圾桶里面。整個(gè)垃圾分類機(jī)的外形如圖 2所示，其左側(cè)有觸摸屏和垃圾投入口，正面有各種垃圾手動(dòng)投入口和垃圾桶取出口，外面用玻璃全封閉，能夠避免垃圾臭味散發(fā)，外觀造型能夠與城市環(huán)境融為一體。該方案簡(jiǎn)單可靠，成本低，使用方便。

3.?垃圾分類機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該垃圾分類機(jī)的控制對(duì)象有伸縮氣缸、抓取氣缸及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其氣缸控制回路如圖 3所示，控制系統(tǒng)控制氣缸對(duì)應(yīng)的電磁閥得電，氣缸伸出，電磁閥失電，氣缸縮回。

該控制系統(tǒng)采用三菱FX PLC作為控制核心，做一個(gè)基于PLC的控制項(xiàng)目，一般根據(jù)控制要求，采用“主電路圖→控制電路圖→編程→仿真→接線調(diào)試”的步驟。

（1）主電路圖的繪制，該控制系統(tǒng)采用220V單相交流電供電，需要直接接該電源的有PLC、5V&24V直流電源，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，氣泵，主電路圖如圖 4所示。

圖 4?控制系統(tǒng)主電路圖

（2）控制電路圖繪制。

由于采用了MCGS觸摸屏和PLC一起進(jìn)行控制，用觸摸屏控制輔助繼電器M的方式作為PLC的輸入，這樣可以節(jié)省一些PLC的輸入點(diǎn)數(shù)，根據(jù)控制要求，PLC的編程資源分配如表格 1所示。

根據(jù)控制對(duì)象與控制點(diǎn)數(shù)，選擇了FX3U-16MT這個(gè)型號(hào)的PLC，該控制系統(tǒng)的電路圖如圖 5所示，因?yàn)椴捎昧薔PN型光電傳感器檢測(cè)垃圾，所以要把24V與S/S接在一起，為了圖紙清晰，圖上只畫了X1點(diǎn)的傳感器接線方法，X2到X5的傳感器用法與X1一樣，具體每個(gè)I/O點(diǎn)的布置位置如圖 6所示。

（1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī);2、導(dǎo)桿;3、絲杠螺母移動(dòng)副;4、伸縮氣缸;5、抓取氣缸;6固定垃圾斗;7、可回收垃圾桶;8、廚余垃圾桶;9、有害垃圾桶;10、其他垃圾桶）

（3）程序的編寫

因?yàn)樵摍C(jī)械臂在對(duì)垃圾進(jìn)行分類的動(dòng)作具有順序執(zhí)行的特點(diǎn)，所以采用SFC編程的方法。該程序分為兩個(gè)塊，一個(gè)是梯形圖塊、一個(gè)是SFC塊，梯形圖塊為SFC塊做準(zhǔn)備。

該程序的流程圖及SFC順序功能圖如圖 7所示，執(zhí)行順序功能圖程序的條件是，當(dāng)某類垃圾桶未滿，該類垃圾投入按鈕按下，垃圾投入口打開(kāi)，投入垃圾，X1有輸入。

順序功能圖程序由順序結(jié)構(gòu)和選擇分支構(gòu)成，第一個(gè)選擇分支為當(dāng)執(zhí)行完抓取動(dòng)作且固定垃圾斗內(nèi)無(wú)垃圾，跳出SCF循環(huán)，等待下一次投垃圾;第二個(gè)分支有四條支路，因?yàn)橥斗诺礁鱾€(gè)垃圾桶的行程不一樣，PLC發(fā)出的控制脈沖數(shù)不同，所以有四條支路;最后一個(gè)分支是判斷一次投入垃圾斗里面的同類垃圾是否抓取完，抓取完則跳出SFC程序，未抓取完則重復(fù)執(zhí)行抓取動(dòng)作。

該控制系統(tǒng)的輸入及顯示采用MCGS的TCP 7062TX型觸摸屏，按照“建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（觸摸屏里面的變量）→增加三菱_FX系列編程口→增加設(shè)備通道→連接變量（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)）→設(shè)計(jì)用戶窗口→設(shè)定操作變量→仿真→調(diào)試”的觸摸屏編程路線，設(shè)計(jì)的控制面板如圖 8所示。

4.?關(guān)鍵部件的3D打印及樣機(jī)的搭建

該垃圾分類機(jī)的樣機(jī)如圖 9所示，其機(jī)架采用鋁型材搭建，包含了上述垃圾分類機(jī)的主要部件。因3D打印技術(shù)在新產(chǎn)品研制中能夠減少成本，縮短研制周期，在對(duì)該垃圾分類機(jī)樣機(jī)機(jī)械爪研制過(guò)程中，采用了3D打印技術(shù)制造了其機(jī)械爪，圖 9右下角所示。其制造流程為：建?！至慵?dǎo)出STL模型文件→導(dǎo)入3D打印機(jī)控制軟件→調(diào)整零件打印放置位置→切片→3D打印機(jī)準(zhǔn)備→3D打印→取出零件并去除支撐→打磨裝配。

通過(guò)樣機(jī)的搭建和運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該垃圾分類機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)的合理性，也驗(yàn)證了其控制系統(tǒng)、控制程序、氣動(dòng)系統(tǒng)的可行性。

5.?總結(jié)

將三維建模技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、3D打印技術(shù)、電氣控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)、液氣壓傳動(dòng)技術(shù)融合，研制了新型垃圾分類機(jī)。并用3D打印技術(shù)作為輔助，制造出了垃圾分類機(jī)的樣機(jī)，對(duì)其機(jī)械、電氣、控制程序、氣壓傳動(dòng)等進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，說(shuō)明了該方案的可行性、合理性。雖然所研制的樣機(jī)與實(shí)際機(jī)器在結(jié)構(gòu)，性能上有一定的差距，但足以說(shuō)明該方案是可以滿足垃圾分類的功能的。

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基金項(xiàng)目：貴州省教育廳青年基金項(xiàng)目《3D掃描3D打印及CAM技術(shù)在曲面制造中的應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)黔教合KY字[2016]288）》;畢節(jié)市科技局項(xiàng)目《畢節(jié)市3D打印技術(shù)應(yīng)用研究中心（畢科合字[2017]05號(hào)）》;貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院教改項(xiàng)目

通訊作者簡(jiǎn)介：雷蔓 （1985-），男，貴州黔西，講師，碩士，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。