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1、基于PLC的颜色辨别正品分拣系统控制硬件系统设计摘 要：颜色传感器的出现使辨别物体的颜色更便捷，使生产线能根据工件的颜色进行分拣，大大提高了工业自动化。在以前生产线上采用人工分拣有颜色的工件，自动化程度低，效率低，已经不能适应工业生产需要了。而本设计选用的TCS230颜色传感器因具备精度高、编程简单以及输出数字化等优点，使本系统的颜色辨别结构使用更加方便。本次设计采用可编程控制器能够对信号的采集、处理、输出的一系列集中控制，使系统可以安全可靠运行。实现了传感器和变频器和三相减速电机和推杆电机等硬件配合控制，实现了传送带自动减速，工件颜色的辨别，工件的次品分拣等功能。PLC和变频器和三相减速电机
2、的配合使用使传送带运行的速度更加平稳，调速方便，而三相减速电机能提供大转矩，使传送带带载增强。PLC作为本次系统控制核心，使使用更加灵活、简单，且抗干扰能力强，使系统运行更为可靠，为本次设计提供了安全可靠的硬件环境。关键词：PLC；颜色辨别；分拣；变频器；三相减速电机Abstract：Color sensor to determine the color of objects more convenient, the production line can be sorted according to the color, greatly improving the industrial au
3、tomation. Before the production line using manual sorting color workpiece, low degree of automation, low efficiency, has been unable to meet the needs of industrial production. TCS230 color sensor is adopted in this design has the characteristics of high resolution, programmable color selection and
4、digital output etc. excellent, the color discrimination structure of the application of this convenient. This design uses can realize the collection, processing, output signal of the programmable controller of a series of centralized control, more stable operation of the production line. The sensor
5、is realized and inverter and three-phase gear motor and push rod motor and other hardware control, realize the conveyor belt automatic deceleration, workpiece color discrimination, defective workpiece sorting function. PLC and inverter and three-phase motor with the use of the conveyor belt running
6、speed is more stable, convenient speed, and can provide high torque three-phase motor, the conveyor belt carrying enhanced. PLC as the core control of this system, the use of more flexible, simple, and strong anti-interference ability, make the system more reliable, provides a safe and reliable envi
