务ｌ ４ｇ 地 基于西门子ＰＬＣ和变频器的物料分拣系统设计 Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｏｒｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｅｍｅｎｓ ＰＬＣ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ 李庭贵 ＬＩ Ｔｉｎｇ－ｇｕｉ’’ （１．泸州职业技术学院，泸州６４６００５；２．四川省泸州市工程机械智能优化设计重点实验室，泸州６４６００５） 摘 要：采用西门子ＰＬＣ和变频器，搬运机械手将物料从上料机构取出传送给物料分拣装置，再由传送 带将物料向前传送至分拣口，通过传感器的辨别，实现不同颜色或材质物料的分拣。实践表 明，该控制系统运行可靠，分拣误差率低，劳动生产率显著提高，劳动强度大大降低，具有 广阔的应用前景。 关键词：西门子ＰＬＣ；物料分拣系统；步进电机；机械手 中图分类号：ＴＰ２７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９～０１ ３４（２０１ ３）０６（下）一００９２—０４ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ３．０６（ ）．２７ ０引言 上料机构口 由推料气缸、存放料台、工件、 物料分拣是把货物按品种从不同的地点和单 光电传感器、井式工件库、安装支架等组成，主 位分配到所设置的场地的作业。按分拣的手段不 要完成将物料依次送至存放料台上。搬运机械手 同，可分为人工分拣、机械分拣和自动分拣。在 机构 由步进电动机及驱动器、电磁阀、机械 技术日益发展的今天，以往采用人工进行物料分 手臂伸缩气缸、机械手气动手爪、机械手前臂升 拣的企业，生产效率低下，生产成本高ｎ】，无法适 降气缸、电感传感器、磁性传感器等组成，主要 应激烈的市场竞争。鉴此，应用ＰＬＣ技术和变频器 完成将物料从上料机构的存放料台输送到分拣机 技术，设计物料分拣系统ｕ３】，能够自动连续对物 构的入料口。为了确定机械手的位置基准，在其 料进行分拣。 底座安装有电感传感器。为了防止机械手旋转越 １系统总体结构设计 位，在其左／右旋转的极限位置安装有限位开关。 物料分拣机构ｕ 由推料气缸、导料气缸、变频 １．１系统结构设计 器、三相异步电动机、输送带、分拣料槽（１＃、 基于ＰＬＣ控制的物料分拣系统主要由上料机 ２＃、３＃）、磁性传感器、光电传感器、电感传感 构、搬运机械手机构、分拣机构等组成，系统结 器、光纤传感器及电磁阀等组成，主要完成物料 构示意图如图１所示。 的输送及分拣任务。 １．２系统工作流程 采用西门子ＰＬＣ控制器，搬运机械手将物料从 上料机构取出，通过一定的时间间隔连续地传送 给物料分拣装置，再由传送带将物料向前传送至 分拣口，通过传感器的辨别，实现不同颜色或材 质物料的分拣。系统工作流程如图２所示。 ２系统硬件设计 图１ ＰＬＣ控制的物料分拣系统结构示意图 ＰＬＣ控制的物料分拣系统的硬件主要由ＰＬＣ控 收稿日期：２０１３－０１－０４ 基金项目：Ｉ￣）ｔｌ省泸州市科技局资助项目：泸州地区中小机电企业智能化技术改造研究（泸市科［２０１１】１０８号） 作者简介：李庭贵（１９７３一），男，１５ｔ）ｔｌ泸县人，副教授，工程师，硕士，研究方向为智能优化与控制。 【９２】 第３５卷第６期２０１３－０６（下） ｌ 匐 化 送料机构 搬运机械手机构 ———］ 机械手抓取物料 放置物料 ｌ （工件库） 机械手搬运物料 机械手放开物料 分拣机构 光电传感器检测 分拣槽传感器 光纤传感器检测 电感式传感器 入料口物料 检测物料 白色尼龙物料 检测金属物料 Ｙ［ 启动变频器 挡块将黑色尼龙 推料气缸将白色尼 推料气缸将金属 电动机运行 物料推入３＃料槽 龙物料推入２＃料槽 物料推入１＃料槽 怡＝几至一＝ 一报 皮带传输送工件 图２ ＰＬＣ控制的物料分拣系统工作流程图 制模块、步进驱动模块、变频器模块、气动控制 ２．２步进驱动模块 模块等组成。 步进驱动模块主要包括步进电动机和步进驱 ２＿１ ＰＬＣ控制模块 动器，通过ＰＬＣ输出脉冲个数进行精确定位，用 根据系统的控制要求，该系统需要２１个输入 于控制搬运机械手ｕ Ｍ 的向右旋转（机械手搬运物 点与１４个输出点，共计３５个Ｉ／Ｏ点，因此选用西门 料）和向左旋转（机械手复位）。 子ＣＰＵ２２６ＣＮ ＰＬＣ作为控制器，它具有２４个输入点 选用ＳＹＮＴＲＯＮ（森创）公司的三相混合式步 与１６个输出点，而且该ＰＬＣ具有高速脉冲输出ＰＴＯ 进电机５７ＢＹＧ３５０ＣＬ［１ ，步距角为１．２。，ＰＬＣ的输 （Ｐｕｌｓｅ Ｔｒａｉｎ Ｏｕｔｐｕｔ，脉冲串输出）功能，可以驱 出点ＱＯ．１控制其旋转方向，ＱＯ．０输出脉冲信号的频 动步进电机运动。西门子ＰＬＣ控制的物料分拣系统 率和数目分别控制机械手的旋转速度和旋转角度。 输入输出端子接线图如图３所示。 选用雷塞科技公司的细分型步进电机驱动器 ３ＭＤ５６０［１ 。为了达到更精确的控制精度，通过设 置其拨码开关Ｓ Ｗ ６＝Ｏ Ｆ Ｆ、Ｓ Ｗ ７＝Ｏ Ｆ Ｆ、 ＳＷ８＝ＯＦＦ，可使细分精度达到１００００步数／圈，即 ＰＩ 输出１００００个脉冲使步进电机转一圈，每个脉冲 步进电机转动０．０３６。（３６０。／１００００＝０．０３６。）。 设置驱动器的拨码开关ＳＷ１＝ＯＮ、ＳＷ２＝ＯＮ、 ＳＷ３＝ＯＮ、ＳＷ４＝ＯＮ，其输出相电流为６．０Ａ，使 步进电动机能够输出足够的转矩，从而驱动搬运 机械手动作。 ２．３变频器模块 选用西门子公司的ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ ４２０变频 器，实现调速和节能目的。在分拣机构的入料口 处安装有光电传感器，当其检测到物料时，给ＰＬＣ 图３西门子ＰＬＣ控制的物料分拣系统输入输出端子接线图 发出信号，ＰＬＣ控制变频器启动，变频器以３０Ｈｚ 第３５卷第６期２０１３－０６（下） ［９３１ ｌ 频率工作，三相交流异步电动机运行，从而带动 输送带运送物料。 当料槽检测传感器检测到有工件经过时，说 甸 化 将工件推到存放料台上。机械手水平手臂伸出、 缩回由Ｑ２控制，机械手垂直手臂上升、下降由Ｑ３ 控制，工件的抓取由Ｑ４完成。