基于3D打印及PLC控制的垃圾分類機的研制

姚倫全 雷蔓 聶祥榮 羅顯義 夏康 周毅

摘要：垃圾分類必要而緊迫，說明了研制垃圾分類機的重要性。對垃圾分類機的功能進行了分析，給出了可行的垃圾分類機方案。對其進行三維建模，并結合氣壓傳動、電氣控制設計了基于PLC的控制系統，采用了SFC的編程方法編寫了控制程序，對程序進行了仿真。最后搭建試驗樣機，用3D打印機制造了樣機的機械爪，縮短了樣機制造的周期，減少了樣機制造的成本，經過樣機的測試，驗證了該垃圾分類機機械部分、氣動部分、控制系統及控制程序的合理性、可行性。

關鍵詞：垃圾分類機;3D打印;可編程控制器;氣動;機械臂

中圖分類號：TP334.8文獻標識碼：A

Abstract： garbage sorting is necessary and urgent， indicating the importance of developing garbage sorting machine. The function of garbage sorting machine is analyzed， and the feasible scheme of garbage sorting machine is given. The 3D modeling is carried out， and the control system based on PLC is designed in combination with pneumatic transmission and electrical control. The control program is written by SFC programming method， and the program is simulated. Finally， a test prototype is built， and the mechanical claw of the prototype is made with 3 D printers， which shortens the manufacturing period of the prototype and reduces the cost of the prototype. After the prototype test， the mechanical part， pneumatic part， control system and control system of the garbage classifier are verified ?rationality and feasibility of the control procedure.

Keywords： garbage sorting machine ;3 D printing; programmable controller; pneumatic; manipulator

中圖分類號：TH-39?????文獻標識碼：A ?????文章編號：

1.?引言

垃圾是放錯地方的寶貝，垃圾分類具有社會、經濟、生態等方面的效益。城市生活垃圾一般分為可回收垃圾、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾四大類^[1]。研制自動或者半自動垃圾分類機，有利于垃圾分類的推廣，減少垃圾處理量，降低處理成本，減少土地資源的消耗^[2]。

根據對城市生活垃圾分類的要求，垃圾分類機需要有識別垃圾和對垃圾進行分類的功能。

2.?垃圾分類機的設計及三維建模

目前垃圾回收用的垃圾桶都標準化了，標準垃圾桶滿了以后，掛上清潔車，清潔車能自動的把垃圾倒入垃圾車里面^[3]。

根據垃圾分類機的功能要求，結合目前垃圾回收的基礎條件，研制的垃圾分類機三維圖如圖 1所示，其主要部件有步進電動機、導桿、絲杠螺母移動副、伸縮氣缸、抓取氣缸、固定垃圾斗、可回收垃圾桶、廚余垃圾桶、有害垃圾桶、其他垃圾桶^[4-5]。

把垃圾投入固定垃圾斗里面，按下觸摸屏上的垃圾類別，控制系統控制伸縮氣缸、抓取氣缸及步進電動機的動作，就能把垃圾投入對應垃圾桶里面。整個垃圾分類機的外形如圖 2所示，其左側有觸摸屏和垃圾投入口，正面有各種垃圾手動投入口和垃圾桶取出口，外面用玻璃全封閉，能夠避免垃圾臭味散發，外觀造型能夠與城市環境融為一體。該方案簡單可靠，成本低，使用方便。

3.?垃圾分類機控制系統的設計

該垃圾分類機的控制對象有伸縮氣缸、抓取氣缸及步進電動機，其氣缸控制回路如圖 3所示，控制系統控制氣缸對應的電磁閥得電，氣缸伸出，電磁閥失電，氣缸縮回。

該控制系統采用三菱FX PLC作為控制核心，做一個基于PLC的控制項目，一般根據控制要求，采用“主電路圖→控制電路圖→編程→仿真→接線調試”的步驟。

（1）主電路圖的繪制，該控制系統采用220V單相交流電供電，需要直接接該電源的有PLC、5V&24V直流電源，步進電動機驅動器，氣泵，主電路圖如圖 4所示。

圖 4?控制系統主電路圖

（2）控制電路圖繪制。

由于采用了MCGS觸摸屏和PLC一起進行控制，用觸摸屏控制輔助繼電器M的方式作為PLC的輸入，這樣可以節省一些PLC的輸入點數，根據控制要求，PLC的編程資源分配如表格 1所示。

