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1、物流配送材料分揀系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 隨著國內(nèi)現(xiàn)代化技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)控制技術(shù)在制造、物流等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，同時(shí)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，很多企業(yè)在生產(chǎn)過程中都應(yīng)用了各種各樣的自動(dòng)生產(chǎn)線或者進(jìn)行了生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化升級(jí)改造。通過應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)，從而大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)在質(zhì)量控制方面也得到了明顯的改善，企業(yè)生產(chǎn)過程控制在很多方面都有了很大的提高，所Ｗ研制投入自動(dòng)化生產(chǎn)線也就成為了現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。 隨著人們購買力的提高，物流行業(yè)迎來了飛速發(fā)展的黃金時(shí)期，借助工業(yè)自動(dòng)化和智能化等先進(jìn)技術(shù)，物流分揀傳送工作取得了質(zhì)的飛躍。當(dāng)前絕大多數(shù)物流分揀

2、系統(tǒng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化控制，不需要依靠人工就可以大批量、連續(xù)準(zhǔn)確地完成分揀任務(wù)。本文對(duì)物流分揀傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究其如何實(shí)現(xiàn)智能化控制。本論文在系統(tǒng)介紹了智能分揀設(shè)備技術(shù)的應(yīng)用方面，設(shè)計(jì)了基于PLC(可編程控制器)和多傳感器融合的智能分揀系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：物流配送；分揀系統(tǒng)；PLC 一、緒論 （一）研究背景 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)化水平不斷提高，傳統(tǒng)的人工分煉方式已跟不上現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。在現(xiàn)代化工廠，人工分割的生產(chǎn)線上連續(xù)大量的資料容易引起精煉誤差，生產(chǎn)效率低。隨著科技的快速發(fā)展，機(jī)械生產(chǎn)過程和電子等多個(gè)行業(yè)已經(jīng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了許多功能和各種自動(dòng)化生產(chǎn)線，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)在

3、大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、改善工人工作條件、降低能耗、節(jié)約材料等方面取得了顯著效果。在企業(yè)生產(chǎn)組裝過程中，自動(dòng)檢測(cè)和分煉技術(shù)是企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)流水作業(yè)的重要條件，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用成為必然趨勢(shì)。企業(yè)生產(chǎn)采用自動(dòng)化設(shè)備，提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平，在生產(chǎn)過程中不斷重復(fù)，要求高精度的工作，在先進(jìn)的生產(chǎn)制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。生產(chǎn)型企業(yè)要求產(chǎn)品分揀包裝效率和成本控制高。提高所以分揀生產(chǎn)效率是不斷改善許多企業(yè)生產(chǎn)效率的重要措施之一。 自動(dòng)分煉技術(shù)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代市場(chǎng)上得到了應(yīng)用，自動(dòng)分揀系統(tǒng)集成了可編程控制器、機(jī)械傳動(dòng)和氣動(dòng)控制、人機(jī)界面、電機(jī)拖動(dòng)等技術(shù)的應(yīng)用，其中應(yīng)用可編程控制器技術(shù)是自動(dòng)化的

4、重要組成部分，自動(dòng)控制、具有監(jiān)控作用的系統(tǒng)是為了滿足實(shí)際應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能包括產(chǎn)品的分室、處理、顯示、人與人的交互等操作，穩(wěn)定的控制系統(tǒng)影響著整個(gè)系統(tǒng)的順暢運(yùn)行和控制作用，影響著整個(gè)分室系統(tǒng)過程的控制質(zhì)量。目前，自動(dòng)分裝系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點(diǎn)，零件分裝扭曲是實(shí)際生產(chǎn)過程中的必要工序，也是零件加工生產(chǎn)線的重要過程，其中材料檢測(cè)與識(shí)別是自動(dòng)分裝系統(tǒng)的重點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)前要考慮零件的材質(zhì)、顏色、形狀等特點(diǎn)以及下一工序組裝所需的零件結(jié)構(gòu)通過自動(dòng)檢測(cè)和分工的研究，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、資源利用率的提高和人工勞動(dòng)強(qiáng)度的降低具有非常重要的意義。 （二）研究意義 我國的智能分揀系統(tǒng)的在工業(yè)上的使用