推料气缸Ｑ５控制将 金属物料推入１号料槽，由单电控二位五通电磁阀 ＹＶ６控制。导料气缸Ｑ６控制将白色尼龙物料推入２ 号料槽，由单电控二位五通电磁阀ＹＶ７控制。 为了进行气缸的位置检测，在气缸Ｑ１～Ｑ６ 上，均安装有磁性传感器。当气缸准确到位后， 磁性开关指示灯亮，磁性传感器给ＰＬＣ发出信号。 明该工件为黑色尼龙物料，通过挡块推入３＃料 槽，此时变频器低频运行，三相交流异步电动机 停止，输送带停止。对ＭＩＣＲ０ＭＡＳＴＥＲ ４２０变频 器进行参数设置，如表１所示。 表１ ＭＩＣＲＯＭＡＳＴＥＲ ４２０变频器主要参数设置 序号 １ 参数代号 Ｐ０１ｏ０ 设置值 ０ 说明 工频选择 气动机械手向左旋转或向右旋转到位后，电感传 感器向ＰＬＣ发出信号。ＰＬＣ控制的物料分拣系统气 动控制原理图如图４所示。 ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ＰＯ３Ｏ４ Ｐ０３０５ Ｐ０３０７ ＰＯ３１Ｏ Ｐ０３¨ ＰｌＯｏ０ Ｐ１Ｏ８Ｏ Ｐ１０８２ ３８０ Ｏ．１７ Ｏ．Ｏ３ ５０ １５００ １ Ｏ ５０．ｏ０ 电动机的额定电压 电动机的额定电流 电动机的额定功率 电动机的额定频率 电动机的额定速度 选择频率设定值 电动机最小频率 电动机最大频率 ３系统软件设计 根据系统工作流程，ＰＬＣ控制的物料分拣系 统程序设计，主要包括上料程序段、搬运机械手 程序段、分拣程序段。搬运机械手程序段主要包 括机械手程序、ＱＯ．０输出脉冲子程序、停止ＱＯ．０ 输出脉冲子程序等模块，为程序设计的重点和难 １０ １ｌ １２ Ｐ１１２０ Ｐ１１２１ Ｐ１Ｏ４Ｏ ２．ｏｏ ５．０ｏ ３０ 斜坡上升时间 斜坡下降时间 频率设定 点，下面主要讨论其程序设计。 ３．１机械手程序设计 物料搬运机械手的运动过程包括机械手抓取 物料、搬运物料、放开物料、复位等，完成该过 ２．４气动控制模块 搬运机械手系统采用气动控制方式，气动控 制模块主要由送料气缸Ｑ１、机械手臂伸缩气缸 Ｑ２、机械手前臂升降气缸Ｑ３、机械手气动手爪 Ｑ４、推料气缸Ｑ５、导料气缸Ｑ６、电感传感器、 磁性传感器、电磁阀等组成ｕ 。推料气缸Ｑｍ用于 送料气缸机械手臂伸妻宣气缸 机械手前臂升降气缸 ｇｔ￣程后，等待下一个物料到位，重复上面的动作， 其流程图ｕ 如图５所示。 ３－２启动Ｑ０．０输出脉冲子程序设计 通过ＰＴＯ（Ｐｕｌｓｅ Ｔｒａｉｎ Ｏｕｔｐｕｔ，脉 Ｃｌ－ｑ－ａｉｒｉ 冲串输出）编程，运用脉冲输出指令 ＰＬＳ，可在西门子ＣＰＵ２２６ＣＮ ＰＬＣ的高 速脉冲输出点ＱＯ．０上控制脉冲串输出， 驱动步进电机５７ＢＹＧ３５０ＣＬ工作，从而 实现抓料机械手的旋转运动。 ＱＯ．０输出脉冲串配置为加速、匀 速、减速３段。第一段为加速阶段，初 始周期为２０００ｕｓ，周期增量为一４，输出 脉冲数为１０个。第二段为匀速阶段，初 始周期为８００ｕｓ，周期增量为０，输出脉 冲数为１ ７ ５ ０个（机械手向右旋转 ｘ３６０。＝６３。）或３０００个（机械手 １００００ ｎ０ ． 向左旋转 图４ ＰＬＣ控制的物料分拣系统气动原理图 ３０００ １０８￣，复位）。 