7、ronment for the design of hardware.Keywords: temperature sensor; single chip microcomputer; monitoring; programming设计说明生活中，人们喜欢将不同颜色的东西分拣开来，使同一种颜色的东西放在一起。工业生产线也一样，利用颜色传感器检测不同颜色的工件，和人工辨别颜色分拣相比减少了分拣误差，提高生产线生产效率和自动化程度。本系统，规定红蓝绿三种颜色的工件为正品，非红绿蓝颜色工件为次品，当把工件自动出料到传送带上，物体被光电传感器检测到且输出信号到PLC输入端，PLC延时一秒后，从输出端输出
8、信号到变频器的数字输入端使三相减速电机以设定的速度带动传送带转动，当工件到达TCS230颜色传感器时，检测的信号输出到PLC输入端，PLC根据颜色辨别模块传到PLC上的信号，如果不是红色工件或者蓝色工件和绿色工件三种颜色的工件，PLC让传送带10Hz速度运行到废品处理的区域，然后启动推杆电机，把工件推到设定的废品区。如果是红蓝绿三种颜色的工件，PLC让传送带以30Hz运行到传送带末端。本设计硬件上，传送带由滚筒和皮带组成，利用联轴器把滚筒和三相减速电机连接在一起，从而带动传送带启动和停止和调速，而三相减速电机由PLC和变频器配合通过变频器的升/降（UP/DOWN）频率运行控制方式来进行调速，本
9、设计用的变频器是汇川变频器，电机启动或者停止受变频器数字端的正转端控制，只要对正转端通电或者断电就可以实现启动和停止，通过变频器的控制面板可以将变频器的多功能输入端子DI1DI4进行给定和UP/DOWN频率运行控制相应的功能参数进行给定，将变频器的数字端子的多功能输入端子的DI1设置为正传（FWD）输入端，DI2设置为UP给定，而DI3为DOWN给定，只要改变三个端子数字状态就可以实现UP/DOWN频率运行控制方式来进行调速，这些数字输入端与PLC的输出端两连接，改变相应的输出端子的状态就可以实现对变频器的启动和停止和UP/DOWN频率运行控制方式来进行调速。变频器相应的故障报警有TA-TC常
10、开故障继电器触点，TA-TC常开触点与PLC的输入端连接，如果变频器发生故障TA-TC常开触点就会闭合，通知PLC报警。颜色传感器输出信号到单片机，单片机根据颜色的种类输出信号驱动三极管的基极，使三极管导通，而三极管的集电极连接PLC的输入端，PLC就会获取颜色传感器输出的信号。分拣单元由推杆电机和中间继电器组成，由24V直流开关电源为推杆电机提供电源，PLC输出口接中间继电器的线圈的输入端，而推杆电机的电源输入端和24V电源和中间继电器的常开触点之间相串联，改变推杆电机电源正负极就改变推杆电机的推和缩动作，接中间继电器的目的是保护PLC的输出触点。安装有两个空气开关作为设备的保护，一个作为总
11、开关，其中一个空气开关是保护变频器的，防止线路短路烧坏变频器。关键词：PLC；变频器；颜色传感器；推杆电机；硬件1 引 言1.1 研究背景日常生活中，人们利用肉眼辨别不同颜色的东西，很多工厂的生产线上是利用人工分拣不同颜色的产品。随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，特别是微机技术的不断深入发展，以微机技术为平台的可编程控制器（Programmable Logical Controller）技术日益智能化和不断完善，使顺应各类场所的传感器连连续续的出现，它们凭借稳定性极佳、可以承受恶劣的环境考验、功能多和操作简单等优秀的特点，非常受自动控制领域产业欢迎，扮演工业自动控制领域不可或缺的地位
12、。颜色分拣在工农行业中应用需求高，而在现在的市场经济中，竞争无处不在，各厂家为获得竞争优势，在技术上不断完善和反展、在质量上更加安全可靠和在操作上更加方便，从而获得客户们更多的订单。1.2 研究的目的与意义中国制造业不断增多，从而对自动化程度要求越来越高，所以在自动化方面必须进行改革以适应生产上的需求。颜色分拣系统的出现改变了传统的分拣方式。实现自动控制的颜色分拣系统能够极大的提升生产效率和产品质量，明显消除靠人眼分拣产生的误差，有效减少员工的劳动强度并降低能源和资源的损耗。提高生产效率，为自己创造出最大的效益，在生产过程中不会出现失误，这样在尽量防止错误出现和故障的影响，将会为公司获取巨大的
