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1、基于PLC的自动控制分拣系统的设计摘 要 机械手自动分拣装置是一种高速自动化生产线上的金属与非金属自动分拣设备，其工作流程是物料盘负责输送物料，一旦有物料进入准备状态，则启动机械手搬运机构;然后机械手快速定位到物料的正上方，下降抓取物料、提升并释放至指定位置;待物料被释放后，传送装置联动，并根据金属与非金属的特点进行分拣;机械手则迅速返回，等待下一轮分拣抓取。关键词: PLC，分拣装置，控制系统，传感器一、材料分拣装置结构及总体设计PLC控制分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型。本章主要介绍分拣装置的工艺过程及控制要求。要想进行P
2、LC控制系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工艺过程、工作特点，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段之间的转换条件。1.1 物料分拣平台图为机械手自动分拣装置，它包括物料盘、机械手、输送带、金属和非金属通道等。1.2 材料分拣装置工艺流程概述系统的技机械手自动装置的工艺流程如下。(1) 按启动按钮后，启动送料电动机驱动放料盘旋转，物料由送料槽滑到物料提升位置，物料检测光电传感器开始检测。 (2) 送料电动机运行一定时间后机构已经无物料，如果物料检测光电传感器仍未检测到物料，则说明送料机构已经无物料，这时要停机并报警。 (3) 当物料检测光电传感器检测到有物料，将发出信号，上
3、料单向电磁阀驱动上料，机械手臂伸出手爪下降抓物，然后手爪提升臂缩回，手臂向右旋转到右限位，手臂伸出，手爪下降将物料放到传送带上。 (4) 传送带输送物料，传感器则根据物料性质(金属和非金属)，分别控制相应电磁阀使汽缸动作，对物料进行分拣。 (5) 最后机械手返回原位重新开始下一个流程。1.3系统的控制要求(1) 输入电源为三相380V电源。(2) 机械手自动分拣装置的控制核心要求为小型PLC(如西门子S7-200) 。(3) 整机工作流程如图所示。二、送料与搬运机构的控制PLC控制系统的硬件设计，主要是根据被控制对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备，选择合适的PLC
4、类型，并分配I/O点。2.1送料与搬运机构的组成部分机械手自动分拣装置的第一部分是送料机构。所有的物料在放料转盘的转动下，逐个通过物料滑槽，等待提升汽缸从提升台向上运送。(1) 放料转盘 转盘中共放有两种物料，一种是金属物料，另一种是非金属物料。 驱动电动机:电动机采用24V直流电动机，用于驱动放料转盘旋转。(2) 物料滑槽 放料转盘旋转，物料互相推挤趋向入料口，物料则从入料口顺着滑槽落到提升台上。(3) 提升台 提升台是将物料和滑槽有效分离，并确保每次只上一个物料，它采用上料汽缸进行动作2.2 送料机构机械手分拣装置的搬运机构能完成4个自由度动作，即手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。
5、(1) 手爪提升汽缸:提升汽缸采用双向电控气阀控制，汽缸伸出或缩回可任意定位。 (2) 磁性开关:检测手爪提升汽缸处于伸出或缩回位置。 (3) 手爪:抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性开关有信号输出，指示灯亮，单向电控气阀断电，手爪松开。 (4) 旋转汽缸:机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制。 (5) 接近传感器:机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。 (6) 双杆汽缸:机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。汽缸上装有两个磁性开关，检测汽缸伸出或缩回位置。 (7) 缓冲器:旋转汽缸高速正转和反转到位时，起缓冲减速作用。2.3 送料与搬运机构的传感器选型物料
6、检测为光电漫反射型传感器，主要为PLC提供一个输入信号。如果有物料在提升台上，就会驱动提升汽缸提升物料;如果运行中，光电传感器没有检测到物料，并保持一定的时间后，让系统停机然后报警。红外线光电开关所发射的红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380780nm，发射波长为780nmlmm的长射线称为红外线，一般红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。图为各种不同频率与波长的电磁射线。图为光电开关的工作原理示意，由光电开关内部振荡回路产生的调制脉冲先经反射电路后，由发射管辐射出光脉冲;当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏二极管;并在接
7、收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时(或不延时)触发驱动器输出光电开关控制信号。在机械手自动分拣装置中，应用最常见的是一种直接反射光电开关，如下图所示。它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的是够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，直接反射式的光电开关是首选的检测模式。三、执行机构的选型3.1 双向电磁阀搬运机构共有4个主要的气动执行机构，即旋转汽缸、臂汽缸、提升汽缸和夹紧汽缸，都用双向电磁阀来控制4个汽缸的进气和出气，