5、較少，本課題針對(duì)物流公司配送材料的輸送過程所存在的實(shí)際問題，研究計(jì)劃優(yōu)化現(xiàn)階段的人工分揀方法，設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)與分揀系統(tǒng)理論驗(yàn)證測(cè)試，化及在我司的物流配送材料產(chǎn)品中都可應(yīng)用自動(dòng)分揀技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，很多工序需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分批處理，而從工時(shí)分析上看采用人工分煉的生產(chǎn)效率很低、人工成本較高而且人為的失誤也是不可避免的。對(duì)產(chǎn)品的自動(dòng)分揀可以有效的改進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)過程中存在的這類問題，為企業(yè)降低成本、提高效率和增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，其意義在于： 1、可以降低工人的勞動(dòng)負(fù)荷 2、可以減少人力資源 3、可以提高分揀合格率 4、可以提高分揀分辨效率。 （三）自動(dòng)分揀系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從1960年

6、起，外國物流公司開始使用分揀系統(tǒng)來分揀貨物。例如，物流配送中心計(jì)劃是由Moffin提出的。該計(jì)劃最終由亨氏公司開發(fā)，并用于雀巢公司的物流配送計(jì)劃。1980年以后，國外分揀系統(tǒng)的研究和發(fā)展更加迅速。aughan和mark(1999)將分選過程分為五個(gè)步驟:整合材料、系統(tǒng)選擇、傳感器檢測(cè)、找出相似材料，最后將材料轉(zhuǎn)移到指定位置，從而將不同的材料和結(jié)構(gòu)組合成一個(gè)穩(wěn)定的分選系統(tǒng)。Masel(2003)研究了不同形狀貨物的分類，并模擬了相應(yīng)的解析公式。SaeneJR(2002)設(shè)計(jì)了物料分揀系統(tǒng)和傳送帶的使用。針對(duì)不同的分揀項(xiàng)目，采用不同的傳送帶，構(gòu)建了一套可靠的物流分揀處理系統(tǒng)。 A. wilson

7、根據(jù)發(fā)光原理和發(fā)光二極管參數(shù)的封裝特點(diǎn)設(shè)計(jì)了分揀機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并結(jié)合發(fā)光二極管照明的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景進(jìn)行了相關(guān)研究。證實(shí)了發(fā)光二極管全自動(dòng)分揀機(jī)是集光、機(jī)、電技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的智能自動(dòng)分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，分選速度快，人機(jī)界面更加先進(jìn)，操作維護(hù)簡單。 EiichiTaniguchi等人對(duì)基于物體形狀損傷的自動(dòng)分揀系統(tǒng)進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了基于不規(guī)則形狀識(shí)別技術(shù)的包裹直接檢測(cè)和分揀。最復(fù)雜的是不使用模糊皮層識(shí)別機(jī)制進(jìn)行檢測(cè)，而使用SVM進(jìn)行分類。該方案能夠快速有效地識(shí)別分揀裝配線上損壞的貨物，并及時(shí)采取相關(guān)措施進(jìn)行重新包裝，防止貨物泄漏和丟失。 在二戰(zhàn)之后，美國日本大力發(fā)展和研制自

8、動(dòng)分揀機(jī)。而在日本的一些商業(yè)公司、醫(yī)療行業(yè)等的采用全自動(dòng)分揀方式的設(shè)備更有著廣泛的應(yīng)用。目前，美國在回收系統(tǒng)的研制已經(jīng)達(dá)到非常高的水平，已經(jīng)可以通過自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)的結(jié)合，共同完成整套回收功能。在歐洲，英國、德國等國家也在回收技術(shù)上化了很高的研究費(fèi)用，目的為達(dá)到更好的分揀效果和分揀功能，德國西門子公司利用自身的技術(shù)，在再回收體系中設(shè)計(jì)出大量的分揀設(shè)備，并在工業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛。目前，在國際上廣泛使用的分揀機(jī)按操作速度分為有中速/高速/推塊式高速自動(dòng)分揀機(jī)，按功能分為小物品/數(shù)字式/全自動(dòng)分揀機(jī)等。 我國自動(dòng)分揀機(jī)的應(yīng)用大約始于1980年代,近期的市場(chǎng)興起和技術(shù)發(fā)展始于1997年。自動(dòng)分揀的概念先

