一種分揀機構的設計與實現

裴忠誠

摘要：制造企業中自動化生產線應用廣泛，其中分揀機構是自動化生產線的重要組成部分。本文針對體積較小、重量較輕的產品或構件提出了一種分揀機構的解決方案。根據控制要求設計了分揀機構的機械結構框架，其中產品或構件隨傳送帶一同移動。分揀機構的重要硬件包括減速電機、觀點傳感器、旋轉編碼器、變頻器以及可編程控制器，文中明確了以上硬件的型號及參數，并對比了兩種不同的控制方案，確定了實踐中可行的技術方案。

Abstract： Automatic production line is widely used in manufacturing enterprises， of which sorting device is an important part of automatic production line. This paper proposes a solution of sorting mechanism for small and light products or mechanical components. According to the control requirements， the mechanical structure frame of the sorting equipment is designed， in which the product or mechanical parts moves with the conveyor belt. The important hardware of the sorting appliance includes decelerator motor， photoelectric sensor， rotary encoder， frequency converter and programmable controller. In this paper， the model and parameters of the above hardware are defined， two different control schemes are compared， and feasible technical schemes in practice are determined.

關鍵詞：分揀；變頻器；PLC；編碼器

Key words： sorting；frequency converter；PLC；encoder

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0123-03

0 引言

自動化生產線在制造類企業中應用廣泛，典型的自動生產線一般由供料機構、加工機構、裝配機構、分揀機構和傳送機構構成。在整個系統中，供料機構負責向其他機構提供原料；加工機構按照加工要求，完成零件或構件的加工；裝配機構的主要任務是將零件組裝成構件或產品；分揀機構按檢測標準或分揀標準完成構件或產品的識別或分類；傳送機構負責將構件或產品在系統中依序傳遞。傳統的分揀機構一般采用多個傳感器來實現對零件或構件的分揀，隨著視覺識別技術的發展，在機器人技術的配合下，許多傳感器被機器視覺所取代，分揀機構更具柔性化，整個自動化生產線更加智能化。本文針對重量不大于200g，直徑在30mm左右，高度約40mm的小零件或構件，重點討論柔性化程度較高的自動化生產線中分揀機構的設計與實現。

1 分揀機構的機械構成

1.1 分揀機構控制要求

①進料口傳感器捕捉到構件或產品，啟動變頻器，驅動減速電機，傳送帶開始工作，構件或產品隨傳送帶一同移動，依次通過檢測位置。②傳送帶上設置了三個檢測位置，分別位于傳送帶中線和三個料槽中線相交處。③構件或產品在檢測位置的檢測時間為0.1s。如果構件或產品在第一個檢測位置，被判定符合檢測標準，構件或產品將被送入料槽1中，工序結束，系統等待新的構件或產品被送入進料口。否則構件或產品將被依次送入后續檢測位置，進行檢測，根據檢測結果，成品送入正確的料槽，廢品落入傳送帶另一端的廢品盒中。④傳送帶由減速電機驅動。料倉用來接收符合檢測條件的構件或產品。圖1為構件或產品檢測流程圖。

1.2 分揀機構的機械結構

針對尺寸較小的構件或產品，利用傳送帶將構件或產品送至檢測位置，傳送帶通過減速電機進行驅動，傳送帶的移動距離利用編碼器來獲得。分揀機構的機械結構包括底座、支撐框架、傳送帶軸承、連接減速電機的聯軸器等等，其結構如圖2所示。圖2中1為進料口；2為減速電機；3為推桿1；4為推桿2；5為推桿3；6為傳送帶；7為料槽3；8為料槽2；9為料槽3；10為旋轉編碼器。

2 分揀機構硬件選型

分揀機構中除了結構框架外，重要的硬件包括減速電機、光電傳感器、旋轉編碼器、變頻器和可編程控制器。

2.1 減速電機

傳送帶由減速電機通過聯軸器驅動工作，當進料口被放置構件或產品時，進料口傳感器將信號輸入至PLC，通過PLC程序啟動變頻器，減速電機開始工作，驅動傳送帶開始轉動。根據分揀零件的特點，選擇減速電機型號為：80YS25GY38和80GK10HF702。

2.2 光電傳感器

分揀機構進料口采用光電傳感器檢測有無構件或產品，其工作原理是利用光照射到被探測物體上，產生反射光線進行工作。本設計采用SICK公司光電傳感器，型號：MHT15-N2317。該光電傳感器的光發射裝置和光接收裝置位于傳感器基體上同一側面，安裝在一個實體結構中。工作時光發射裝置不斷發射檢測光，若光電傳感器前方進料口無構件或產品，則沒有光被反射到接收裝置，光電傳感器處于正常狀態，不動作；反之，如果進料口內有構件或產品，被反射回來的光強度達到閾值，光電傳感器接收裝置收到足夠的反射光，就會改變狀態，向PLC發出電信號。

