分揀系統(tǒng)在自動化生產(chǎn)中的原理仿真及功能實(shí)現(xiàn)

李霞

摘要：本文介紹了一套適用于教學(xué)的用于原理仿真的分揀系統(tǒng)，介紹了該分揀系統(tǒng)的部件組成、控制原理和工作流程，使用了傳感器、PLC、變頻器、觸摸屏等自動化控制重要元器件，重點(diǎn)闡述了編碼器在定位功能中的使用，并提示了在調(diào)試過程中的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：分揀系統(tǒng) PLC 原理傳真 功能實(shí)現(xiàn)

【中圖分類號】TP391.9

一、引言

分揀系統(tǒng)是自動化生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，針對分揀對象物理特性的不同，各類分揀系統(tǒng)有著各自不同的功能，本文所闡述的分揀系統(tǒng)，其功能主要是對不同材質(zhì)、不同顏色的物料進(jìn)行分揀。文中所舉設(shè)備原先是自動化生產(chǎn)線的一個節(jié)點(diǎn)，為了讓更多的學(xué)生有機(jī)會接觸到這種典型的自動化設(shè)備，也為了讓學(xué)生在學(xué)完P(guān)LC、變頻器、傳感器等課程后，能綜合運(yùn)用這些技術(shù)，作者把分揀系統(tǒng)獨(dú)立出來，作為實(shí)訓(xùn)課程用。一方面，相對于整套自動化生產(chǎn)線設(shè)備，難度降低了，更利于大部分學(xué)生消化吸收。另一方面，也不超出實(shí)訓(xùn)課程的時間要求。

分揀系統(tǒng)獨(dú)立出來后，作者對它進(jìn)行了幾點(diǎn)更改：

1、增加供料倉，包含頂料和推料，代替聯(lián)機(jī)時機(jī)械手的放料動作，或者單機(jī)時手動放料，以給學(xué)生提供完整工序體驗(yàn)。

2、在控制推桿動作時，采用了編碼器計數(shù)，并且增加了在觸摸屏上設(shè)定推桿的脈沖數(shù)量的功能，這樣，當(dāng)硬件有所調(diào)整時或者皮帶運(yùn)動速度變化時，不需要修改程序，只要在觸摸屏上修改即可，優(yōu)于之前的傳感器信號控制方式，而且程序更簡單。

3、在料槽入口處，增加了傳感器，以準(zhǔn)確計算進(jìn)入料槽的個數(shù)。并在觸摸屏上直觀顯示出來。同時，可以滿數(shù)清零。

4、當(dāng)發(fā)生緊急情況時，觸摸屏上的停止按鈕，可以急停。在硬件上，也設(shè)置了急停開關(guān)，保證安全。

麻雀雖小，五臟俱全，系統(tǒng)中涵蓋了PLC、變頻器、編碼器、觸摸屏等設(shè)備，學(xué)生通過訓(xùn)練，既可以加深相關(guān)理論知識的理解，也能提高相關(guān)應(yīng)用技能，特別是對于編碼器在定位中的優(yōu)勢體會和使用方法。

二、分揀系統(tǒng)組成和功能

分揀系統(tǒng)一般是自動化生產(chǎn)線的最后一站，主要功能是對已經(jīng)加工的工件進(jìn)行分揀。系統(tǒng)主要由四部分組成：

第一是檢測部分，主要是各類傳感器。

第二是執(zhí)行部分，如推料氣缸。

第三是傳輸部分，如電機(jī)、輸送帶。

第四就是控制部分了，也是保證系統(tǒng)有序工作的關(guān)鍵部分。

下面依次對各部分做簡要說明。

1、檢測部分

傳感器是實(shí)現(xiàn)自動化的前提之一，是自動生產(chǎn)線的眼睛。由24V的開關(guān)電源供電。本系統(tǒng)中，根據(jù)工件的運(yùn)送方向，依次用到了漫射式光電傳感器、電感式傳感器、光纖型傳感器。另外，氣缸上安裝了磁感應(yīng)開關(guān)，以及用來檢測物料運(yùn)行過程的當(dāng)前位置的旋轉(zhuǎn)編碼器。

在這里主要介紹旋轉(zhuǎn)編碼器的主要實(shí)現(xiàn)功能，旋轉(zhuǎn)編碼器是一種集光、電、機(jī)為一體的數(shù)字化檢測裝置，主要功能是通過光電轉(zhuǎn)換，將輸出至軸上的機(jī)械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字信號的傳感器，主要用于速度或位置（角度）的檢測。按照工作原理，有增量式和絕對式兩類，本系統(tǒng)使用的是增量式編碼器。在增量編碼器的碼盤上等角距地在兩條碼道開有透光的縫隙，內(nèi)外碼道的相鄰兩縫隙距離錯開半條縫寬，在第三條碼道上只開有一個透光狹縫，表示碼盤零位。在碼盤兩側(cè)面分別安裝有光源和光電接收元件。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動時，光源經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域，每個碼道將有一系列光脈沖由光電元件輸出，碼道上有多少縫隙就有多少個脈沖輸出，經(jīng)放大整形后形成A、B兩列脈沖。并且，通過比較A、B兩相脈沖的相位，來判斷正反轉(zhuǎn)。