9、在機(jī)場(chǎng)行李處理和郵政處理中心得到應(yīng)用,然后普及到其他行業(yè)。隨著業(yè)界對(duì)現(xiàn)代化物流的實(shí)際需求的增長,各行業(yè)對(duì)高速精確的分揀系統(tǒng)的要求正在不斷地提高。這一需求最明顯地表現(xiàn)在煙草、醫(yī)藥、圖書及超市配送領(lǐng)域,并有望在將來向化妝品及工業(yè)零配件等領(lǐng)域擴(kuò)展。這些領(lǐng)域的一個(gè)共同特點(diǎn)是產(chǎn)品的種類繁多、附加值高、配送門店數(shù)量多、準(zhǔn)確性要求高和人工處理效率低等特點(diǎn)。 隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，因此各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)都迫切地需要改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，尤其在需要進(jìn)行材料分揀的企業(yè)，以往一直采用人工分揀的方法，致使生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力差，材料的自動(dòng)分揀已成為企業(yè)的唯一選擇。目前自動(dòng)分揀

10、已逐漸成為主流，因?yàn)樽詣?dòng)分揀是從貨物進(jìn)入分揀系統(tǒng)送到指定的分配位置為止，都是按照人們的指令靠自動(dòng)分揀裝置來完成的。這種裝置是由接受分揀指示情報(bào)的控制裝置、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，把到達(dá)分揀位置的貨物送到別處的的搬送裝置。由于全部采用機(jī)械自動(dòng)作業(yè)，因此，分揀處理能力較大，分揀分類數(shù)量也較多；另外組態(tài)軟件的的發(fā)展，為物料分揀系統(tǒng)增添了新的活力。 綜上所述，我國雖然在自動(dòng)化方面取得了不少的進(jìn)步，但還是與發(fā)達(dá)國家相差很遠(yuǎn)，技術(shù)上還是不如發(fā)達(dá)國家，因此，我國需要加大在這方面的投入，提高我國在自動(dòng)化設(shè)備上的研發(fā)技術(shù)。 二、相關(guān)概述 （一）自動(dòng)分揀系統(tǒng)的定義 自動(dòng)分揀是指貨物進(jìn)入分揀系統(tǒng)到指定的分配位置為止，都

11、是按照系統(tǒng)設(shè)定的指令靠自動(dòng)裝置來完成的。自動(dòng)分揀系統(tǒng)一般由控制裝置、分類裝置、輸送裝置及分揀道口組成。控制裝置的作用是識(shí)別、接收和處理分揀信號(hào)，根據(jù)分揀信號(hào)的要求指示分類裝置、按商品品種、按商品送達(dá)地點(diǎn)或按貨主的類別對(duì)商品進(jìn)行自動(dòng)分類。這些分揀需求可以通過不同方式，如可通過條形碼掃描、色碼掃描、鍵盤輸入、重量檢測(cè)、語音識(shí)別、高度檢測(cè)及形狀識(shí)別等方式，輸入到分揀控制系統(tǒng)中去，根據(jù)對(duì)這些分揀信號(hào)判斷，來決定某一種商品該進(jìn)入哪一個(gè)分揀道口。 （二）物流分揀的概念 物流分揀是航空快遞企業(yè)內(nèi)部處理過程中的重要工序。由分揀人員或者分揀機(jī)器根據(jù)快件封面上所書寫的地址或條形碼，按本企業(yè)內(nèi)部自我編列的分揀路

12、由（即路向），通過粗分與細(xì)分的步驟件進(jìn)行分類、整理的過程。 （三）物流分揀的方式 一般來說分揀種類分為人工分揀、機(jī)器自動(dòng)分揀及人機(jī)相結(jié)合的分揀形式，這里我們根據(jù)分揀過程形式，將分揀具體劃分五種：①人工分揀。分揀作業(yè)由人來進(jìn)行，人、貨架、集貨設(shè)備(貨箱、托盤等)配合完成配貨作業(yè)，在實(shí)施時(shí)，由人一次巡回或分段巡回于各貨架之間，按各部分的需求揀貨，直至完成。②人工+手推作業(yè)車分揀。分揀作業(yè)人員推著手推車一次巡回或分段巡回于貨架之間，按要求進(jìn)行揀貨，直到完成。它與人工揀選基本相同，區(qū)別在于借助半機(jī)械化的手推車作業(yè)。③人工+機(jī)動(dòng)作業(yè)車分揀。分揀作業(yè)員乘車輛或臺(tái)車載對(duì)一個(gè)貨架或多個(gè)貨架上的貨物進(jìn)行揀選