13、利益。自动化程度在制造产业中不断提高，使用规模不断拓展。分拣行业中自动化操作正在改变着分拣过程的动作方式的加工方法。实现自动分拣的系统可以明显地提高生产效率和产品质量，明显消除靠人眼分拣产生的误差，有效减少职工的劳动强度并降低能源和资源的损耗。具备革命意义的自动化扭转着分拣行业的制造方式及其产品的传输形式。设计和安装的自动分拣系统，不断提高分拣行业的产品质量和生产效率，从而降低了加工上的误差和减少了劳动强度，所以自动分拣系统表现出非常明显的作用。色彩辨别普遍应用于各类工业检测和自动控制范畴，而生产过程当中一直靠人眼来辨别颜色工作现在已经被相关的颜色传感器所替换。如：各类物体外观颜色辨别如产品包
14、装色标检测，产品外表特点颜色的检测，液体溶液颜色转变进程的检测与控制，能够应用在彩色打印机、医疗诊断、LED检测、液体颜色识别、电脑彩色监控标准、颜色产品加工控制、和油漆、纺织品、化装品及打印材料的彩色搭配等颜色检测产品等等。1.2.2 国内研究状况颜色识别的分拣系统应用及其广泛，比如农业上应用它来分拣不同颜色的水果，蔬菜等农产品，工业上那就更多了，涉及颜色的东西都可以进行分类。对于分拣方面中国的研究非常少，而日本在1980年就已经依据工业发展需要提出自动分拣的观点，并且随后的发展逐步推进物流的信息化建设，发展物流信息管理系统的整体规划和建设，经过互联网使自动分拣系统加快获得实现和改善，同时对
15、于怎么进一步加快分拣效率和减少物流本钱支付的研究也随之出现，但关于我国国内物流方面的介绍少之又少，多是因为国内物流行业发展到大规模扩张之间的时间较短，所以在分拣体系方面的研究当前来讲为数不多，这方面现有的有关建树的文献资料国内也缺乏。近几年国务院虽出台了部分鼓励物流成长的政策，但国内的物流业仍然处在一个劣势地位，智能化的分拣体系在国内几乎见不到踪迹，除邮政和顺丰之类如此的物流业巨头外，其他的物流企业仍然还在人工化的分拣方式，没有政府的资金鼓励，物流行业的发展步伐将很大地受到限制。伴随我国经济的飞跃，如：各类物体外观颜色辨别如产品包装色标检测，产品外表特性颜色的检测，液体溶液颜色转变过程的检测与
16、把握，能够应用彩色打印机、医疗诊断、LED检测、液体颜色辨别、电脑彩色监控指标、颜色产物加工控制、和油漆、纺织品、化装品及打印材料的彩色搭配等颜色检测产品等等。我们很多实现了国产化。1.2.3 国外研究状况 TCS230是由美国TAOS公司推出的一款能辨别有颜色的物体的传感器，利用三原色定理，有颜色的物体在可见光的照射下，反射颜色光到颜色传感器，然后颜色传感器内部对型号进行处理，输出数字量的信号，利用微机直接读取处理。TCS230一出现就迅速占领颜色辨别传感器领域的市场，也受到广大用户的欢迎，特别是加工业迫切需要这样的传感器充当人的眼睛。颜色传感器性能不断改进和更新，但作为最早出现的颜色传感器
17、因为性能稳定，在工业自动化上占有相当高的地位。美国是最先使用条形码进行物品的分拣，当颜色传感器的现世，使用颜色分拣各类物体外观颜色辨别如物体包装色标检测，产品外观特性颜色的检测，液体溶液颜色变化进程的检测与把持，发达国家应用颜色传感器进行颜色辨别和分拣是非常普遍的，加快了自动化应用的发展，同时颜色分拣技术加快了工业和医疗卫生和文化产业发展。2 颜色辨别正品分拣系统控制基本概况在系统的总体设计方面，首先对颜色分拣系统所需各部分零件进行研究和对电路进行设计；分别有PLC、变频器、三相减速电机、颜色传感器、51单片机最小系统、推杆电机，光电传感器，中间继电器等进行资料上的研究，接着进行传送带动力模块
18、设计、颜色辨别模块的设计、分拣模块的设计、系统接线的设计、系统调试等。经过上述步骤，进行不断对出现的问题解决和对不足之处修改和完善。2.1 系统的基本功能本系统的开发设计有以下功能：（1）对红，绿，蓝三种颜色辨别；（2）对不是红，绿，蓝三种颜色的工件进行废品分拣；（3）PLC和变频器配合控制三相减速电机调速。2.2 系统组成结构颜色分拣系统的结构如图2.1所示，控制器采用三菱FX2N系列PLC控制，传感器有光电传感器和颜色传感器，传送带动力单元有三相减速电机和变频器，颜色辨别单元有颜色传感器和单片机以及电压转换电路等，分拣单元有推杆电机和中间继电器等。图2.1 系统总体框图3 颜色辨别正品分拣