本分揀系統(tǒng)使用了這種具有A、B 兩相90?相位差的通用型旋轉(zhuǎn)編碼器，用于計算工件在傳送帶上的位置。編碼器直接連接到傳送帶主動軸上。該旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率為500線，工作電源DC12～24V。本工作單元沒有使用Z相脈沖，A相輸出端直接連接到PLC（FX2N-48MR）的高速計數(shù)器輸入端。

2、傳輸部分

傳輸部分主要由輸送帶、電機(jī)組成。電機(jī)是減速電機(jī)，因?yàn)槭欠謷^(qū)，應(yīng)低速運(yùn)行。電機(jī)由變頻器驅(qū)動，變頻器由觸摸屏和PLC控制。

采用的三相減速電機(jī)，用于拖動傳送帶從而輸送物料。它主要由電機(jī)支架、電動機(jī)、聯(lián)軸器等組成。三相電機(jī)是傳動機(jī)構(gòu)的主要部分，電動機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢由變頻器來控制，其作用是帶傳送帶從而輸送物料。電機(jī)支架用于固定電動機(jī)。聯(lián)軸器由于把電動機(jī)的軸和輸送帶主動輪的軸聯(lián)接起來，從而組成一個傳動機(jī)構(gòu)。

3、控制部分

本分揀系統(tǒng)用到了PLC與觸摸屏、變頻器等起控制作用的器件。

PLC是本系統(tǒng)的控制核心。本系統(tǒng)選用三菱FX2N-48MR。PLC接收各傳感器發(fā)送過來的信號，執(zhí)行輸出，驅(qū)動各執(zhí)行元件動作。同時與觸摸屏進(jìn)行實(shí)時通訊，為觸摸屏的顯示提供數(shù)據(jù)，并對于觸摸屏送來的信息進(jìn)行處理等。觸摸屏與PLC系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和交換，將設(shè)定參數(shù)寫入PLC，也可將PLC、及變頻器內(nèi)部參數(shù)讀入觸摸屏，實(shí)現(xiàn)了模擬量、數(shù)字量的實(shí)時監(jiān)控，目標(biāo)值的設(shè)定等

變頻器主要用來驅(qū)動電機(jī)，并對其進(jìn)行調(diào)速。從原理上來講，它主要是利用了電力電子技術(shù)，把電壓和頻率恒定的電網(wǎng)電壓變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的交流電。根據(jù)能量轉(zhuǎn)變形式看，可分為交-交、交-直-交兩類。交交變頻器沒有中間濾波環(huán)節(jié)，電網(wǎng)交流電被直接變成可調(diào)頻調(diào)壓的交流電。交-直-交變頻器通過整流器整為直流，經(jīng)過中間濾波環(huán)節(jié)后，再用逆變器將直流電變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的交流電。

變頻器在本系統(tǒng)用于驅(qū)動傳送帶。選用三菱FR-E700 系列變頻器中的FR-E740-0.75K-CHT 型變頻器，屬于交-直-交類型。變頻器的接線如圖6。

4、執(zhí)行部分

氣缸是完成分揀的執(zhí)行者。本系統(tǒng)中，使用了三個由二位五通的帶手控開關(guān)的單電控電磁閥，它們安裝在匯流板上。這三個閥分別對金屬、白料和黑料推動氣缸的氣路進(jìn)行控制，以改變各自的動作狀態(tài)。

氣動控制回路的工作原理如圖5-3 所示。圖中1A、2A 和3A 分別為分揀一氣缸、分揀二氣缸和分揀三氣缸。1B1、2B1 和3B1 分別為安裝在各分揀氣缸的前極限工作位置的磁感應(yīng)接近開關(guān)。1Y1、2Y1 和3Y1 分別為控制3 個分揀氣缸電磁閥的電磁控制端。

5、觸摸屏

觸摸屏由24V開關(guān)電源供電，通過觸摸屏可以啟動、停止系統(tǒng)。并且可以手動推桿，屏幕上可以顯示當(dāng)前已進(jìn)入各槽的物料個數(shù)。料滿指示燈亮。

三、分揀系統(tǒng)的流程控制

本分揀系統(tǒng)的完整工作流程如下：

為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需為編寫梯形圖計算數(shù)據(jù)，分配I/O表，繪制電氣接線圖。