8、从而实现汽缸的伸出、缩回运动。双向电磁阀的工作原理为:电磁阀通电时，电磁力将先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在膜片周围形成上低下高的压差，推动膜片向上移动，阀门打开，电磁阀双向流通;断电时弹簧力把先导孔关闭，当进口压力大于出口压力，阀门双向关闭，当进口压力小于出口压力时，电磁阀逆向可流通。下图为搬运机构常用的两位五通双向电磁阀，它具有1个进气孔(接进气源)、1个正动作出气孔和1个反动作出气孔(分别提供给目标设备的一正一反动作的气源),1个正动作排气孔和1个反动作排气孔。在两位五通电磁阀工作的气路中，给正动作线圈通电，则正动作气路接通(正动作出气孔有气)，即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接
9、通的，将会一直维持到给反动作线圈通电为止;给反动作线圈通电，则反动作气路接通(反动作出气孔有气)，即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给正动作线圈通电为止。这种现象就相当于“自锁”。基于两位五通双电控电磁阀的这种特性，在设计机电控制回路或编制PLC程序时，可以让电磁阀线圈动作12s就可以了，这样可以保护电磁阀线圈不容易损坏。 下图所示是由两位五通电磁阀和4个汽缸所组成的机械手搬运机构的气路。 3.2 单向电磁阀上料汽缸使用的是单向电磁阀。当电磁阀得电时，物料提升台上升，当电控气阀断电时则物料提升台下降。下图所示为典型的上料汽缸。 提升汽缸的正确运动使物料被运送到相应的位
10、置，只要交换进出气的方向就能改变汽缸的伸出(缩回)运动。与提升汽缸相对应的是单向电控阀，它用来控制汽缸单个方向运动，实现汽缸的伸出、缩回运动。单向与双向电控阀的区别在于:_双向电控阀初始位置是任意的，可以随意控制两个位置，而单控阀初始位置是固定的，只能控制一个方向，如下图所示。 3.3 提升汽缸的到位检测为了确保汽缸动作的正确性，通常还要在汽缸上安装传感器，用于检测汽缸伸出和缩回是否到位。由于提升汽缸的动作为开关形式，因此只需要在汽缸的前点和后点上各安装一个，当检则到汽缸准确到位后，就给PLC或上位机发出一个信号。由于汽缸运动部件是处于金属壳体内部，这时就无法使用光电开关、电感开关等常用的接近
11、开关来进行检测，在这种情况下可以考虑采用能测量永久变化的磁感应式接近开关。如下图是利用磁性开关来测量汽缸活塞运动位置的示意图。四、送料和搬运机构的程序编制与调试4.1 端口配置根据控制工艺要求，列出送料和搬运机构的输入资源配置。序号输入地址说明1I0.0启动2I0.1停止3I0.2手爪夹紧传感器4I0.3旋转右限位(接近)5I0.4伸出臂前点6I0.5缩回臂后点7I0.6提升汽缸上限位8I0.7提升汽缸下限位9I1.0上料汽缸上限位10I1.1上料汽缸下限位11I1.2物料检测(光电)根据控制工艺要求，列出送料和搬运机构的输出资源配置。序号输入地址说明1Q0.0驱动电动机2Q0.1上料电磁阀3
12、Q0.2臂汽缸伸出4Q0.3臂汽缸返回5Q0.4提升汽缸下降6Q0.5提升汽缸上升7Q0.6旋转汽缸正转8Q0.7旋转汽缸反转9Q1.0驱动手爪夹紧10Q1.1启动指示4.2接线图画出送料和搬运机构的PLC控制外部接线图，如下图所示。 4.3 参考程序本程序编制最大的特点是采用了步序状态字，采用步序状态字的变化来实现送料和搬运机构的12个步骤。步序状态字步序动作要求VW0=0如M0.0 = OFF，则为停机状态;如M0.0=ON，则为一个流程走完，即将进入下一个流程:在定时5秒内物料检测ON时，则转入步序运行1;否则确认为动作故障VW0=1 驱动提升物料;在定时5s内提升汽缸动作到位(上限位)
13、时，则转入步序运行2;否则确认为动作故障VW0=2臂汽缸伸出;在定时5s内伸出臂前点动作到位时，则转入步序运行3;否则确认为动作故障VW0=3臂汽缸缩回;在定时5s内伸出臂后点限位ON时，则转入步序运行4;否则确认为动作故障VW0=4提升汽缸下降;在定时5s内提升汽缸下限位ON时，则转入步序运行5;否则确认为动作故障VW0=5 驱动手爪夹紧;在定时5s内手爪夹紧限位ON时，则转入步序运行6;否则确认为动作故障VW0=6提升汽缸上升;在定时5s内提升上限位ON时，则转入步序运行7;否则确认为动作故障VW0=7臂汽缸缩回;在定时5s内伸出臂后点动作到位时，则转入步序运行8;否则确认为动作故障VW0
14、=8旋转汽缸正转;在定时5s内右限位动作到位时，则转入步序运行9;否则确认为动作故障VW0=9提升汽缸下降;在定时5s内提升汽缸下限位ON时，则转入步序运行10;否则确认为动作故障VW0=10驱动手爪放松;在定时5s内手爪夹紧限位OFF时，则转入步序运行11;否则确认为动作故障VW0=11提升汽缸上升;在定时5s内提升上限位ON时，则转入步序运行12;否则确认为动作故障VW0=12旋转汽缸反转;在定时5s内右限位动作到位时，则转入步序运行0;否则确认为动作故障VW0=99故障:复位步序运行继电器M0.04.4程序图结 论 物料分拣采用可编程控制器PLC 进行控制，能连续、大批量地分拣货物，分拣
15、误差率低且劳动强度大大降低，可显著提高劳动生产率。而且，分拣系统能灵活地与其他物流设备无缝连接，实现对物料实物流、物料信息流的分配和管理。 其设计采用标准化、模块化的组装，具有系统布局灵活，维护、检修方便等特点，受场地原因影响不大。 同时，只要根据不同的分拣对象，对本系统稍加修改即可实现求。 本系统采用的可编程控制器，只要结合不同的传感器，比如根据材料的属性、尺寸的大小、物体的颜色等选择相应的传感器，就可对不同的物料进行分拣，具有广泛的应用前景。参考文献1 孙平 可编程控制器原理及应用 北京高等教育出版社 1999年2 张桂香 电气控制与PLC应用 化学工业出版社 2006年3 张运波 工厂电气控制技术 化学工业出版社 2001年4 余雷声 电气控制与PLC应用 化学工业出版社 2001年5 王兆义 小型可编程控制器实用技术 化学工业出版社 2002年6 张泽荣 可编程控制器原理及应用 化学工业出版社 2002年7 李景学 可编程序控制器应用系统设计及方法 化学工业出版社 2001年8 田瑞庭 可编程控制器应用技术 化学工业出版社 1994 年