19、系统硬件设计3.1 系统主要硬件介绍3.1.1 可编程逻辑控制器可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），运用了数字运算操作的电子系统，是专为了在工业环境使用而设计的。它选用一种可编程的存储器，运用其内部存储程序，实现逻辑运算，次序控制，定时，计数和算术使用等面向用户的指令，方便用户编程，并经过数字或模拟式输入/输出控制各类型的机械或生产进程。众所周知，PLC其实就是工业控制计算机，内部输入输出接口模块选用了光电隔离，滤波等抗干扰设施，来提高PLC工作的可靠性，PLC被广泛的应用，成为是工业控制的核心部分。本设计选用日本三菱公司推出的FX2N系列PLC,它
20、是三菱公司小型PLC的代表产品之一，具有如下特点1。（1） FX2N是FX系列中功效最强、运转速率最快的PLC。（2） FX2N基本指令执行时间可达0.08s。（3） FX2N的I/O点数最高可扩展到256点，而用户存贮器容量可增大到16K。（4） FX2N系列具有最大范畴的容纳了标准特质、执行程序速度快、通信功能得到改进、电源合适世界各国的标准并且适合单个需求的大批特别功能模块，灵活性极佳和控制能力好很适合工厂自动化应用。选用三菱FX2N-32MR-001型PLC作为本次设计的可编程逻辑控制器，该型PLC的外部电源使用电压为交流220V，频率为50Hz的交流电。它的输入输出口都有相应的指示灯
21、，剩下四个指示灯应用于电源和运行/停止，内部锂电池的电压和CPU和程序的工作状况。该型PLC有16点I/O漏型输入，16点I/O继电器输出。我国一般采取漏型输入，即公共端COM接负极，PLC的I/O输入口有+24V电压输出，如果将按键一端用导线连接PLC的I/O输入口，另一端接到输入公共端COM端，当按键闭合后就可以形成回路，PLC就可以获取到输入信号。它的输出I/O是继电器输出，输出接口模块采用光电耦合器，抗干扰能力强，且可以驱动直流30V或交流250V负载，驱动负载能力大，适合于各类电机和电磁阀及传感器等负载的控制，而晶体管输出的PLC多用于电子电路的控制。不管PLC是继电器输出还是晶体管
22、输出，都是根据实际情况需要来选取PLC。3.1.2 变频器根据转速公式知道，对异步电机的调速有改变转差率s的串级调速和转子外加电阻调速，改变电源频率f1的变频调速，改变极对数p的变极调速。实践使用中知道，转子外加电阻调速要损耗一定的功率，串级调速只能在低于同步转速范围内进行调速，变极调速是一级一级的，调速不方便。所以串级调速和变极调速调速效率低，耗能，不经济等弊端。现在工业广泛用变频器调速也就是变压变频调速简称变频调速。从公式n=60f(1-s)/p能够发现，可以改变频率的方式进行调速，电机的转速就能连续、平滑地调节。分为基频以下调速和基频以上调速。在电机调速时，希望保持电机每极的磁通率不变，
23、充分利用电机的铁心，激磁电流和电机的功率因数均不变，忽略定子漏阻抗压降时，从反电动势公式U，可以发现使电压和频率的成比例变化时，所以叫变压变频调速（V/F），本设计选用的变频器实现基频以下的调速，也就是恒转矩调速。由转矩公式，因为变压变频磁通率不变，转子电流不变转子功率因数0.90.95，由于变化范围不大可以近似功率因数不变，所以转矩不变，所以叫恒转矩调速。当将频率上调时，输入电压保持不变，随着频率的上升，主磁通逐渐下降，因为转速升高的情况下，认为转子电流和转子功率因数保持不变，所以公式推演得到，由此可知道随着频率上调，电机的转矩随着下降。电机的功率为因为等于一常值，所以频率上调叫恒功率调速。
24、变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是使用变频技术与电力电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等构成变频器主要结构。变频器靠在内部IGBT的通断来调整输出电源的电压和频率，按照电机的实际需要来供应其所需要的电源电压，继而实现节能、调速的目标，此外，变频器还有一些保护功能，如过流、过压、过载保护等等3。变频器的整流器把工频电源变换为直流电源。平波回路的功能是在整流器整流后的直流电压中，包括了电源6倍频率的脉动电压，另外逆变器产生的脉动电流影响了直流电