13、。比如：大貨/分揀重貨程序。④自動(dòng)分揀傳送帶分揀。傳送帶不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，或上貨人員按指令將貨物取出放在傳送帶上，或者放入傳送帶上的容器內(nèi)。當(dāng)分揀機(jī)器自動(dòng)分揀后運(yùn)轉(zhuǎn)到末端時(shí)把貨物卸下來，放在已規(guī)劃好的指定區(qū)域內(nèi)。 （四）自動(dòng)分揀系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 自動(dòng)分揀的系統(tǒng)相對(duì)于采用人工分揀的方式和人工與機(jī)器結(jié)合的半自動(dòng)化的方式有著許多的不同，它主要特點(diǎn)有: （1）效率高：由于采用流水化的生產(chǎn)方式，使得分檢系統(tǒng)需要適應(yīng)各種環(huán)境和氣候的需要，并不受一些環(huán)境等方面的影響，在使用時(shí)可以持續(xù)自動(dòng)工作，并且工作效率很高。因此它可以進(jìn)行大批量的分揀操作。此分揀系統(tǒng)十分鐘即可完成千件左右物品的分揀工作，它比一般的分揀1小時(shí)

14、只能完成百件左右的量的物品來說，效率非常的高。此外，該系統(tǒng)可以完全脫離人工操作，這將使可以騰出更多的人力完成其他更重要的事。 （2）誤差率低:智能分揀系統(tǒng)依靠其準(zhǔn)確的信息輸入，然而通過與信息輸入的運(yùn)算進(jìn)行物品的分析和分揀。在此過程中對(duì)需識(shí)別對(duì)象的信息采集和分析是最關(guān)鍵的過程。如果采用人工輸入和語音方式輸入，將出現(xiàn)較大的誤差率，如果使用條形碼識(shí)別的方式進(jìn)行信息錄入，就需要對(duì)條形碼進(jìn)行保護(hù)，防止其破損和遺失，保證信息正確。目前，電子標(biāo)簽技術(shù)完善，可以使信息不丟失的同時(shí)也方便信息的錄入，而且可以使智能化的分檢系統(tǒng)可以適應(yīng)各種工作環(huán)境。 （3）基本可以達(dá)到全自動(dòng)化：在國外，由于勞動(dòng)力缺乏，如何能夠

15、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度是外國發(fā)達(dá)國家考慮最多的問題。目前，采用自動(dòng)化的分揀系統(tǒng)由于可以省去大量的勞動(dòng)力，因此可以降低工人操作難度和勞動(dòng)強(qiáng)度。而分揀過程的操作本身也是不需要人工參與的，工人在全套分揀的過程中只需要進(jìn)行如下工作:為分揀系統(tǒng)設(shè)置程序；分揀系統(tǒng)的流水線按照程序自動(dòng)將完成分揀的物品分裝。 （五）系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)的此套系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示: 圖2.1物料分類系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)上圖，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如下:1.信號(hào)設(shè)定裝置:鳳凰光學(xué)集團(tuán)有限公司精加工車間產(chǎn)生的廢料在進(jìn)行分揀操作之前，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行設(shè)定，并將分揀的信息收集到控制器的內(nèi)存中。2.輸入裝置:一些鋁料頭和鐵質(zhì)廢屑等

