基于PLC控制系統(tǒng)的水果裝盒系統(tǒng)設(shè)計研究

謝承

摘要：隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，養(yǎng)生理念的提出，水果行業(yè)迅速發(fā)展，水果商店已有原來的“路邊攤”形式轉(zhuǎn)型為現(xiàn)代流行的中高端水果超市。進而對水果的包裝提出了更高的要求。很多水果由原來的散稱形式轉(zhuǎn)變?yōu)榫篮醒b售賣。但水果種植面積的不斷提升和采摘能力的不斷加強，人工水果裝盒被自動化設(shè)備取代已成必然。為此，本文對水果自動裝盒系統(tǒng)進行了設(shè)計，以三菱FX3U型PLC為控制中心，控制機械手實現(xiàn)水果裝盒全自動化，旨在降低水果裝盒人力成本和提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：三菱PLC、水果自動裝盒系統(tǒng)、機械手

0 引言

現(xiàn)代水果種植已經(jīng)由傳統(tǒng)的農(nóng)民小規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)榧写笠?guī)模形式。再加之農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化能力的提高，種植、噴藥、采摘機械手等自動化設(shè)備的運用，對水果裝盒效率就提出了更高的要求。本文研究的水果裝盒系統(tǒng)可針對多種水果進行裝盒，而不同水果形狀和軟硬程度不同，這就要求其柔性化程度更高。而裝盒作業(yè)為低難度重復性作業(yè)，本身人力成本不高。故要求本系統(tǒng)的設(shè)計成本在可接受范圍內(nèi)。為保證水果裝盒系統(tǒng)準確完成裝盒任務，通過三菱FX3U型PLC控制器對其進行控制，選擇3臺步進電機作為機械手執(zhí)行單元，提高其操作準確性及定位精度。

1 水果裝盒機械手的硬件設(shè)計

1.1 水果裝盒系統(tǒng)總體設(shè)計

該水果裝盒系統(tǒng)以三菱FX3UPLC為控制核心，由三臺步科三相步進電機組成驅(qū)動系統(tǒng)，以傳感器、電磁閥、氣源、吸盤組成檢測及執(zhí)行機構(gòu)，以水果定位系統(tǒng)為輔助機構(gòu)。整個系統(tǒng)完成對不同水果的自動裝盒。

1.2 水果裝盒系統(tǒng)各模塊設(shè)計

（1）控制模塊的設(shè)計

分析水果裝盒系統(tǒng)需求得出其一共需要13個輸入端子和9個輸出端子，主要輸入輸出見圖1。因此選擇PLC型號為三菱PLC FX3U-32M型。以下建立PLC控制系統(tǒng)I/O分配表如下：X000：水果類型選擇按鈕，按一次水果定位模具向左移動一格。X001：水果類型選擇按鈕，按一次水果定位模具向右移動一格。X002：水果定位到位傳感器，主要作用是檢測水果定位模具中是否有水果。X003：系統(tǒng)啟動按鈕。X004：系統(tǒng)停止按鈕。X005：系統(tǒng)急停按鈕。X006：系統(tǒng)復位按鈕。X007：機械手步進電機1正轉(zhuǎn)限位。X010：機械手步進電機1反轉(zhuǎn)限位。X011：機械手步進電機2正轉(zhuǎn)限位。X012：機械手步進電機2反轉(zhuǎn)限位。X013：機械手步進電機3正轉(zhuǎn)限位。X014：機械手步進電機3反轉(zhuǎn)限位。Y000：控制機械手步進電機1脈沖（位置）。Y004：控制機械手步進電機1方向。Y001：控制機械手步進電機2脈沖（位置）。Y005：控制機械手步進電機2方向。Y002：控制機械手步進電機3脈沖（位置）。Y006：控制機械手步進電機3方向。Y007：控制末端抓手吸盤吸氣。Y011：水果定位電機左轉(zhuǎn)一格。Y012：水果定位電機右轉(zhuǎn)一格。

（2）水果定位輔助模塊設(shè)計

不同水果通過傳送帶和滑軌傳送至裝盒機械手抓取的目標位置，但由于水果傳送的隨機性和水果種類的不同性，導致水果不能以相同姿態(tài)放置在目標位置，基于該種情況，設(shè)計出水果定位輔助模塊。該模塊由不同水果的模具組成，每種模具可固定一種相應水果姿態(tài)。同時系統(tǒng)可通過PLC左右控制三相異步電機移動不同水果的模具，達到以同一姿態(tài)可裝盒多種類型水果的目的。

（3）驅(qū)動模塊設(shè)計

本模塊核心為由三臺步進電機組成的三軸機械手，用以抓取已經(jīng)在水果定位模具上定位好的水果。步進電機1控制機械手的旋轉(zhuǎn)，步進電機2控制機械手的左右移動，步進電機3控制機械手的上下移動。通過PLC對三臺步進電機邏輯控制，完成將水果從模具目標位置移動至水果盒位置的工作工程。

（4）末端抓手執(zhí)行模塊設(shè)計

由于末端抓手抓取的水果種類不同，大小不同，硬度也不同。所以設(shè)計出一種適合多種水果的末端抓手裝置尤為重要，本系統(tǒng)采用軟吸盤+氣源的設(shè)計方法，用軟吸盤初固定水果，用氣源吸氣對水果二次固定，達到抓取不同水果的目的，同時可以避免由于力度過大損傷水果表面的問題。

2 水果裝盒系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計思想

水果裝盒系統(tǒng)有兩種工作模式，即手動控制和自動控制。手動控制模式直接控制機械手各個電機的點動，用以手動將機械手移動至目標水果部位。同時可手動開啟和關(guān)閉氣閥，用以抓取和放下水果。自動控制模式用于平時的正常裝盒生產(chǎn)，按照水果從傳送帶到達模具目標位置，啟動裝盒機械手將執(zhí)行末端移動到目標位置，開啟氣閥抓取水果并移動至水果盒位置。循環(huán)這一過程直至水果裝滿整合為一工作周期。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

如圖2程序流程圖所示，采用三菱GX-WORK2編程軟件根據(jù)流程圖設(shè)計程序T型圖，從而實現(xiàn)PLC控制整個水果裝盒系統(tǒng)。

3 結(jié)論

以三菱FX3U PLC為核心的水果自動裝盒系統(tǒng)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛，不僅可以降低人力成本，而且實現(xiàn)了對多品種水果的自動裝盒，并且能夠保證裝盒質(zhì)量和提高裝盒效率。

參考文獻：

[1]廖常初.PLC 編程及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]周巍，牛志剛，李元宗.基于PLC的防凍液噴灑控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，2009，30（1）：111-114.

[3]于治福，李旭鳴，商德勇，等.基于PLC的煤礦主排水泵自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，2010，31（1）：24-26.