第三段为减速阶段，初始周期为 ［９４１ 第３５卷第６期２０１３—０６（下） 载物台物抖检测光电传感器（１０ ４）检测物料到位＿．机械手水平手臂伸出（００ ４） 』 水平手臂伸出限位传感器（１０ ７）检测到位，延时０ ５。 垂直手臂下降（Ｑ０・５） Ｉ ｌＩ 垂直手臂下降限位传感器（１１ １）检爰Ｉ到位，延时０ ５ｓ＿．气动手爪夹紧（∞６）．抓取物 ｌ 气动手爪夹紧限位传感器（ＩＩ ３）检测到夹紧信号．延时０ ５ｓ 垂直手臂上升（ｑ０．５） Ｉ 垂直手臂上升限位传感器（Ｉ１ ２）检爰Ｉ到位一水平手臂嫡回（ｑ０ ４） Ｉ 装入１７５０个脉冲．设置步进电机向右旋转（ｑ０．ｉ） ｌ 水平手臂缩回限位传感器（ＩＩ．０）检测到位＿．机械手向右旋转 Ｉ 调用 启动ＱＯ ０输出脉冲子程序 ，机械手向右旋转６３度 ｌ 机械手向右旋转到位，调用“停止ｑ０ ０输出脉冲子程序”一机械手水平手臂伸出（ＱＯ ４） Ｉ 水平手臂伸出限位传感器（Ｉ。．７）检测到位．延时Ｏ．５ｓ￣垂直手臂下降（∞．５） ｌ ｌ 垂直手臂下降限位传感器（Ｉｌ Ｉ）检测到位．延时０．５ｓ－’气动手爪松开（ＱＯ ７），放开物料 Ｊ 气动手爪夹蠕限位传感器（Ｉ１ ３）未检测到夹紧信号，延时０ ５ｓ一垂直手臂上升（ＱＯ ５）： 垂直手臂上升限位传感器（ＩＩ．２）检测到位＿．水平手臂缩回（ＱＯ ４） Ｊ 装入３０００个脉冲，设置步进电机向左旋转（ＱＯ １）； 水平手臂缩回限位传感器（Ｉ１ ０）检测到位一机械手向右旋转 ｌ 调用 启动ＱＯ．０输出脉冲子程序 ，机械手向左旋转１０８度 ｌ 机械手向左旋转到位．调用“停止Ｑ０．。输出脉冲子程序 ，系统回到初始位置复位 Ｉ 图５搬运物料机械手动作流程图 ２０００ ＩｔＳ，周期增量为１，输出脉冲数为１。其多段 ＰＴＯ操作包络表与ＰＴＯ控制字设置ｎ 如表２所示。 表２ 多段ＰＴＯ操作的包络表设置 设置项目 设置参数 包络段数 ＶＢ５００＝－３ ｌ＃初始周期 ＶＷ５０１＝２０００１ａｓ ｌ 脉冲周期增量 ＶＷ５０３＝．４ １＃脉冲敬 ＶＤ５０５＝１０ ２＃Ｗ始周期 ＶＷ５０９＝８００￣ ２＃脉冲周期增量 ＶＷ５１１＝０ ２＃脉冲数 ＶＤ５１３＝ＲＯＵＮＤ（ＶＤ３００）＝３０００（机械手复位） ＶＤ５１３＝ＲＯＵＮＤ（ＶＤ３００）＝１７５０（机械手向右旋转） ３＃初始周期 ＶＷ５１７＝２０００ｐｓ ３＃脉冲周期增量 ｖ、Ⅳ５１９＝１ ３＃脉冲数 ＶＤ５２１＝１ ＰＴＯ控制字 ＳＭＢ６７＝１６＃ＡＯ（允许ＰＴＯ，多段操作，时基Ｏｓ） 起始地址偏移量 ＳＭＷ１６８＝５ＩＸ） 执行ＰＬＳ指令结果 激活ＰＴＯ０操作，启动ＱＯ．０输出脉冲 频率的倒数为周期，最大频率为 ５Ⅲｚ，最小频率为 ：：ｌ‘２５ｋＨｚ， ＱＯ．０输出脉冲的频率／时间图如图６所示。 图６ Ｑｏ．ｏ输出脉冲的频率，时间图 ＱＯ．０输出脉冲子程序流程图如图７所示。 