根據控制對象與控制點數，選擇了FX3U-16MT這個型號的PLC，該控制系統的電路圖如圖 5所示，因為采用了NPN型光電傳感器檢測垃圾，所以要把24V與S/S接在一起，為了圖紙清晰，圖上只畫了X1點的傳感器接線方法，X2到X5的傳感器用法與X1一樣，具體每個I/O點的布置位置如圖 6所示。

（1、步進電動機;2、導桿;3、絲杠螺母移動副;4、伸縮氣缸;5、抓取氣缸;6固定垃圾斗;7、可回收垃圾桶;8、廚余垃圾桶;9、有害垃圾桶;10、其他垃圾桶）

（3）程序的編寫

因為該機械臂在對垃圾進行分類的動作具有順序執行的特點，所以采用SFC編程的方法。該程序分為兩個塊，一個是梯形圖塊、一個是SFC塊，梯形圖塊為SFC塊做準備。

該程序的流程圖及SFC順序功能圖如圖 7所示，執行順序功能圖程序的條件是，當某類垃圾桶未滿，該類垃圾投入按鈕按下，垃圾投入口打開，投入垃圾，X1有輸入。

順序功能圖程序由順序結構和選擇分支構成，第一個選擇分支為當執行完抓取動作且固定垃圾斗內無垃圾，跳出SCF循環，等待下一次投垃圾;第二個分支有四條支路，因為投放到各個垃圾桶的行程不一樣，PLC發出的控制脈沖數不同，所以有四條支路;最后一個分支是判斷一次投入垃圾斗里面的同類垃圾是否抓取完，抓取完則跳出SFC程序，未抓取完則重復執行抓取動作。

該控制系統的輸入及顯示采用MCGS的TCP 7062TX型觸摸屏，按照“建立實時數據庫（觸摸屏里面的變量）→增加三菱_FX系列編程口→增加設備通道→連接變量（實時數據庫）→設計用戶窗口→設定操作變量→仿真→調試”的觸摸屏編程路線，設計的控制面板如圖 8所示。

4.?關鍵部件的3D打印及樣機的搭建

該垃圾分類機的樣機如圖 9所示，其機架采用鋁型材搭建，包含了上述垃圾分類機的主要部件。因3D打印技術在新產品研制中能夠減少成本，縮短研制周期，在對該垃圾分類機樣機機械爪研制過程中，采用了3D打印技術制造了其機械爪，圖 9右下角所示。其制造流程為：建模→分零件導出STL模型文件→導入3D打印機控制軟件→調整零件打印放置位置→切片→3D打印機準備→3D打印→取出零件并去除支撐→打磨裝配。

通過樣機的搭建和運行測試，驗證了該垃圾分類機機械部分設計的合理性，也驗證了其控制系統、控制程序、氣動系統的可行性。

5.?總結

將三維建模技術、虛擬樣機技術、3D打印技術、電氣控制技術、PLC控制技術、液氣壓傳動技術融合，研制了新型垃圾分類機。并用3D打印技術作為輔助，制造出了垃圾分類機的樣機，對其機械、電氣、控制程序、氣壓傳動等進行了測試驗證，說明了該方案的可行性、合理性。雖然所研制的樣機與實際機器在結構，性能上有一定的差距，但足以說明該方案是可以滿足垃圾分類的功能的。

參考文獻

[1]周棟敏，郝靜雅.論智能化在廢品分類回收機中的設計研究[J].科技視界，2019（35）：9-10.

[2]劉雅璇，潘萬彬.基于自我訓練的長效垃圾分類方法[J].中國圖象圖形學報，2019，24（05）：773-781.

[3]王子珩.新型自動垃圾分類車的結構設計與性能[J].河北農機，2019（04）：78-79.

[4]趙可，歐曉霞，崔子碩，呂舉鵬，時佳榮.大連市垃圾分類的一體機研究[J].綠色科技，2018（24）：28-30.

[5]玉林.大連首套智能垃圾分類設備落戶[J].中國設備工程，2018（07）：6.

基金項目：貴州省教育廳青年基金項目《3D掃描3D打印及CAM技術在曲面制造中的應用（項目編號黔教合KY字[2016]288）》;畢節市科技局項目《畢節市3D打印技術應用研究中心（畢科合字[2017]05號）》;貴州工程應用技術學院教改項目

通訊作者簡介：雷蔓 （1985-），男，貴州黔西，講師，碩士，研究方向為先進制造技術。