16、物品傳輸通過各個(gè)道口的裝置。3.分揀道口:將已完成分揀的廢料進(jìn)行收集的裝置。它是將各個(gè)分揀出的物品分類收集的通道，它主要通過皮帶、輥?zhàn)雍蜐L輪等部件組成。當(dāng)在分揀道口飽和堆積時(shí)，將使用光電管檢測(cè)用以控制進(jìn)入的廢料量。4.喂料器和上件裝置:它是將鋁料頭等廢料進(jìn)入傳送帶時(shí)的緩沖地帶，它能讓廢料逐步地將速度提高與傳送帶一致。5.分揀裝置:它是系統(tǒng)的主要裝置，它由工程輸送裝置、傳感器裝置和分揀的裝置組成。工程輸送裝置主要將廢品輸送到指定的分揀道口上，而分揀裝置是將廢品通過信號(hào)檢測(cè)輸送到相應(yīng)的分揀道口。6.控制器:它是系統(tǒng)工作的核心，控制所有的部件完成傳遞、處理和控制的過程。自動(dòng)分揀系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠

17、控制器通過接收的信號(hào)，進(jìn)行分析并進(jìn)行處理，隨后把控制信號(hào)傳輸?shù)街付ǖ姆謷揽谥小? 三、自動(dòng)分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) （一）傳感器的選型 1.電感式傳感器 此傳感器接近開關(guān)屬于有開關(guān)量輸出的位置傳感器，用來檢測(cè)金屬物體。它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化。由此，可識(shí)別出有無金屬物體接近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。本系統(tǒng)用該器件來檢測(cè)鐵質(zhì)材料。 電感式接近傳感器選擇LE4-1K，技術(shù)參數(shù)如表3.1： 表3.1電感式傳感器技術(shù)參數(shù) 工作電壓10-30V

18、 額定電流200MA 感應(yīng)距離4mm 圖3.1電感傳感器工作原理圖 圖3.2電感傳感器LE4-1K成品圖 電感傳感器介紹：由鐵心和線圈構(gòu)成的將直線或角位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈電感量變化的傳感器，又稱電感式位移傳感器。這種傳感器的線圈匝數(shù)和材料導(dǎo)磁系數(shù)都是一定的，其電感量的變化是由于位移輸入量導(dǎo)致線圈磁路的幾何尺寸變化而引起的。當(dāng)把線圈接入測(cè)量電路并接通激勵(lì)電源時(shí)，就可獲得正比于位移輸入量的電壓或電流輸出。電感式傳感器的特點(diǎn)是：①無活動(dòng)觸點(diǎn)、可靠度高、壽命長；②分辨率高；③靈敏度高；④線性度高、重復(fù)性好；⑤測(cè)量范圍寬（測(cè)量范圍大時(shí)分辨率低）；⑥無輸入時(shí)有零位輸出電壓，引起測(cè)量誤差；

19、⑦對(duì)激勵(lì)電源的頻率和幅值穩(wěn)定性要求較高；⑧不適用于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。電感式傳感器主要用于位移測(cè)量和可以轉(zhuǎn)換成位移變化的機(jī)械量（如力、張力、壓力、壓差、加速度、振動(dòng)、應(yīng)變、流量、厚度、液位、比重、轉(zhuǎn)矩等）的測(cè)量。常用電感式傳感器有變間隙型、變面積型和螺管插鐵型。在實(shí)際應(yīng)用中，這三種傳感器多制成差動(dòng)式，以便提高線性度和減小電磁吸力所造成的附加誤差。 2.電容傳感器 此傳感器屬于具有開關(guān)量輸出的位置傳感器，是一種接近式開關(guān)。它的測(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板,而另一個(gè)極板是待測(cè)物體的本身。當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化。由此，便可控

20、制開關(guān)的接通和關(guān)斷。本裝置中電容傳感器是用于檢測(cè)鋁質(zhì)材料。 電容式傳感器選擇OMRON的E2K—X81ME1型，技術(shù)參數(shù)如表3.2： 表3.2電容式傳感器技術(shù)參數(shù) 工作電壓10-30V 額定電流200MA 感應(yīng)距離8mm 圖3.4電容傳感器E2K—X81ME1成品圖 電容傳感器介紹：用電測(cè)法測(cè)量非電學(xué)量時(shí)，首先必須將被測(cè)的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測(cè)的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。從能量轉(zhuǎn)換的角度 而言，電容變換器為無源變換器，需要