设置包络段数：３￣ＶＢ５００ ｌ 设定１＃初始周期：２０００Ｐｓ￣ＶＷ５０１： 设定１＃脉冲周期增量：一４一ｗ５Ｄ３； 设定１＃输出脉冲数：ｌＯ￣ＶＤ５０５ ｌ 设定２＃初始周期：８００ ｓ—ｖｗ５０ｇ： 设定２＃脉冲周期增量：Ｏ￣ＶＷ５１１： 定２＃输出脉冲数：ＶＤ３００（取整）￣Ｄ５１３ ｉ 设定３＃初始周期；２０００ｐｓ￣ＶＷ５１７； 设定３ 脉冲周期增量；ｌ—ｗ５ｌ９； 设定３＃输出脉冲数：１￣ＶＤ５２１ ｌ 设置ＰＴＯ０控制寄存器：１６＃Ａ０－－Ｓ￣６７ 设置包络表的起始位置：５ｏ０一ｓ删１６８ ｌ 允许中断：ＥＮＩ ｌ 执行ＰＬＳ指令：启动Ｑ０ ０输出脉冲 』 子程序返回 图７启动Ｑｏ．ｏ输出脉冲子程序流程图 ３．３停止Ｑ０．０输出脉冲子程序设计 设置ＰＴＯ控制字ＳＭＢ６７为１６＃００（禁止ＰＴＯ输 出，即关闭ＰＴＯ０），执行ＰＬＳ指令，停止ＱＯ．０输 出脉冲信号。 ４结束语 本系统采用西门子ＰＬＣ控制物料分拣系统， 详细介绍了系统的总体结构设计、硬件设计和 软件设计。实践表明，该系统能够自动连续对物 料进行分拣，分拣误差率低，劳动生产率显著提 高，劳动强度大大降低。针对不同行业的分拣对 象，选择相应的传感器辨识物料的颜色、大小或 第３５卷第０期２０１３－０６（下） ［９５１ 务ｌ 訇 化 者材料属性等，对本系统稍加修改即可实现物料 都师范大学学报（自然科学版），２０１ １，３２（６）：５—８． ［８】付伟．ＰＬＣ在材料自动分拣系统中的应用［Ｊ］．制造业自动 化，２０１２，３４（３下）：１３６—１３８， 【９】于吴．ＰＬＣ在材料自动分拣系统中的应用［Ｊ】．煤炭技 术，２０１ １，３０（１２）：３１—３２． ［１０】张有东，赵金宪．ＰＬＣ材料自动分拣系统的研究［Ｊ】－煤炭技 术，２００２，２１（７）：１０５，１１０． 【１１】刘明．基于ＰＬＣ的材料分拣系统【Ｊ】．科技信息，２０１１，（３）：５２０． 分拣，其原理和技术可扩展到物流配送中心、医 药、食品加工、机械电子等行业，具有广阔的应 用前景。 参考文献： ［１】崔保春，单鹏．基于ＰＬＣ的物料分拣控制的设计［Ｊ】＿科技信 息，２０１０，（３２）：６４０． 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落料孔径Ｄ尺寸，使其略大于等于Ｄ１尺寸，目的 是支撑凹凸模在冲压时的冲裁力。 图４下棋座止中内端面磨损示意图 在对下模座的检验测试中发现两个问题，一 ５结束语 经过以上改进，在同样型号、同样切环模具 是下模座止口内端面磨损塌斜一个Ｍ值，图四所 的冲制中，连续１４个班次，冲件１４万件以上，仍 示。Ｍ值为０．４０＂－＇０．５０ｍｍ。产生塌斜的原因是模 在使用；在其他几种型号的保持架冲压中，效果 具长时间使用，造成磨损。正因为有了这样一个 均令人满意。通过这次现场问题的分析和解决， Ｍ值的存在，使凹凸模在冲压中不仅要承受冲击 笔者有两点体会：１）分析模具的破损原因，不应 力，还要承受弯曲力、摩擦力、弹性力等多种交 只从损坏件本体找问题，从与之相关的配合件找 变载荷，因而加速了凹凸模的破损。二是发现下 问题，往往会使问题明朗化，因而要深入现场， 模座的落料孔径Ｄ比凹凸模的切环外径大，如图３ 进行分析和研究。２）排除模具使用中的每一个问 所示；也就是说凹凸模在受力时，底部承载力面 题，哪怕是很小的问题，都可望使模具的寿命提 是悬空的，没有支撑，导致凹凸模底面不仅受到 高或延长。 【９６】 第３５卷第６期２０１３—０６（下）
