王治學(xué)

【摘 要】物料搬運(yùn)和分揀作業(yè)是農(nóng)業(yè)、化工、電子、郵政等生產(chǎn)工作中一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。我國(guó)多數(shù)企業(yè)在搬運(yùn)和分揀時(shí)，大多處于人工操作或半自動(dòng)化控制階段，對(duì)于生產(chǎn)任務(wù)較多的企業(yè)來(lái)講工作效率低，消費(fèi)人工成本大，可靠性達(dá)不到要求。設(shè)計(jì)了一種基于PLC和多種傳感器的物料搬運(yùn)和分揀系統(tǒng)，可以對(duì)不同材質(zhì)、不同顏色的物料進(jìn)行快速正確的分揀，對(duì)提高企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】物料搬運(yùn);物料分揀;PLC;傳感器

中圖分類號(hào)： TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0098-003

0 引言

物料搬運(yùn)和分揀作業(yè)是農(nóng)業(yè)、化工、電子、郵政等生產(chǎn)工作中一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。隨著我國(guó)生產(chǎn)力水平的不斷提高，傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)分揀方式因?yàn)樾实?、易出錯(cuò)、不能連續(xù)工作等缺點(diǎn)已不能滿足企業(yè)需求。自動(dòng)化搬運(yùn)和分揀生產(chǎn)線的出現(xiàn)提升了效率、降低了出錯(cuò)率、減少了人工成本。整個(gè)系統(tǒng)的作業(yè)由PLC（可編程控制器）來(lái)控制，它具有可靠性高、運(yùn)行速度快等優(yōu)點(diǎn)，是繼電器系統(tǒng)不能比擬的。同時(shí)在整個(gè)搬運(yùn)分揀過(guò)程中，PLC配合光纖、金屬、光電等傳感器當(dāng)作輸入信號(hào)，可以對(duì)不同材質(zhì)、不同顏色的物料進(jìn)行快速正確的分揀。新的控制要求出現(xiàn)時(shí)，只需編寫和下載新的程序即可，對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效益有著重要的意義。

1 系統(tǒng)工藝流程

1.1 物料搬運(yùn)操作工藝分析

物料搬運(yùn)系統(tǒng)主要由PLC控制機(jī)械手來(lái)完成，還包括：伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器，限位開(kāi)關(guān)，電磁閥，電磁開(kāi)關(guān)傳感器等。其作用是從物料輸出點(diǎn)抓取待分揀物料，然后搬運(yùn)至分揀系統(tǒng)的物料入口進(jìn)行放置，完成一個(gè)周期動(dòng)作。在整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)械手一直重復(fù)這個(gè)周期性的動(dòng)作。機(jī)械手可以執(zhí)行的動(dòng)作有：夾緊和松開(kāi)、伸出和縮回、上升和下降、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，除夾緊和松開(kāi)用的是單向電磁閥，其余都是雙向電磁閥進(jìn)行控制。機(jī)械手的左右行走受伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其自動(dòng)工作過(guò)程如圖1所示。

1.2 物料分揀操作工藝分析

物料分揀系統(tǒng)可對(duì)不同的材質(zhì)（金屬與非金屬）和不同的顏色（深色與淺色）進(jìn)行分類，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，把他們分別儲(chǔ)存在三個(gè)卸料槽中。如一號(hào)槽為金屬物料，二號(hào)槽為非金屬淺色物料，三號(hào)槽為非金屬深色物料。每個(gè)槽入口都有一個(gè)氣缸，負(fù)責(zé)把物料推入其中，在一號(hào)槽入口的上方裝有金屬傳感器，二號(hào)槽入口上方有光纖傳感器。當(dāng)處在物料入口的光電傳感器收到信號(hào)后，啟動(dòng)傳送帶運(yùn)行。為了準(zhǔn)確定位，可加入旋轉(zhuǎn)編碼器，把位置誤差控制在1mm之內(nèi)，體現(xiàn)準(zhǔn)確性。圖2所示為物料分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。工藝流程圖如圖3所示。

2 PLC通信系統(tǒng)

本系統(tǒng)由兩臺(tái)西門子S7-200PLC（一臺(tái)226和一臺(tái)224）作為主控CPU。選取晶體管輸出模式的CPU226作為主站，地址為1，用來(lái)控制搬運(yùn)機(jī)械手;選取繼電器輸出模式的CPU224作為從站，地址為2，用來(lái)控制物料分揀，同時(shí)這臺(tái)PLC還需要連接變頻器MM420，用來(lái)控制傳送帶的運(yùn)行速度。變頻器根據(jù)所控制電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)等信息來(lái)設(shè)置參數(shù)，如表1所示。兩臺(tái)PLC采用PPI協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)RS-485組成一個(gè)單主站通信系統(tǒng)。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 物料搬運(yùn)電氣控制設(shè)計(jì)