21、將所測(cè)的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進(jìn)行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量；這些量又都是通過長度或者長度比值進(jìn)行測(cè)量的量，而其測(cè)量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當(dāng)緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測(cè)量極小距離或位移時(shí)要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實(shí)現(xiàn)高分辨率要求，在精密測(cè)量中所普遍使用的差動(dòng)變壓器傳感器的分辨率僅達(dá)到1～5μm數(shù)量級(jí)；而有一種電容測(cè)微儀，他的分辨率為0.01μm，比前者提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，最大量程為1005μm，因此他在精密小位移測(cè)量中受到青睞。 對(duì)于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢

22、變化或微小量的測(cè)量，一般來說采用電容式傳感器進(jìn)行檢測(cè)比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)： (1)測(cè)量范圍大其相對(duì)變化率可超過100%； (2)靈敏度高，如用比率變壓器電橋測(cè)量，相對(duì)變化量可達(dá)10-7數(shù)量級(jí)； (3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，因其可動(dòng)質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量，也可靜態(tài)測(cè)量； (4)穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機(jī)材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高溫、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測(cè)難題。 3.顏色傳感器 此傳感器屬于具有開關(guān)量輸出的位置傳感器。它是在Si等多數(shù)光電二極管之前，分別放置R（紅）、G

23、（綠）、B（藍(lán)）三種顏色的彩色濾光器，以便處理各自的輸出信號(hào)并識(shí)別彩色的方法。材料分揀系統(tǒng)采用它主要是用來識(shí)別綠色與黃色的材料。本系統(tǒng)共設(shè)置了三個(gè)檢測(cè)材料的傳感器，同時(shí)預(yù)留了一個(gè)空余的電磁閥與氣缸用來添加其它的傳感器。用戶可以根據(jù)自己的需求選擇相應(yīng)的傳感器安裝即可。 選用TAOS公司生產(chǎn)的，型號(hào)為TCS230顏色傳感器。此傳感器為RGB(紅綠藍(lán))顏色傳感器，可檢測(cè)目標(biāo)物體對(duì)三基色的反射比率，從而鑒別物體顏色。TCS230傳感器引腳如下圖所示。 圖3.5TCS230顏色傳感器 圖3.6顏色傳感器TCS230成品圖 RGB顏色傳感器介紹： TCS230是美國TAOS公司生產(chǎn)的一種

24、可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標(biāo)、單電源供電等特點(diǎn)；輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上還集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其它邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡單。TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個(gè)

25、光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器，16個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器，16個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器，其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光幅射的不均勻性，從而增加顏色識(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的16個(gè)光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時(shí)，通過兩個(gè)可編程的引腳來動(dòng)態(tài)選擇所需要的濾波器。該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz~500kHz，用戶還可以通過兩個(gè)可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器

26、的輸出能夠適應(yīng)不同的測(cè)量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。 當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1選擇不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。 S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類型；OE是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸入引腳時(shí)，也可以作為片選信號(hào)；OUT是頻率輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供

27、工作電壓。表2是S0、S1及S2、S3的可用組合。 （二）限位開關(guān)的設(shè)計(jì) 限位開關(guān)就是用以限定機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)極限位置的電氣開關(guān)。這種開關(guān)有接觸式的和非接觸式的。接觸式的比較直觀，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件上，安裝上行程開關(guān)，與其相對(duì)運(yùn)動(dòng)的固定點(diǎn)上安裝極限位置的擋塊，或者是相反安裝位置。當(dāng)行程開關(guān)的機(jī)械觸頭碰上擋塊時(shí)，切斷了（或改變了）控制電路，機(jī)械就停止運(yùn)行或改變運(yùn)行。由于機(jī)械的慣性運(yùn)動(dòng)，這種行程開關(guān)有一定的“超行程”以保護(hù)開關(guān)不受損壞。非接觸式的形式很多，常見的有干簧管、光電式、感應(yīng)式等。 材料自動(dòng)化分揀系統(tǒng)中,氣缸回位限位開關(guān)、氣缸動(dòng)作限位開關(guān)都選用D—C73型號(hào)的磁感應(yīng)開關(guān)，控制功