25、压。为了防止电压波动产生，选用电感和电容除去脉动电压（电流）。器件容量小时，若是电源与主电路组成的器件有足够的余量，可以去掉电感选用简单的平波回路。逆变器将直流电压变换为目标频率的交流电压，在规定的时间内使6个开关器件导通、关断从而获得三相交流电输出。例如电压型PWM逆变器控制电路：是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路。它主要由相应频率、电压的运算电路和主电路的检测电路，和电动机的速度检测电路，和将控制信号进行增益的驱动电路，和变频器和电机的保护电路构成6-8。按变频的环节分交-直-交变频，和交-交变频。交-直-交变频是先把工频交流电经过整流器转换为直流电，接着将直流
26、电转换为频率可调的交流电。也称为间接式变频器，是现在普遍使用的通用型变频器。交-交变频，是使工频交流电直接转换成频率可调的交流电，也称为直接式变频器。本设计使用的是通用变频器也就是交-直-交变频。交直交变频器的主电路如图3.1所示。图3.1 交直交变频器的主电路图本设计选用汇川公司推出的MD300A-S-0.7BC型变频器，MD300A系列是经过广泛的市场调查的基础上设计的高性能，通用型变频器。主要的性能如下。（1） 它继承了汇川公司变频产品的优点，具备V/F（变压变频）和开环矢量（SVC）两种控制功能，确保了极好的低频转矩特性和动态响应好的性能。（2） 输入额定电压为单相交流为220V，输入
27、额定电流为8.2A,输出电压为三相380V,输出额定电流为4.0A。（3） 输入频率为50/60Hz,输出频率为03200Hz。（4） 适配电机的功率为0.75KW。（5） 频率源给定包括面板电位器给定，数字给定，通讯给定。（6） 直流制动起始频率为0.050Hz,而制动时间为0.036.0s,制动电流值为0.0200.0%，且内置制动结构。3.1.3 三相减速电机 减速电动机由减速箱和电动机组成，减速箱有齿轮式的也有蜗杆式的，齿轮式用的比较多。减速机在电动机和减速箱组成的结构来匹配转速和传递转矩的作用，由于减速机要设定好减速比，所以是一种非常精密的设备，选用它是为了降低电机输出的转速，增加电
28、机输出的转矩。减速箱的外壳使用金属壳体，里面的器件有齿轮传动、蜗杆传动、齿轮-蜗杆传动所组成，一般用在减速传动装置中如用作原动机和工作机之间。在一切输出转速的装置中起匹配转速和传送转矩的功能，在现代工业中使用非常普遍。减速电机具有如下主要性能。 （1）低能耗,功能强大,使得减速机效率非常高,且抗干扰能力强。 （2）通用性高,维修简单,维护成本少,尤其是生产线,只要备用减速箱内部几个零件即可确保整线正常生产。 （3）选用新式密封零件,维护性能好,对环境适应性高,能在有腐蚀、潮湿等恶劣环境中持续工作。 （4）降速同时提高输出转矩，转矩输出比例按电机输出乘减速比，注意不能超出减速机额定转矩。 （5）
29、降速时因为转矩增大了，减少了负载惯量，惯量的减少的量为减速比二次幂。 本设计的传送带滚筒的半径为3.5cm,质量为2.35kg,滚筒转动的最小力矩可由力矩公式（3.1）得到。 (3.1)得滚筒转动的最小力矩为0.806N.M。市场上卖的小型三相减速电机最小功率有20W和25W和40W的三相减速电机，异步电机的转矩可以根据公式（3.2）求得。 （3.2） 根据厂家提供的三相异步电机的额定转速为1350r/min,通过计算20W和25W和40W的异步电机的转矩分别为0.142N.M,0.177N.M，0.283N.M，根据经济性和设计的需要我们选用了25W的三相异步电机，速比=电机输出转数减速机输