機(jī)械手初始狀態(tài)在原點(diǎn)位置，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)為：下降、松開(kāi)、縮回、右轉(zhuǎn)。為了方便控制，機(jī)械手裝有7個(gè)限位傳感器，分別是：下降到位、上升到位、左轉(zhuǎn)到位、右轉(zhuǎn)到位、伸出到位、縮回到位和夾緊到位。每個(gè)傳感器有兩個(gè)功能：用來(lái)停止當(dāng)前動(dòng)作和執(zhí)行下一步動(dòng)作。

當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，機(jī)械手先執(zhí)行抓取動(dòng)作，首先是伸出動(dòng)作;當(dāng)伸出到位傳感器得到信號(hào)后，停止伸出，執(zhí)行夾緊動(dòng)作;當(dāng)加緊到位傳感器有信號(hào)時(shí)，停止加緊，執(zhí)行上升動(dòng)作;當(dāng)上升到位有信號(hào)時(shí)，停止上升，執(zhí)行縮回動(dòng)作;當(dāng)縮回到位后，執(zhí)行左轉(zhuǎn)動(dòng)作;當(dāng)左轉(zhuǎn)到位時(shí)給伺服電機(jī)信號(hào)，使之驅(qū)動(dòng)機(jī)械手左行，根據(jù)確切的行走距離提供高速脈沖的個(gè)數(shù)，保證到達(dá)準(zhǔn)確的位置。機(jī)械手左行到位后，執(zhí)行放置物料動(dòng)作，首先是伸出動(dòng)作;伸出到位后，執(zhí)行下降動(dòng)作;下降到位后，執(zhí)行松開(kāi)動(dòng)作;松開(kāi)到位后，執(zhí)行縮回動(dòng)作;縮回到位后執(zhí)行右轉(zhuǎn)動(dòng)作;右轉(zhuǎn)到位后，再次給伺服電機(jī)發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手返回原點(diǎn)抓取下一個(gè)物料。

需要說(shuō)明的是：控制機(jī)械手的PLC有兩個(gè)輸出點(diǎn)Q0.0和Q0.1。一個(gè)負(fù)責(zé)輸出高速脈沖，另一個(gè)負(fù)責(zé)控制運(yùn)行方向，如果Q0.0管發(fā)脈沖，那么Q0.1就負(fù)責(zé)方向。想要使機(jī)械手順利返回原點(diǎn)，必須要求Q0.1得電，這樣才能右行，否則機(jī)械手會(huì)繼續(xù)左行，可能會(huì)引起安全問(wèn)題。表2是CPU226控制機(jī)械手輸入、輸出點(diǎn)配置表。

3.2 物料分揀電氣控制設(shè)計(jì)

如圖2所示，當(dāng)入口的光電傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，給PLC發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)變頻器按照設(shè)定的速度運(yùn)行傳送帶。當(dāng)物料被傳送到1號(hào)槽入口時(shí)，如果金屬傳感器有信號(hào)，則PLC會(huì)讓1號(hào)氣缸的電磁閥得電，氣缸彈出，把物料推入1號(hào)槽，同時(shí)停止傳送帶。如果金屬傳感器沒(méi)有檢測(cè)到，說(shuō)明物料是非金屬，傳送帶會(huì)繼續(xù)把物料往下運(yùn)輸，直到經(jīng)過(guò)2號(hào)槽入口處的光纖傳感器。如果光線傳感器有信號(hào)，說(shuō)明物料是淺色的，光纖傳感器發(fā)出信號(hào)，PLC讓2號(hào)氣缸的電磁閥得電，氣缸彈出，把物料推入2號(hào)槽，同時(shí)停止傳送帶。如果光線傳感器沒(méi)有檢測(cè)到信號(hào)，則說(shuō)明該物料是非金屬深色，需要被推入3號(hào)槽。表3為CPU224輸入、輸出點(diǎn)配置表。圖4為物料分揀系統(tǒng)測(cè)試程序。

4 結(jié)論

通過(guò)PLC和傳感器的配合使用，加以伺服、變頻技術(shù)的支持，可以準(zhǔn)確的對(duì)物料進(jìn)行搬運(yùn)并對(duì)金屬和非金屬，深色和淺色物料進(jìn)行分揀。如果進(jìn)一步研究還可以對(duì)不同材質(zhì)的金屬物料進(jìn)行分揀，同時(shí)加入電容傳感器和電感傳感器就可以精確地分揀出鋁和鐵的物料。經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、分揀速度快、誤差率低，能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地分揀物料，降低了人工成本，提高了生產(chǎn)效率，值得推廣。

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圖4 物料分揀系統(tǒng)測(cè)試程序