28、率高、作用距離大、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作穩(wěn)定可靠、壽命長。適合用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、定位、保護(hù)等。它的技術(shù)參數(shù)如表3.4所示： 表3.4限位開關(guān)的技術(shù)參數(shù) 額定電壓 DC24VAC110V 額定電流 DC：5~40mAAC:5~20mA 而震程度 10~50HZ 使用溫度 0~60攝氏度 （三）電磁閥的設(shè)計(jì) ABS壓力調(diào)節(jié)器的4個(gè)常開進(jìn)油電磁閥的最大起動(dòng)電流約為3.6A;4個(gè)常閉出油電磁閥最大起動(dòng)電流約為2.4A。而L9439的工作電壓4.5～32V，兩路通道內(nèi)阻0.2Ω，最大負(fù)載電流3A；另兩路內(nèi)阻0.3Ω，最大負(fù)載電流5A，恰好能滿足ABS常開和常閉電磁閥的驅(qū)動(dòng)電

29、流要求，而且較低的導(dǎo)通內(nèi)阻又能保證低功耗，因此L9349非常適合進(jìn)行ABS電磁閥的驅(qū)動(dòng)控制。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理圖見圖3.7。 圖3.7電磁閥驅(qū)動(dòng)電路原理圖 在圖中，每片L9349能驅(qū)動(dòng)4個(gè)電磁閥工作，屬于典型的低端驅(qū)動(dòng)。通過Vs端口給芯片提供12V供電電壓；當(dāng)給輸入端IN1～I(xiàn)N4PWM控制信號(hào)，就能方便地控制輸出端以驅(qū)動(dòng)4路電磁閥工作，OUT1和OUT2端口的最大驅(qū)動(dòng)能力為5A，應(yīng)該連接ABS的常閉電磁閥；OUT3和OUT4端口最大驅(qū)動(dòng)能力為3A，應(yīng)連接ABS常開電磁閥，不可接反；EN端口為使能端，能通過MCU快速關(guān)閉芯片；L9349的數(shù)字地和模擬地分開，提高了驅(qū)動(dòng)模塊的抗干擾能力。

30、 （四）PLC的選型 根據(jù)材料分揀系統(tǒng)的工作過程由可知，系統(tǒng)的控制有輸入信號(hào)12個(gè)，均為開關(guān)量。輸出信號(hào)有5個(gè)，其中一個(gè)控制電動(dòng)機(jī)，剩下的控制電磁閥，也都是開關(guān)量。 根據(jù)分揀系統(tǒng)的需要配置出I/O對(duì)應(yīng)功能，如表3.5所示： （五）LC輸入輸出接線端子圖 根據(jù)表3.5，利用AutoCAD繪圖軟件可以繪制出PLC的輸入輸出接線端子圖，如下圖3.8所示。 圖3.8PLC輸入輸出接線端子圖 四、自動(dòng)分揀系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是PLC控制系統(tǒng)的核心，程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)控制要求及工藝流程，畫出狀態(tài)流程圖并設(shè)計(jì)出梯形圖。材料自動(dòng)分揀系統(tǒng)采用三菱公司的FXFP_W

31、IN_C作為編程軟件，此軟件是專為三菱PLC而設(shè)計(jì)的編程軟件，適用于FX型號(hào)的PLC?？梢酝ㄟ^梯形圖符號(hào)、指令語句以及SFC符號(hào)創(chuàng)建編輯程序，還可以在程序中加入中文或者英文注釋，并且還可以通過該軟件監(jiān)控PLC運(yùn)行時(shí)各編程元件的狀態(tài)及數(shù)據(jù)變化，還具有程序和監(jiān)控結(jié)果打印的功能。 （一）控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求，分析各個(gè)設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序，可畫出程序流程圖，如下圖4.1所示。 圖4.1控制系統(tǒng)流程圖 該系統(tǒng)可選擇連續(xù)或單次運(yùn)行工作狀態(tài)。若為連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，則系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖中的汽缸4動(dòng)作后，程序再轉(zhuǎn)到開始;若為單次運(yùn)行，則汽缸4動(dòng)作后停機(jī)。如果需要，該系統(tǒng)可在分揀