30、出转数 (速比也称传动比)，而通过和滚筒转动的最小力矩和25W异步电机的转矩相除得最小减速比为约等于5,也就是说要想25W三相减速电机拉动传送带，所选的减速箱的减速比要大于5。根据设计的需要，选择了减速比为50的减速箱。25W三相异步电机的参数如表3.1所示，减速比为50的减速箱的参数如表3.2所示。表3.1 25W三相异步电机参数编 号 参数内容 数 值1 齿轴型号4IK25GN-Y2 额定出力（W）253 电压（V）3220/3804 频率（Hz）50/605 极数 （P）46 起动转矩（kg.cm）4.77 额定转矩（kg.cm）2.058 额定电流（A）0.2/0.129 额定转速（r
31、/min）1350表3.2 减速箱的参数 编 号 参数内容 数 值1 减速比502 最大容许转矩61.8kg.cm3 50Hz额定转速30r/min3.1.4 TCS230颜色传感器 TCS230颜色传感器是TAOS公司推出的一种可以辨别颜色的传感器,技术先进，性能出众，TCS230颜色传感器一出现就迅速占领了这一领域，电路结构简单，能输出数字量功能，在没有A/D转换电路情况下可以实现每个颜色信道10位以上转换精度，使电路结构更简单，方便使用，所以TCS230颜色传感器得到广泛的使用，且不断改进不足之处，引领潮流。TAOS公司不断改正TCS230颜色传感器的缺点，推出TCS3200颜色传感器，
32、这款传感器让TAOS公司继续处于市场竞争优势地位。在使用颜色传感器时，先将颜色传感器白平衡调节，接着系统调试时，将要检查的物体用颜色传感器检测，记下相应的颜色数据，重复多次，将得出的数据求最小值和最大值，然后在编程时可以根据最小值和最大值这个范围将其它颜色数据排除掉。图3.2是TCS230颜色传感器的引脚和功能框图。 依据三原色理论可以知道,每种颜色是由不同比例的三原色(红、绿、蓝)混合而组成的。假如知道组成各种颜色的三原色的值,从而可以得出所测试物体的颜色。当确定一个颜色滤波器时，而其他原色则会被过滤掉。例如:选用蓝色滤波器，入射光中唯有蓝色可以通过,绿色和红色都被过滤掉了，这样就能够获得蓝
33、色光的光强；同理，选用其他的滤波器，就能够获得蓝色光和绿色光的光强。经过这三个值,就能够分析投射到TCS230传感器上的颜色光。从图3.2可知：当TCS230上有入射光投射到时,经过光电二极管控制引脚S2、S3的二进制组合,当电流通过不同的滤波器时，频率转换器输出不同频率的方波(占空比是50%),所以不同的颜色与光强对应不同频率的方波：或者经过输出定标控制引脚S0、S1,选取不同的输出比例因子,调整输出频率范围,可以达到不同的需求。图3.2 TCS230的引脚和功能框图表3.3和表3.4给出了TCS230芯片各个引脚的功能及它的二进制组合选项。选取输出比例因子或电源关断模式可以通过S0、S1组
34、合实现；S2、S3二进制组合可以选取滤波器的类型；当需要控制输出的信号状态或者作为片选信号时，将频率输出使能引脚OE改为低电平即可，片选信号是在当有多个芯片引脚共用微处理器的输入引脚时实现；VCC为芯片供应运行工作电压，OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚。表3.3 S0、S1的组合选项S0S1 输出频率定标LL关断电源LH20% 续表3.3S0S1 输出频率定标LH20%HL100%HH关断电源表3.4 S2、S3的组合选项S2S3滤波器选项LL红色LH蓝色HL无HH绿色3.1.5 STC89C51单片机单片机由控制器和运算器和存储器和输入设备和输出设备五部分组成，而由控制器和运算器
35、组成集合体叫中央处理器（CPU），而CPU和内部数据存储器（RAM）和内部程序存储器（ROM）和定时器/计数器和串行口和中断控制系统组成单片机总线结构，如图3.3所示。而STC89C51单片机是宏晶科技推出的新一代强干扰，高速低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期等功能，在质量还是技术上都比8051领先11。图3.3 单片机总线结构 单片机最小系统也叫最小应用系统,如图3.4所示，也就是用最少的元件构成的单片机能够工作的系统。对51系列单片机来讲,最小系统通常应当包括:单片机、晶振电路、复位电路。复位电路由电容串联电阻组成，当系统的电源得电后,