2.3 旋轉編碼器

旋轉編碼器用于采集零件或構件隨傳送帶移動的距離信息，編碼器直接連接到傳送帶的軸上，根據控制要求及精度選用編碼器分辨率500線。為了準確將零件或構件傳送至檢測位置，需要控制傳送帶主動軸旋轉周數，因為傳送帶主動軸旋轉周數決定了傳送帶上零件或構件的移動距離。假定傳送帶主動軸直徑d=40mm，則減速電機轉動一周，傳送帶上零件或構件移動距離L=π*d=3.14*40=125.6mm，編碼器脈沖當量μ=L/500=125.6/500≈0.25mm。如果進料口中心到第一個檢測位置為170mm，編碼器大約發出170/0.25=680個脈沖。同理，可以計算出零件或構件移動到第二個檢測位置和第三個檢測位置，編碼器發出的脈沖數。當然，脈沖數的計算值僅僅是理論估算值。實際脈沖數量值還受到傳送帶主動軸直徑測量誤差、傳送帶的安裝偏差、松緊度以及分揀機構的安裝精度等因素影響，需要現場測試脈沖數值。

2.4 變頻器和可編程控制器

根據減速電機功率，變頻器選用三菱FR-E700系列FR-E740-0.75K-GHT，可編程控制器選用FX3U-32MR。根據分揀機構的控制要求，給出PLC的I/O分配表。

變頻器的輸入信號可以通過特殊功能器件向變頻器輸入，本文對比了兩種設計方案：①采用模擬器件FX3U-3A-ADP。②采用RS-485通信用特殊適配器FX3U-485-ADP和FX3U-485-BD。

3 控制系統設計

根據兩種設計方案，分別設計FX3U-3A-ADP、變頻器和PLC之間的信號連接，如圖3；通信模塊FX3U-485-ADP和FX3U-485-BD與變頻器之間的信號連接，如圖4；兩種方案的變頻器參數設置以及關鍵的PLC程序片段。

3.1 FX3U-3A-ADP與變頻器的連接

圖3中，24+（24-）：外部電源。V1+（I1+、COM1）；通道一模擬量輸入。V2+（I2+、COM2）；通道二模擬量輸入。V0+（I0+、COM）；模擬量輸出。10：頻率設定用電源。2：頻率設定（電壓）。4：頻率設定（電源）。5：頻率設定公共端。AM；模擬電壓輸出。RL：低速選擇。RM：中速選擇。RH：高速選擇。MRS：輸出停止。RES：復位。SD；公共端。PC：公共端。STF：正轉啟動。STR：反轉啟動。

變頻器參數設置：Pr7=1；Pr8=0.1；Pr61=0.18；Pr73=0；Pr83=380；Pr79=2。

3.2 FX3U-485-ADP與變頻器的連接

圖4中所示，左測表示變頻器PU接口，右側為數字器件FX3U-485-ADP+FX3U-485-BD的接線端，二者的連接規格按數字一一對應。

變頻器參數設置：Pr7=1；Pr8=0.1；Pr9=0.18；Pr19=220；Pr117=1；PR118=96；Pr119=10；Pr120=2；Pr122=9999；Pr124=1；Pr340=10；Pr79=2。

3.3 關鍵程序片段

PLC程序中，選擇數據寄存器D118存儲第一個檢測位置的旋轉編碼器脈沖，D122存儲第二個檢測位置的旋轉編碼器脈沖，D126存儲第三個檢測位置旋轉編碼器脈沖；選用高速計數器C251，旋轉編碼器的A、B兩相脈沖輸出連接到X000和X001點；采用通信模塊FX3U-485-ADP的PLC程序指令IVDR中，H0ED表示寫入設定頻率，HFA表示運行指令。

4 結束語

在裝配好的分揀機構上，針對控制部分的兩種設計方案分別進行了實際測試。采用模擬器件FX3U-3A-ADP的控制系統，調試過程簡單，分揀機構的運行滿足控制要求。分揀機構反復運行，傳動帶移動距離重復精度高。采用通信模塊FX3U-485-ADP的控制系統，分揀機構的運行也能滿足控制要求，但測試三個檢測位置的旋轉編碼器脈沖數量值時，對調試人員的技術要求高；分揀機構反復運行，傳動帶移動距離重復精度要比另一種方案差，導致該方案的分揀機構維護工作量增大。綜合實際測試結果，選擇模擬器件FX3U-3A-ADP和變頻器FR-E740-0.75K-GHT及三菱FX3U-32MR作為控制系統實現分揀機構。

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