32、的同時(shí)對(duì)分揀的材料進(jìn)行數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，這只需在各汽缸動(dòng)作的同時(shí)累計(jì)即可。應(yīng)用高速計(jì)數(shù)器編制程序，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定位控制功能。用高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，來確定物料到達(dá)傳感器的距離，實(shí)現(xiàn)定位功能。定位時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器清零，傳感器開始工作，對(duì)物料進(jìn)行分揀處理。在汽缸1～3動(dòng)作后，電機(jī)重新運(yùn)行，高速計(jì)數(shù)器也重新計(jì)數(shù)。如果相應(yīng)的傳感器沒有檢測(cè)到物體，則電機(jī)重新運(yùn)行，高速計(jì)數(shù)器也重新計(jì)數(shù)，繼續(xù)運(yùn)行到下一位置。如果只對(duì)材料的某一特性進(jìn)行分揀，比如只分揀金屬和非金屬，則只需對(duì)傳感器的安放或程序進(jìn)行修改即可。 （二）PLC梯形圖程序設(shè)計(jì) 根據(jù)材料自動(dòng)分揀系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)出梯形圖，梯形圖的部分程序分析

33、如下： 1、啟動(dòng)材料自動(dòng)分揀機(jī)，開關(guān)X014判斷是否有材料，無材料系統(tǒng)運(yùn)行30S后自動(dòng)停下，送料汽缸啟動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，汽缸限位開關(guān)運(yùn)作，傳送帶停止動(dòng)作。 2、開關(guān)X014判斷有無材料，如有材料，汽缸限位開關(guān)運(yùn)作，系統(tǒng)每隔2S送一次料，系統(tǒng)開始自動(dòng)分揀動(dòng)作。 3、開關(guān)X0、X2、X1傳感器開關(guān)開始運(yùn)作，如檢測(cè)到相對(duì)應(yīng)的材料，則汽缸運(yùn)作推動(dòng)物體到相應(yīng)的物品槽里，如無檢測(cè)到相應(yīng)的物體，則繼續(xù)運(yùn)作到下個(gè)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完畢自動(dòng)進(jìn)行結(jié)束。然后繼續(xù)下一輪的檢測(cè)。 （三）整體梯形圖 結(jié)語 這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)制作過程中，感觸最多的就是知識(shí)面的匱乏，此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向

34、未來工程師重要的一步。從最初的選題，開題到選型、制作直到完成設(shè)計(jì)。其間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，反復(fù)修改PLC程序，每一個(gè)過程都是對(duì)自己能力的一次檢驗(yàn)和充實(shí)。 實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，出現(xiàn)了不少難題：傳感器很容易受到外界因素的干擾；PLC的選型以及程序的設(shè)計(jì)；組態(tài)仿真調(diào)試監(jiān)控等。通過多次試驗(yàn)與實(shí)踐，以上問題基本上得到了解決。 根據(jù)自動(dòng)分揀系統(tǒng)的任務(wù)書，由于時(shí)間的倉促和知識(shí)面的狹窄，導(dǎo)致了一些性能沒有達(dá)標(biāo)。如傳感器模塊，沒有使用到光電傳感器測(cè)量尺寸，也沒有扎實(shí)的去學(xué)習(xí)氣動(dòng)裝置的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)一步的提高材料自動(dòng)分揀系統(tǒng)的輸出性能。 如何進(jìn)一步提高材料自動(dòng)分揀系統(tǒng)的控制性能，工作展望如下:

35、一、進(jìn)一步提高傳感器的性能，找出一系列可靠的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。 二、進(jìn)一步研究PLC在材料自動(dòng)分揀系統(tǒng)的核心控制能力，努力改進(jìn)出更精簡更實(shí)效的程序。 ? 參考文獻(xiàn) [1]周婭,郎朗,蘇長杰,etal.基于PLC和組態(tài)技術(shù)的材料分揀系統(tǒng)[J].南陽理工學(xué)院學(xué)報(bào),2013,5(6):8-12. [2]歐陽劍.基于Flexsim的G煙草物流配送中心分揀系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化[D]. [3]李建明.物流配送中心分區(qū)自動(dòng)分揀系統(tǒng)品項(xiàng)分配方法研究[D]. [4]李夢(mèng)瑤.基于PLC的自動(dòng)分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2018,v.45；No.307(05):246. [5]肖仁,吳定會(huì),歐陽

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