36、RST脚将会变为高电平,这个高电平保持的时间由电路的RC值来确定.通常单片机都是当RST引脚输入高电平后将保持两个机器周期以上完成复位。为了精确地获得9600波特率和19200波特率，晶振选取应取11.0592MHz。构造单片机系统都从单片机最小系统开始构造，可以说一个复杂的单片机系统都是单片机最小系统的扩展，所以单片机最小系统显得非常重要。图3.4 单片机最小系统3.1.6 推杆电机推杆电机是一种新型的电动执行机构，推杆电机由驱动电机、减速齿轮、螺杆推杆、滑座、弹簧、外壳及涡轮、微动控制开关等构成，能够达到远距离控制、集中控制的作用。它的工作原理是电动机通过齿轮减速后，齿轮带动蜗杆转动，产生
37、直线运动，如摇杆或连杆等单元可实现转动、摇动等复杂动作。或者改变杠杆力臂大小，能够增大行程。按实际情况来选择推杆电机的速度和行程，而气缸的速度明显加快，但推杆电机力矩是气缸的几十倍，且速度很稳定。推杆电机在一定行程范围内作往返动作，通常推杆电机行程根据实际需要来选择行程，如果没有合适的行程，可以依据不同应用情况要求设计定做。推杆电机能够依据不同的运行负荷来设计不同推力的推杆电机，通常其最大推力达到6000N，空载情况下运转速率为4mm35mm/s,推杆电机的动力源一般是24V/12V直流永磁电机，将电机的旋转运动转变为直线往返运动。稳定性好，大力矩，所以推杆电机执行单元比气动执行单元有显著节能
38、优点，应用在各行各业中，得到广泛的应用。所以本设计选用推杆电机执行传送带的推料动作，应用在废品的分拣过程中，根据设计需要选用输入电源为24V直流电压，行程为100mm，速度为9mm/s的推杆电机。3.1.7 光电传感器光电传感器是主要由光源、光学通路和光电元件三部分构成的一类作为检测单元的传感器。光电传感器又可以分为发送器、接收器和检测电路构成，它的工作过程是将发送器对准目标发射光束，光束持续地发射，当光束发生变化，将被测量的变化转化为光信号的变化，然后利用光电元件将光信号转化为电信号。接收器由光电二极管或者光电三极管或者光电池构成。接收器的前面需要用到装有光学元件如透镜和光圈等。而检测电路在
39、其后面，能过滤出有用信号和使用该信号，光电传感器又可分为对射型和漫反射型12。对射式光电传感器：发射器和接收器在同一直线上，且彼此分开，当发射器发射出的光束被阻挡时，接收器没有接受到光束，接收端在信号线上输出一个开关信号，它们之间的距离最高可达50米远间隔。特点：作用距离大，抗干扰能力强，能够安全可靠地在野外或者有尘埃的环境中也可以应用；该设备的价格高，由于发射器和接收器需要接电源，造成损耗高，发射端和接收端都需要敷设电缆，透明的物体不能辨别12。 漫反射型光电传感器：当传感器启动后，能发射光束，照射到目标上，使目标产生漫反射，发射器和接收器集合在单一的标准结构，当接收器接受到充足的组合光返回
40、时，传感器在信号线上输出开关信号，作用距离的一般可达到到3米。特点：目标表面性质和和颜色对目标的反射能力影响很大，而目标的反射能力决定有效作用距离，起重要的作用；当传感器的反射端和接收端由单个元件构成时，一般是能够实现粗定位；选用背景抑制功能可以调节测量距离；对目标上的尘埃敏感和对目标变化了的反射性能敏感12。本设计选用对射式光电传感器，设计之初，选择检测距离是10cm漫反射式光电传感器，但发现漫反射式光电传感器检测距离超出了它规定的检测距离，达到17cm，引起的误差很大。最后决定选择了对射式光电传感器作为颜色辨别箱内的工件到来检测，对射式光电传感器的检测距离取决于发射端和接收端的距离，它检测
41、距离可达50米，而本设计不需要长距离检测，最重要是使用它能设定检测距离这个优点，并且它比漫反射式的抗干扰能力和稳定性都增强，可以设定好检测距离为10cm，很大程度减少了误差，抗干扰增强，弥补了漫反射式光电传感器的不足。而本次设计将漫反射式光电传感器用在检测距离要求不高的地方，如传送带始端和尾端工件位置检测，两种光电传感器的电源由直流24V电源提供，NPN型三线输出，光电传感器的电源不用PLC提供的24V直流电源，采用外部直流24V开关电源提供电压，保护PLC输入I/O口，光电传感器的接受器和发射器电路图如图3.5所示。 (a) (b)图3.5 对射式光电传感器的电路图(a) 接收器;(b）发射