四、調(diào)試

1、電機(jī)的調(diào)試

完成機(jī)械部分和電氣部分的安裝接線后，進(jìn)行電動機(jī)試運(yùn)行是必要的，這可以檢查機(jī)械裝配的質(zhì)量，以便作進(jìn)一步的調(diào)整。用變頻器驅(qū)動電動機(jī)試運(yùn)行。設(shè)置Pr.79 =2，把調(diào)速電位器的三個引出端①、②、③端分別連接到變頻器的端子⑩、②、⑤，并向左旋動電位器到底；接通電源后，撥通STF 端子左邊的鈕子開關(guān)，慢慢向右旋動電位器，可以看到電動機(jī)正向轉(zhuǎn)動，變頻器輸出頻率逐漸增大，電動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高。

2、旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖當(dāng)量的現(xiàn)場測試

根據(jù)傳送帶主動軸直徑計算旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖當(dāng)量，其結(jié)果只是一個估算值。在分揀單元安裝調(diào)試時，除了要仔細(xì)調(diào)整盡量減少安裝偏差外，尚須現(xiàn)場測試脈沖當(dāng)量值。測試方法的步驟如下：

⑴ 分揀單元安裝調(diào)試時，必須仔細(xì)調(diào)整電動機(jī)與主動軸聯(lián)軸的同心度和傳送皮帶的張緊度。調(diào)節(jié)張緊度的兩個調(diào)節(jié)螺栓應(yīng)平衡調(diào)節(jié)，避免皮帶運(yùn)行時跑偏。

⑵安裝調(diào)整結(jié)束后，變頻器參數(shù)設(shè)置為：Pr.79 = 2，Pr.4=30Hz

⑶ 編梯形圖，編譯后傳送到PLC。

⑷ 運(yùn)行PLC 程序，并置于監(jiān)控方式。在傳送帶進(jìn)料口中心處放下工件后，按啟動按鈕啟動運(yùn)行。工件被傳送到一段較長的距離后，按下停止按鈕停止運(yùn)行。觀察監(jiān)控界面上C235 的讀數(shù)，將此值填寫到表3的“高速計數(shù)脈沖數(shù)”一欄中。然后在傳送帶上測量工件移動的距離，把測量值填寫到表中“工件移動距離”一欄中；把監(jiān)控界面上觀察到的高速計數(shù)脈沖值，填寫到“高速計數(shù)脈沖數(shù)”一欄中，則脈沖當(dāng)量μ計算值=工件移動距離/高速計數(shù)脈沖數(shù)，填寫到相應(yīng)欄目中。

⑸ 重新把工件放到進(jìn)料口中心處，按下啟動按鈕即進(jìn)行第二次測試。進(jìn)行三次測試后，求出脈沖當(dāng)量μ平均值為：μ=（μ1+μ2+μ3）/3=0.2576。

表3 脈沖當(dāng)量現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表

按如圖5所示的安裝尺寸重新計算旋轉(zhuǎn)編碼器到各位置應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)：當(dāng)工件從下料口中心線移至傳感器中心時，旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出456 個脈沖；移至第一個推桿中心點(diǎn)時，發(fā)出650個脈沖；移至第二個推桿中心點(diǎn)時，約發(fā)出1021個脈沖；移至第三個推桿中心點(diǎn)時，約發(fā)出1361個脈沖。需要指出的是，每當(dāng)待分揀工件下料到進(jìn)料口，電機(jī)開始啟動時，必須對C235的當(dāng)前值進(jìn)行一次復(fù)位（清零）操作。

3、傳感器

在接近開關(guān)的選用和安裝中，應(yīng)調(diào)節(jié)好傳感器的靈敏度，保證可靠動作。

4、推桿速度

調(diào)節(jié)氣缸的節(jié)流閥來控制推桿的速度，以免推力過大。

五、結(jié)束語

本文是一篇用于教學(xué)的分揀系統(tǒng)的論文。文章首先說明了系統(tǒng)的組成及工作流程，后著重闡述了系統(tǒng)的控制和實(shí)現(xiàn)，以及調(diào)試過程中注意事項(xiàng)，可有效指導(dǎo)學(xué)生在本設(shè)備上完成相關(guān)課程實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。限于篇幅，論文仍有未詳盡之處，學(xué)生在今后學(xué)習(xí)中當(dāng)認(rèn)真聽取授課教師的講解，積極動手，完成訓(xùn)練任務(wù)，達(dá)到學(xué)習(xí)知識和提高技能目的。

參考文獻(xiàn)：

（1） 王烈準(zhǔn)，主編.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

（2）何用輝，主編.自動化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

（3） 三菱FX系列可編程控制器編程手冊

（4） 三菱FR-E700變頻器使用手冊