42、器3.1.8 直流24V开关电源 开关电源是使用的是脉冲宽度调制（PWM）技术，为了达到设置的电压值和保持稳定输出电压，可以通过控制开关管的导通和关断的时间比值也就是占空比实现。PWM开关电源利用功率晶体管不断工作在导通与关断的状态，由这两种状态可以看出，功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）功率器件上的伏安乘积便是功率半导体器件上所产生的消耗13。 脉冲的占空比通过调节开关电源的控制器来实现。对输入的电压斩成交流方波，其幅值也就可以通过增加或减少变压器的二次绕组数就能够增加或者降低输出的电压值。所以这些交流波形再通过整流和滤波后就获得稳定的直流输
43、出电压13。控制器的主要用途是为了保持输出电压的稳定，其工作过程与线性形式的控制器差不多。即控制器的功能块、电压参考和误差放大器，能够设计成与线性调节器一样功能。它们结构存在差异，在驱动功率管之前，误差放大器的输出（误差电压）就要通过一个电压/脉冲宽度转换单元13。本设计选取直流24V电源，设计之初，考虑到需要直流24V电源的各种用电设备额定电流，所以在买24V直流电源的额定电流留下很大裕度，选取了额定电流为10A的24V直流电源，功率为240W。足够驱动光电传感器，推杆电机等设备。利用电力电子技术的24V直流电源能提供优质的电压，质量都得到很大保证。系统使用了外部直流24V电源大大方便了光电
44、传感器，推杆电机等用电需要，而不用PLC里面的内部24V电源，因为PLC里面的内部24V电源额定电流低于1A，而推杆电机的额定电流是1A，光电传感器的额定电流是300mA，而本设计需要6个光电传感器，所以PLC里面的内部24V电源的功率不足提供这么多用电设备。3.1.9 空气开关空气开关是断路器的一种，具有过流保护的作用，只要电路的电流超过空气开关断路器的额定电流就会使空气开关断路器迅速跳闸，从而保护用电设备的安全。空气开关还有另一些功能比如能完成接触和分断电路的作用，如开关一样，可以对过载和欠电压等进行保护，也能够作为电机不频繁的启动和停止操作。空气开关具有控制和多种保护作用，被普遍应用在低
45、压配电网络中以及电力拖动系统中且扮演非常重要角色。空气开关的结构由触头系统和灭弧系统和脱扣系统组成，如图3.6所示。 DZ47系列小型断路器的频率为交流50/60Hz,额定工作电压为240V及以下，最大额定电流可达60A。 DZ47系列小型化断路器组成特点由塑料外壳、操作机构、触头灭弧系统、脱扣机构等构成。外壳选用了高阻燃、高强度的特种塑料。触头灭弧结构采取了特殊的导弧角和过道灭室，从而获得出色的限流特点。在现代建筑物的电气线路及设备的过载、短路保护中人们广泛选用DZ47系列空气开关，另外也被用在线路的不频繁操作及隔离。本设计要对系统进行过载和欠电压等进行保护，所以购买了三个2P，交流220V
46、输入的DZ47系列小型断路器，其中DZ47LE-32 C32空气开关作为总的过电流保护，剩下两个空气开关都接在它的输出端，DZ47LE-60 C20空气开关作为PLC和24V直流开关开源等的过电流保护，由于变频器需要一个电流保护设备，所以加了一个空气开关在变频器的电源输入电路中，变频器是单相220V电压输入，输入的额定输入电流是8.2A，选择交流220V电压和额定电流为10A的空气开关作为保护变频器的设备，所以选取了正泰DZ47LE-32 C10型的空气开关。图3.6 空气开关断路器的结构组成3.1.10 中间继电器 中间继电器(intermediate relay)主要用于继电保护和自动控制
47、系统中，目的是增加触点数和容量。它常用在控制电路中传递中间信号。中间继电器和交流接触器的的结构和原理类似，与接触器的不同的是接触器的主触头能够承受大电流，而中间继电器的触头则只允许小电流流过。因此，它多被用在控制电路中。因为过载能力比较小，通常是没有主触点的，所以辅助触头数目很多。中间继电器的现在用字母K表示，以前采用KA表示。通常采用直流电源，也有用交流供电。中间继电器的工作原理跟一般继电器一样，都是将铁心绕有线圈，通电将衔铁吸取，衔铁带动相应常开常闭触点动作。线圈绕在U形铁心上，铁心上头有一个可以活动的衔铁，铁心两侧安装有两排触点弹片。在失电的情况下触点弹片会使衔铁恢复原位，能使衔铁和铁心之间保持一定空间。当气隙间的电磁力矩小于反作用力矩时，衔铁被吸向铁心移动，此时衔
